En química teórica , un orbital antienlazante es un tipo de orbital molecular que debilita el enlace químico entre dos átomos y ayuda a elevar la energía de la molécula en relación con los átomos separados. Un orbital de este tipo tiene uno o más nodos en la región de enlace entre los núcleos . La densidad de los electrones en el orbital se concentra fuera de la región de enlace y actúa para alejar un núcleo del otro y tiende a provocar una repulsión mutua entre los dos átomos. [1] [2] Esto contrasta con un orbital molecular de enlace , que tiene una energía menor que la de los átomos separados y es responsable de los enlaces químicos.
Los orbitales moleculares antienlazantes (MO) normalmente tienen mayor energía que los orbitales moleculares enlazantes. Los orbitales enlazantes y antienlazantes se forman cuando los átomos se combinan para formar moléculas. [3] Si dos átomos de hidrógeno están inicialmente muy separados, tienen orbitales atómicos idénticos . Sin embargo, a medida que el espacio entre los dos átomos se hace más pequeño, las funciones de onda de los electrones comienzan a superponerse. El principio de exclusión de Pauli prohíbe que dos electrones (e-) cualesquiera de una molécula tengan el mismo conjunto de números cuánticos . [4] Por lo tanto, cada orbital atómico original de los átomos aislados (por ejemplo, el nivel de energía del estado fundamental, 1 s ) se divide en dos orbitales moleculares que pertenecen al par, uno de menor energía que el nivel atómico original y otro superior. El orbital que está en un estado de menor energía que los orbitales de los átomos separados es el orbital enlazante, que es más estable y promueve el enlace de los dos átomos de H en H2 . El orbital de mayor energía es el orbital antienlazante, que es menos estable y se opone al enlace si está ocupado. En una molécula como el H2 , los dos electrones normalmente ocupan el orbital de enlace de menor energía, de modo que la molécula es más estable que los átomos de H separados.
Un orbital molecular se vuelve antienlazante cuando hay menos densidad de electrones entre los dos núcleos que la que habría si no hubiera ninguna interacción de enlace. [5] Cuando un orbital molecular cambia de signo (de positivo a negativo) en un plano nodal entre dos átomos, se dice que es antienlazante con respecto a esos átomos . Los orbitales antienlazantes suelen estar etiquetados con un asterisco (*) en los diagramas de orbitales moleculares.
En las moléculas diatómicas homonucleares , los orbitales antienlazantes σ* ( estrella sigma ) no tienen planos nodales que pasen por los dos núcleos, como los enlaces sigma , y los orbitales π* ( estrella pi ) tienen un plano nodal que pasa por los dos núcleos, como los enlaces pi . El principio de exclusión de Pauli dicta que dos electrones de un sistema que interactúan no pueden tener el mismo estado cuántico. Si los orbitales enlazantes están llenos, los electrones adicionales ocuparán orbitales antienlazantes. Esto ocurre en la molécula de He 2 , en la que tanto los orbitales 1sσ como 1sσ* están llenos. [6] Dado que el orbital antienlazante es más antienlazante que el orbital enlazante , la molécula tiene una energía mayor que dos átomos de helio separados y, por lo tanto, es inestable.
En moléculas con varios átomos, algunos orbitales pueden estar deslocalizados en más de dos átomos. Un orbital molecular particular puede estar enlazado con respecto a algunos pares de átomos adyacentes y antienlazante con respecto a otros pares . Si las interacciones enlazantes superan en número a las interacciones antienlazantes, se dice que el MO es enlazante , mientras que, si las interacciones antienlazantes superan en número a las interacciones enlazantes, se dice que el orbital molecular es antienlazante .
Por ejemplo, el butadieno tiene orbitales pi que están deslocalizados en los cuatro átomos de carbono. Hay dos orbitales pi de enlace que están ocupados en el estado fundamental : π 1 está enlazando entre todos los carbonos, mientras que π 2 está enlazando entre C 1 y C 2 y entre C 3 y C 4 , y es antienlazante entre C 2 y C 3 . También hay orbitales pi antienlazantes con dos y tres interacciones antienlazantes, como se muestra en el diagrama; éstos están vacíos en el estado fundamental , pero pueden estar ocupados en estados excitados .
De manera similar, el benceno con seis átomos de carbono tiene tres orbitales pi enlazantes y tres orbitales pi antienlazantes. Dado que cada átomo de carbono aporta un electrón al sistema π del benceno, hay seis electrones pi que llenan los tres orbitales moleculares pi de menor energía (los orbitales pi de enlace).
Los orbitales antienlazantes también son importantes para explicar reacciones químicas en términos de teoría de orbitales moleculares. Roald Hoffmann y Kenichi Fukui compartieron el Premio Nobel de Química de 1981 por su trabajo y el desarrollo posterior de explicaciones cualitativas de los orbitales moleculares de las reacciones químicas. [7]