{"id":11694,"date":"2022-05-02T09:07:48","date_gmt":"2022-05-02T14:07:48","guid":{"rendered":"http:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=11694"},"modified":"2022-07-01T11:31:28","modified_gmt":"2022-07-01T16:31:28","slug":"mapas-de-potencial-electrostatico-para-la-comprension-de-la-reactividad-quimica","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cienciauanl.uanl.mx\/?p=11694","title":{"rendered":"Mapas de potencial electrost\u00e1tico para la comprensi\u00f3n de la reactividad qu\u00edmica"},"content":{"rendered":"
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SARAI\u0301 VEGA RODRI\u0301GUEZ*<\/p>\n

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CIENCIA UANL \/ AN\u0303O 25, No.113, mayo-junio 2022<\/p>\n

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El estudio de las reacciones qui\u0301micas es en gran medida el corazo\u0301n de la Qui\u0301mica. Una reaccio\u0301n qui\u0301mica consiste en una transformacio\u0301n en la que inicialmente se tiene un conjunto de especies qui\u0301micas (a\u0301tomos, mole\u0301culas, compuestos qui\u0301micos, etc.) que interactu\u0301an entre ellas para finalmente formar especies diferentes a las iniciales (Kotz et al<\/em>., 2014). La facilidad o capacidad para reaccionar se conoce como reactividad. La reactividad depende de varios factores, siendo la naturaleza de la especie qui\u0301mica el factor ma\u0301s relevante. Si conocemos o comprendemos la naturaleza de las especies qui\u0301micas podemos entender o predecir de que\u0301 manera reaccionara\u0301n; sin embargo, para algunos compuestos no es tan sencillo. Una manera de ayudar a visualizar la reactividad de una mole\u0301cula es a trave\u0301s de los mapas de potencial electrosta\u0301tico.<\/p>\n

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Un mapa de potencial electrosta\u0301tico (MPE) muestra la fuerza de atraccio\u0301n o repulsio\u0301n que experimenta una parti\u0301cula, cargada positivamente, cuando interactu\u0301a con la superficie de una mole\u0301cula (Hardinger, 2010). El MPE nos indica, mediante una escala de colores, cua\u0301les son las regiones de la mole\u0301cula que carecen o que tienen un exceso de densidad electro\u0301nica. Podemos entender la densidad electro\u0301nica como una nube de electrones en la mole\u0301cula. Esta informacio\u0301n es de gran importancia para los qui\u0301micos, porque a partir de ella se puede conocer la reactividad de una mole\u0301cula, y esto permite disen\u0303ar metodologi\u0301as para la si\u0301ntesis de compuestos orga\u0301nicos e inorga\u0301nicos.<\/p>\n

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\u00bfCO\u0301MO SE RELACIONA EL MPE CON LA REACTIVIDAD DE UNA MOLE\u0301CULA?<\/h4>\n
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Las regiones que carecen de densidad electro\u0301nica son susceptibles al ataque de especies que contienen electrones; las especies que tienen un exceso de densidad electro\u0301nica atacan a las especies que carecen de ella. Estos \u201cataques\u201d forman enlaces que llevan a la generacio\u0301n de compuestos qui\u0301micos.<\/p>\n

En Qui\u0301mica Orga\u0301nica se denomina nucleo\u0301filo a los reactivos que forman enlace al donar sus electrones a especies carentes de densidad\u00a0electro\u0301nica o electro\u0301filo (McNaught y Wilkinson, 2019). Entonces, por medio de un MPE es posible saber si una mole\u0301cula, o una regio\u0301n de esta, se comporta como electro\u0301filo o como nucleo\u0301filo. Esto, finalmente, permite predecir co\u0301mo reaccionara\u0301 esa mole\u0301cula con otras.<\/span><\/p>\n

