La fórmula estructural de un compuesto químico es una representación gráfica de la estructura molecular (determinada mediante métodos de química estructural ), que muestra cómo posiblemente están dispuestos los átomos en el espacio tridimensional real . También se muestra el enlace químico dentro de la molécula, ya sea explícita o implícitamente. A diferencia de otros tipos de fórmulas químicas , [a] que tienen un número limitado de símbolos y solo tienen un poder descriptivo limitado, las fórmulas estructurales proporcionan una representación geométrica más completa de la estructura molecular. Por ejemplo, muchos compuestos químicos existen en diferentes formas isoméricas , que tienen diferentes estructuras enantioméricas pero la misma fórmula molecular . Existen múltiples tipos de formas de dibujar estas fórmulas estructurales como: Estructuras de Lewis , fórmulas condensadas, fórmulas esqueléticas , proyecciones de Newman , conformaciones de ciclohexano , proyecciones de Haworth y proyecciones de Fischer . [2]
Se utilizan varios formatos sistemáticos de denominación química, como en las bases de datos químicas , que son equivalentes y tan potentes como las estructuras geométricas. Estos sistemas de nomenclatura química incluyen SMILES , InChI y CML . Estos nombres químicos sistemáticos se pueden convertir en fórmulas estructurales y viceversa, pero los químicos casi siempre describen una reacción o síntesis química utilizando fórmulas estructurales en lugar de nombres químicos, porque las fórmulas estructurales permiten al químico visualizar las moléculas y los cambios estructurales que ocurren en ellos durante las reacciones químicas. ChemSketch y ChemDraw son sitios web y descargas populares que permiten a los usuarios dibujar reacciones y fórmulas estructurales, generalmente en el estilo Lewis Structure.
Los enlaces a menudo se muestran como una línea que conecta un átomo con otro. Una línea indica un enlace simple . Dos líneas indican un doble enlace y tres líneas indican un triple enlace . En algunas estructuras se especifican y muestran los átomos entre cada enlace. Sin embargo, en algunas estructuras, las moléculas de carbono no están escritas específicamente. En cambio, estos carbonos están indicados por una esquina que se forma cuando se conectan dos líneas. Además, los átomos de hidrógeno están implícitos y normalmente no se extraen. Estos se pueden inferir en función de a cuántos otros átomos está unido el carbono. Por ejemplo, si el Carbono A está unido a otro Carbono B, el Carbono A tendrá tres hidrógenos para llenar su octeto. [3]
Los electrones generalmente se muestran coloreados en círculos. Un círculo indica un electrón. Dos círculos indican un par de electrones. Normalmente, un par de electrones también indicará una carga negativa. Al utilizar los círculos de colores, se indica el número de electrones en la capa de valencia de cada átomo respectivo, lo que proporciona información descriptiva adicional sobre la capacidad reactiva de ese átomo en la molécula. [3]
A menudo, los átomos tendrán una carga positiva o negativa ya que es posible que su octeto no esté completo. Si al átomo le falta un par de electrones o tiene un protón, tendrá carga positiva. Si el átomo tiene electrones que no están unidos a otro átomo, habrá una carga negativa. En fórmulas estructurales, la carga positiva se indica con ⊕ y la carga negativa se indica con ⊖. [3]
La quiralidad en las fórmulas esqueléticas está indicada por el método de proyección de Natta . La estereoquímica se utiliza para mostrar la disposición espacial relativa de los átomos en una molécula. Para mostrar esto se utilizan cuñas, y hay dos tipos: discontinuas y rellenas. Una cuña llena indica que el átomo está al frente de la molécula; apunta por encima del plano del papel hacia el frente. Una cuña discontinua indica que el átomo está detrás de la molécula; apunta debajo del plano del papel. Cuando se utiliza una línea recta sin trazos, el átomo está en el plano del papel. Esta disposición espacial proporciona una idea de la molécula en un espacio tridimensional y existen limitaciones en cuanto a cómo se pueden organizar las disposiciones espaciales. [3]
Los enlaces simples ondulados representan una estereoquímica desconocida o no especificada o una mezcla de isómeros. Por ejemplo, el diagrama adyacente muestra la molécula de fructosa con un enlace ondulado al grupo HOCH 2 - a la izquierda. En este caso, las dos posibles estructuras anulares están en equilibrio químico entre sí y también con la estructura de cadena abierta. El anillo se abre y se cierra automáticamente, a veces cerrándose con una estereoquímica y otras con la otra.
