Fórmula esquelética - Skeletal formula
La fórmula esquelético , también llamada fórmula de línea-ángulo o fórmula abreviada , de un compuesto orgánico es un tipo de molecular fórmula estructural que sirve como una representación abreviada de una molécula 's de unión y algunos detalles de su geometría molecular . Una fórmula esquelética muestra la estructura esquelética o esqueleto de una molécula, que está compuesta por los átomos esqueléticos que forman la molécula. Está representado en dos dimensiones, como en una hoja de papel. Emplea ciertas convenciones para representar átomos de carbono e hidrógeno , que son los más comunes en la química orgánica.
Una forma temprana de esta representación fue desarrollada por primera vez por el químico orgánico Friedrich August Kekulé von Stradonitz , mientras que la forma moderna está estrechamente relacionada e influenciada por la estructura de Lewis (punto) de las moléculas y sus electrones de valencia. Por esta razón, a veces se las denomina estructuras de Kekulé o estructuras de Lewis-Kekulé . Las fórmulas esqueléticas se han vuelto omnipresentes en la química orgánica , en parte porque son relativamente rápidas y sencillas de dibujar, y también porque la notación de flecha curva utilizada para las discusiones sobre el mecanismo de reacción y / o la deslocalización se puede superponer fácilmente.
Varios otros métodos para representar estructuras químicas también se usan comúnmente en química orgánica (aunque con menos frecuencia que las fórmulas esqueléticas). Por ejemplo, las estructuras conformacionales tienen un aspecto similar a las fórmulas esqueléticas y se utilizan para representar las posiciones aproximadas de los átomos de una molécula en un espacio tridimensional, como un dibujo en perspectiva. Otros tipos de representaciones, por ejemplo, las proyecciones de Newman , proyecciones de Haworth y proyecciones de Fischer , también parecen algo similares a las fórmulas esqueléticos. Sin embargo, existen ligeras diferencias en las convenciones utilizadas, y el lector debe conocerlas para comprender los detalles estructurales que están codificados en estas representaciones. Si bien las estructuras esqueléticas y conformacionales también se usan en química organometálica e inorgánica , las convenciones empleadas también difieren algo.
El esqueleto
Terminología
La estructura esquelética de un compuesto orgánico es la serie de átomos unidos entre sí que forman la estructura esencial del compuesto. El esqueleto puede constar de cadenas, ramas y / o anillos de átomos enlazados. Los átomos del esqueleto distintos del carbono o el hidrógeno se denominan heteroátomos .
El esqueleto tiene hidrógeno y / o varios sustituyentes unidos a sus átomos. El hidrógeno es el átomo no carbono más común que está unido al carbono y, por simplicidad, no se dibuja explícitamente. Además, los átomos de carbono generalmente no se etiquetan como tales directamente (es decir, con una "C"), mientras que los heteroátomos siempre se indican explícitamente como tales (es decir, usando "N" para nitrógeno , "O" para oxígeno , etc.)
Los heteroátomos y otros grupos de átomos que dan lugar a tasas relativamente altas de reactividad química o introducen características específicas e interesantes en los espectros de los compuestos se denominan grupos funcionales , ya que le dan una función a la molécula. Los heteroátomos y los grupos funcionales se conocen colectivamente como "sustituyentes", ya que se considera que son un sustituto del átomo de hidrógeno que estaría presente en el hidrocarburo original del compuesto orgánico en cuestión.
Estructura basica
Como en las estructuras de Lewis, los enlaces covalentes se indican mediante segmentos de línea, con un segmento de línea duplicado o triplicado que indica un enlace doble o triple , respectivamente. Asimismo, las fórmulas esqueléticas indican cargas formales asociadas con cada átomo (aunque los pares solitarios suelen ser opcionales, ver más abajo ). De hecho, las fórmulas esqueléticas se pueden considerar como estructuras de Lewis abreviadas que observan las siguientes simplificaciones:
- Los átomos de carbono están representados por los vértices (intersecciones o extremos) de los segmentos de línea. Para mayor claridad, los grupos metilo a menudo se escriben explícitamente como Me o CH 3 , mientras que los carbonos (hetero) cumuleno se representan con frecuencia por un punto central pesado .
- Se implican átomos de hidrógeno unidos al carbono. Se entiende que un vértice no etiquetado representa un carbono unido al número de hidrógenos requeridos para satisfacer la regla del octeto , mientras que un vértice etiquetado con una carga formal y / o electrón (s) no enlazante se entiende que tiene el número de átomos de hidrógeno necesarios para dar el átomo de carbono estas propiedades indicadas. Opcionalmente, los hidrógenos acetilénicos y de formilo se pueden mostrar explícitamente en aras de la claridad.
