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La regla de Clar

En química orgánica y química física , la regla de Clar es una regla empírica que relaciona la estabilidad química de una molécula con su aromaticidad . Fue introducida en 1972 por el químico orgánico austríaco Erich Clar en su libro El sexteto aromático . La regla establece que dado un hidrocarburo aromático policíclico , la estructura de resonancia más importante para caracterizar sus propiedades es aquella con el mayor número de π-sextetos aromáticos, es decir, fracciones similares al benceno. [1]

La regla

En general, la estructura química de un hidrocarburo aromático policíclico dado  admite más de una estructura de resonancia : a veces se las denomina estructuras de resonancia de Kekulé . Algunas de estas estructuras pueden contener π-sextetos aromáticos , es decir, grupos de seis electrones π localizados en una fracción similar al benceno y separados por anillos adyacentes por enlaces C–C formales . Un π-sexteto aromático puede representarse mediante un círculo, como en el caso de la molécula de antraceno . La regla de Clar establece que para un hidrocarburo aromático policíclico bencenoide (es decir, con solo anillos hexagonales), la estructura de resonancia con el mayor número de π-sextetos aromáticos disjuntos es la más importante para caracterizar sus propiedades químicas y físicas. Tal estructura de resonancia se llama estructura de Clar . En otras palabras, un hidrocarburo aromático policíclico con un número dado de π-sextetos es más estable que sus isómeros con menos π-sextetos. [1] [2] En 1984, Glidewell y Lloyd proporcionaron una extensión de la regla de Clar a los hidrocarburos aromáticos policíclicos que contienen anillos de cualquier tamaño. [3] Más recientemente, la regla de Clar se extendió aún más a los birradicaloides en su estado singlete . [4]

Dos representaciones de la misma estructura de resonancia del antraceno . Arriba, cada enlace covalente entre átomos de carbono está representado por uno o dos segmentos. Abajo, el π-sexteto aromático se pone en evidencia mediante un círculo.

Cómo escribir una estructura Clar

Al escribir una estructura Clar, se deben cumplir las siguientes reglas: [5]

  1. cada vértice del gráfico molecular que representa el hidrocarburo aromático policíclico pertenece a un doble enlace o a un círculo;
  2. Tales dobles enlaces y círculos nunca se unen;
  3. no existen anillos con tres dobles enlaces, ya que siempre se representan mediante círculos; además, el número de círculos en el gráfico es maximizado;
  4. Cuando un anillo con un círculo está adyacente a un anillo con dos enlaces dobles, se dibuja una flecha desde el primer anillo al último.

Vale la pena poner en evidencia algunas observaciones sobre estas reglas. Siguiendo a Clar, [1] las reglas en los puntos 1 y 2 implican que los círculos nunca pueden estar en anillos adyacentes; la regla en el punto 3 significa que solo cuatro opciones son viables para los anillos, a saber (i) tener solo un doble enlace, (ii) tener dos dobles enlaces, (iii) tener un círculo, o (iv) estar vacío, es decir, no tener dobles enlaces; finalmente, la flecha mencionada en la regla en el punto 4 puede interpretarse en términos de movilidad de π-sextetos (en este caso hablamos de π-sextetos migrantes ) o, equivalentemente, de una resonancia cuántico-mecánica entre diferentes estructuras de Clar. [5]

Ejemplos

A continuación se aplica la regla de Clar a tres casos diferentes.

Las estructuras de resonancia del fenantreno

Dos estructuras de resonancia del fenantreno : arriba, una con un solo círculo; abajo, una con dos círculos, que también es una estructura de Clar. La regla de Clar establece que esta última estructura es la que más contribuye a las propiedades del fenantreno.

Según las reglas expuestas anteriormente, la molécula de fenantreno admite dos estructuras de resonancia diferentes: una de ellas presenta un solo círculo en el centro de la molécula, teniendo cada uno de los dos anillos adyacentes dos dobles enlaces; la otra tiene los dos anillos periféricos cada uno con un círculo, y el anillo central con un doble enlace. Según la regla de Clar, esta última estructura de resonancia es la que aporta la contribución más importante a la determinación de las propiedades del fenantreno. [2] [6]

El sexteto π migratorio del antraceno

Representación de la molécula de antraceno : arriba, tres estructuras de resonancia equivalentes; abajo, su estructura Clar, con la flecha que indica un π-sexteto migratorio.

