Me siento bastante cómodo con la química orgánica, así que déjenme contarles una historia del flujo de electrones en la química orgánica. No estoy seguro de si la concepción es diferente en química inorgánica, especialmente porque sé que hay algo de ondulación manual en orgánico. Esta historia habla sobre el flujo de electrones que conduce al producto final. Al final hablaré sobre la reversibilidad y lo que significan los “orbitales” (¿qué es lo que los electrones están fluyendo desde y hacia?)
Como sea
Esto es, creo, metanamina.
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El nitrógeno es primario, ya que tiene tres enlaces, y solo uno es para un elemento que no es hidrógeno (casi se pueden formar dos grupos en química orgánica: hidrógeno y todo lo demás). El nitrógeno también tiene un par solitario, y al ser más electronegativo que el carbono (es aproximadamente del mismo tamaño pero tiene más protones), tiende a atraer la densidad de electrones del carbono hacia sí mismo y del hidrógeno hacia sí mismo. Ese carbono, siendo más electronegativo que el hidrógeno unido a él, también atrae electrones del hidrógeno hacia sí mismo. Ahora puedes imaginar que el nitrógeno tiene mucha densidad de electrones.
Ahora esto es cloruro de 2-metilbutanoilo, un haluro de ácido (cloruro específicamente), generalmente un miembro del grupo de derivados de ácido carboxílico.
Ahora, el oxígeno es extremadamente nucleófilo, al igual que el cloro. El carbono entonces, al no tener enlaces con el hidrógeno, pierde mucha densidad de electrones; el oxígeno extrae mucha densidad de electrones, y también el cloro. El carbono en el grupo de cloruro de ácido es muy pobre en electrones.
¿Qué imagina que sucede cuando mezclamos cloruro de 2-metilbutanoilo con metanamina?
El grupo amina “ataca” al carbono pobre en electrones (en la nomenclatura de la química orgánica, un ataque nucleófilo), al usar su densidad electrónica para unirse con el carbono. Debido a la regla del octeto (esencialmente, el carbono no está lo suficientemente abajo en la tabla periódica para utilizar sus orbitales dof, por lo que en realidad está limitado a cuatro enlaces), el carbono puede tener solo cuatro enlaces. Debido a que la unión del nitrógeno rico en electrones y el carbono pobre en electrones es tan favorable desde el punto de vista energético, y debido a que el oxígeno es muy electronegativo, al extraer la densidad electrónica del carbono, el enlace pi (el segundo enlace en un doble enlace) es atraído hacia el oxígeno . En términos de química orgánica, los electrones en el nitrógeno empujan los electrones en el enlace pi hacia el oxígeno.
Entonces, tengamos una idea de lo que tenemos ahora: el haluro de ácido se ha reformado para que haya cuatro grupos unidos al carbono: un esqueleto de carbono, un oxígeno rico en electrones, una amina primaria y un cloro. El esqueleto de carbono generalmente no es reactivo en química orgánica (en relación con la reactividad del grupo funcional). Hasta ahora, la historia ha sido sobre el flujo de regiones ricas en electrones a pobres en electrones. Y continuará así.
El oxígeno rico en electrones, aunque es muy electronegativo, no es muy estable y contiene todos esos electrones. Estos electrones inestables serán atraídos por el carbono central pobre en electrones (recuerde, tiene un haluro, una amina y un oxígeno unidos); está tan protegido (hay muy pocos electrones repulsivos en el camino) que la atracción entre los electrones inestables y el El núcleo de carbono es bastante fuerte. Entonces, estos electrones fluyen, hasta que ocupan el enlace orbital pi entre el carbono y el oxígeno; este es el lugar más estable para estos electrones, en lugar de estar localizado en el oxígeno (segundo lugar más estable) o en el carbono (lugar menos estable) ) Sin embargo, para hacer esto, la regla del octeto no puede ser violada. Entonces uno de los otros tres enlaces sigma debe romperse. Veamos cuál se romperá.
