En química , la catenación es el enlace 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 cerrado si están unidos en un anillo (un compuesto cíclico ). Las palabras catenar y catenación reflejan la raíz latina catena , "cadena".
La catenación ocurre más fácilmente con el carbono , que forma enlaces covalentes con otros átomos de carbono para formar cadenas y estructuras más largas. Ésta es la razón de la presencia de una gran cantidad de compuestos orgánicos en la naturaleza. El carbono es más conocido por sus propiedades de catenación, siendo la química orgánica esencialmente el estudio de las estructuras de carbono catenadas (y conocidas como catenas ). Las cadenas de carbono en bioquímica combinan otros elementos, como hidrógeno , oxígeno y biometales , en la columna vertebral 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 hidrógeno , boro , silicio , fósforo , azufre y halógenos .
La capacidad de un elemento para encadenar se basa principalmente en la energía de enlace del elemento consigo mismo, que disminuye cuando los orbitales más difusos (aquellos con mayor número cuántico azimutal ) se superponen 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 unidas pp sigma más largas que los elementos más pesados que se unen a través de orbitales de la capa de valencia más altos. La capacidad de catenación 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, el solapamiento sigma entre átomos adyacentes es lo suficientemente fuerte como para que se puedan formar cadenas perfectamente estables. En el caso de otros elementos, alguna vez se pensó que esto era extremadamente difícil, a pesar de que hay muchas pruebas de lo contrario.
Las teorías de la estructura del agua involucran redes tridimensionales de tetraedros y cadenas y anillos, unidos mediante enlaces de hidrógeno . [2]
En 2008 se informó sobre una red policatenada, con anillos formados a partir de hemisferios con plantillas metálicas unidos por enlaces de hidrógeno .
En química orgánica , se sabe que los enlaces de hidrógeno facilitan la formación de estructuras de cadenas. El 4-triciclanol C 10 H 16 O, por ejemplo, muestra enlaces de hidrógeno catenados 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 forma 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 única 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 necesitan 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 Sin 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 de la cadena. [9]
Incluso los enlaces pi silicio-silicio son posibles. Sin embargo, estos enlaces son menos estables que los análogos del 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 los alquinos . En 2004 se informaron ejemplos de disilinas , que durante mucho tiempo se consideraron demasiado inestables para aislarlas [10] .
En el anión dodecaborato(12), doce átomos de boro se unen covalentemente entre sí para formar una estructura icosaédrica. También se han estudiado bien otros motivos similares, como los boranos , los carboranos y los dicarbollidos metálicos . [ cita necesaria ]
Es mucho menos probable que el nitrógeno , a diferencia de su vecino el carbono, forme cadenas que sean estables a temperatura ambiente. Algunos ejemplos de los cuales son el nitrógeno sólido, el triazano , el anión azida y los triazoles . [12] [13] Se han sintetizado series aún 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 éstas suelen ser bastante frágiles. Los anillos o racimos pequeños son más comunes. [15]
La química versátil del azufre elemental se debe en gran medida a la catenación. En estado nativo, el azufre existe como moléculas de S 8 . Al calentarlos estos anillos se abren y se unen dando lugar a cadenas cada vez más largas, como lo demuestra el progresivo aumento 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 ha informado de una variedad de enlaces dobles y triples entre elementos semimetálicos, incluidos silicio, germanio , arsénico , bismuto , etc. La capacidad de catenación de ciertos elementos del grupo principal es actualmente objeto de investigación en polímeros inorgánicos .
A excepción del flúor , que sólo puede formar polifluoruros inestables [17] a baja temperatura, todos los demás halógenos estables (Cl, Br, I) pueden formar varios aniones isopolihalógenos 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.
