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León Felipe Otálvaro Tamayo
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TOPICO 2
ESTRUCTURAS RESONANTES
Las estructuras Lewis son indispensables para entender las propiedades químicas y físicas
de las moléculas orgánicas, sin embargo, estructuras de Lewis simples no siempre
describen correctamente un compuesto orgánico.
Por ejemplo, vimos como se podía llegar a dos estructuras Lewis correctas para el benceno,
El método de resonancia intenta describir la estructura verdadera de una molécula como
un híbrido de varias estructuras Lewis. Estas estructuras Lewis se conocen como
estructuras de resonancia. Es esencial entender que solo existe una sola estructura para
una molécula, que como en el caso del benceno no es ni la de la izquierda ni la de la
derecha, sino una mezcla de las dos.
Lo primero que aprenderemos será a proponer estructuras de resonancia, y por último
aprenderemos a realizar un juicio de cuales de estas estructuras son las más representativas
para el compuesto (cuales son energéticamente más favorables)
El método:
En general consiste en dibujar una estructura Lewis inicial como se explicó en la sección
anterior y luego “empujar electrones” para generar nuevas estructuras de resonancia.
Para poder hacer eso, debemos encontrar una combinación de electrones que se puedan
empujar y lugares donde estos electrones empujados van a llegar (receptores)
Definición de electrones empujables: En una estructura Lewis, los pares de electrones
empujables son pares libres de electrones, y pares de electrones que forman enlaces
múltiples (dobles ó triples)
Definición de receptor: Los receptores pueden ser átomos con una carga formal positiva,
Átomos que pueden tolerar una carga formal negativa ó átomos que poseen electrones
empujables
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IONES SIMPLES:
Cationes: Una estructura Lewis para el catión alílico se presenta a continuación:
H
H
H
C
C
3
2
1
C
H
H
Esta estructura contiene un par de electrones empujables, llamados electrones π en el doble
enlace entre C2 y C3. La estructura también posee un carbono cargado positivamente el cual
puede actuar como receptor.
Por lo tanto, podemos generar una estructura de resonancia empujando el par de electrones
π hacia el receptor.
H
C
H
H
H
3
Genera
C
2
1
C
H
H
H
C
C
3
2
1
C
H
H
H
estructura 1
estructura 2
Al empujar los electrones hacia el receptor, la carga positiva fue neutralizada, pero una
nueva carga positiva se creo en C3.
Las estructuras 1 y 2 son equivalentes pero no idénticas.
Notación: De ahora en adelante, usaremos una flecha de doble punta para denotar
estructuras de resonancia.
H2C
CH
CH2
H2C
CH
CH2
Ejercicios:
Coloque una flecha indicando el flujo de electrones y dibuje las estructuras de resonancia
para:
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H3C
HC
CH
CH2
H
H
H
H3C
C
O
H
H3C
H3C
O
H
C
CH2
CH3
O
H3C
O
CH2
H
3
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En el siguiente ejemplo tenemos dos opciones para generar la estructura resonante, pero
solo una opción es válida por que??
H3C
C
O
H3C
C
O
En el ejemplo anterior, la primera estructura que se generaría, posee un oxígeno con carga
formal positiva (al igual que la segunda), pero además, ni el óxigeno, ni el carbono
cumplirían con la regla del octeto!! Esto no pasa con la segunda estructura.
Por eso la primera estructura es inaceptable!
Ejercicio:
H3C
CH
C
O
CH3
Tarea: Para los siguientes compuestos propongan (si es que tienen) las estructuras de
resonancia:
H3C
CH
H3C
O
CH3
CH3
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H2C
CH
CH2
CH2
5
CH2
H3C
C
CH
CH
CH3
H3C
H3C
CH
C
H
O
H
H3C
H
H
H
H
H
CH2
H3C
C
CH
CH2
O
CH3
CH
O
CH2
O
H
CH3
CH3
H3C
C
CH3
CH3
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CH2
O
CH2
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C
O
C
Aniones:
Una estructura Lewis para el ión acetato es
O
H3C
C
O
Esta estructura contiene varios pares de electrones empujables. Puesto que el objetivo de
escribir estructuras de resonancia es deslocalizar la carga, es razonable que los electrones se
empujen de manera que se alejen de un centro negativo. Si empujamos el par libre del
oxígeno cargado, hacia el grupo carbonilo obtenemos:
O
H3C
C
O
H3C
O
C
O
Sin embargo, esto genera una situación intolerable de tener 10 electrones de valencia
asociados al carbono del carbonilo. Esta situación se puede remediar empujando los
electrones pi del enlace doble carbono oxígeno que se encontraba al comienzo:
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O
H3C
O
C
H3C
O
C
O
Coloque las flechas y escriba las estructuras de resonancia para los siguientes compuestos:
O
O
O
H2C
C
H
H2C
C
H
CH2
H2C
C
N
H2C
CH
CH2
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O
O
C
CH2
CH3
O
N
C
CH
CH2
C
H
CH2
O
H3C
C
CH
C
H3C
H
CH2
H
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Radicales libres:
Algunos radicales libres son estabilizados por deslocalización electrónica. El método de
resonancia muestra bien esto, sin embargo el formalismo es un poco diferente.
