Introducción a la Química Orgánica Diagramas HOMO-LUMO


Instrucciones a seguir si en esta página hay modelos moleculares

  • A continuación se describen las diferentes formas de representación de la molécula utilizando Jsmol.
  • Haga clic en la (+) del cuadro verde para extenderlo y poder leer la descripción.

  • Para cerrar el cuadro, haga clic en el signo (-).

Instrucciones

Usted tiene las siguientes opciones en este simulador para moléculas pequeñas tanto inorgánicas como orgánicas.

  • En la parte superior, aparecen los botones 2D y 3D para que pueda observar el modelo en dos o tres dimensiones.
  • A continuación se presenta el modelo en dos o tres dimensiones.
  • "Search" puede ser utilizado para buscar alguna molécula, escribiendo el nombre en inglés, por ejemplo al escribir, sulphuric acid (ácido sulfúrico).
  • Color de fondo, sirve seleccionar el color del fondo del modelo en tres dimensiones.
  • Acercar +, acerca el modelo.
  • Acercar -, aleja el modelo.
  • Girar X, Y, Z, para girar el modelo en tres dimensiones en los ejes x, y, z.
  • Alambres, varillas y pelotas y varillas, para cambiar el modelo en tres dimensiones en esas representaciones.
  • Energía, aparce en la parte superior la energía de la molécula en kJ/mol o kcal/mol.
  • Minmizar por MMFF94, normalmente las estructuras iniciales que se crean en los simuladores poseen energías mucho mayores a las que tendría un objeto real, por esta razón, se utilizan algoritmos para calcular las posiciones y fuerzas originales, con el objetivo de minimizarlas y que sean más realistas.
  • Arrastrar Minimizar, usted puede arrastrar un átomo, soltarlo y entonces el sistema hace un cálculo de minimización de energía.
  • Simetría, muestra los planos de simetría en la molécula.
  • Editar, puede editar la molécula agragando o quitando átomos y enlaces.
  • Superficie VDW, La superficie de van der Waals de una molécula es una representación abstracta o modelo de esa molécula, que ilustra dónde, en términos muy generales, podría haber una superficie para la molécula en función de los cortes duros de los radios de van der Waals para átomos individuales, y representa una superficie a través de la cual la molécula podría concebirse interactuando con otras moléculas.
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  • PEM es el mapa de potencial electrostático.
  • Tetraedros, para el caso que exista alguna átomo tetraédrico.
  • Dipolos enlaces, para ver el los dipolos de todos los enlaces.
  • Dipolo molecular, para ver el momento dipolar resultante de toda la molécula.
  • Hibridación sp, sp2 y sp3, para ver la hibridacion del átomo de carbono.
  • Anillo Aromático, muestra los anillos aromáticos de la moléculas.
  • C quiral (nomenclatura R/S) y E/Z para isomería geométrica en alquenos, los descriptores R/S permiten indicar en un compuesto orgánico la configuración (la disposición espacial de los sustituyentes) de un carbono o centro quiral, estereocentro o centro estereogénico, que es el caso de un átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes. Se añade R o S entre paréntesis como prefijo delante del nombre de la molécula orgánica. En caso de ser más de uno el centro estereogénico, separados por coma se indica el descriptor R o S de cada uno, precedido del número o localizador que identifica su posición.
  • Invertir R/S, para cambiar la quiralidad.
  • Nomenclatura E/Z en Alquenos, el sistema tradicional para nombrar los isómeros geométricos de un alqueno, en el que los mismos grupos están dispuestos de manera diferente, es nombrarlos como cis o trans. Sin embargo, es fácil encontrar ejemplos donde el sistema cis-trans no se aplica fácilmente.
  • N electrones, O electrones y S electrones, para ver los electrones libres del nitrógeno, oxígeno y azufre.
  • C primario, C secundario, C terciario, C cuaternario, identifica la clasificación de los átomos de carbono.
  • Dadores y aceptores de puentes de hidrógeno, señala los átomos que pueden dar o aceptar puentes de hidrógeno
  • Botón 2D, cuando escoge el botón 2D, la aplicación tiene su propio menú y quedan inhabilitados todos los botones 3D.