Las fórmulas esqueléticas pueden representar isómeros cis y trans de alquenos. Los enlaces simples ondulados son la forma estándar de representar una estereoquímica desconocida o no especificada o una mezcla de isómeros (como ocurre con los estereocentros tetraédricos). A veces se ha utilizado un doble enlace cruzado, pero ya no se considera un estilo aceptable para uso general. [4]
Las estructuras de Lewis (o "estructuras de puntos de Lewis") son fórmulas gráficas planas que muestran la conectividad de los átomos y los pares solitarios o no apareados de electrones, pero no la estructura tridimensional. Esta notación se utiliza principalmente para moléculas pequeñas. Cada línea representa los dos electrones de un enlace simple . Dos o tres líneas paralelas entre pares de átomos representan enlaces dobles o triples, respectivamente. Alternativamente, se pueden usar pares de puntos para representar pares de enlace. Además, se indican todos los electrones no enlazados (pareados o no) y cualquier carga formal en los átomos. Mediante el uso de estructuras de Lewis , la colocación de electrones, ya sea en un enlace o en pares libres , permitirá identificar las cargas formales de los átomos en la molécula para comprender la estabilidad y determinar la molécula más probable (basándose en en la diferencia de geometría molecular ) que se formaría en una reacción. Las estructuras de Lewis reflexionan sobre la geometría de la molécula, ya que a menudo los enlaces se dibujan en ciertos ángulos para representar la molécula en la vida real. La estructura de Lewis se utiliza mejor para calcular cargas formales o cómo se unen los átomos entre sí, ya que se muestran tanto los electrones como los enlaces. Las estructuras de Lewis dan una idea de la geometría molecular y electrónica que varía según la presencia de enlaces y pares libres y a través de esto también se pueden determinar los ángulos de enlace y la hibridación .
En las primeras publicaciones de química orgánica, donde el uso de gráficos era muy limitado, surgió un sistema tipográfico para describir estructuras orgánicas en una línea de texto. Aunque este sistema tiende a ser problemático en su aplicación a compuestos cíclicos, sigue siendo una forma conveniente de representar estructuras simples:
Los paréntesis se utilizan para indicar múltiples grupos idénticos, lo que indica la unión al átomo que no es de hidrógeno más cercano a la izquierda cuando aparece dentro de una fórmula, o al átomo de la derecha cuando aparece al comienzo de una fórmula:
En todos los casos, se muestran todos los átomos, incluidos los átomos de hidrógeno. También es útil mostrar los carbonilos donde
se da a entender por el hecho de estar colocado entre paréntesis. Por ejemplo:
( acetona )
Por lo tanto, es importante mirar a la izquierda del átomo entre paréntesis para asegurarse de a qué átomo está unido. Esto resulta útil al realizar la conversión de una fórmula condensada a otra forma de fórmula estructural, como la fórmula esquelética o las estructuras de Lewis . Hay diferentes formas de mostrar los distintos grupos funcionales en las fórmulas condensadas, como aldehído como , ácidos carboxílicos como o , ésteres como o . Sin embargo, el uso de fórmulas condensadas no da una idea inmediata de la geometría molecular del compuesto o del número de enlaces entre los carbonos, es necesario reconocerlo en función del número de átomos unidos a los carbonos y si hay cargas. sobre el carbono. [5]
Las fórmulas esqueléticas son la notación estándar para moléculas orgánicas más complejas. En este tipo de diagrama, utilizado por primera vez por el químico orgánico Friedrich August Kekulé von Stradonitz , [6] se supone que los átomos de carbono están ubicados en los vértices (esquinas) y extremos de los segmentos de línea en lugar de estar indicados con el símbolo atómico C. Los átomos de hidrógeno unidos a átomos de carbono no se indican: se entiende que cada átomo de carbono está asociado con suficientes átomos de hidrógeno para darle cuatro enlaces al átomo de carbono. La presencia de una carga positiva o negativa en un átomo de carbono reemplaza a uno de los átomos de hidrógeno implicados. Los átomos de hidrógeno unidos a átomos distintos del carbono deben escribirse explícitamente. Una característica adicional de las fórmulas esqueléticas es que añadiendo ciertas estructuras se puede determinar la estereoquímica , es decir, la estructura tridimensional, del compuesto. Muchas veces, la fórmula esquelética puede indicar estereoquímica mediante el uso de cuñas en lugar de líneas. Las cuñas sólidas representan enlaces que apuntan por encima del plano del papel, mientras que las cuñas discontinuas representan enlaces que apuntan por debajo del plano.
La proyección de Newman y la proyección del caballete se utilizan para representar confórmeros específicos o para distinguir la estereoquímica vecinal . En ambos casos, el centro de atención son dos átomos de carbono específicos y su enlace de conexión. La única diferencia es una perspectiva ligeramente diferente: la proyección de Newman mira directamente hacia abajo el bono de interés, la proyección del caballete mira el mismo bono pero desde un punto de vista algo oblicuo . En la proyección de Newman, se utiliza un círculo para representar un plano perpendicular al enlace, distinguiendo los sustituyentes en el carbono frontal de los sustituyentes en el carbono posterior. En la proyección del caballete, el carbono frontal suele estar a la izquierda y siempre está ligeramente más bajo. A veces, se utiliza una flecha para indicar el carbono frontal. La proyección del caballete es muy similar a una fórmula esquelética e incluso puede utilizar cuñas en lugar de líneas para indicar la estereoquímica de la molécula. La proyección del caballete se distingue de las fórmulas esqueléticas porque no es un muy buen indicador de la geometría y la disposición molecular de las moléculas. Se pueden utilizar tanto una proyección de Newman como una de Sawhorse para crear una proyección de Fischer.
