¿Cómo nos ayuda la clasificación de las moléculas orgánicas a predecir sus propiedades? 9 h
En la actualidad, hay un buen número de aplicaciones y software de libre acceso que permiten visualizar moléculas de diferente complejidad en 3D haciendo uso de realidad virtual o realidad aumentada. A continuación os enumero algunas realmente interesantes:
Aplicaciones para el móvil:
- MolAR (App Store: MolAR Augmented Reality on the App Store (apple.com); Google Play: MolAR - Aplicaciones en Google Play). Permite cargar cualquier molécula de su amplia base dedatos y visualizarla en RA sobre cualquier superficie con suficiente luz. Además, reconoce estructuras dibujadas a mano en papel o en el móvil, y hay objetos, que cuando se enfocan con la cámara, la app proyectará una imagen de la molécula característica. Por ejemplo: si enfocas una taza de café, verás la imagen de la cafeína.
- ModelAR (App Store: ModelAR: Organic Chemistry en App Store (apple.com); Google Play: ModelAR Organic Chemistry - Apps en Google Play) Similar a la anterior, pero pensada para directamente ir construyendo la molécula que deseas visualizar.
- King Draw (App Store: KingDraw on the App Store (apple.com); Google Play: KingDraw: Chemistry Station - Apps en Google Play). Es similar a ModelAR, pero más potente, y permite obtener y exportar gráficas profesionales para publicaciones científica
Páginas web:
- QR Chemistry Generator: es una web donde puedes descargar un código QR y al escanearlo con el móvil, te carga un modelo que puedes mover y manipular en el móvil.
Software para descargar en ordenador:
- Jmol: an open-source Java viewer for chemical structures in 3D (sourceforge.net): Jmol es un software de código libre que incluye un editor 2D en el que puedes escribir la molécula que quieras y luego pasarla al visor 3D, en el que además, puedes realizar medidas de distancias y ángulos de enlace.
- Free Chemical Drawing Software for Students | ChemSketch | ACD/Labs (acdlabs.com): ChemSketch es muy similar a Jmol, también tiene un editor 2D que exporta a 3D y herramientas de medida incorporadas, además, permite predecir algunas propiedades y con los programas adecuados añadidos, ir más allá y predecir incluso espectros de diverso tipo.
Una serie homóloga es una serie de compuestos que tienen la misma fórmula general, pero difieren en un grupo metileno, -CH2-. Los compuestos de una serie homóloga tienen propiedades químicas similares, pues tienen los mismos grupos funcionales, pero las propiedades físicas van cambiando gradualmente.
La variación de las propiedades físicas dentro de una serie homóloga tiene relación directa con la intensidad de las fuerzas intermoleculares, especialmente, las de London, que son se carácter universal y que aumentan con el tamaño, por aumentar el número de electrones de la molécula. Mayores fuerzas de London implican puntos de fusión y ebullición y densidades más altos, como se ve en los ejemplos mostrados arriba.
Se dice que dos compuestos son isómeros cuando tienen la misma fórmula molecular pero distinta fórmula estructural.
- Isómeros de cadena: sustancias que difieren en la forma de la cadena.
- Isómeros de posición: sustancias que difieren en la posición que ocupa una parte de la molécula.
- Isómeros de función: sustancias que presentan la misma función en dos posiciones diferentes, de modo que reciben un nombre distinto. Se da entre alcoholes-éteres, aldehídos-cetonas y ácidos-ésteres.
- Isómeros geométricos: sustancias con un enlace doble que difieren en la posición que ocupan entre sí los fragmentos unidos a los átomos de carbono enlazados por el doble enlace. Para que se de, además del doble enlace, los fragmentos unidos al mismo carbono no pueden ser iguales.
- Isómeros ópticos: sustancias que difieren en la dirección en la que desvían el plano de la luz polarizada. Para que exista, un átomo de carbono debe estar unido a cuatro fragmentos diferentes. Los isómeros ópticos son imágenes especulares no superponibles el uno del otro.
En esta técnica, un compuesto orgánico, generalmente líquido, se introduce en un dispositivo en el que es vaporizado, y luego pasa por un sistema que lo fracciona e ioniza y un detector al final. Los iones generados son positivos, y generalmente monopositivos, y el patrón de fragmentación es característico de cada compuesto, de modo que per se, puede utilizarse como huella digital del compuesto para detectarlo y cuantificarlo en una mezcla.