La molécula de antraceno admite tres estructuras de resonancia, cada una con un círculo en un anillo y dos conjuntos de dobles enlaces en los otros dos. Siguiendo la regla del punto 4 expuesta anteriormente, el antraceno se describe mejor mediante una superposición de estas tres estructuras equivalentes, y se dibuja una flecha para indicar la presencia de un π-sexteto migratorio. Siguiendo la misma línea de razonamiento, se pueden encontrar π-sextetos migratorios en otras moléculas de la serie de los acenos , como el tetraceno , el pentaceno y el hexaceno . [2]

El papel de los anillos angulares

La fusión de anillos angulares alrededor de una fracción de benceno conduce a un aumento de la estabilidad. La estructura Clar del antraceno , por ejemplo, tiene solo un π-sexteto, pero al mover un anillo a la posición angular se obtiene fenantreno, cuya estructura Clar lleva dos círculos en lugar de uno; observe que esta molécula puede considerarse como una fracción de benceno con dos anillos fusionados; se puede fusionar un tercer anillo para obtener trifenileno , con tres π-sextetos aromáticos en su estructura Clar. La estabilidad química de estas moléculas está muy influenciada por el grado de aromaticidad de sus estructuras Clar. Como resultado, mientras que el antraceno reacciona con el ácido maleico, el fenantreno no lo hace, y el trifenileno es la especie más estable de estas tres. [1]

Tres estructuras Clar con un número creciente de anillos fusionados alrededor de una fracción de benceno: antraceno (a la izquierda), fenantreno (en el medio) y trifenileno (a la derecha). La estabilidad química de estos compuestos aumenta de izquierda a derecha debido al aumento del número de π-sextetos.

Evidencia experimental y aplicaciones

Desde su declaración formal en 1972, la regla de Clar ha recibido una gran cantidad de evidencia experimental . La dependencia del color y la reactividad de algunos hidrocarburos aromáticos policíclicos pequeños en el número de π-sextetos en sus estructuras es reportada por el mismo Clar en su contribución seminal. [1] De manera similar, se demostró que la brecha HOMO-LUMO , y por lo tanto el color, de una serie de heptacatafusenos depende del número de π-sextetos. [5] La regla de Clar también ha sido apoyada por resultados experimentales sobre la distribución de electrones π en hidrocarburos aromáticos policíclicos, [7] cálculos de enlace de valencia , [8] y estudios de desplazamiento químico independiente del núcleo. [9]

La regla de Clar se aplica ampliamente en los campos de la química y la ciencia de los materiales . Por ejemplo, la regla de Clar se puede utilizar para predecir varias propiedades de las nanocintas de grafeno . [10] Los π-sextetos aromáticos juegan un papel importante en la determinación del estado fundamental de las estructuras de tipo birradical de capa abierta ., [4] La regla de Clar puede racionalizar la disminución observada de la banda prohibida de los grafenos agujereados con el aumento de tamaño. [11]

