1. Ciencia

Estructura y Enlazamiento
Teoría del Orbital Molecular
Hibridación
Facultad de CC.QQ y Farmacia – USAC
Química Orgánica I
Sección D -2015
Enlazamiento en H2
Enlace Sigma (s)
Representación Ondular del H2
Las ondas se refuerzan
(combinación aditiva)
Orbitales Moleculares
Combinación Matemática de Orbitales
Atómicos
Orbital Molecular de Antienlace
Traslape Sustrctivo Origina Nodo
s y s* del H2
Cada Función de Onda, Y, Corresponde a un
Estado de Energía Diferente para un Electrón
La Energía es Liberada al
Formarse el Enlace
Configuraciones Electrónicas
de Estado Basal
Configuración Electrónica del
Carbono En Estado Basal
Internos
Valencia
En Estado Basal
2 sitios de enlace, 1 par libre
H
CH 4
2p
C
H
H
H
2s
x
y
z
gr
ound basal
st at e
estado
Estructura de Puntos de Lewis
del Metano
carbon - 4 valence e
hydrogen - 1 valence e
.
.C.
.
H.
1s22s22p2
1s
Representaciones del Metano
Geometría Tetraédrica del Metano
Hibridación
3
sp
4 Regiones de Densidad Electrónica link
H
CH4
2p
C
H
2s
H
H
x
y
z
ground state
hybridize
2p
2s
x
y
z
excited state
4 identical sp 3 orbitals
4 sigma bonds requires 4 hybrid orbitals
tetrahedral geometry
4
sp3
Hibridación del carbono
Configuración electrónica del estado basal del carbono
Diagrama de energía
¿Cuántos enlaces
covalentes podría
formar según esta
configuración
el
“C”?
Lic. Walter de la Roca
15
Linus Pauling propuso una respuesta en 1931 al demostrar
matemáticamente cómo se puede combinar, o hibridar, un orbital s
y tres orbitales p de un átomo, para formar cuatro orbitales
atómicos equivalentes con orientación de tetraedro.
Diagrama de energía:
Lic. Walter de la Roca
16
Hybridación de Orbitales 1 s y 3 p
– sp3
cada nuevo orbital es
1/4 s + 3/4 p (25% s, 75% p); electronegatividad orbital relativa:
p < sp3 < sp2 < sp < s
ORIGEN DE LA FORMA DEL ORBITAL SP3
2s orbital
orbital
hÍbrido sp3
2p orbital
+
x
x
--
++
OJO
signos: coordenadas
matemáticas, no cargas
electrónicas
HYBRIDIZATION
HIBRIDACIÓN
[animación]
sp3: Geometría Tetraédrica
Metano
Amoníaco
Geometría Tetraédrica
Forma Piramidal
Todos tienen la misma
Geometía
Todos tienen 4 Regiones de Densidad Electrónica
Formación del Enlace s C-C
Representación Orbital del
Etano, C2H6 , el enlace s
Etano
Algunas representaciones del Etano
Características de Enlace de los
Elementos del 2º Period
Metanol
H
2p
sp3
2s
H C O
H
H
hibridación
híbridos sp3
sp3
H
H
H
H
Un Hidrocarburo Saturado
Hexano
Hibridación sp2
3 Regiones de Densidad Electrónica
C H2=C H2
H
2p
H
C
2s
C
H
H
x
y
g r o u n d state
h y b r id ize
2p
2s
x
y
z
ex cited state
z
pz
3 id en tical sp2 o r b itals
3 sig ma b o n d s r eq u ir es 3 h y b r id o r
tr ig o n al p lan ar g eo metr y
3
sp2 p z
Hibridación de Orbitales 1 s y 2 p
Orbitales – sp2
cada nuevo orbital es
1/3 s + 2/3 p (33.3% s, 66%.6 p)
Atomo Hibridado
2
sp
Etileno CH2=CH2
Un enlace σ C-C y un enlace π C-C
Vistas del Etileno, C2H4
Etileno
Formaldehido
2p
2p
H
2s
sp2 C
hybridación
2p
sp2
usados para
enlaces s
O
sp2
H
usado para
enlace p
H
C
H
O
FORMACIÓN DE ORBITAL HÍBRIDO TRIGONAL PLANO
orbital 2p
no utilizado
3 pair
no utilizado
sp2(2)
2p
2s
B
2p
3 orbitales
llenos
hibridación
x
120o
sp2(1)
geometría
trigonal
plana
2p
sp2(3)
z
(1)
(2)
orbitales
híbridos sp2
(3)
H sp2
H
H C B
H
H
sp3
metilborano
H
H
B
H
H
H
DIAGRAMA DE ORBITAL HÍBRIDO SIMPLIFICADO
Los enlaces sigma pueden simplificarse usando líneas, asegurándose de mostrar correctamente las direcciones ; etiquete los
átomos con el tipo de hibridación usada.
