Efecto inductivo

En química, el efecto inductivo en una molécula es un cambio local en la densidad de electrones debido a grupos atractores o donantes de electrones en otras partes de la molécula, lo que da como resultado un dipolo permanente en un enlace. Está presente en un enlace σ (sigma), a diferencia del efecto electromérico que está presente en un enlace π (pi).

Los átomos de halógeno en el haluro de alquilo son atractores de electrones, mientras que los grupos alquilo tienen tendencias donadoras de electrones. Si el átomo electronegativo (al que le falta un electrón, por lo que tiene una carga positiva) se une a una cadena de átomos, generalmente de carbono, la carga positiva se transmite a los otros átomos de la cadena. Este es el efecto inductivo de extracción de electrones, también conocido como efecto -I . En resumen, los grupos alquilo tienden a donar electrones, lo que lleva al efecto +I. Su base experimental es la constante de ionización. Es distinto y, a menudo, opuesto al efecto mesomérico.

Polarización de bonos

Los enlaces covalentes se pueden polarizar dependiendo de la electronegatividad relativa de los dos átomos que forman el enlace. La nube de electrones en un enlace σ entre dos átomos diferentes no es uniforme y está ligeramente desplazada hacia el más electronegativo de los dos átomos. Esto provoca un estado permanente de polarización de enlace, donde los átomos más electronegativos tienen una carga negativa fraccionaria (δ–) y el átomo menos electronegativo tiene una carga positiva fraccionaria (δ+).

Por ejemplo, la molécula de agua H ₂ O tiene un átomo de oxígeno electronegativo que atrae una carga negativa. Esto está indicado por δ- en la molécula de agua en la vecindad del átomo de O, así como por δ+ al lado de cada uno de los dos átomos de H. La suma vectorial de los momentos dipolares de enlace individuales da como resultado un momento dipolar neto para la molécula. Un enlace polar es un enlace covalente en el que hay una separación de carga entre un extremo y el otro, es decir, en el que un extremo es ligeramente positivo y el otro ligeramente negativo. Los ejemplos incluyen la mayoría de los enlaces covalentes. El enlace hidrógeno-cloro en HCl o los enlaces hidrógeno-oxígeno en agua son típicos.

Efecto inductivo

El efecto del desplazamiento del electrón sigma hacia el átomo más electronegativo por el cual un extremo se carga positivamente y el otro extremo se carga negativamente se conoce como efecto inductivo. " - El efecto es un efecto permanente y generalmente representado por una flecha en el vínculo" .

Sin embargo, algunos grupos, como el grupo alquilo, absorben menos electrones que el hidrógeno y, por lo tanto, se consideran grupos liberadores/donadores de electrones. Este es un carácter liberador de electrones y está indicado por el efecto + I. En resumen, los grupos alquilo tienden a ceder electrones, lo que lleva al efecto de inducción. Sin embargo, tal efecto ha sido cuestionado.

Como el cambio de polaridad inducido es menor que la polaridad original, el efecto inductivo desaparece rápidamente y es significativo solo en una distancia corta. Además, el efecto inductivo es permanente pero débil, ya que implica el cambio de electrones de enlace σ fuertemente retenidos y otros factores más fuertes pueden eclipsar este efecto.

Efectos inductivos relativos

Los efectos inductivos relativos se han medido experimentalmente con referencia al hidrógeno, en orden creciente del efecto +I o decreciente del efecto -I, de la siguiente manera:

Y en orden creciente de efecto +I, donde H es Hidrógeno y D es Deuterio y T es Tritio. Todos son isótopos de hidrógeno.La fuerza del efecto inductivo también depende de la distancia entre el grupo sustituyente y el grupo principal que reacciona; cuanto mayor sea la distancia, más débil será el efecto.

Los efectos inductivos se pueden expresar cuantitativamente a través de la ecuación de Hammett, que describe la relación entre las velocidades de reacción y las constantes de equilibrio con respecto al sustituyente.

