En química , el efecto inductivo en una molécula es un cambio local en la densidad electrónica debido a grupos aceptores o donadores de electrones en otras partes de la molécula, lo que resulta en un dipolo permanente en un enlace. [1] Está presente en un enlace σ (sigma) , a diferencia del efecto electromérico que está presente en un enlace π (pi) .
Los átomos de halógeno en un haluro de alquilo son aceptores de electrones, mientras que los grupos alquilo tienen tendencias donadoras de electrones. Si el átomo electronegativo (al que le falta un electrón, por lo que tiene una carga positiva) se une a una cadena de átomos , generalmente carbono , la carga positiva se transmite a los otros átomos de la cadena. Este es el efecto inductivo aceptor de electrones, también conocido como efecto -I . En resumen, los grupos alquilo tienden a donar electrones, lo que produce el efecto + I. Su base experimental es la constante de ionización . Es distinto y a menudo opuesto al [[efecto mesomérico]
-I---El efecto aumenta debido a todos los iones positivos.
Los enlaces covalentes pueden polarizarse dependiendo de la electronegatividad relativa de los dos átomos que forman el enlace. La nube de electrones en un enlace σ entre dos átomos diferentes no es uniforme y está ligeramente desplazada hacia el más electronegativo de los dos átomos. Esto provoca un estado permanente de polarización del enlace , donde los átomos más electronegativos tienen una carga negativa fraccionaria (δ – ) y el átomo menos electronegativo tiene una carga positiva fraccionaria (δ + ).
Por ejemplo, la molécula de agua H2O tiene un átomo de oxígeno electronegativo que atrae una carga negativa. Esto se indica con δ - en la molécula de agua cerca del átomo de O, así como con un δ + al lado de cada uno de los dos átomos de H. La suma de vectores de los momentos dipolares de los enlaces individuales da como resultado un momento dipolar neto para la molécula. Un enlace polar es un enlace covalente en el que hay una separación de carga entre un extremo y el otro, es decir, en el que un extremo es ligeramente positivo y el otro ligeramente negativo. Los ejemplos incluyen la mayoría de los enlaces covalentes. Son típicos los enlaces hidrógeno-cloro en el HCl o los enlaces hidrógeno-oxígeno en el agua.
El efecto del desplazamiento del electrón sigma hacia el átomo más electronegativo por el cual un extremo queda cargado positivamente y el otro extremo cargado negativamente se conoce como efecto inductivo. El efecto -I es un efecto permanente y generalmente se representa mediante una flecha en el vínculo. [ cita necesaria ]
Sin embargo, algunos grupos, como el grupo alquilo , son menos aceptores de electrones que el hidrógeno y, por lo tanto, se consideran grupos liberadores o donadores de electrones. Este es de carácter liberador de electrones y está indicado por el efecto + I . En resumen, los grupos alquilo tienden a ceder electrones, lo que produce el efecto de inducción. Sin embargo, tal efecto ha sido cuestionado. [2]
Como el cambio de polaridad inducido es menor que la polaridad original, el efecto inductivo desaparece rápidamente y es significativo sólo en una distancia corta. Además, el efecto inductivo es permanente pero débil, ya que implica el desplazamiento de electrones fuertemente mantenidos en el enlace σ y otros factores más fuertes pueden eclipsar este efecto.
Los efectos inductivos relativos se han medido experimentalmente a través del pK as resultante de un grupo de ácido carboxílico cercano (ver § Ácidos carboxílicos). En orden creciente de efecto - I o en orden decreciente de efecto + I , los grupos funcionales comunes son: [ cita necesaria ]
Los sustituyentes de hidrógeno también exhiben un efecto isotópico : en relación con el mismo orden,
donde H es hidrógeno, D deuterio y T tritio .
La fuerza del efecto inductivo también depende de la distancia entre el grupo sustituyente y el grupo principal que reacciona; cuanto mayor sea la distancia, más débil será el efecto.
Los efectos inductivos se pueden expresar cuantitativamente a través de la ecuación de Hammett , que describe la relación entre las velocidades de reacción y las constantes de equilibrio con respecto al sustituyente.
El efecto inductivo se puede utilizar para determinar la estabilidad de una molécula dependiendo de la carga presente en el átomo y los grupos unidos al átomo. Por ejemplo, si un átomo tiene una carga positiva y está unido a un grupo I , su carga se "amplifica" y la molécula se vuelve más inestable. De manera similar, si un átomo tiene una carga negativa y está unido a un grupo + I, su carga se "amplifica" y la molécula se vuelve más inestable. Por el contrario, si un átomo tiene una carga negativa y está unido a un grupo I , su carga se "desamplifica" y la molécula se vuelve más estable que si no se tuviera en cuenta el efecto I. De manera similar, si un átomo tiene una carga positiva y está unido a un grupo + I , su carga se "desamplifica" y la molécula se vuelve más estable que si no se tuviera en cuenta el efecto I. La explicación de lo anterior viene dada por el hecho de que más carga en un átomo disminuye la estabilidad y menos carga en un átomo aumenta la estabilidad.
El efecto inductivo también juega un papel vital a la hora de decidir la acidez y basicidad de una molécula. Los grupos que tienen efecto + I (efecto inductivo) unidos a una molécula aumentan la densidad electrónica general en la molécula y la molécula es capaz de donar electrones, haciéndola básica. De manera similar, los grupos que tienen el efecto I unidos a una molécula disminuyen la densidad electrónica general de la molécula, haciéndola deficiente en electrones, lo que resulta en su acidez. A medida que aumenta el número de grupos -I unidos a una molécula, aumenta su acidez; A medida que aumenta el número de grupos + I en una molécula, aumenta su basicidad.
La fuerza de un ácido carboxílico depende del grado de su constante de ionización : cuanto más ionizado está, más fuerte es. A medida que un ácido se vuelve más fuerte, el valor numérico de su pK a disminuye.
En los ácidos, el efecto inductivo de liberación de electrones del grupo alquilo aumenta la densidad electrónica en el oxígeno y, por lo tanto, dificulta la ruptura del enlace OH, lo que consecuentemente reduce la ionización. Debido a su mayor ionización, el ácido fórmico ( pK a =3,74 ) es más fuerte que el ácido acético ( pK a =4,76 ). Sin embargo, el ácido monocloroacético ( pK a = 2,82 ) es más fuerte que el ácido fórmico, debido al efecto atractor de electrones del cloro que promueve la ionización.
En el ácido benzoico , los átomos de carbono que están presentes en el anillo tienen hibridación sp 2 . Como resultado, el ácido benzoico ( pKa =4,20 ) es un ácido más fuerte que el ácido ciclohexanocarboxílico ( pKa =4,87 ) . Además, en los ácidos carboxílicos aromáticos, los grupos aceptores de electrones sustituidos en las posiciones orto y para pueden mejorar la fuerza del ácido.
Dado que el grupo carboxilo es en sí mismo un grupo aceptor de electrones, los ácidos dicarboxílicos son, en general, ácidos más fuertes que sus análogos monocarboxílicos. El efecto inductivo también ayudará en la polarización de un enlace formando ciertas posiciones de átomos de carbono u otras posiciones atómicas.
