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La naturaleza intrínseca de retención de electrones de los grupos alquilo

Lo que está a punto de leer puede ser un párrafo muy alucinante, pero no lo considere un disparate. Piénselo detenidamente.

En el capítulo 6 de Química Orgánica (4ª ed.) de Maitland Jones Jr. y Steven A. Fleming, se dice lo siguiente (p. 237):

En 1970, el profesor John Brauman (nacido en 1937) y sus colaboradores de la Universidad de Stanford demostraron que en fase gaseosa se obtenía el orden de acidez opuesto. La acidez intrínseca de los cuatro alcoholes de la tabla 6.6 es exactamente opuesta a la encontrada en solución. El orden de acidez medido en solución refleja un poderoso efecto del disolvente, no las acideces naturales de los propios alcoholes. Los iones orgánicos son casi todos especies inestables, y la formación de los aniones alcóxido depende fundamentalmente de la facilidad para estabilizarlos mediante la interacción con moléculas de disolvente, un proceso denominado solvatación. El alcohol terc-butílico es un ácido más débil en solución que el alcohol metílico porque el gran ion alcóxido terc-butílico es difícil de solvatar. Cuantos más grupos alquilo, más difícil es que se acerquen las moléculas estabilizadoras del disolvente (Fig. 6.22). Por supuesto, en la fase gaseosa donde la solvatación es imposible, se observa el orden de acidez natural.

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Permítanme aportar algo de contexto. El autor habla de la acidez de los alcoholes en fase gaseosa y en fase acuosa. En la tabla 6.6, como se muestra más arriba, los valores de pKa muestran la disminución de la acidez de los alcoholes a medida que aumenta el tamaño de la parte alquílica. El autor lo explica diciendo que no se debe realmente al efecto donador de electrones de los grupos alquilo, que concentran la carga negativa en el átomo de oxígeno. Más bien, argumenta que se debe a la disminución del grado de solvatación debido al impedimento estérico que supone el volumen de los grupos alquilo. Se trata de una racionalización razonable.

Sin embargo, los autores discuten a continuación la acidez de los alcoholes en fase gaseosa y mencionan que la tendencia de la acidez se invierte en esta situación. Los grupos alquilo aumentan ahora la acidez del alcohol, en lugar de disminuirla. A continuación, los autores afirman que se debe a la que retira electrones naturaleza de los sustituyentes alquílicos. Incluso proporcionan una imagen orbital molecular cualitativa de esta interacción de "retirada de electrones", como se muestra en el siguiente párrafo (p. 238):

Los grupos alquilo tienen orbitales moleculares llenos y vacíos (véanse varios ejemplos en los problemas del final del capítulo 1). Un par de electrones adyacentes a un grupo alquilo puede estabilizarse mediante solapamiento con el LUMO del grupo alquilo. (Del mismo modo, un grupo alquilo estabiliza un orbital vacío adyacente a través del solapamiento con el HOMO del alquilo).

Me gustaría preguntar si alguien ha oído hablar alguna vez de una racionalización tan poco convencional y si existe una base teórica sólida para las postulaciones realizadas anteriormente por los autores. Si las postulaciones son efectivamente incoherentes con la comprensión química actual, por favor proporcione una respuesta clara detallando las áreas de conflicto.

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JakaQuan Puntos 61

Me pregunto si el pKa del agua (15,7) es una errata. Normalmente pensamos que es 14,0 (a 25C, al menos). Y me pregunto cuánto cambia la acidez en fase gaseosa a lo largo de esta serie.

La acidez en fase gaseosa significa que el ROH debe disociarse en RO- y H+ pero no pone el protón en nada más. Como el protón no está disociado, debe haberse desprendido, digamos en un espectrómetro de masas, donde se puede medir el potencial de fragmentación. Eso parece bastante diferente de nuestra idea habitual de "acidez". Pero vale, es una observación de una característica de una serie de compuestos relacionados.

La tendencia a designar lugares específicos para los electrones (LUMO, HOMO) es comprensible, pero a veces esta descripción es incierta e innecesaria. En un ion RO- en fase gaseosa, la carga negativa no está al 100% alrededor del núcleo del átomo de oxígeno. Seguramente se volverá asimétrica y derivará donde pueda encontrar un poco de positividad, como en los carbonos y los hidrógenos. Los grupos alquilo son polarizables y estabilizan tanto los aniones como los cationes ( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ejoc.200700004 ).

Es más sencillo explicar los cambios de acidez en el agua y en la fase gaseosa refiriéndose a la polarizabilidad dependiente del tamaño de los grupos alquilo, pero utilizar orbitales moleculares puede haber parecido mejor para la publicación.

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Zhora Puntos 222

Nótese que la tabla compara acideces muy pequeñas, y la diferencia para diferentes sustituyentes alquilo es pequeña (aunque falta la tabla para los datos en fase gaseosa), por lo que la contribución de los grupos alquilo al efecto total de retirada de electrones (estabilizando la pérdida de un protón) es pequeña. No se piensa que el carbono retire electrones en relación con el oxígeno, pero sí que tiene un mayor afinidad de electrones que H. De lo que se trata, en cualquier caso, es de explicar relativa en lugar de acidez absoluta.

Consideremos entonces la reacción general de disociación en fase gaseosa

$ X-O-H \ce{->} X-O^- $ + $ H^+$

o alternativamente la afinidad electrónica de $X-O$ radicales:

$ X-O^. + e^- \ce{->} X-O^- $

Un modelo físico sencillo pero intuitivo que sugiere por qué $[tBuO^-]/[tBuO^.]$ debe ser mayor que $[MetO^-]/[MetO^.]$ en fase gaseosa es el partícula en un modelo de caja . Si suponemos que la densidad de carga es uniforme en los grupos alquilo (razonable para los hidrocarburos), entonces el electrón extra tiene más espacio para moverse (una "caja" más grande) en el ion tBu. Como los niveles de energía son inversamente proporcionales al tamaño de la caja, la energía del electrón será menor (más estable) en el ion tBu más grande. La mayor deslocalización en el $tBuO^-$ disminuye la energía del electrón en relación con el caso del ion metoxi, de modo que la energía de ionización es menor y la acidez mayor para el tBuOH en vacío.

Argumentar en términos de LUMOs podría ser más preciso, pero un simple modelo de deslocalización es suficiente en este caso.

También sería interesante comparar las acideces en un disolvente orgánico. Véase por ejemplo este artículo.

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