En química orgánica , el efecto inductivo en una molécula es un cambio local en la densidad electrónica debido a grupos atractores 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 atractores de electrones mientras que los grupos alquilo tienen tendencias a donar electrones. Si el átomo electronegativo (que carece de un electrón, por lo tanto 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 atractor de electrones, también conocido como efecto - I. En resumen, los grupos alquilo tienden a donar electrones, lo que conduce al efecto + I. Su base experimental es la constante de ionización . Es distinto y a menudo opuesto al efecto mesomérico .
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 se desplaza ligeramente 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 mediante δ - en la molécula de agua en la proximidad del átomo de O, así como mediante un δ + junto a cada uno de los dos átomos de H. La adición vectorial de los momentos dipolares de enlace 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. Ejemplos de enlaces covalentes son la mayoría de los enlaces covalentes. El enlace hidrógeno-cloro en HCl o los enlaces hidrógeno-oxígeno en agua son típicos.
El efecto del desplazamiento del electrón sigma hacia el átomo más electronegativo, por el cual un extremo se carga positivamente y el otro se carga negativamente, se conoce como efecto inductivo. El efecto -I es un efecto permanente y generalmente se representa con una flecha en el enlace. [ cita requerida ]
Sin embargo, algunos grupos, como el grupo alquilo , son menos atractores de electrones que el hidrógeno y, por lo tanto, se consideran grupos liberadores/donadores de electrones. Este es un carácter liberador de electrones y se indica mediante el efecto + I. En resumen, los grupos alquilo tienden a ceder electrones, lo que conduce al 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 solo en una distancia corta. Además, el efecto inductivo es permanente pero débil, ya que implica el desplazamiento de electrones fuertemente unidos por el enlace σ y otros factores más fuertes pueden eclipsar este efecto.
Los efectos inductivos relativos se han medido experimentalmente a través del pKa resultante de un grupo de ácido carboxílico cercano (véase § Ácidos carboxílicos). En orden creciente de efecto - I o en orden decreciente de efecto + I , los grupos funcionales comunes son: [3]
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. Del mismo modo, 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. Del mismo modo, 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 se da por el hecho de que más carga en un átomo disminuye la estabilidad y menos carga en un átomo la aumenta.
El efecto inductivo también desempeña 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 total de la molécula y la molécula puede donar electrones, volviéndola básica. De manera similar, los grupos que tienen efecto - I unidos a una molécula disminuyen la densidad electrónica total de la molécula, volviéndola deficiente en electrones, lo que da como resultado 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, aumentará su basicidad.
La fuerza de un ácido carboxílico depende de la magnitud de su constante de ionización : cuanto más ionizado esté, más fuerte será. A medida que un ácido se vuelve más fuerte, el valor numérico de su pKa disminuye .
En los ácidos, el efecto inductivo liberador de electrones del grupo alquilo aumenta la densidad electrónica del oxígeno y, por lo tanto, impide la ruptura del enlace OH, lo que en consecuencia reduce la ionización. Debido a su mayor ionización, el ácido fórmico ( pKa = 3,74 ) es más fuerte que el ácido acético ( pKa = 4,76 ). Sin embargo, el ácido monocloroacético ( pKa = 2,82 ) es más fuerte que el ácido fórmico, debido al efecto de atracción de electrones del cloro que promueve la ionización.
En el ácido benzoico , los átomos de carbono presentes en el anillo presentan hibridación sp2 . 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 atractores 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 que atrae 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 que hace que ciertos átomos de carbono u otros átomos se posicionen.