Ciertas conformaciones del ciclohexano y otros compuestos de anillos pequeños se pueden mostrar utilizando una convención estándar. Por ejemplo, la conformación de silla estándar del ciclohexano implica una vista en perspectiva desde ligeramente por encima del plano promedio de los átomos de carbono e indica claramente qué grupos son axiales (apuntando verticalmente hacia arriba o hacia abajo) y cuáles son ecuatoriales (casi horizontales, ligeramente inclinados hacia arriba o hacia abajo). ). Los bonos al frente pueden o no resaltarse con líneas o cuñas más fuertes. Las conformaciones progresan de la siguiente manera: silla a media silla, bote giratorio a bote, bote giratorio a media silla a silla. Las conformaciones de ciclohexano también se pueden utilizar para mostrar la energía potencial presente en cada etapa, como se muestra en el diagrama. Las conformaciones de silla (A) tienen la energía más baja, mientras que las conformaciones de media silla (D) tienen la energía más alta. Hay un pico/máximo local en la conformación de barco (C), y hay valles/mínimos locales en las conformaciones de barco giratorio (B). Además, las conformaciones de ciclohexano se pueden utilizar para indicar si la molécula tiene interacciones diaxiales 1,3 que son interacciones estéricas entre sustituyentes axiales en los carbonos 1,3 y 5. [7]
La proyección de Haworth se utiliza para los azúcares cíclicos . No se distinguen las posiciones axiales y ecuatoriales; en cambio, los sustituyentes se colocan directamente encima o debajo del átomo del anillo al que están conectados. Normalmente se omiten los sustituyentes de hidrógeno.
Sin embargo, una cosa importante a tener en cuenta al leer una proyección de Haworth es que las estructuras de los anillos no son planas. Por lo tanto, Haworth no proporciona formas tridimensionales. Sir Norman Haworth , fue un químico británico que ganó el Premio Nobel por su trabajo sobre los carbohidratos y por descubrir la estructura de la vitamina C. Durante su descubrimiento, también dedujo diferentes fórmulas estructurales que ahora se conocen como proyecciones de Haworth. En una proyección de Haworth, un azúcar piranosa se representa como un hexágono y un azúcar furanosa como un pentágono. Por lo general, se coloca oxígeno en la esquina superior derecha de la piranosa y en el centro superior de un azúcar furanosa. Los enlaces más delgados en la parte superior del anillo se refieren a los enlaces que están más lejos y los enlaces más gruesos en la parte inferior del anillo se refieren al extremo del anillo que está más cerca del espectador. [8]
La proyección de Fischer se utiliza principalmente para monosacáridos lineales . En cualquier centro de carbono dado, las líneas de enlace verticales equivalen a marcas estereoquímicas, dirigidas en dirección opuesta al observador, mientras que las líneas horizontales equivalen a cuñas, que apuntan hacia el observador. La proyección no es realista, ya que un sacárido nunca adoptaría esta conformación eclipsada múltiples veces. No obstante, la proyección de Fischer es una forma sencilla de representar múltiples estereocentros secuenciales que no requiere ni implica ningún conocimiento de la conformación real. Una proyección de Fischer restringirá una molécula tridimensional a 2-D y, por lo tanto, existen limitaciones para cambiar la configuración de los centros quirales. Las proyecciones de Fischer se utilizan para determinar la configuración R y S en un carbono quiral y se realiza utilizando las reglas de Cahn Ingold Prelog . Es una forma conveniente de representar y distinguir entre enantiómeros y diastereómeros . [8]
Una fórmula estructural es un modelo simplificado que no puede representar ciertos aspectos de las estructuras químicas. Por ejemplo, los bonos formalizados pueden no ser aplicables a sistemas dinámicos como los bonos deslocalizados . La aromaticidad es un caso así y se basa en la convención para representar el vínculo. Diferentes estilos de fórmulas estructurales pueden representar la aromaticidad de diferentes maneras, lo que lleva a diferentes representaciones del mismo compuesto químico. Otro ejemplo son los dobles enlaces formales , en los que la densidad electrónica se distribuye fuera del enlace formal, lo que da lugar a un carácter de doble enlace parcial y a una interconversión lenta a temperatura ambiente. Para todos los efectos dinámicos, la temperatura afectará las tasas de interconversión y puede cambiar la forma en que se debe representar la estructura. No existe una temperatura explícita asociada a una fórmula estructural, aunque muchos suponen que sería una temperatura estándar .
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