Estructura química

Una determinación de la estructura química incluye que un químico especifique la geometría molecular y, cuando sea factible y necesario, la estructura electrónica de la molécula objetivo u otro sólido. La geometría molecular se refiere a la disposición espacial de los átomos en una molécula y los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos, y puede representarse mediante fórmulas estructurales y modelos moleculares; las descripciones completas de la estructura electrónica incluyen la especificación de la ocupación de los orbitales moleculares de una molécula. La determinación de la estructura se puede aplicar a una variedad de objetivos, desde moléculas muy simples (p. ej., oxígeno o nitrógeno diatómicos) hasta muy complejas (p. ej., proteínas o ADN).

Fondo

Las teorías de la estructura química fueron desarrolladas por primera vez por August Kekulé, Archibald Scott Couper y Aleksandr Butlerov, entre otros, alrededor de 1858. Estas teorías fueron las primeras en establecer que los compuestos químicos no son un grupo aleatorio de átomos y grupos funcionales, sino que tienen un orden definido definido por la valencia de los átomos que componen la molécula, dando a las moléculas una estructura tridimensional que podría ser determinada o resuelta.

Con respecto a la estructura química, se debe distinguir entre la conectividad pura de los átomos dentro de una molécula (constitución química), una descripción de una disposición tridimensional (configuración molecular, incluye, por ejemplo, información sobre quiralidad) y la determinación precisa de longitudes de enlace, ángulos y torsión. ángulos, es decir, una representación completa de las coordenadas atómicas (relativas).

Al determinar las estructuras de los compuestos químicos, generalmente se busca obtener, en primer lugar y como mínimo, el patrón y el grado de enlace entre todos los átomos de la molécula; cuando es posible, uno busca las coordenadas espaciales tridimensionales de los átomos en la molécula (u otro sólido).

Los métodos por los cuales uno puede dilucidar la estructura de una molécula incluyen:

• relacionadas únicamente con la conectividad de los átomos: espectroscopias como la resonancia magnética nuclear (RMN de protones y carbono-13), diversos métodos de espectrometría de masas (para dar la masa molecular total, así como las masas de los fragmentos). Técnicas como la espectroscopia de absorción y las espectroscopias vibratorias, infrarrojo y Raman, proporcionan, respectivamente, importante información de apoyo sobre los números y las adyacencias de enlaces múltiples, y sobre los tipos de grupos funcionales (cuyo enlace interno da firmas vibratorias); Otros estudios inferenciales que dan una idea de la estructura electrónica contribuyente de las moléculas incluyen la voltamperometría cíclica y la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X.
• Se puede obtener información tridimensional métrica precisa para gases mediante difracción de electrones de gases y espectroscopia de microondas (rotacional) (y otra espectroscopia resuelta rotacionalmente) y para el estado sólido cristalino mediante cristalografía de rayos X o difracción de neutrones. Esta técnica puede producir modelos tridimensionales con una resolución a escala atómica, normalmente con una precisión de 0,001 Å para distancias y 0,1° para ángulos (en casos inusuales, incluso mejor).

Otras fuentes de información son: Cuando una molécula tiene un espín de electrones desapareado en un grupo funcional de su estructura, también se pueden realizar espectroscopios de resonancia de espín de electrones y ENDOR. Estas últimas técnicas se vuelven aún más importantes cuando las moléculas contienen átomos metálicos y cuando los cristales requeridos por la cristalografía o los tipos de átomos específicos que requiere la RMN no están disponibles para explotarlos en la determinación de la estructura. Finalmente, en algunos casos también son aplicables métodos más especializados como la microscopía electrónica.