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Los MPE tambie\u0301n permiten visualizar el efecto que tienen diferentes grupos funcionales en una mole\u0301cula. Si tomamos como ejemplo un anillo de benceno y cambiamos un a\u0301tomo de hidro\u0301geno por otro sustituyente (grupo\u00a0funcional), podremos observar co\u0301mo se modifica la densidad electro\u0301nica del benceno. En la figura 1 se presentan los MPE de benceno \"\"<\/a><\/span>metilbenceno \"\"<\/a>\u00a0aminobenceno \"\"<\/a>\u00a0cianobenceno \"\" <\/a>y nitrobenceno \"\"<\/a>\u00a0En la escala de colores, el rojo indica zonas de alta densidad electro\u0301nica que se va desvaneciendo al pasar por naranja, amarillo y verde, hasta llegar al azul que indica zonas carentes de densidad electro\u0301nica.<\/span><\/p>\n

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De acuerdo con el MPE de benceno \"\"<\/a><\/span>\u00a0la densidad electro\u0301nica se agrupa en el centro del benceno porque ahi\u0301 se encuentran los electrones pi que forman el anillo aroma\u0301tico.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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La presencia de los grupos nitro y ciano reduce la densidad electro\u0301nica en el anillo aroma\u0301tico, esto se puede observar en el mapa de las mole\u0301culas de cianobenceno \"\"<\/a>\u00a0y nitrobenceno \"\"<\/a>, en las que la densidad electro\u0301nica ahora se localiza en el grupo funcional. Esto se debe a que estos grupos son electroatractores (jalan densidad electro\u0301nica por medio de resonancia o efecto inductivo) y dejan el anillo susceptible a un ataque nucleofi\u0301lico.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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APLICACIO\u0301N AL ENTENDIMIENTO DE UNA REACCIO\u0301N QUI\u0301MICA: SUSTITUCIO\u0301N ELECTROFI\u0301LICA AROMA\u0301TICA (SEAr)<\/h4>\n
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Una reaccio\u0301n de sustitucio\u0301n electrofi\u0301lica aroma\u0301tica (SEAr) es aque\u0301lla en la que los electrones del anillo aroma\u0301tico atacan a un electro\u0301filo, de manera que esta especie se une a un a\u0301tomo de carbono del anillo aroma\u0301tico, mientras que el hidro\u0301geno unido a ese carbono sale, de manera que el electro\u0301filo sustituye o reemplaza a un a\u0301tomo de hidro\u0301geno del anillo aroma\u0301tico (figura 2). De acuerdo con el MPE, el benceno concentra la densidad electro\u0301nica en el anillo aroma\u0301tico; por lo tanto, es un nucleo\u0301filo o una especie rica en electrones que puede reaccionar con electro\u0301filos o especies carentes de electrones. Cuando el benceno tiene sustituyentes diferentes a los a\u0301tomos de hidro\u0301geno, la SEAr se ve afectada.<\/p>\n

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Los sustituyentes electroatractores (ciano, nitro) retiran o disminuyen casi por completo la densidad en el anillo, desactiva\u0301ndolo a la SEAr. Se sabe que el nitrobenceno es 100,000 veces menos reactivo que el benceno en lo que se refiere a la SEAr (Wade, 1993). En cambio, los sustituyentes electrodonadores (amina, metilo) aportan a la densidad electro\u0301nica del anillo, activa\u0301ndolo para la SEAr. El metilbenceno es 25 veces ma\u0301s ra\u0301pido que el benceno para la SEAr (Wade, 1993).<\/p>\n

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OBTENCIO\u0301N DE LOS MPE<\/h4>\n
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Para obtener el MPE de una mole\u0301cula se hace uso de herramientas de Qui\u0301mica computacional a partir de las cuales se puede modelar una mole\u0301cula y calcular sus propiedades. Especi\u0301ficamente, se utilizan programas especializados que se basan en la resolucio\u0301n aproximada de la ecuacio\u0301n de Schro\u0308dinger, de manera que nos permiten conocer la estructura electro\u0301nica de una mole\u0301cula y, por ende, sus propiedades. En el ca\u0301lculo de los MPE se modela una parti\u0301cula con carga positiva que recorre la superficie de una mole\u0301cula. Esta parti\u0301cula puede experimentar atraccio\u0301n hacia las regiones cargadas negativamente, o repulsio\u0301n hacia las regiones cargadas positivamente.<\/span><\/p>\n