- Los átomos de hidrógeno unidos a un heteroátomo se muestran explícitamente. El heteroátomo y los átomos de hidrógeno unidos a él se muestran generalmente como un solo grupo (p. Ej., OH, NH 2 ) sin mostrar explícitamente el enlace hidrógeno-heteroátomo. Los heteroátomos con sustituyentes alquilo o arilo simples, como metoxi (OMe) o dimetilamino (NMe 2 ), a veces se muestran de la misma manera, por analogía.
- Los pares solitarios en carbonos de carbeno deben indicarse explícitamente, mientras que los pares solitarios en otros casos son opcionales y se muestran solo para enfatizar. Por el contrario, las cargas formales y los electrones no apareados en los elementos del grupo principal siempre se muestran explícitamente.
En la representación estándar de una molécula, se dibuja la forma canónica (estructura de resonancia) con la mayor contribución. Sin embargo, se entiende que la fórmula esquelética representa la "molécula real", es decir, el promedio ponderado de todas las formas canónicas que contribuyen. Por lo tanto, en los casos en que dos o más formas canónicas contribuyen con el mismo peso (por ejemplo, en benceno o un anión carboxilato) y una de las formas canónicas se selecciona arbitrariamente, se entiende que la fórmula esquelética representa la estructura verdadera, que contiene enlaces equivalentes de orden fraccional, aunque los enlaces deslocalizados se representan como enlaces simples y dobles no equivalentes.
Convenciones gráficas contemporáneas
Desde que se introdujeron las estructuras esqueléticas en la segunda mitad del siglo XIX, su apariencia ha experimentado una evolución considerable. Las convenciones gráficas que se utilizan hoy en día datan de la década de 1980. Gracias a la adopción del paquete de software ChemDraw como un estándar industrial de facto (por ejemplo, por las publicaciones de la American Chemical Society , Royal Society of Chemiker y Gesellschaft Deutscher Chemiker ), estas convenciones han sido casi universales en la literatura química desde finales de la década de 1990. . Algunas variaciones convencionales menores, especialmente con respecto al uso de estereobonos, continúan existiendo como resultado de las diferentes prácticas de EE. UU., Reino Unido y Europa continental, o como una cuestión de preferencia personal. Como otra variación menor entre autores, los cargos formales se pueden mostrar con el signo más o menos en un círculo o sin el círculo. El conjunto de convenciones que siguen la mayoría de los autores se muestra a continuación, junto con ejemplos ilustrativos.
(1) Los enlaces entre carbono o heteroátomos hibridados sp 2 y / o sp 3 se representan convencionalmente usando ángulos de 120 ° siempre que sea posible, con la cadena de átomos más larga siguiendo un patrón en zigzag a menos que se interrumpa por un doble enlace cis . A menos que los cuatro sustituyentes sean explícitos, esto es cierto incluso cuando la estereoquímica se representa utilizando enlaces en cuña o discontinuos ( ver más abajo ).
(2) Si los cuatro sustituyentes de un carbono tetraédrico se muestran explícitamente, los enlaces a los dos sustituyentes en el plano todavía se encuentran a 120 °; los otros dos sustituyentes, sin embargo, generalmente se muestran con enlaces en cuña y discontinuos (para representar la estereoquímica) y subtienden un ángulo más pequeño de 60–90 °.
(3) La geometría lineal en los átomos con hibridación sp se representa normalmente mediante segmentos de línea que se encuentran a 180 °.
(4) Los carbociclos y heterociclos (de 3 a 8 miembros) se representan generalmente como polígonos regulares; los tamaños de anillo más grandes tienden a estar representados por polígonos cóncavos.
(5) Los átomos de un grupo están ordenados de modo que el enlace emane del átomo que está directamente unido al esqueleto. Por ejemplo, el grupo nitro (NO 2 ), se denota —NO 2 u O 2 N—, dependiendo de la colocación del enlace. En contraste, el grupo nitrito isomérico se denota ONO, con el enlace que aparece en ambos lados.
Átomos implícitos de carbono e hidrógeno
Por ejemplo, en la imagen de abajo, se muestra la fórmula esquelética del hexano . El átomo de carbono etiquetado como C 1 parece tener un solo enlace, por lo que también debe haber tres hidrógenos unidos a él, para que su número total de enlaces sea cuatro. El átomo de carbono etiquetado como C 3 tiene dos enlaces con otros carbonos y, por lo tanto, también está unido a dos átomos de hidrógeno. A modo de comparación, se muestra un modelo de bola y palo de la estructura molecular real del hexano, según lo determinado por cristalografía de rayos X , en el que los átomos de carbono se representan como bolas negras y los átomos de hidrógeno como blancos.
No importa desde qué extremo de la cadena se comience a numerar, siempre que se mantenga la coherencia al dibujar diagramas. La fórmula condensada o el nombre IUPAC confirmarán la orientación. Algunas moléculas se familiarizarán independientemente de la orientación.
Heteroátomos explícitos y átomos de hidrógeno
Todos los átomos que no son carbono o hidrógeno están representados por su símbolo químico , por ejemplo, Cl para el cloro , O para el oxígeno , Na para el sodio , etc. En el contexto de la química orgánica, estos átomos se conocen comúnmente como heteroátomos (donde el prefijo hetero- proviene de la palabra griega ἕτερος [héteros], que significa "otros").
Todos los átomos de hidrógeno unidos a heteroátomos se dibujan explícitamente. En el etanol , C 2 H 5 OH, por ejemplo, el átomo de hidrógeno unido al oxígeno se indica con el símbolo H, mientras que los átomos de hidrógeno que están unidos a los átomos de carbono no se muestran directamente.
Las líneas que representan enlaces heteroátomo-hidrógeno generalmente se omiten para mayor claridad y compacidad, por lo que un grupo funcional como el grupo hidroxilo se escribe con mayor frecuencia -OH en lugar de -O-H. En ocasiones, estos vínculos se extienden por completo para acentuar su presencia cuando participan en los mecanismos de reacción .
A continuación se muestra como comparación un modelo de bola y palo (arriba) de la estructura tridimensional real de la molécula de etanol en la fase gaseosa, según lo determinado por espectroscopía de microondas , su estructura de Lewis (centro) y su fórmula esquelética (abajo) .
Símbolos de pseudoelementos
También hay símbolos que parecen ser símbolos de elementos químicos , pero representan ciertos sustituyentes muy comunes o indican un miembro no especificado de un grupo de elementos. Estos se conocen como símbolos de pseudoelementos o elementos orgánicos y se tratan como "elementos" univalentes en fórmulas esqueléticas. A continuación se muestra una lista de símbolos de pseudoelementos de uso común:
Simbolos generales
- X para cualquier ( pseudo ) átomo de halógeno (en la notación MLXZ relacionada , X representa un ligando donante de un electrón)
- L o L n para un ligando o ligandos (en la notación MLXZ relacionada, L representa un ligando donante de dos electrones)
- M o Met para cualquier átomo de metal ([M] se usa para indicar un metal ligado, ML n , cuando las identidades de los ligandos son desconocidas o irrelevantes)
- E o El para cualquier electrófilo (en algunos contextos, E también se usa para indicar cualquier elemento de bloque p )
- Nu para cualquier nucleófilo
- Z para conjugar grupos sustractores de electrones (en la notación MLXZ relacionada, Z representa un ligando donador de electrones cero; en el uso no relacionado, Z también es una abreviatura del grupo carboxibencilo ).
- D para un átomo de deuterio ( 2 H)
- T para un átomo de tritio ( 3 H)
Grupos alquilo
- R para cualquier grupo alquilo o incluso cualquier grupo organilo (se puede usar Alk para indicar de forma inequívoca un grupo alquilo)
- Yo para el grupo metilo
- Et para el grupo etilo
- Pr, n -Pr o n Pr para el grupo propilo ( normal ) ( Pr es también el símbolo del elemento praseodimio . Sin embargo, dado que el grupo propilo es monovalente, mientras que el praseodimio es casi siempre trivalente, la ambigüedad rara vez, si acaso, surge en la práctica. )
- i -Pr o i Pr para el grupo isopropilo
- Todo para el grupo alilo (poco común)
- Bu, n -Bu o n Bu para el grupo butilo ( normal )
- i -Bu o i Bu ( i menudo en cursiva) para la isobutilo grupo
- s -Bu o s Bu para el grupo butilo secundario
- t -Bu o t Bu para el grupo butilo terciario
- Pn para el grupo pentilo ( o Am para el grupo amilo sinónimo , aunque Am también es el símbolo del americio ) .