Limitaciones

A pesar del apoyo experimental mencionado anteriormente, la regla de Clar sufre de algunas limitaciones. En primer lugar, la regla de Clar está formulada sólo para especies con anillos hexagonales, [12] y por lo tanto no se puede aplicar a especies que tienen anillos diferentes de la fracción bencánica, a pesar de que Glidewell y Lloyd han proporcionado una extensión de la regla a moléculas con anillos de cualquier dimensión. [12] En segundo lugar, si existe más de una estructura de Clar para una especie dada, la regla de Clar no permite determinar la importancia relativa de cada una de ellas en la determinación de las propiedades fisicoquímicas. [6] Finalmente, es importante mencionar que existen excepciones a la regla de Clar, como en el caso de los triangulenos . [13]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcde Erich Clar (1972). "El sexteto aromático". En D. Rondia; M. Cooke; RK Haroz (eds.). Emisiones de fuentes móviles, incluidas las especies orgánicas policíclicas . John Wiley & Sons. págs. 49–58. doi :10.1007/978-94-009-7197-4_4. ISBN 978-94-009-7199-8.
  2. ↑ abc Miquel Solà i Puig (17 de octubre de 2013). "Cuarenta años del gobierno del π-sexteto aromático de Clar". Fronteras de la Química . 1 : 22. doi : 10.3389/FCHEM.2013.00022 . ISSN  2296-2646. PMC 3982536 . PMID  24790950. Wikidata  Q38208843. 
  3. ^ Christopher Glidewell; Douglas Lloyd (1984). "Estudio MNDO de órdenes de bonos en algunos hidrocarburos BI y tricíclicos conjugados". Tetraedro . 40 (21). doi :10.1016/S0040-4020(01)98821-0. ISSN  0040-4020. Wikidata  Q112830674.
  4. ^ ab Zhe Sun; Sangsu Lee; Kyu Hyung Park; et al. (20 de noviembre de 2013). "Isómeros de dibenzoheptazethreno con diferentes caracteres birradicales: un ejercicio de la regla del sexteto aromático de Clar en birradicales singlete". Revista de la Sociedad Química Americana . 135 (48): 18229–18236. doi :10.1021/JA410279J. ISSN  0002-7863. PMID  24206273. Wikidata  Q44732390.
  5. ^ a b C Alexandru Balaban ; Douglas J. Klein (2009). "Nanoestructuras de carbono claromático". La Revista de Química Física C (113): 19123–19133. doi :10.1021/JP9082618. ISSN  1932-7447. Wikidata  Q112828750.
  6. ^ ab Guillem Portella; Jordi Poater; Miquel Solà (5 de mayo de 2005). "Evaluación de la regla del π-sexteto aromático de Clar mediante indicadores de aromaticidad local PDI, NICS y HOMA". Revista de Química Física Orgánica . 18 (8): 785–791. doi :10.1002/POC.938. ISSN  0894-3230. Wikidata  Q56387336.
  7. ^ Iván Gutman; ŽeljkoTomović; Klaus Mullen; Jürgen P. Rabe (12 de octubre de 2004). "Sobre la distribución de electrones π en grandes hidrocarburos aromáticos policíclicos". Letras de Física Química . 397 (4–6): 412–416. doi :10.1016/J.CPLETT.2004.08.138. ISSN  0009-2614. Wikidata  Q112830992.
  8. ^ Remco WA Havenith; Haijun Jiao; Leonardus W. Jenneskens; et al. (1 de marzo de 2002). "Estabilidad y aromaticidad de los congéneres de pireno fusionados con ciclopenta". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 124 (10): 2363–2370. doi :10.1021/JA011538N. ISSN  0002-7863. PMID  11878993. Wikidata  Q43905733.
  9. ^ Yosadara Ruiz-Morales (10 de octubre de 2009). "Aromaticidad en hidrocarburos aromáticos policíclicos pericondensados ​​fusionados a ciclopenta determinada por desplazamientos químicos independientes del núcleo de la teoría del funcional de la densidad y la regla Y — Implicancias en la estabilidad de los asfaltenos de petróleo". Revista canadiense de química . 87 . doi :10.1139/V09-052. ISSN  0008-4042. Wikidata  Q112831105.
  10. ^ Tobías Wassmann; Ari P. Seitsonen; A. Marco Saitta; Michele Lazzeri; Francesco Mauri (1 de marzo de 2010). "Teoría de Clar, distribución de electrones pi y geometría de nanocintas de grafeno". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 132 (10): 3440–3451. arXiv : 1003.3572 . doi :10.1021/JA909234Y. ISSN  0002-7863. PMID  20178362. Wikidata  Q83008058.
  11. ^ Karol Strutyński; Aurelio Mateo Alonso; Manuel Melle-Franco (16 de enero de 2020). "Clar gobierna las propiedades electrónicas de los marcos conjugados π 2D: tenga cuidado con la brecha". Química: una revista europea . doi :10.1002/CHEM.201905087. ISSN  0947-6539. PMID  31944437. Wikidata  Q92685111.
  12. ^ ab Ouissam El Bakouri; Jordi Poater; Ferrán Feixas; Miquel Solà (agosto 2016). "Explorando la validez de la extensión de Glidewell-Lloyd de la regla del π-sexteto de Clar: evaluación a partir de hidrocarburos conjugados policíclicos". Cuentas de Química Teórica . 135 (8). doi :10.1007/S00214-016-1970-1. ISSN  1432-2234. Wikidata  Q61857678.
  13. ^ Eduardo Martín Rico-Sotomayor; José E Barquera-Lozada (26 de octubre de 2020). "Triangulenos y sus iones: alcanzando los límites de la regla de Clar". Química Física Física Química . doi :10.1039/D0CP03305G. ISSN  1463-9076. PMID  33104146. Wikidata  Q100996684.