Los electrones se empujan en parejas (flechas de doble punta) cuando uno escribe
estructuras de resonancia para moléculas ó iones. Pero para los radicales libres, los
electrones se empujan de manera individual (flechas con una solo punta), y algunos
electrones quedan desapareados y otros apareados.
Ejemplo: El radical alilo tiene un electrón desapareado y un par de electrones pi, este
electrón desapareado se puede deslocalizar de la siguiente manera:
H2C
CH
CH2
H2C
CH
CH2
Ejercicios: Para los siguientes compuestos coloque las flechas y dibuje las estructuras
resonantes
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H3C
C
H
CH
CH2
H3C
C
C
H
C
H
CH3
N
C
C
CH3
H3C
CH3
H3C
O
C
H
CH3
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En las siguientes estructuras hay más de una estructura de resonancia, el número de
estructuras posibles se indica entre un paréntesis, coloque las flechas y dibuje todas las
estructuras de resonancia posibles:
(3)
O
(3)
N
O
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Benceno y compuestos aromáticos con Benceno (compuestos aromáticos bencenoides)
El benceno tiene una estructura Lewis así:
1
6
2
5
3
4
La estructura contiene tres pares de electrones empujables. Sin embargo, consideremos solo
un par, digamos el par de electrones pi entre C1 y C2 como electrones empujables, y al
resto de electrones empujables los consideraremos como receptores.
Empujando los electrones pi entre C1 y C2 hacia C3 daría el resultado inaceptable de tener
diez electrones alrededor de C3. Esta situación se arregla empujando los electrones pi entre
C3 y C4 hacia C5, pero esto originaría el mismo problema en C5., es por esto que tenemos
que empujar los tres pares de electrones al mismo tiempo así:
Estas últimas dos estructuras se conocen como estructuras de Kekulé. Siempre que un
anillo de benceno aparezca en un compuesto, las dos estructuras de Kekulé deben siempre
ser las primeras estructuras de resonancia que se dibujen.
August Kekulé (1829-1896) propuso y demostró la estructura del benceno en 1865.
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Es común encontrar ciertas notaciones para las dos estructuras de kekulé ejemplo:
Sin embargo nosotros adoptaremos la convención de dibujar siempre el benceno con sus
enlaces localizados, ya que de esta manera podremos entender en gran parte su reactividad.
Ejemplo: Escriba la estructura de resonancia para el siguiente compuesto:
CH3
CH3
Cuando en la molécula se encuentra mas de un anillo de benceno, el número de posibles
estructuras de resonancia aumenta.
Ejemplo:
Muestre la estructura resonante que se genera cuando movemos el anillo de la derecha en la
siguiente molécula:
CH
OH
De igual manera muestre cuando movemos solamente el anillo de la izquierda:
CH
OH
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ahora muestre que pasa cuando movemos los dos anillos al mismo tiempo:
CH
OH
Entonces la notación completa para la molécula anterior (difenilmetanol) es
Los compuestos aromáticos “fusionados” contienen anillos de benceno los cuales tienen
dos átomos de carbono en común. Para escribir las estructuras de resonancia de estos
compuestos se procede de forma similar a la anterior. Esto es, los electrones de un anillo se
empujan mientras que los del otro se dejan quietos.
Ejemplo:
Una estructura Lewis para el naftaleno es:
Si movemos los electrones del anillo de la derecha obtenemos:
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Y moviendo el de la izquierda obtenemos:
Note que en estos casos no se pueden mover los dos al mismo tiempo ¿Por qué?
Ejemplo: Para el fenantreno:
a) Empuje electrones en el anillo de la izquierda
b) Ahora empuje electrones en el anillo de la derecha:
c) Ahora empuje al mismo tiempo los del anillo de la derecha y el de la izquierda:
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d) Ahora empuje los del anillo del centro:
Al escribir estructuras de resonancia de anillos fusionados es muy fácil cometer errores.
