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El encanto de los sistemas conjugados: ¿cómo mejoran la estabilidad molecular?
En química teórica, un sistema conjugado es un sistema molecular que contiene orbitales p enlazados y electrones deslocalizados, lo que generalmente reduce la energía general y aumenta la estabilidad molecular. La representación tradicional de tales sistemas es la alternancia de combinaciones de enlaces simples y múltiples. Pares solitarios de electrones, radicales libres o carbocationes pueden ser parte de este sistema, formando estructuras cíclicas o acíclicas, lineales o mixtas.
El atractivo de los sistemas conjugados radica en su capacidad de promover la deslocalización de los electrones π a través de la superposición de orbitales p, mejorando así la estabilidad de la molécula.
El término fue acuñado en 1899 por el químico alemán Johannes Thiele. El fenómeno de conjugación se refiere a la superposición de un orbital p con otro enlace σ adyacente. En este sistema, los electrones pi ya no pertenecen a un solo enlace o átomo, sino que son compartidos por múltiples átomos. Las moléculas que contienen un sistema conjugado se denominan moléculas conjugadas, como el 1,3-butadieno, el benceno y el catión alilo.
Enlaces químicos en sistemas conjugadosLa conjugación se puede lograr alternando enlaces simples y dobles, donde cada átomo proporciona un orbital p perpendicular al plano de la molécula. Sin embargo, esta no es la única manera de lograr la conjugación. Siempre que cada átomo consecutivo tenga un orbital p disponible, el sistema puede considerarse conjugado. Por ejemplo, el furano es un anillo de cinco miembros con dos enlaces dobles alternados en su borde y el átomo de oxígeno tiene dos pares solitarios de electrones, uno de los cuales participa en la conjugación y se superpone con el orbital p del átomo de carbono adyacente. El otro par solitario permanece en el plano y por lo tanto no participa en la conjugación.
Para lograr la conjugación, la primera condición es que los orbitales se superpongan. Por lo tanto, el sistema conjugado necesita mantener una estructura plana.
Energía de estabilización
La estabilidad de los sistemas conjugados es de gran importancia, especialmente en los sistemas catiónicos. Aunque el efecto estabilizador sobre los sistemas neutros es relativamente pequeño, el efecto estabilizador aromático es bastante significativo. Tomando el benceno como ejemplo, se estima que la energía de resonancia de su sistema conjugado está entre 36 y 73 kcal/mol, mostrando una fuerte estabilidad termodinámica y cinética.
La energía de resonancia es la diferencia de energía entre la especie química real y su enlace π localizado.
Compuestos cíclicos conjugados
Los compuestos cíclicos pueden estar parcial o totalmente conjugados. Los hidrocarburos monocíclicos completamente conjugados pueden exhibir propiedades aromáticas, no aromáticas o antiaromáticas. Si el sistema conjugado es plano y presenta un número de (4n + 2) electrones π, el compuesto se denomina aromático y tiene una estabilidad extraordinaria.
Absorción de color y luzEn un sistema π conjugado, los electrones pueden capturar fotones específicos, de forma similar a cómo una antena de radio detecta fotones a lo largo de su longitud. Los compuestos con un número suficiente de enlaces conjugados pueden absorber luz en el rango visible. Por eso, a menudo aparecen en colores intensos. A medida que el sistema se hace más largo, puede absorber longitudes de onda de luz más largas en comparación con los sistemas conjugados cortos. Por ejemplo, la larga cadena de carbono-hidrógeno conjugada del betacaroteno le da su intenso color naranja.
La capacidad de absorción de la luz visible es proporcional al número de dobles enlaces en el sistema conjugado, y el color varía de amarillo a rojo a medida que aumenta el número de dobles enlaces conjugados.
Además, los compuestos similares a la ftalocianina también se utilizan ampliamente en pigmentos sintéticos. No sólo tienen una excitación de baja energía en el rango de luz visible, sino que también pueden aceptar o donar electrones fácilmente. Pero ¿seguirán ganando popularidad estos pigmentos en el futuro?
