Teoria della risonanza e stabilità molecolare: un'analisi approfondita

Ci dà una serie di spiegazioni per la reattività di alcuni composti organici. È una teoria sviluppata da Pauling nel 1928. Una teoria in base alla quale si riesce a descrivere la reale struttura, il reale stato elettronico di alcuni composti organici, prendendo in considerazione il fatto che le coppie di elettroni solitarie presenti in alcuni composti, così come gli elettroni degli orbitali p presenti in alcuni composti chimici, non sono necessariamente ed esclusivamente posizionate sull’atomo, nel caso delle coppie solitarie, o tra i due atomi coinvolti nel legame π. Si prende per la prima volta in considerazione il fatto che queste coppie di elettroni possano muoversi liberamente lungo lo scheletro carbonioso della molecola in questione.

Descrizione dello ione carbonato

Lo ione carbonato viene rappresentato come un atomo di C che lega 3 O, due legati attraverso legame semplice, con l’O che ha una carica negativa e uno legato con un legame doppio.

I due atomi di O che portano la carica negativa hanno 3 coppie di atomi solitari, il carbonio legato con il carbonio doppio non ha carica negativa e possiede solo due coppie di elettroni non condivise. Il modo con cui rappresentiamo la struttura dello ione carbonato, in realtà non è corretto perché in realtà le cariche negative presenti sui due atomi di O non sono necessariamente localizzate li, ma sono spalmate anche sugli altri O così come il doppi legame si sposta. Se immaginiamo di prendere in considerazione che gli elettroni degli atomi π così come gli elettroni non condivisi si possano muovere lungo la struttura dello ione, possiamo immaginare che una coppia di elettroni solitaria presente su uno degli O possa spostarsi e condividersi con il C a fronte del richiamo della coppia di elettroni di uno degli altri ossigeni. Questo spostamento di elettroni, non facciamo altro che generare il doppio legame doppio tra O e il C. Per farlo:

Con questo spostamento di elettroni spostiamo le cariche negative e il doppio legame tra gli O.

Possiamo continuare a muovere gli elettroni e immaginare che sia l’altro atomi si O che mette a disposizione la sua coppia di atomi di non legame e precedere nello stesso modo. Tutti questi spostamenti sono consentiti perché ci sono le condizioni a livello degli orbitali che consentono la sovrapposizione, ci sono i requisiti geometrici principale che consentono questo processo.

Teoria della risonanza

Questo spostamento si elettroni genera tre forme praticamente uguale, cambia solo la posizione della carica negativa e del doppio legame. Queste tre formule rendono l’idea di quella che è la struttura dello ione carbonato che non può essere descritta da nessuna delle tre formule, ciascuna di queste ci aiuta a capire la struttura reale, che è una via di mezzo tra le tre strutture sopra descritte. La struttura reale che meglio descrive l’effettiva situazione elettronica dello ione carbonato è:

Vediamo parziale carica negativa su ciascuno degli atomi di O e un parziale carattere di doppio legame su ciascun atomo di O.

È una struttura che ci aiuta a comprendere l’effettivo stato elettronico dello ione carbonato. Lo spostamento degli elettroni viene spiegato con la teoria della risonanza che ci aiuta a comprendere come lo spostamento di elettroni sia un guadagno di energia, ci permette di spiegare il maggior grado di stabilità che la molecola ha. Le tre strutture estreme che abbiamo spiegato precedentemente prendono il nome di strutture limite di risonanza, descrivono una situazione limite ma non il reale stato della molecola dello ione carbonato.

In realtà se dobbiamo immaginare di rappresentare lo ione carbonato nessuna è una rappresentazione reale della molecola, ma la molecola è una combinazione di quelle descritte.

Le strutture limite hanno una caratteristica, quando le andiamo a rappresentare devono essere descritte da una freccia a doppia punta, vanno messe in relazione con una freccia a doppia punta: (da non confondere con le frecce dell’equilibrio)

Le strutture limite differiscono solo per la distribuzione degli elettroni di valenza, non va mai alterata quella che è la sequenza con cui gli atomi sono legati gli uni agli altri, se cambiamo l’ordine di rappresentazione degli atomi noi andiamo a rappresentare un’altra molecola, la risonanza serve solo per descrivere come gli elettroni di troveranno disposti all’interno della molecola. Importante è perché ci aiuta a comprendere perché determinati composti sono caratterizzati da una maggiore stabilità rispetto ad altri: quanto più gli elettroni riescono a muoversi lungo lo scheletro della molecola, tanto più elevata sarà la stabilità della molecola.

Strutture limite di risonanza

Le strutture rappresentabili con più forme di risonanza sono più stabili delle singole strutture che contribuiscono all’ibrido. Nessuna singola struttura rappresentata di per se la molecola, che può essere descritta dall’insieme delle varie forme limite di risonanza.

1- Per poter descrivere forme limite di risonanza dobbiamo mantenere l’ordine in cui gli atomi sono legami tra di loro, hanno identica posizione dei nuclei e si differenziano solo per la distribuzione degli elettroni

2- La molecola reale deriva dalla combinazione delle strutture limite di risonanza, che non esistono vengono solo usate come artificio per comprendere in che modo gli elettroni si spostano sulla molecola.

3- La struttura più stabile nelle forme limiti di risonanza dà il maggiore contributo alla descrizione dell’ibrido.

4- Se abbiamo più forme limite di risonanza che ci aiutano a descrivere dell’ibrido di risonanza non tutte le forme limite avranno lo stesso peso, ma avranno contenuto energetico simile.