Fragmentación

El efecto inductivo se puede utilizar para determinar la estabilidad de una molécula según la carga presente en el átomo y los grupos unidos al átomo. Por ejemplo, si un átomo tiene una carga positiva y está unido a un grupo -I, su carga se "amplifica" y la molécula se vuelve más inestable. De manera similar, si un átomo tiene una carga negativa y está unido a un grupo + I, su carga se 'amplifica' y la molécula se vuelve más inestable. Por el contrario, si un átomo tiene una carga negativa y está unido a un grupo -I, su carga se 'desamplifica' y la molécula se vuelve más estable que si no se tuviera en cuenta el efecto I. De manera similar, si un átomo tiene una carga positiva y está unido a un +I grupo su carga se vuelve 'desamplificada' y la molécula se vuelve más estable que si no se tuviera en cuenta el efecto I. La explicación de lo anterior está dada por el hecho de que más carga en un átomo disminuye la estabilidad y menos carga en un átomo aumenta la estabilidad.

Acidez y basicidad

El efecto inductivo también juega un papel vital en la decisión de la acidez y la basicidad de una molécula. Los grupos que tienen un efecto + I (efecto inductivo) unidos a una molécula aumentan la densidad electrónica general de la molécula y la molécula puede donar electrones, lo que la convierte en básica. De manera similar, los grupos que tienen el efecto -I unidos a una molécula disminuyen la densidad electrónica general en la molécula, lo que la hace deficiente en electrones, lo que resulta en su acidez. A medida que aumenta el número de grupos -I unidos a una molécula, aumenta su acidez; a medida que aumenta el número de grupos + I en una molécula, aumenta su basicidad.

Aplicaciones

Ácidos carboxílicos

La fuerza de un ácido carboxílico depende del grado de su constante de ionización: cuanto más ionizado está, más fuerte es. A medida que un ácido se vuelve más fuerte, el valor numérico de su pK _a cae.

En los ácidos, el efecto inductivo de liberación de electrones del grupo alquilo aumenta la densidad de electrones en el oxígeno y, por lo tanto, dificulta la ruptura del enlace OH, lo que en consecuencia reduce la ionización. Debido a su mayor ionización, el ácido fórmico (pKa =3,74) _es más fuerte que el ácido acético (pKa ₌ 4,76). El ácido monocloroacético (pK _a = 2,82), sin embargo, es más fuerte que el ácido fórmico, debido al efecto de extracción de electrones del cloro que promueve la ionización.

En el ácido benzoico, los átomos de carbono que están presentes en el anillo tienen hibridación sp. Como resultado, el ácido benzoico (pKa =4,20) es _un ácido más fuerte que el ácido ciclohexanocarboxílico (pKa ₌ 4,87). Además, en los ácidos carboxílicos aromáticos, los grupos atractores de electrones sustituidos en las posiciones orto y para pueden mejorar la fuerza del ácido.

Dado que el grupo carboxilo es en sí mismo un grupo atractor de electrones, los ácidos dicarboxílicos son, en general, ácidos más fuertes que sus análogos monocarboxílicos. El efecto inductivo también ayudará en la polarización de un enlace haciendo ciertas posiciones de átomos de carbono u otros átomos.

Comparación entre efecto inductivo y efecto electromérico

Efecto inductivo	Efecto electromérico
La polarización de un solo enlace covalente σ debido a la diferencia de electronegatividad.	La formación instantánea de un dipolo en la molécula de un compuesto orgánico debido a la transferencia completa de pares de electrones pi compartidos a uno de los átomos bajo la influencia de un reactivo atacante.
Es un efecto permanente.	Es un efecto temporal.
No necesita la presencia de un reactivo.	Necesita la presencia de un reactivo electrofílico.
Las cargas inducidas aparecen como cargas parciales (δ+ o δ−)	Las cargas inducidas son números enteros como +1,-1