Introducción a la Química Orgánica

Hay un principio fundamental: que casi todas las reacciones en química orgánica ocurren por la reacción entre ácidos y bases de Bronsted o Lewis. Estas reacciones implican la transferencia de protones o interacciones según la teoría de acidez-basicidad de Lewis con pares de electrones no compartidos. Entonces, estas reacciones son ejemplos de interacciones entre orbitales atómicos o moleculares con orbitales atómicos o moleculares que están vacíos.
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Estabilización por interacción de orbitales

La interacción de dos orbitales atómicos o moleculares, produce dos nuevos orbitales. Uno de los nuevos orbitales tiene mayor energía que los orbitales originales (orbital de antienlace), y otro de menor energía (orbital de enlace). Cuando uno de los orbitales iniciales tiene un par de electrones (una base de Lewis), y el otro está vacío (ácido de Lewis), se puede colocar los dos electrones en el orbital de menor energía de los dos nuevos orbitales, esto genera un sistema más estable. Cuando se produce la interacción entre orbitales, los dos que interactúan generalmente son el orbital molecular ocupado de mayor energía (HOMO) de una molécula con el orbital molecular desocupado de menor energía (LUMO) de la otra molécula. Estos orbitales son el par más próximo en energía de cualquier par de orbitales en dos moléculas, lo que permite que su interacción sea muy fuerte. Estos orbitales se denominan frecuente como "orbitales frontera"

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Interacción HOMO-LUMO

Analicemos algunos ejemplos. Primero, una reacción que se identifica como una reacción ácido-base de Lewis.

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El NH3 tiene un nitrógeno con un par de electrones no compartido, ocupando el HOMO (generalmente es verdadero que los pares de electromes ocupan orbitales HOMO. El BH3 tiene un orbital de valencia vacío en el B, que que el B es un elemento que se localiza en el Grupo II. Este es el orbital LUMO.

A continuación se muestran imágenes de los dos orbitales obtenidos por cálculos semi-empíricos AM1.

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NH3 HOMO

¡Atención!

Simulador HOMO NH3

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BH3 LUMO

¡Atención!

Simulador LUMO BH3

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El diagrama de energía HOMO-LUMO de arriba describe la formación de un enlace entre el N y el B. Ahora tratemos un caso ligeramente más complejo. Aquí se muestra la reacción ácido-base que se lleva a cabo según la teoría de Bronsted:

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Con las flechas se indica qué enlace se rompe y cual se forma, pero esto no indica cuáles orbitales están involucrados.

El agua actúa anfotéricamente con base de Bronsted aceptando un proton y como base de Lewis por poseer un par electrónico no compartido (el HOMO).

El HCl es un ácido de Bronsted, capaz de donar un protón, pero también un ácido de Lewis, usando el orbital σ* del enlace H—Cl (el LUMO).

Aquí se presentan las imágenes de los HOMO y LUMO implicados en la formación del enlace obtenidas por cálculos de orbital molecular semi-empíricos AM1.

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H2O HOMO

¡Atención!

Simulador HOMO H2O

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HCl LUMO

¡Atención!

Simulador LUMO HCl

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La interacción estabiliza el par de electrones libre del oxígeno, mientras que simultáneamente se rompe el enlace H—Cl porque la interacción es con el orbital de antienlace.

Otro ejemplo es la reacción SN2, que involucre el HOMO del nucleófilo y el orbital σ* del enlace R—X.

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Aquí se presentan los orbitales involucrados:

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HOMO OH-

¡Atención!

Simulador HOMO OH-

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LUMO CH3Cl

¡Atención!

Simulador LUMO CH3Cl

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La interacción estabiliza el par de electrones no compartido del oxígeno, con la ruptura simultánea del enlace CH3—Cl porque la interacción es con el orbital de antienlace.

El siguiente ejemplo es de la reacción de alquenos con H—X, en donde el HOMO es el orbital molecular p del alqueno con el orbital LUMO σ* del H—X

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Adición a alquenos

y la reacción SN1 del carbocatión con el nucleófilo:

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Reacción del carbocatión