5- La struttura limite più stabile concorre di più come peso alla descrizione del peso.

Stabilità delle forme limite

Strutture limite più stabili: Sono strutture che hanno un contenuto energetico simile, quelle che hanno il maggior numero di legami e quelli che hanno il minor contenuto di separazione di carica sono anche le strutture che hanno la maggiore stabilità.

Noi possiamo scrivere la molecola di CO2 come si vede nell’immagine, ma in realtà possiamo immaginare, considerando che ogni atomo di O ha due coppie di elettroni non condivise, di spostare una coppia di elettroni sull’atomo di C e per mantenere la valenza sul carbonio dobbiamo richiamare la coppia di elettroni π sull’altro atomo di O . Questo spostamento porta ad un'altra forma limite di risonanza in cui , lo spostamento della coppia di elettroni porta alla formazione di un legame triplo tra C e O, l’ossigeno che ha instaurato il triplo legame si ritrova una carica positiva mentre invece il doppio legame sull’altro atomo di O si perde e guadagna una carica positiva. La forma limite B è una forma a bassa energia concorre poco alla descrizione di ibrido di risonanza perché pur mantenendo lo stesso numero di legami esibisce una differenza di carica e quindi mino stabilità. Aiuta a spiegare la stabilità della CO2, ma concorre poco alla descrizione della reale situazione elettronica della CO2. Il peso della forma limite A è maggiore della forma limite B, perché la forma limite A è più stabile.

Contributo delle forme limite

Noi descriviamo le forme limiti, in base al risultato possiamo sapere:

- quante sono le forme limiti che hanno il maggior grado di stabilità energetica

- - se un ibrido è più o meno stabile di un altro ibrido a seconda del numero di strutture di risonanza che lo compongono

- Comprendere se ci sono forme limite che sono ad energia più elevata e concorrono meno alla descrizione dell’ibrido di risonanza.

6- Il contributo delle forme limite di risonanza alla descrizione dell’ibrido dipende anche da dove è localizzata la carica che eventualmente è presente sulla molecola

Le forme limite hanno una maggiore stabilità se sono descritte da strutture a separazione di carica dove la carica è localizzata su atomi che ben la tollerano.

Nella prima struttura abbiamo una carica negativa sul carbonio, nella seconda è sull’ossigeno. Sula base dell’elettronegatività sappiamo che l’ossigeno tollera molto meglio del carbonio la carica negativa, quindi la struttura B è più stabile della struttura A. Avremo un maggior carattere de doppio legame tra i due C e un maggior carattere della parziale carica negativa sull’ossigeno. In questo ci aiuta la teoria della risonanza, a capire quale struttura descrive al meglio la molecola.

Configurazione degli atomi

7- Tutti gli atomi nelle forme e limiti di risonanza dovrebbero avere la configurazione del gas nobile. Strutture limiti di risonanza che presentano atomi che non raggiungono l’ottetto contribuisco meno all’ibrido, sono meno stabili e quindi partecipano in minor misura alla descrizione dell’ibrido di risonanza.

8- L’ibrido di risonanza è più stabile delle strutture limite di risonanza, perché è descritto dalla combinazione di forme limiti di risonanza e quindi è una situazione energeticamente più stabile delle singole strutture.

9- L’aumento di stabilità che una molecola guadagna per effetto della risonanza si definisce come ENERGIA DI RISONANZA, aumenta quanto più sono le strutture limiti di risonanza energeticamente equivalenti.

Importanza della teoria della risonanza

È una teoria importante perché ci aiuta a comprendere quella che è la reale struttura geometrica ed elettronica di una molecola, ma ci spiega anche in base al numero di forma limiti di risonanza che possiamo utilizzare per descriver e l’ibrido, ci aiuta a capire la stabilità energetica della molecola, cosa importante quando andremo a studiare alcune molecole che sono strutturalmente simili ma hanno diversa stabilità.

1- Solo gli elettroni si spostano non gli atomi, che restano legati così come li troviamo.

2- Solo gli elettroni p e le coppie solitarie di elettroni possono muoversi (non gli elettroni s)

3- Il numero totale degli elettroni non cambia, quindi tutte le strutture di risonanza devono avere la stessa carica netta, se abbiamo separazione di carica la somma delle cariche totale deve sempre restituire quella della molecola principale.

Esempio del carbocatione allilico

Il primo esempio ha un carbocatione allilico. Questo carbocatione trovandosi adiacente al doppio legame fa si che la coppia di elettroni coinvolti nel doppio legame possano spostarsi sul legami adiacente andando a saturare la carica positiva del carbocatione. In questo modo noi spostiamo il doppio legame sul carbonio successivo e saturiamo la carica positiva. Il doppio legame quindi si sposta da un iniziale posizione C2=C3 ad una nuova posizione C3=C4. Chiaramente lo spostamento della coppia lascia sul carbonio 2 una lacuna elettronica che quindi assume una carica positiva. Quindi non solo c’è lo spostamento del doppio legame lungo lo scheletro ma anche la carica si sposta. La carica della struttura si partenza è +1 e anche alla dine, non ì stata cambiata la carica netta della molecola. Sono due strutture limiti sono identiche e hanno stessa energia quindi contribuiscono alla stessa maniera all’ibrido e lo stabilizzano notevolmente perché quando le forme limiti hanno la stessa energia contribuiscono nella maniera massima alla stabilità dell’ibrido di risonanza.