2p
H
H
B
H
H
H
sp3
sp2
no es necesario
etiquetar los hidrógenos como 1s.
Hibridación sp
2 Regiones de Densidad Electrónica
H
C
2p
C H
x
2s
y
z
ground s tate
hybridize
2p
2s
x
y
z
excited s tate
py
pz
2 identical s p orbitals
2 s igma bonds requires 2 hybrid orbita
linear geometry
2
El Orbital sp
cada nuevo orbital es
1/2 s + 1/2 p (50% s, 50% p);
Acetileno, C2H2,
1 enlace s C-C
2 enlaces p C-C perpendiculares
2p
sp
2p
sp
H C N
2s
hybridación
2p
híbridos sp
H
C
N
sp2 sp sp2
H
H
C C C
H
H
H C H
aleno
H
vista desde
extremo
H
H
H
C
C
C
H
H
la molécula muestra una torsión al centro
SIMPLIFICACIÓN
H
H
C
C
C
H
H
sp2
sp
sp2
COMPARACIÓN DE ORBITALES HÍBRIDOS SPx
“cola”
mayor
sp3
Orbital plots courtesy of
Professor George Gerhold
“cúspide”
more “p” character
sp2
sp
more “s” character
electronegatividad orbital relativa:
p < sp3 < sp2 < sp < s
mayor densidad
electrónica en
sp3
mayor
carácter
p
ORBITALES HÍBRIDOS
sp2
sp
COMPARACIONES DE
DISTANCIA DE ENLACE
TAMAÑOS DE CUSPIDE Y
COLA
mayor
carácter
s
Orbital plots courtesy of
Professor George Gerhold
producen enlaces más cortos y fuertes
LONGITUD DE ENLACE Y TRASLAPE
Traslape frontal origina enlace.
En general, si puede establecerse
mayor traslape, el enlace formado
será más fuerte.
sp3
Los enlaces
cortos logran
mayor traslape,
siendo más
fuertes los
enlaces.
sp
Los orbitales con
mayor carácter
“s”, ponen mayor
(%) de densidad
electrónica en el
lóbulo enlazante,
formando enlaces
más fuertes.
FUERZAS DE ENLACE - ENLACE SIMPLE C-H
C-H
energía enlace molécula
enlace
tipo
longitud
por mol
medida
Kcal ( KJ )
Intermediario
no híbrido
[CH2]
2p-1s
1.12 A
80
(335)
C-H
sp3-1s
1.10 A
101
(422)
CH3CH3
C-H
sp2-1s
1.08 A
106
(444)
CH2=CH2
1.06 A
121
(506)
HC=CH
=
C-H
sp-1s
Carácter “s”
en aumento
+ “s” = + Corto = + Fuerte
» Hibridación logra enlaces más fuertes.