El enlace entre dos carbonos es generalmente muy fuerte, ya que cualquier carbanión resultante es altamente inestable y atacará nucleofílicamente al derivado de ácido carboxílico reformado, y el proceso volverá a ocurrir. En otras palabras, no estamos diciendo que este enlace nunca se rompa, sino que se vuelve a unir tan rápido que no conduce a un producto: el equilibrio termodinámico favorece en gran medida que los carbonos permanezcan unidos. El enlace entre el nitrógeno y el carbono es un poco inestable en este momento: el nitrógeno actualmente tiene cuatro enlaces, lo que le da una carga positiva formal. Esto representa que el nitrógeno es pobre en electrones, y le gustaría romper un enlace (y atraer electrones hacia él) para que pueda estabilizarse. Sin embargo, esta no es una tendencia fuerte, especialmente porque no hay una diferencia suficientemente significativa entre las electronegatividades de nitrógeno y carbono (aunque este enlace puede romperse, sin embargo, la amina primaria reformada simplemente atacará al haluro de ácido nuevamente y estaremos de vuelta aquí de nuevo). El enlace entre el cloro y el carbono, por otro lado, es muy inestable. El cloro es estable como un ion, y ya está alejando mucha densidad de electrones del carbono. Esto hace que el enlace carbono-cloro sea el enlace menos estable .
Entonces, la historia es así: los electrones inestables en el oxígeno se deslocalizan del oxígeno, ocupando el orbital de enlace pi entre el carbono y el oxígeno (reformando el doble enlace), y la densidad de electrones en el enlace sigma es empujada hacia el átomo de cloro expulsándolo. El ion cloro recién formado es bastante estable, aunque posee una carga formal de -1 .
Recuerde que el nitrógeno tiene cuatro enlaces, dándole una carga formal de +1 . Quiere perder uno de sus lazos. Ahora sucede una de dos cosas: el solvente, supondremos que ha sido agua todo el tiempo, extrae un protón, que actúa como base, y la amina que actúa como un ácido (donante de protones). O el ion cloro, que es negativo y, por lo tanto, rico en electrones, comparte la densidad electrónica con un hidrógeno unido a nitrógeno parcialmente positivo (recuerde que el nitrógeno extrae la densidad electrónica del hidrógeno). Sin embargo, el hidrógeno puede formar un solo enlace, ¡siendo el elemento más simple que es! Entonces, si el ion cloro comparte la densidad electrónica con el hidrógeno para unirse con él, el enlace entre el nitrógeno y el hidrógeno debe romperse. Al hacerlo, el nitrógeno extrae la densidad electrónica del orbital de enlace sigma entre el hidrógeno y el nitrógeno, y el enlace se rompe. El protón (el hidrógeno es básicamente un protón, especialmente cuando está perdiendo electrones y siendo donado) luego es extraído por el cloro. La solución ahora tiene pequeñas cantidades de ácido (H-Cl), que se disocian por el agua mediante un proceso similar a la primera posibilidad en este párrafo. La solución es entonces ligeramente ácida, e incluso se puede considerar la posibilidad de que el oxígeno extraiga protones de la solución y agregue una pequeña cantidad de base para neutralizar la solución.
Ahora para concluir, repasaré un concepto que ha aparecido una y otra vez en esta historia: la reversibilidad. Esto significa que sucederá una reacción, y la reacción hacia atrás puede suceder. Las reacciones que no reforman abrumadoramente el reactivo, y no el producto, representarán un posible próximo paso. Casi todas las reacciones tienen un paso hacia atrás y hacia adelante, aunque el paso hacia atrás o hacia adelante podría simplemente conducir a una configuración electrónica muy inestable, lo que hace que el paso inverso sea muy rápido / favorable, y hace que la probabilidad estadística de que el paso ocurra en el primer lugar muy bajo (quizás probabilidades como 1,000,000 / 1.2044282 x 10 ^ 22, que está al lado de cero). Aunque hay pasos de reacción que son muy poco probables, probablemente ocurran en alguna frecuencia baja (como 1,000,000 en 1.2044282 x 10 ^ 22). Pero debido a que la frecuencia es tan baja, generalmente podemos descuidarlos. El flujo de electrones que a menudo nos deja en una reacción química es el que se describe mediante pasos de reacción favorables.
Ahora para orbitales; su significado puede parecer esquivo para alguien que no esté familiarizado con la mecánica cuántica. Voy a saltar sobre hablar de las matemáticas y las ecuaciones. Esencialmente, los orbitales son una “descripción” matemática de dónde es más probable que estén los electrones. Son dinámicos (las regiones de densidad electrónica dependen de la naturaleza del compuesto). ¿Es un átomo? ¿Se está formando una molécula? Es genial que podamos describir estas regiones de densidad matemáticamente, aunque no necesita las matemáticas para obtener los conceptos básicos de la idea. Los electrones fluirán entre diferentes orbitales, y los orbitales se formarán y desaparecerán según la naturaleza del compuesto y cómo cambia. Son propiedades emergentes de un compuesto.
Espero que esta historia ayude a comprender cómo ocurren las reacciones químicas, al menos en química orgánica.