La energ\u00eda de atracci\u00f3n o repulsi\u00f3n de la mol\u00e9cula con esa carga se expresa mediante la ecuaci\u00f3n (1), donde V(r)<\/i> es el potencial electrost\u00e1tico generado por la interacci\u00f3n de la mol\u00e9cula con una carga situada a una distancia r<\/i>; Z<\/i> es el n\u00famero at\u00f3mico de cada \u00e1tomo A<\/i> en la mol\u00e9cula; \u00a0 \u00a0 <\/span>(r\u2019)<\/i> es la densidad electr\u00f3nica de la mol\u00e9cula; R<\/i>A<\/i>-r<\/i> es la distancia entre la carga y los n\u00facleos y r\u00b4-r<\/i> es la distancia entre la densidad electr\u00f3nica de la mol\u00e9cula y la carga (Politzer et al.<\/i>, 2009).<\/p>\n

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Los MPE mostrados en este art\u00edculo fueron calculados al nivel de teor\u00eda HF\/6-31G, es decir, con el m\u00e9todo ab initio<\/i> Hartree-Fock (Roothaan, 1951) y el conjunto de bases 6-31G (Binkley et al<\/i>., 1980), utilizando el paquete de programas de estructura electr\u00f3nica Gaussian09W (Frisch et al<\/i>., 2010).<\/p>\n

CONCLUSIONES<\/h4>\n

Los MPE son \u00fatiles para la comprensi\u00f3n de la reactividad de una mol\u00e9cula, \u00e9stos pueden ser utilizados como un complemento para entender los conceptos de electrofilicidad y nucleofilicidad, incluso son utilizados como parte de la metodolog\u00eda de dise\u00f1o de f\u00e1rmacos. Cabe mencionar que los MPE son una primera aproximaci\u00f3n para visualizar la reactividad, ya que existen metodolog\u00edas m\u00e1s adecuadas para \u00a0estudiar la reactividad de una mol\u00e9cula, como el c\u00e1lculo de \u00edndices de reactividad globales: potencial qu\u00edmico, electronegatividad, blandura, dureza; o locales: densidad electr\u00f3nica y funciones de Fukui (Pearson, 2005). La ventaja de los MPE sobre estas metodolog\u00edas reside en la simplicidad para obtenerlos. \u00a0<\/span><\/p>\n

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* Universidad Aut\u00f3noma de San Luis Potos\u00ed, San Luis Potos\u00ed, M\u00e9xico.
\nContacto: sarai.vega@uaslp.mx<\/p>\n

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REFERENCIAS<\/h4>\n

Binkley, J.S., Pople, J.A., y Hehre, W.J. (1980). Self-Consistent Molecular Orbital Methods. 21. Small Split-Valence Basis Sets for First-Row Elements. J. Am. Chem. Soc.<\/i> 102:939-47.
\nFrisch, M. J., Trucks, G. W., Schlegel, H. B., et al<\/i>. (2010). Gaussian 09, Revision C.01.<\/i> Gaussian, Inc., Wallingford CT.
\nHardinger, S.A. (2010). Illustrated Glossary of Organic Chemistry.<\/i> Disponible en: http:\/\/www.chem.ucla.edu\/~harding\/IGOC\/E\/electrostatic_potential_map.html#:~:text=Electrostatic%20potential%20map%3A%20A%20map,electron%20excess%20and%20electron%20deficiency
\nMcNaught, A.D., y Wilkinson, A. (2019). Compendium of Chemical Terminolog (the \u00abGold Book\u00bb). IUPAC Recomendations.<\/i> Blackwell Scientific Publications, Oxford. Disponible en https:\/\/doi.org\/10.1351\/goldbook
\nKotz, J.C., Treichel, P.M., Townsend, J., et al<\/i>. (2014). Chemistry & chemical reactivity.<\/i> Cengage Learning.
\nPearson, R.G., (2005). Chemical hardness and density functional theory. J. Chem. Sci.<\/i> 117(5):369-377.
\nPolitzer, P., y Murray, J.S. (2009). The Electrostatic Potential as a Guide to Molecular Interactive Behavior Chemical Reactivity Theory-A Density Functional View<\/i>, CRC Press.
\nRoothaan, C.C.J. (1951). New Developments in Molecular Orbital Theory. Rev. Mod. Phys.<\/i> 23:69.
\nWade L.G. (1993). Qu\u00edmica Org\u00e1nica.<\/i> M\u00e9xico: Pearson Education.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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