En química , la concatenación es la unión de átomos de un mismo elemento en una serie, llamada cadena . [1] Una cadena o una forma de anillo puede ser abierta si sus extremos no están unidos entre sí (un compuesto de cadena abierta ), o cerrada si están unidos en un anillo (un compuesto cíclico ). Las palabras catenar y catenación reflejan la raíz latina catena , "cadena".
La catenación se produce con mayor facilidad con el carbono , que forma enlaces covalentes con otros átomos de carbono para formar cadenas y estructuras más largas. Esta es la razón de la presencia de la gran cantidad de compuestos orgánicos en la naturaleza. El carbono es más conocido por sus propiedades de catenación, y la química orgánica es esencialmente el estudio de las estructuras de carbono catenadas (y conocidas como catenas ). Las cadenas de carbono en bioquímica combinan cualquiera de varios otros elementos, como hidrógeno , oxígeno y biometales , en la cadena principal del carbono.
Sin embargo, el carbono no es de ninguna manera el único elemento capaz de formar tales catenas, y varios otros elementos del grupo principal son capaces de formar una amplia gama de catenas, incluidos el hidrógeno , el boro , el silicio , el fósforo , el azufre y los halógenos .
La capacidad de un elemento para concatenarse se basa principalmente en la energía de enlace del elemento consigo mismo, que disminuye a medida que se superponen orbitales más difusos (aquellos con un número cuántico azimutal más alto ) para formar el enlace. Por lo tanto, el carbono, con el orbital p de la capa de valencia menos difuso, es capaz de formar cadenas de átomos con enlaces sigma pp más largas que los elementos más pesados que se unen a través de orbitales de la capa de valencia más altos. La capacidad de concatenación también está influenciada por una variedad de factores estéricos y electrónicos, incluida la electronegatividad del elemento en cuestión, el orbital molecular n y la capacidad de formar diferentes tipos de enlaces covalentes. En el caso del carbono, la superposición sigma entre átomos adyacentes es lo suficientemente fuerte como para que se puedan formar cadenas perfectamente estables. Con otros elementos, antes se pensaba que esto era extremadamente difícil a pesar de que había muchas pruebas de lo contrario.
Las teorías de la estructura del agua involucran redes tridimensionales de tetraedros y cadenas y anillos, unidos a través de enlaces de hidrógeno . [2]
En 2008 se informó sobre una red policatenaria, con anillos formados a partir de hemisferios con plantillas de metal unidos por enlaces de hidrógeno. [3]
En química orgánica , se sabe que los enlaces de hidrógeno facilitan la formación de estructuras en cadena. El 4-triciclanol C 10 H 16 O, por ejemplo, muestra enlaces de hidrógeno encadenados entre los grupos hidroxilo, lo que conduce a la formación de cadenas helicoidales; [4] el ácido isoftálico cristalino C 8 H 6 O 4 se construye a partir de moléculas conectadas por enlaces de hidrógeno, formando cadenas infinitas. [5]
En condiciones inusuales, se espera que una serie unidimensional de moléculas de hidrógeno confinadas dentro de un nanotubo de carbono de pared simple se vuelva metálica a una presión relativamente baja de 163,5 GPa. Esto es aproximadamente el 40% de los ~400 GPa que se cree que se requieren para metalizar el hidrógeno ordinario, una presión a la que es difícil acceder experimentalmente. [6]
El silicio puede formar enlaces sigma con otros átomos de silicio (y el disilano es el padre de esta clase de compuestos). Sin embargo, es difícil preparar y aislar Si n H 2n+2 (análogo a los hidrocarburos alcanos saturados ) con n mayor que aproximadamente 8, ya que su estabilidad térmica disminuye con el aumento del número de átomos de silicio. Los silanos de mayor peso molecular que el disilano se descomponen en hidruro de polisilicio polimérico e hidrógeno . [7] [8] Pero con un par adecuado de sustituyentes orgánicos en lugar de hidrógeno en cada silicio es posible preparar polisilanos (a veces, erróneamente llamados polisilenos) que son análogos de los alcanos . Estos compuestos de cadena larga tienen propiedades electrónicas sorprendentes (alta conductividad eléctrica , por ejemplo) que surgen de la deslocalización sigma de los electrones en la cadena. [9]
Incluso son posibles los enlaces pi silicio-silicio. Sin embargo, estos enlaces son menos estables que los análogos de carbono. El disilano y los silanos más largos son bastante reactivos en comparación con los alcanos . El disileno y los disilinos son bastante raros, a diferencia de los alquenos y alquinos . En 2004 se informaron ejemplos de disilinos , que durante mucho tiempo se creyeron demasiado inestables para ser aislados [10]. [11]
En el anión dodecaborato(12), doce átomos de boro se unen covalentemente entre sí para formar una estructura icosaédrica. También se han estudiado en profundidad otros motivos similares, como los boranos , los carboranos y los diarboluros metálicos . [ cita requerida ]
El nitrógeno , a diferencia de su vecino carbono, tiene muchas menos probabilidades de formar cadenas que sean estables a temperatura ambiente. Algunos ejemplos de ellos son el nitrógeno sólido, el triazano , el anión azida y los triazoles . [12] [13] Se han sintetizado series incluso más largas con ocho átomos de nitrógeno o más, como el 1,1'-azobis-1,2,3-triazol . Estos compuestos tienen un uso potencial como una forma conveniente de almacenar grandes cantidades de energía. [14]
Se han preparado cadenas de fósforo (con sustituyentes orgánicos), aunque tienden a ser bastante frágiles. Son más comunes los anillos o racimos pequeños. [15]
La química versátil del azufre elemental se debe en gran medida a la concatenación. En el estado nativo, el azufre existe como moléculas S8 . Al calentarse, estos anillos se abren y se unen dando lugar a cadenas cada vez más largas, como lo demuestra el aumento progresivo de la viscosidad a medida que las cadenas se alargan. También se conocen policationes de azufre, polianiones de azufre ( polisulfuros ) y óxidos de azufre inferiores . [16] Además, el selenio y el telurio muestran variantes de estos motivos estructurales.
En los últimos años se han descrito diversos enlaces dobles y triples entre elementos semimetálicos, entre ellos el silicio, el germanio , el arsénico , el bismuto , etc. La capacidad de ciertos elementos del grupo principal para concatenarse es actualmente objeto de investigación en el campo de los polímeros inorgánicos .
A excepción del flúor , que solo puede formar polifluoruros inestables [17] a baja temperatura, todos los demás halógenos estables (Cl, Br, I) pueden formar varios aniones isopolihalogenados que son estables a temperatura ambiente, de los cuales el ejemplo más destacado es el triyoduro . En todos estos aniones, los átomos de halógeno del mismo elemento se unen entre sí.