La técnica se puede emplear para averiguar la estructura tridimensional del compuesto. Un primer dato que se puede obtener es la masa molar, que corresponde al valor de la mayor ratio masa/carga, lo que se conoce como el ion molecular.
Aparte de este primer dato, los fragmentos moleculares ionizados se pueden identificar y a partir de ahí se tienen datos para reconstruir la estructura de la molécula.
La radiación infrarroja hace que los átomos vibren como si estuvieran unidos por un muelle, estando relacionada la fuerza del enlace con la energía de la radiación que lo hace vibrar, lo que permite su identificación. Para que una vibración sea activa en el IR y produzca una banda de absorción, es preciso que la vibración genere un dipolo eléctrico. Hay muchos tipos diferentes de vibración dependiendo de la geometría de los enlaces.
Un espectro IR muestra la transmitancia (porcentaje de radiación no absorbida por la muestra) frente al número de ondas (inverso de la longitud de onda, medida directa de la energía). Las bandas se indexan utilizando la tabla del cuadernillo de datos.
El RMN da información sobre el entorno de los átomos de hidrógeno dentro de la mólécula y hoy es la técnica más importante en la determinación de las estructuras de sustancias químicas. Cuando los átomos de hidrógeno se ponen en un campo magnético potente, aparecen dos niveles energéticos correspondientes a los núcleos de hidrógeno, cuya diferencia de energía está en el ámbito de las radiofrecuencias. Esta diferencia de energía se matiza ligeramente por los entornos químicos en los que son así distinguibles dentro de la molécula.
En un espectro de RMN, las señales se miden en distancia respecto a un estándar que se añade a la muestra, el tetrametilsilano (TMS, Si(CH3)4). Esa distancia se llama desplazamiento químico, y se mide en ppm. Esta sustancia se usa como referencia por varios motivos: sus 12 protones son equivalentes, por lo que una pequeña cantidad añadida a la muestra da una señal suficiente para el calibrado; la mayoría de protones de sustancias orgánicas da señales por debajo de la del TMS, por lo que no suele interferir; es muy inerte, de modo que no reaccionará con casi ninguna sustancia; y es muy volátil, de modo que se puede eliminar fácilmente después de emplearse en el análisis.
Cada señal en un RMN indica un entorno químico diferente, la intensidad está relacionada con el número de protones a que corresponde, y el desplazamiento químico corresponde a un tipo de función química diferente, según puede encontrarse en el cuadernillo de datos.
La intensidad relativa de los picos de los multipletes sigue el patrón del triángulo de Pascal:
Los espectros RMN suelen incluir una línea que representa el área acumulada de los picos del mismo. Ese área permite calcular cuántos protones representa cada pico del espectro.
En este caso 5.3/1.75=3, es decir, que el primer pico representa 3 protones y el otro 1.
En la práctica, el RMN actual siempre es de alta resolución. Es por ello, que las señales no suelen ser simples sino que aparecen varias líneas de diferente intensidad (multipletes), que corresponden al comlamiento de spin entre el protón analizado y los del carbono adyacente a él. Los patrones de desdoblamiento de señales indican con facilidad si el protón considerado forma parte de un grupo metilo o etilo, etc.
En esta imagen se ven los desdoblamientos que un protón Hb da cuando se acopla con un número variable de protones Ha:
Para determinar la estructura de un compuesto, lo habitual es partir de un análisis elemental, que nos va a indicar la fórmula molecular de la sustancia. Sólo con eso se puede calcular el índice de déficit de hidrógeno (IDH), que nos va a indicar el número de insaturaciones (dobles y triples enlaces, cada ciclo además equivale a una insaturación) de la sustancia. Para compuestos de C, H, O, N y X (halógenos), se aplica la siguiente fórmula:
IDH=C+1-0.5·(H+X-N)
donde C, H, X y N son el número de átomos de carbono, hidrógeno, halógenos y nitrógeno, respectivamente.
Eso, combinado con el IR, el RMN y el EM nos van dando pistas que al final nos permiten dilucidar la estructura de la molécula.
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