- Np o Neo para el grupo neopentilo ( Advertencia: los químicos organometálicos a menudo usan Np para el grupo neofilo relacionado , PhMe 2 C–. Np también es el símbolo del elemento neptunio ) .
- Cy o Chx para el grupo ciclohexilo
- Anuncio del grupo 1- adamantilo
- Tr o Trt para el grupo tritilo
Sustituyentes aromáticos e insaturados
- Ar para cualquier sustituyente aromático (Ar también es el símbolo del elemento argón . Sin embargo, el argón es inerte en todas las condiciones habituales que se encuentran en la química orgánica, por lo que el uso de Ar para representar un sustituyente arilo nunca causa confusión).
- Het para cualquier sustituyente heteroaromático
- Bn o Bzl para el grupo bencilo ( no debe confundirse con Bz para el grupo benzoilo ; sin embargo, la literatura antigua puede usar Bz para el grupo bencilo ) .
- Dipp para el grupo 2,6-diisopropilfenilo
- Mes para el grupo mesityl
- Ph, Φ o φ para el grupo fenilo ( el uso de phi para fenilo ha disminuido )
- Tol para el grupo tolilo
- Es o Tipp para el grupo 2,4,6-triisopropilfenilo ( el primer símbolo se deriva del sinónimo isitilo )
- Cp para el grupo ciclopentadienilo ( Cp era el símbolo del casiopeio, un nombre anterior del lutecio )
- Cp * para el grupo pentametilciclopentadienilo
- Vi para el grupo de vinilos (poco común)
Grupos funcionales
- Ac para el grupo acetilo (Ac es también el símbolo del elemento actinio . Sin embargo, el actinio casi nunca se encuentra en la química orgánica, por lo que el uso de Ac para representar el grupo acetilo nunca causa confusión) ;
- Bz para el grupo benzoílo ; OBz es el grupo benzoato
- Piv para el grupo pivalil ( t- butilcarbonilo); OPiv es el grupo pivalate
- Bt para el grupo 1-benzotriazolilo
- Im para el grupo 1-imidazolilo
- NPhth para el grupo ftalimida-1-ilo
Grupos sulfonil / sulfonato
Los ésteres de sulfonato a menudo son grupos salientes en reacciones de sustitución nucleofílica. Consulte los artículos sobre grupos sulfonilo y sulfonato para obtener más información.
- Bs para el grupo brosil ( p -bromobencenosulfonilo); OBs es el grupo brosilato
- Ms para el grupo mesil (metanosulfonilo); OMs es el grupo mesilato
- Ns para el grupo nosyl ( p -nitrobencenosulfonyl) (Ns era el símbolo químico anterior para bohrium , entonces llamado niels bohrium ) ; ONs es el grupo nosylate
- Tf para el grupo triflilo (trifluorometanosulfonilo); OTf es el triflato grupo
- Nf para el grupo nonaflyl (nonafluorobutansulfonyl), CF 3 (CF 2 ) 3 SO 2 ; ONf es el grupo no inflado
- Ts para el grupo tosilo ( p- toluenosulfonilo) (Ts también es el símbolo del elemento tennessina . Sin embargo, la tennessina nunca se encuentra en la química orgánica, por lo que el uso de Ts para representar el grupo tosilo nunca causa confusión) ; OTs es el grupo tosilato
Protegiendo grupos
Un grupo protector o grupo protector se introduce en una molécula mediante la modificación química de un grupo funcional para obtener quimioselectividad en una reacción química posterior, lo que facilita la síntesis orgánica de varios pasos.
- Boc para el grupo t- butoxicarbonilo
- Cbz o Z para el grupo carboxibencilo
- Fmoc para el grupo fluorenilmetoxicarbonilo
- Alloc para el grupo aliloxicarbonilo
- Troc para el grupo tricloroetoxicarbonilo
- TMS, TBDMS, TES, TBDPS, TIPS, ... para varios grupos de silil éter
- PMB para el grupo 4-metoxibencilo
- MOM para el grupo metoximetilo
- THP para el grupo 2-tetrahidropiranilo
Múltiples enlaces
Se pueden unir dos átomos compartiendo más de un par de electrones. Los enlaces comunes al carbono son enlaces simples, dobles y triples. Los enlaces simples son los más comunes y están representados por una sola línea sólida entre dos átomos en una fórmula esquelética. Los enlaces dobles se indican con dos líneas paralelas y los enlaces triples se indican con tres líneas paralelas.
En las teorías más avanzadas de la vinculación, existen valores no enteros de orden de vinculación . En estos casos, una combinación de líneas continuas y discontinuas indica las partes enteras y no enteras del orden de enlace, respectivamente.