Siempre fíjese en lo siguiente:
1. Cualquier estructura que contenga diez electrones alrededor del carbono ejm:
2. cualquier estructura que no tenga un sistema continuo de enlaces simples y dobles
alternantes, ejm:
3. cualquier estructura que es idéntica con las demás, ejemplo:
es idéntica a:
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Ejercicios:
Para las siguientes estructuras, dibuje las flechas y todas las estructuras de resonancia.
Entre paréntesis se coloca el número de posibles estructuras:
Etilbenceno (2)
H3 C
CH2
p-xyleno (2)
CH3
CH3
Antraceno (4)
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Iones más complicados:
Es muy común que se pueda escribir más de una estructura de resonancia para los aniones.
Ejemplo:
Una estructura Lewis para el ión fenóxido es:
O
si empujamos el par de electrones del oxígeno cargado, obtenemos:
O
O
y si seguimos empujando electrones en esta última estructura obtenemos:
O
y así sucesivamente:
O
Ahora, coloque todas las estructuras de resonancia para el ión fenóxido incluyendo las dos
estructuras de kekulé
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Una estructura Lewis para el anión ciclopentadienilo es:
Coloque las flechas y dibuje todas las estructuras de resonancia:
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Hay 5 estructuras de resonancia aceptables para el catión benzílico.
Coloque las flechas y dibújelas todas:
CH2
En la bromación de la anilina, el siguiente intermedio aparece; coloque las flechas y dibuje
las estructuras de resonancia:
NH2
H
Br
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En la bromación del estireno aparece el siguiente intermedio; realice lo mismo que en el
ejercicio anterior:
H
C
H
CH2
Br
Tareas: una estructura Lewis se da a continuación junto con el número de estructuras
resonantes posibles, dibuje las flechas y todas las estructuras de resonancia
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(3)
H
NO2
H
(3)
Cl
N
(7)
H
Cl
(3)
N
CH3
O
(4)
H
(3)
Cl
O
C
N
C
O
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Moléculas que tienen estructuras de resonancia con separación de cargas:
Hasta ahora todas las estructuras de resonancia para una molécula o ión o radical tenían la
misma distribución de carga. Estas estructuras de resonancia eran significativas porque las
energías de las distintas estructuras eran similares y por lo tanto, cada estructura da una
contribución significativa al híbrido.
En muchos casos sin embargo, las moléculas para las cuales hay una estructura Lewis sin
cargas formales también tienen estructuras resonantes con separación de carga. Estas
estructuras hacen contribuciones pequeñas al híbrido de resonancia, pero son importantes
ya que dicen mucho sobre la reactividad del compuesto.
Ejemplo:
El formaldehído tiene la siguiente estructura:
H
C
O
H
si quisiéramos proponer una estructura de resonancia con separación de cargas, lo mas
adecuado es proponer:
H
H
C
H
O
C
O
H
La introducción de separación de cargas en una estructura resonante, usualmente
incrementa la energía de esa estructura en relación con la que no tiene cargas separadas,
pero, si proponemos que la estructura cargada hace una pequeña contribución a la
estructura, podemos encontrar sitios que están ávidos de electrones llamados sitios
electrófilos además podemos encontrar sitios ávidos de núcleos ó sitios nucleófilos.
En la estructura del formaldehído, el carbono tiene carácter electrófilo y el oxígeno carácter
nucleófilo.
Estos sitios se conocen como sitios activos de una molécula.
Por que no es aceptable proponer las siguientes estructuras??
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H
H
C
O
C
H
O
H
No es aceptable
H
H
O
C
C
H
O
H
No es aceptable
proponga estructuras Lewis con separación de cargas para los siguientes compuestos:
H
H2C
CH
C
O
O
H3C
C
CH3
N
H
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O
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O
N
La hipervalencia da lugar a una interesante estructura con separación de cargas, ejemplo:
H
P
C
H
Y al final obtenemos una estructura con separación de cargas, pero donde cada átomo
cumple la regla del octeto!!
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Tareas: Para cáda una de las estructuras siguientes dibuje las estructuras de resonancia con
separación de cargas (dentro del paréntesis se indica el número posibles)
O
(3)
O
(3)
H3C
C
O
CH2
CH3
O
(3)
H
O
C
CH2
CH3
(7)
C
N