El sueño del Benceno

En 1929 Kathleen Lonsdale con sus gafas de rayos x logró desvelar una pregunta que tenía en vilo a muchos químicos, la disposición de los átomos en la volatil estructura del benceno. Una simple pero escurridiza molécula de seis carbonos y seis hidrógenos que forma un anillo. En concreto publica ‘La estructura del anillo de Benceno en el hexametil benceno’. Es la confirmación más o menos directa de de lo que ocurría en esta extraña y controvertida molécula y sus muchos e importantes derivados. Contó el gran químico Kekulé que la estructura cíclica, hexagonal y resonante del benceno se le ocurrió en un sueño mientras dormitaba frente a la chimenea de su casa de Gante. Soñó con una serpiente que se muerde la cola el Ouroboros de la alquimia, no se sabe si es cierto pero es una de la flipadas más conocidas de la química. Pero volvamos a Kathleen ella comprobó el sueño, más o menos.

Lonsdale en su laboratorio en 1948. Wikimedia Commons

Lonsdale en su laboratorio en 1948.
Wikimedia Commons

La idea de Kekulé de un anillo de seis carbonos, con dos formas resonantes era indudablemente una solución muy elegante y explicativa. Pero, cómo era la naturaleza de este anillo, era plano o deformado, tenía un solo centro de simetría o no, todavía quedaban muchas preguntas para explicar sus propiedades, aromaticidad, reactividad, estabilidad etc.

En el periodo de entre guerras, a finales de los 20 la cristalografía de rayos X estaba lista para abordar la estructura de moléculas orgánicas como el benceno, o empezaba a estarlo. Kathleen Londsdale debido a los problemas para obtener datos de los cristales de benceno (que es un líquido a temperatura ambiente), decidió utilizar para estudiar el anillo aromático un derivado el hexametil benceno, que era cristalino, estable y mostraba una única molécula por celda unidad, lo que facilitaba la interpretación de los datos cristalográficos. Además, no tenía ordenadores ni los procedimientos matemáticos que luego ella misma pondría en funcionamiento. Kathleen Lonsdale mostró en este trabajo, sin duda que el anillo era plano, hexagonal como en el grafito y que además poseía una nube electrónica uniformemente distribuida haciendo las veces de los tres dobles enlaces.

hexamethylbenzene molecule structure lonsdale kathleen x-ray-cristalography 3DC benzene

Kathleen Lonsdale publica el 6 Abril de 1929
La estructura del anillo de Benceno en el hexametil benceno C6 (CH3)6
obtenida por difracción de rayos X. En la figura se ve la planaridad del hexágono formado por los seis átomos de carbono. El hexametil benceno también muestra una estructura casi plana, con los metilos sustituyendo a los hidrógenos.

Paralelamente o casi en 1931 Erich Hückel, un fisico-químico alemán, mediante el desarrollo de métodos resolubles con mecánica cuántica para tratar con moléculas orgánicas con doble enlaces, logró explicar la estabilidad del benceno mediante los enlaces sigma, seis situados en el plano del anillo y los seis electrones pi situados perpendicularmente por encima y por debajo del plano, algo así como una doble corona de santo.

La difracción de rayos x muuestra que los seis enlaces carbono-carbono en el benceno tienen la misma longitud, 140 picometros (pm). Los enlaces C-C tienen una longitud mayor que un doble enlace C=C (135 pm) y más corto que un enlace C-C simple (147 pm). Esta distancia intermedia es consistente con la deslocalización de los electrones: los electrones de los enlaces C-C se distribuyen homogéneamente entre cada uno de los seis átomos de carbono. La molécula tiene 6 hidrógenos en el plano. La descripción en orbitales moleculares conlleva la formación de tres orbitales Pi deslocalizados sobre los seis átomos de C. La descripción de Enlace de Valencia implica la superposición de estructuras resonantes. Esta estabilidad contribuye a las peculiares propiedades químicas y moleculares denominada aromaticidad. Se representa mediante un hexágono con un círculo dentro.

La difracción de rayos x muuestra que los seis enlaces carbono-carbono en el benceno tienen la misma longitud, 140 picometros (pm). Los enlaces C-C tienen una longitud mayor que un doble enlace C=C (135 pm) y más corto que un enlace C-C simple (147 pm). Esta distancia intermedia es consistente con la deslocalización de los electrones: los electrones de los enlaces C-C se distribuyen homogéneamente entre cada uno de los seis átomos de carbono. La molécula tiene 6 hidrógenos en el plano. La descripción en orbitales moleculares conlleva la formación de tres orbitales Pi deslocalizados sobre los seis átomos de C. La descripción de Enlace de Valencia implica la superposición de estructuras resonantes. Esta estabilidad contribuye a las peculiares propiedades químicas y moleculares denominada aromaticidad. Se representa mediante un hexágono con un círculo dentro.

Ese mismo 1931 ya trabajando con W. H. Bragg en la Royal Institution año Kathleen Londsdale publicó ‘Análisis de rayos x de la estructura del hexaclorobenceno, utilizando el método de Fourier’.En este trabajo aplicó por primera vez el método de fourier para calcular las posiciones de los átomos. Aunque los resultados de este trabajo no concluían con suficiente precisión si el anillo de benceno en el hexaclorobenceno era plano o no, suponía un avance en los métodos matemáticos de cálculo, que luego ganarían en resolución e importancia.

Este es un momento no super crucial, sino de esos que producen los pequeños cambios que asientan el plano para nuevas ideas. Como el benceno es la base de los compuestos aromáticos, el descubrimiento hizo posible nuevas incursiones para abundar en su química ya basadas en más que suposiciones. Kathleen Lonsdale fue un pionera en muchos aspectos, la primera mujer que junto con la microbióloga Margaret Stephenson, miembro de la Royal Society en 1945. También fue primera mujer profesor en la University College de Lóndres UCL y la primera presidenta de la Unión Internacional de Cristalografía en 1966 UICr y de la Asociación Británica para la Ciencia en 1968.

Se hizo Cuáquera en 1936 y fue encarcelada en Inglaterra por su activa objeción de conciencia durante la Segunda guerra mundial. Fue una constante activista que no encontró ningún problema entre la ciencia y su Fe. De hecho escribió ‘¿Es posible la Paz? 1957’ y ‘La vida cristiana vivida experimentalmente’ 1976.

NOTA: Esta entrada participa en la XI Edición del Carnaval de Química que celebra el blog La Aventura de la Ciencia @monzonete.

REFERENCIAS

Lonsdale, K. (1929). “The Structure of the Benzene Ring in Hexamethylbenzene”. Proceedings of the Royal Society 123A: 494.
The Structure of the Benzene Ring. K. LONSDALE. Nature 122, 810 (24 November 1928) | doi:10.1038/122810c0

Lonsdale, K. (1931). “An X-Ray Analysis of the Structure of Hexachlorobenzene, Using the Fourier Method”. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 133 (822): 536.

Kathleen Lonsdale Irish Crystallographer

Karhleen Lonsdale. La ciencia en femenino.

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2 comentarios en “El sueño del Benceno

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