Hex-3-eno tiene un doble enlace carbono-carbono interno 
Hex-1-eno tiene un doble enlace terminal 
Hex-3-yne tiene un triple enlace carbono-carbono interno 
Hex-1-yne tiene un triple enlace carbono-carbono terminal
Nota: en la galería de arriba, los enlaces dobles se muestran en rojo y los enlaces triples en azul. Esto se agregó para mayor claridad: los enlaces múltiples normalmente no están coloreados en fórmulas esqueléticas.
Anillos de benceno
En los últimos años, el benceno se representa generalmente como un hexágono con enlaces simples y dobles alternos, muy similar a la estructura propuesta originalmente por Kekulé en 1872. Como se mencionó anteriormente, los enlaces simples y dobles alternos del "1,3,5-ciclohexatrieno" son entendido como un dibujo de una de las dos formas canónicas equivalentes de benceno, en el que todos los enlaces carbono-carbono son de longitud equivalente y tienen un orden de enlace de 1,5. Para los anillos de arilo en general, las dos formas canónicas análogas son casi siempre las principales contribuyentes a la estructura, pero no son equivalentes, por lo que una estructura puede hacer una contribución ligeramente mayor que la otra, y los órdenes de enlace pueden diferir algo de 1,5.
Una representación alternativa que enfatiza esta deslocalización usa un círculo, dibujado dentro del hexágono regular de enlaces simples. Este estilo, basado en uno propuesto por Johannes Thiele , solía ser muy común en los libros de texto de introducción a la química orgánica y todavía se usa con frecuencia en entornos informales. Sin embargo, debido a que esta descripción no realiza un seguimiento de los pares de electrones y no puede mostrar el movimiento preciso de los electrones, ha sido reemplazada en gran medida por la descripción de Kekuléan en contextos académicos formales y pedagógicos.
Estereoquímica
La estereoquímica se indica convenientemente en fórmulas esqueléticas:
Modelo de bola y palo de
( R ) -2-cloro-2-fluoropentano
Fórmula esquelética de
( R ) -2-cloro-2-fluoropentano
Fórmula esquelética de
( S ) -2-cloro-2-fluoropentano
Fórmula esquelética de anfetamina , que indica una mezcla de dos estereoisómeros: ( R ) - y ( S ) -
-2-Chloro-2-fluoropentane.svg)
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Los enlaces químicos relevantes se pueden representar de varias maneras:
- Las líneas continuas representan enlaces en el plano del papel o la pantalla.
- Las cuñas sólidas representan enlaces que apuntan fuera del plano del papel o pantalla, hacia el observador.
- Las cuñas discontinuas o las líneas discontinuas (gruesas o delgadas) representan enlaces que apuntan hacia el plano del papel o la pantalla, lejos del observador.
- Las líneas onduladas representan una estereoquímica desconocida o una mezcla de los dos posibles estereoisómeros en ese punto.
- Una representación obsoleta de la estereoquímica del hidrógeno que solía ser común en la química de los esteroides es el uso de un círculo relleno centrado en un vértice (a veces llamado H-dot / H-dash / H-circle, respectivamente) para un átomo de hidrógeno que apunta hacia arriba y dos marcas de almohadilla junto al vértice o un círculo hueco para un átomo de hidrógeno que apunta hacia abajo.
Un uso temprano de esta notación se remonta a Richard Kuhn, quien en 1932 usó líneas gruesas sólidas y líneas de puntos en una publicación. Giulio Natta introdujo las modernas cuñas sólidas y hash en la década de 1940 para representar la estructura de los polímeros altos , y las popularizó ampliamente en el libro de texto de 1959 Organic Chemistry de Donald J. Cram y George S. Hammond .
Fórmulas esqueléticas pueden representar cis y trans isómeros de alquenos. Los enlaces simples ondulados son la forma estándar de representar la estereoquímica desconocida o no especificada o una mezcla de isómeros (como en los estereocentros tetraédricos). A veces se ha utilizado un doble enlace cruzado; ya no se considera un estilo aceptable para uso general, pero aún puede ser requerido por software de computadora.
Enlaces de hidrógeno
Los enlaces de hidrógeno generalmente se indican mediante líneas de puntos o de trazos. En otros contextos, las líneas discontinuas también pueden representar enlaces parcialmente formados o rotos en un estado de transición .
Referencias
enlaces externos
- Extracción de moléculas orgánicas de chemguide.co.uk