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Los electrones pi en moléculas conjugadas: ¿Qué tan misteriosos son?
En química teórica, un "sistema conjugado" es aquel que tiene electrones deslocalizados en los orbitales p conectados. Esta combinación generalmente reduce la energía general de la molécula y aumenta la estabilidad. La representación clásica de un sistema conjugado es la alternancia de enlaces simples y dobles. La conjugación se produce cuando los orbitales p adyacentes enlazados σ se superponen, un término acuñado por el químico alemán Johannes Thiele en 1899. A menudo, la gente aplica esta propiedad a las moléculas porque los electrones pi combinados no pertenecen a un solo enlace o átomo, sino a un grupo de átomos.
Debido a la superposición de orbitales p adyacentes en moléculas conjugadas, los electrones pueden fluir más libremente, formando así un sistema conjugado más estable.
En los sistemas conjugados, además de las tradicionales combinaciones de orbitales p, intervienen otros componentes como pares de electrones solitarios, radicales libres o cationes carboxilo. Estas moléculas conjugadas pueden ser cíclicas, acíclicas, lineales o mixtas. Las moléculas conjugadas orgánicas comunes incluyen 1,3-butadieno, benceno y cationes alilo, mientras que los sistemas conjugados más grandes se encuentran en el grafeno, el grafito, los polímeros conductores y los nanotubos de carbono.
Enlace químico en sistemas conjugados
La conjugación generalmente se logra alternando enlaces simples y dobles, y cada átomo proporciona un orbital p perpendicular al plano de la molécula. Incluso moléculas complejas, como el furano, tienen dos enlaces dobles alternados en este anillo de cinco miembros, a cada lado del oxígeno. Uno de los pares solitarios de oxígeno mantiene su superposición en el orbital p en esa posición, manteniendo así la conexión conjugada. Sin embargo, no todos los pares solitarios participan en la conjugación; por ejemplo, en la piridina, el átomo de nitrógeno ya está incluido en el sistema conjugado a través de un doble enlace formal con el carbono adyacente, por lo que el par solitario se encuentra en el plano y no participa en la conjugación.El sistema conjugado debe ser plano (o casi plano) para que los pares solitarios participantes ocupen orbitales con carácter p puro, en lugar de los orbitales híbridos spn típicos de los pares solitarios no conjugados.
Energía de estabilización
Las estimaciones cuantitativas de la energía de estabilización de la conjugación son bastante controvertidas porque dependen de los supuestos subyacentes al sistema base de comparación o al proceso de reacción. Cuando se define formalmente la energía de conjugación, la llamamos energía de resonancia, que es la diferencia de energía entre el enlace químico real y el enlace π enfocado hipotético. Aunque esta energía no se puede medir directamente, existe cierto consenso en que los sistemas catiónicos son generalmente más desestabilizadores que los sistemas neutros.
Curiosamente, cuando se trata de conjugados polivalentes, como el benceno, las energías de resonancia de estas especies varían entre 36 y 73 kcal/mol, lo que demuestra la gran contribución de la conjugación a la estabilidad química. Pigmento y color azulEn compuestos con sistemas π conjugados, los electrones pueden capturar fotones específicos, de forma similar a cómo una antena de radio detecta fotones a lo largo de su longitud. En términos generales, cuanto mayor sea el grado de conjugación (es decir, cuanto más largo sea el sistema π), mayor será la longitud de onda de los fotones que puede capturar. Las moléculas que absorben luz en el rango visible a menudo aparecen coloreadas, especialmente cuando contienen una gran cantidad de enlaces conjugados; los colores comunes incluyen el amarillo o el rojo.
Por ejemplo, en el betacaroteno, las largas cadenas de hidrocarburos conjugados le dan su intenso color naranja, que se debe a la excitación de los electrones, que son impulsados a un estado de energía más alto cuando el sistema absorbe fotones de una determinada longitud de onda.
La conexión entre estabilidad y estructura
La estabilidad de las moléculas conjugadas a menudo revela la relación sutil entre estructura y reactividad. Aprovechando la deslocalización de los electrones y las propiedades mecánicas cuánticas de varias especies, los investigadores pudieron descubrir los secretos de estas misteriosas moléculas. A medida que profundizamos nuestra comprensión de los sistemas conjugados, no podemos evitar preguntarnos: ¿qué secretos se esconden en estas estructuras químicas aparentemente ordinarias?