NOTE:
FUERZAS DE ENLACE – ENLACES MULTIPLES
CC
enlace
tipo
enlace
longitud
energía enlace molécula
enlace
por mol
medida
Kcal
(KJ)
C-C
sp3-sp3
1.54 A
83
(347)
CH3CH3
C=C
sp2-sp2
1.34 A
146
(611)
CH2=CH2
=
C=C
sp - sp
1.20 A
carácter “s”
en aumento
+ corto
200
(837)
= HC=CH
Típicos enlaces pi tienen energía
entre 50-60 kcal/mol.
El enlace sigma más corto que
resulta es también más fuerte.
¿POR QUÉ SE FORMAN HÍBRIDOS?
1. Son minimizadas repulsiones por pares electrónicos
(= menor energía)
2. Son formados enlaces más fuertes (= menor energía )
3. Híbridos tienen mejor direccionalidad para formar
enlaces
4. Ya que la promoción ocurre generalmente, los híbridos
permiten que se formen más enlaces (= menor energía)
MÉTODO DE ENSAMBLAJE
H H
H C
Empiece con el Diagrama
de Lewis
Determine la
geometía de
cada átomo
VSEPR
H H
C = 4 pares = tetraédrica
N = 4 pares = tetraédrica
C = sp3
Use el híbrido correcto
en cada caso
A partir de los híbridos
ensamble la molécula.
N:
C
N
H
H
C
H
H
N = sp3
N ..
H
átomos
enlazantes
:C. .
FORMACIÓN DE UN
ENLACE SIGMA
CARBONO-HIDRÓGENO
.H
orbitales
atómicos
2s
3 x 2p
promoción &
hibridación
del carbono 4 x sp3
1s
ORBITALES
ATÓMICOS
ORBITALES HÍBRIDOS
1s
TRASLAPE
traslape
formación del
enlace
s
C H
sp3-1s
ORBITALES MOLECULARES
BLOCKS HÍBRIDOS DE CONSTRUCCIÓN
4 PARES
TETRAÉDRICA
sp3
3 PARES
TRIGONAL
PLANA
sp2
X
Z
120o
Y
X
Y
X
sp
Y
109o28’
X
2 PARES
LINEAL
Y
Y
180o
Z
Z
Z
Patrones de Enlazamiento para
C, N, and O
sp3
tetrahedral geometry
sp
linear
sp2
trigonal planar
C
C
C
C
N
N
O
O
N
DIFERENCIAS EN SIMETRÍA EN ENLACES SIGMA Y PI
ENLACES SIGMA
rotación simétrica
respecto del eje
internuclear
s 1s-2p
TRASLAPE DE EXTREMO
A EXTREMO (FRONTAL)
ENLACES PI
TRASLAPE
LATERAL
s 2p-2p
rotación no
simétrica
p 2p-2p
SÓLO PUEDE FORMARSE UN ENLACE SIGMA
No puede formarse más que un solo enlace sigma a lo
largo del eje internuclear.
Cuando se trata de formar más de un enlace
sigma, se producen enlaces curveados.
X
X
Los enlaces curveados no son tan fuertes como los enlaces pi.
UNICAMENTE SE HIBRIDIZAN LOS E–
nYs
Debido a los requerimientos geométricos al formar
un enlace pi…..
UNICAMENTE LOS ELECTRONES QUE PARTICIPAN EN
ENLACES SIGMA Y PARES NO COMPARTIDOS SUFREN
HIBRIDACIÓN
Los orbitales que forman enlaces pi usan orbitales p no híbridos
para poder llevar a cabo el traslape necesario.
p (enlace)
2p
híbridos
forman
híbridos
para enlace
p
ALGUNOS TIPOS COMUNES DE ENLACES
s 1s-1s
s 2p-1s
Traslape de
Extremo a
Extremo
s 2p-2p
3
s sp-1s
3 3
s ssp-sp
s
ALGUNOS TIPOS COMUNES DE ENLACES p
p 2p-2p
p 2p-3d
Traslape
Lateral
Referencias
• William Price, University of Pennsylvania
College of General Studies
• T.W. Graham Solomons Organic
Chemistry, 9th Edition D
• Donald Pavia