14.7: El protón como ácido común de Lewis

Quizás el ejemplo más común de un ácido o electrófilo de Lewis es también el más simple. Es el catión hidrógeno o protón. Se le llama protón porque, en la mayoría de los átomos de hidrógeno, la única partícula en el núcleo es un protón. Si se elimina un electrón para hacer un catión, un protón es todo lo que queda.

• H ⁺ es un ácido o electrófilo de Lewis muy común.

Un protón es electrofílico por un par de razones. Tiene una carga positiva, y así atraerá electrones, que son negativos. Además, carece de la configuración electrónica de su vecino de gas noble, el helio. El helio tiene dos electrones. Si una base de Lewis o nucleófilo dona un par de electrones a un protón, el protón obtendrá una configuración de gas Noble. Esa es parte de la razón por la que, en algunas tablas periódicas, el hidrógeno se muestra en dos lugares: a la izquierda, ilustrando su potencial para perder un electrón, como el sodio y el litio; y a la derecha, ilustrando su potencial para asumir la configuración del helio.

Figura\(\PageIndex{1}\): Protón como ácido de Lewis.

Hay algo en los cationes de hidrógeno que no es tan sencillo, sin embargo. En realidad no son tan comunes. En cambio, los protones generalmente siempre están vinculados a una base de Lewis. El hidrógeno casi siempre está unido covalentemente (o dativamente/coordinadamente) a otro átomo.

Muchos de los otros elementos que se encuentran comúnmente en los compuestos con hidrógeno son más electronegativos que el hidrógeno. Como resultado, el hidrógeno a menudo tiene una carga positiva parcial. Recuerde, esa es una de las razones por las que los átomos pueden actuar como ácidos de Lewis: con una carga positiva parcial, un átomo se vuelve electrófilo.

Nuestra declaración sobre los protones podría expresarse mejor como:

• H ^d+ es un ácido o electrófilo de Lewis muy común.

Figura\(\PageIndex{2}\): Transferencia de protones de un sitio a otro.

Si los hidrógenos casi siempre están unidos a otros átomos, entonces las interacciones ácido-base de Lewis que hemos visto hasta ahora son ligeramente diferentes aquí. En lugar de dos compuestos que se unen y forman un enlace, tenemos una base de Lewis reemplazando a otra en un protón.

• Los protones se transfieren de un sitio básico a otro.

• La transferencia ocurre por donación de una pareja solitaria al protón.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Use flechas para mostrar el agua actuando como base de Lewis y donando electrones al protón en los siguientes compuestos.

a) HBr b) HONO ₂ c) CH ₃ (CO) OH

Contestar a

Respuesta b

Respuesta c

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Considera la siguiente reacción:

• Dibujar un diagrama de mezcla MO para la reacción anterior, usando los siguientes pasos:

o Dibujar el orbital de la base que es probable que done sus electrones.

o Dibujar el orbital del ácido que es probable que acepte electrones.

o Complete el diagrama de mezcla MO de estos dos orbitales:

• Etiquetar el orbital donador de electrones
• Etiquetar el orbital aceptor de electrones
• Rellene el diagrama de mezcla MO con electrones
• Dibuje una caricatura que muestre la mezcla de estos orbitales.

Contestar

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

Las cadenas laterales de histidina contienen un anillo de imidazol, que son únicos ya que pueden comportarse como un donante de protones o un aceptor de protones dependiendo de las condiciones circundantes.

a) Dibujar el hidrógeno en el centro quiral de histidina.

b) Dibujar el enantiómero (R) - de histidina.

c) Circular la cadena lateral de histidina.

d) Usando el eje de energía a continuación, haga lo siguiente:

Dibuja el diagrama MO de Hückel para imidazol.

Poblar el diagrama MO de Hückel con electrones.

Dibuja las imágenes MO para 3 de los 5 MO y etiquete cada uno como π, π* o n.

e) Según su diagrama MO, el imidazol es (elija uno):

aromático anti-aromático no aromático

f) Mostrar cómo se vería el imidazol si regalara un protón.

g) Circula el átomo en imidazol que podría donar electrones a un protón.

h) ¿Por qué el otro nitrógeno no puede donar electrones a un protón?

i) Mostrar cómo se vería el imidazol si recogiera un protón.

Los residuos de histidina frecuentemente mantienen iones metálicos en su lugar dentro de las enzimas. Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas en entornos biológicos. Por ejemplo, las plastocianinas contienen un ion cobre (II) (Cu ²⁺) que funciona para almacenar un electrón a medida que es transportado del fotosistema II al fotosistema I durante la fotosíntesis.

j) El dibujo a continuación es una caricatura de un sitio activo enzimático, el lugar en una enzima que realiza una tarea específica. Completar el sitio activo en blanco agregando las estructuras de las cadenas laterales de aminoácidos faltantes, como lo indican sus códigos de tres letras.

k) Explicar por qué cada una de estas cadenas es capaz de unirse a un ion Cu ²⁺.

l) Dibujar un ion Cu ^{2 +} en el sitio activo.

m) ¿Cuál es el número de coordinación para el ion cobre en el complejo que dibujaste?

n) ¿Cuál es el nombre de geometría para el ion cobre en el complejo?

o) Pensemos en cuántos electrones de valencia rodean ese cobre en el complejo.

¿Cuál es el número de electrones de valencia para el metal cobre?

¿Cuál es el número de electrones de valencia para el ion cobre (II)?

¿Cuántos electrones aportarán los átomos donantes?

¿Qué es el conteo de electrones de valencia total para el complejo de cobre (II)?

p) A pH bajo (cuando hay muchos protones alrededor), una de las histidinas se une a un protón. ¿Qué pasa con su capacidad para unir iones cobre?

q) ¿Cuál es la geometría de coordinación del ion cobre en el complejo a pH bajo?

Respuesta e

aromático

Respuesta g

Respuesta h

Este átomo de nitrógeno puede donar un par solitario de electrones sin perturbar el carácter aromático de la molécula.

Responder k

Cada cadena lateral tiene una base de Lewis con un par solitario de electrones para donar el ion cobre.

Contesta l

Contestar m

CN = 4

Responder n

tetraédrico

Responder o

Cu: 11 e ^-

Cu (II): 9 e ^-

4 x 2e ^- = 8 e ^-

8 e ^- + 9 e ^- = 17 e ^-

Responder p

Si el imidazol queda ocupado por un protón, entonces el imidazol ya no tiene el par solitario para donar al ion cobre.

Responder q

trigonal