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En química, los modelos ácido-base se utilizan para explicar las tendencias en la reactividad y las características de los reactivos, lo cual es importante cuando se diseña una síntesis.
En 1894, Svante Arrhenius fue pionero en el concepto de ácidos y bases, describiéndolos específicamente como sustancias que se disocian en el agua, para producir iones de hidronio o hidróxido, respectivamente.
En 1923, Johannes Brünsted y Thomas Lowry definieron los ácidos y las bases por su capacidad para donar y aceptar iones de hidrógeno en diferentes disolventes, creando el concepto de pares conjugados ácido-base.
En el mismo año, Gilbert Lewis propuso una alternativa, definiendo ácidos y bases por su capacidad para donar y aceptar pares de electrones, en lugar de protones. Este modelo amplió la aplicación de ácidos y bases, teniendo en cuenta los iones metálicos y los compuestos del grupo principal.
Este video ilustrará el concepto ácido-base de Lewis sobre la base de un complejo de trifenilfosfina borano, su síntesis y análisis.
Cuando se utiliza el modelo de ácido y base de Lewis, es necesario tener en cuenta la estructura molecular para identificar si la molécula donará o aceptará un par de electrones.
Por lo tanto, comience con el análisis de la estructura de la trifenilfosfina y el borano utilizando la teoría VSEPR y luego determine el ácido y la base de Lewis.
La trifenilfosfina tiene tres enlaces covalentes entre el átomo de fósforo y un carbono en cada uno de los tres anillos de fenilo. Dos electrones libres se dejan como un par de electrones libres para llenar el octeto.
Además, la trifenilfosfina está hibridada en el centro del fósforo y tiene una geometría electrónica tetraédrica. El par solitario de electrones que residen en un orbital sp3 puede ser donado a otra molécula, clasificando la trifenilfosfina como una base de Lewis.
Por otro lado, el borano tiene tres enlaces covalentes entre el boro y los tres átomos de hidrógeno. Dado que el centro de borano tiene solo seis electrones de valencia, no cumple con la regla del octeto y, por lo tanto, es deficiente en electrones.
La geometría es trigonal plana y los enlaces son sp2?hibridados. El único orbital p está vacío y listo para aceptar electrones, lo que clasifica al borano como un ácido de Lewis.
Si la trifenilfosfina dona sus dos electrones al orbital p vacío en el borano, conduce a un cambio de la hibridación de sp2 a sp3 y se puede proponer que se formará un aducto ácido-base de Lewis estable.
Este tipo de enlace entre un ácido de Lewis y una base a menudo se denomina covalente coordinativo, o enlace dativo, que se indica con una flecha.
Ahora que ha aprendido los principios de los ácidos y bases de Lewis, investiguemos si se formará un aducto estable entre la trifenilfosfina y el borano.
Antes de comenzar, asegúrese de estar familiarizado con la línea Schlenk y cómo usarla para la transferencia de solventes. Use el equipo de protección personal adecuado e inspeccione toda la cristalería en busca de grietas de estrella.
Cierre la válvula de liberación de presión, encienda el N2 y la bomba de vacío. Ensamble la trampa de frío y llénela con hielo seco / acetona, una vez que se alcance la presión mínima. De este modo, se minimiza el riesgo de condensación de O2 en la trampa, que es explosiva en presencia de disolventes orgánicos.
Ahora, comencemos la síntesis añadiendo 5,3 g de trifenilfosfina a un matraz Schlenk de 200 mL etiquetado como A. Prepare el matraz Schlenk A para la transferencia de disolvente por cánula.
Añadir 20 mL de THF seco y desgasificado al matraz Schlenk A mediante transferencia de cánula. Revuelva la solución para disolver la trifenilfosfina. Mientras tanto, prepare un segundo matraz Schlenk B que contenga 1,15 g de NaBH4 para la transferencia con cánula.
Enfríe los matraces Schlenk A y B en un baño de hielo. Con la cánula, transfiera el contenido del matraz A al matraz B. A continuación, reemplace el tabique de goma de Schlenk B con un embudo de adición, purgue el embudo y colóquelo con un tabique nuevo.
A continuación, añada 8 mL de THF seco y desgasificado al embudo de adición mediante transferencia de cánula. Con el sistema bajo N2, retire el tabique del embudo de adición, agregue 2 ml de ácido acético glacial y vuelva a colocar el tabique. Ahora, agregue la mezcla de THF y ácido glacial gota a gota al matraz Schlenk B, mientras revuelve vigorosamente.
Después de la adición, deje que la reacción se caliente a temperatura ambiente y revuelva durante una hora más bajo N2. A continuación, cierre el suministro de N2, retire el embudo de adición y apague la reacción lentamente con 20 mL de H2O.
A continuación, agregue una mezcla de ácido acético en agua lentamente a la reacción, induciendo la precipitación del producto. Enfríe el matraz, si no se forma precipitado.
Filtrar el producto por succión a través de un embudo fritado. Lave el sólido resultante con 20 ml de agua helada y transfiera el precipitado a un matraz para su secado.
Por último, prepare una muestra de RMN del material de partida y del producto aislado en CDCl3. Recoja una RMN 31P para cada muestra.
Ahora analicemos cómo se ve afectada la señal de fósforo de la trifenilfosfina en la coordinación con el borano en el producto utilizando la RMN.
La trifenilfosfina libre se muestra como señal a -5,43 ppm, mientras que la señal del complejo trifenilfosfina de borano se desplaza hacia abajo a 20,7 ppm. Esto es consistente con la eliminación de la densidad de electrones del centro de fósforo, que se desprotege tras la formación del aducto de Lewis.
Esta observación refuerza la teoría ácido-base de Lewis que predice que el borano, como ácido de Lewis, y la trifenilfosfina, como base de Lewis, formarán un aducto estable.
El modelo ácido-base de Lewis se utiliza para obtener más información sobre las características moleculares, lo cual es necesario cuando se diseñan nuevas síntesis en química orgánica e inorgánica para moléculas, incluidos los metales de transición.
Históricamente, los iones de metales de transición se han considerado ácidos de Lewis, sin embargo, también pueden servir como bases de Lewis. Por ejemplo, los complejos metal-borano pueden participar en transformaciones importantes como la hidrogenación de olefinas y la fijación de nitrógeno.
La hidrogenación de olefinas se puede realizar utilizando un nuevo catalizador basado en una especie de borano de níquel. Esta especie escinde el enlace H-H de forma heterolítica y añade reversiblemente el H2 a la olefina transformándola en un alcano.
Además, un catalizador homogéneo del complejo hierro-borano puede reducir catalíticamente el nitrógeno a amoníaco, que es una reacción crítica en la industria química.
Los pares de Lewis frustrados, o FLP, son aductos ácido-base de Lewis, que no pueden formar un enlace dativo, debido a un obstáculo estérico.
La reactividad de los pares de Lewis frustrados ha encontrado aplicación en el desarrollo de nuevos catalizadores de hidrogenación. Por ejemplo, se demostró que un complejo zwitteriónico, que se basa en elementos del grupo principal, pierde H2 de manera reversible para dar este producto. Este estudio fue pionero en el desarrollo de la investigación de FLP.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la teoría ácido-base de Lewis. Ahora debe comprender la definición de ácidos y bases de Lewis, cómo sintetizar un complejo ácido-base de Lewis y dónde se aplican estos tipos de complejos. ¡Gracias por mirar!
