Ácido y Bases de Lewis

Definición de ácidos y bases de Lewis

En una reacción ácido-base de Lewis, la base "atacará" al ácido y donará un par de electrones. Esto hace que se forme un enlace covalente entre ambos.A continuación se muestra esta reacción general: Fig. 1:La base de Lewis "ataca" al ácido, formando un enlace

Hablemos ahora de esta reacción a nivel orbital. El par solitario de electrones de la base (electrones no enlazados) se encuentra en su orbital molecular de mayor ocupación (llamado HOMO). La base toma estos electrones e interactúa con el orbital molecular desocupado más bajo del ácido (llamado LUMO). Cuando interaccionan, forman un enlace a un nivel de energía más bajo, como se muestra a continuación:

Fig.2: El HOMO de la base interactúa con el LUMO del ácido para formar un enlace

Ejemplos de ácidos y bases de Lewis

Ahora que sabemos cómo es la reacción general, veamos algunos ejemplos:

Fig.3: Ejemplos de reacciones ácido-base de Lewis

En el ejemplo superior, el ion fluoruro (^F-) es nuestra base, que ataca al compuesto ácido trifluoruro de boro (_BF3). Tras la reacción, se forma un nuevo enlace B-F (en rojo) que da lugar al nuevo compuesto tetrafluorurode boro (^BF4-).

En el ejemplo inferior, el amoníaco (_NH3) es nuestra base y reacciona con el protón ácido/ión hidrógeno (^H+). Esto forma un nuevo enlace N-H y el nuevo compuesto amonio (^NH4+)

En general, si una especie tiene carga negativa, será una base. En cambio, si una especie tiene carga positiva, será un ácido.

Complejos de coordinación

La teoría de Lewis de los ácidos y las bases es importante, ya que es capaz de explicar la formación de compuestos de coordinación, mientras que otras teorías no pueden hacerlo.

Los complejos de coordinación se forman a partir de reacciones ácido-base repetidas, como se muestra a continuación:

Fig.4: Formación del compuesto de coordinación tetracianuro de cinc

Aquí, el ion cianuro (^CN-) ataca al ion zinc cargado positivamente (^Zn2+), que forma un enlace entre ellos. Esta reacción se produce 4 veces, con un total de 4 enlaces Zn-CN. Esto se considera un ion complejo , ya que es un compuesto de coordinación cargado.

En general, la base de Lewis será tu(s) ligando(s), mientras que tu ácido de Lewis es el átomo/ion metálico.

Fuerza de los ácidos y bases de Lewis

Fuerza de los ácidos de Lewis

Los ácidos de Lewis son electrófilos, por lo que su fuerza se basa en la electrofilicidad.

La electrofilicidad se basa (principalmente) en dos cosas:

1. La carga.
2. Electronegatividad.

Veamos estos dos conceptos por separado:

Carga

Los electrófilos tienden a tener cargas positivas. Una carga positiva indica una falta de electrones/densidad de electrones, por lo que desea fuertemente algunos electrones. Por ello, las especies con carga positiva van a ser más electrófilas que sus homólogas neutras.

En términos generales

$$A^+ > AX$$

Donde A es una especie cargada positivamente y X es una especie cargada negativamente

Por ejemplo

$$Mg^{2+}>MgCl_2$$

Electronegatividad

Fig.5: Tabla de electronegatividades

Los elementos más cercanos a la parte superior derecha (flúor:F) de la tabla periódica son más electronegativos, por lo tanto, estos elementos son electrófilos más fuertes

Por ejemplo, he aquí la tendencia de la electofilia para el grupo 2:

Be^{2+}>Mg^{2+}>Ca^{2+}>Sr^{2+}$$, menos electrófilos

Fuerza de las bases de Lewis

Las bases de Lewis son nucleófilas, por lo que su fuerza se basa en la nucleofilia.

La nucleofilia se basa en cuatro cosas

1. Carga
2. Electronegatividad
3. Resonancia/localización de la carga
4. Obstáculo estérico

Desglosemos esto pieza por pieza

Carga

Los nucleófilos suelen tener cargas negativas. Esto se debe a que las cargas negativas indican densidad electrónica (es decir, un exceso de electrones). Las cargas negativas nos dicen: "¡Tengo electrones de más y necesito deshacerme de ellos!".

Así que, en general

$$A^->AH$$

Donde ^A- es la especie negativa (base conjugada) del ácido AH.

Por ejemplo, ^HS- es más nucleófilo que _H2S.

Electronegatividad

Puesto que la electronegatividad es la tendencia a atraer electrones, los nucleófilos son más fuertes cuando son menos nucleófilos. Básicamente, a las especies altamente electronegativas "les gusta" tener una carga más negativa/alta densidad electrónica, por lo que no quieren "ceder" tanto sus electrones.

Por ejemplo, ésta es la tendencia de nuestros haluros (grupo 17):

I^->Br^->Cl^->F^-,\text{más nucleofílico},\text{menos nucleofílico}$$

Localización de la resonancia/carga

Las especies son más nucleófilas cuando la carga está localizada, en lugar de deslocalizada, como se muestra a continuación:

Fig.6: Las cargas localizadas son más nucleófilas

Cuando una carga está deslocalizada, como se muestra a la derecha, la carga se debilita al dispersarse. Como la carga es "más débil", es menos reactiva y, por tanto, menos nucleófila.

Obstrucción estérica

Los "estéricos" están relacionados con la disposición espacial de los átomos, por lo que "impedimento estérico" significa que "la forma en que están dispuestos los átomos significa que estorban"

Por ejemplo

Fig.7: Más grupos R significan más "voluminosidad "

Básicamente, cuando un nucleófilo es "voluminoso" hace que la reacción sea más lenta, ya que su voluminosidad "estorba". Por eso, voluminoso=menos nucleófilo

Problemas prácticos de ácidos y bases de Lewis

Ahora que hemos aprendido mucho sobre los ácidos y las bases de Lewis, vamos a trabajar en algunos problemas prácticos:

Intentemos ahora una más complicada: