El descubrimiento de la estructura molecular del benceno por el químico alemán F. A. Kekulé es uno de los episodios más legendarios de la historia de la química moderna. Según afirmó el propio Kekulé, la idea se le reveló durante un sueño. Fue una cuestión de azar ¿o tal vez no lo fue tanto?
Kekulé y el descubrimiento de la estructura del benceno. Sello de 1979 de la república democrática alemana
El benceno. Un hidrocarburo singular
El benceno fue identificado por primera vez en 1825 por el científico británico Michael Faraday como un líquido incoloro de peculiar aroma a partir de los residuos del gas utilizado para la iluminación de la ciudad de Londres en aquel tiempo. Se trataba sin duda de un hidrocarburo, compuesto de carbono e hidrógeno, pero de propiedades especiales que lo hacían diferente a los demás hidrocarburos conocidos. Denominado ya como benceno y conocida su fórmula molecular C6H6 , el benceno y sus derivados de propiedades químicas parecidas, fueron clasificados años más tarde en una nueva categoría de hidrocarburos, los hidrocarburos aromáticos, debido a sus marcadas diferencias de reactividad, estructura y saturación, así como a los intensos y fragantes aromas que presentaban la mayoría de sus compuestos derivados, a diferencia de los demás hidrocarburos ordinarios o alifáticos.
El benceno es el hidrocarburo aromático más sencillo, es un compuesto químico de importancia fundamental para la química tanto a nivel teórico como aplicado y hace ya mucho tiempo que la estructura y composición de sus moléculas han dejado de ser un misterio.
Sus moléculas tienen una geometría plana y perfectamente simétrica en la que seis átomos de carbono se enlazan uno tras cerrando un anillo hexagonal con un átomo de hidrógeno enlazado a cada carbono, hacia el exterior y en el mismo plano, resultando 120º exactos para todos los ángulos de enlace C-C-C y C-C-H. Igualmente, los enlaces entre los carbonos del anillo son todos exactamente iguales y se caracterizan por una distancia de enlace intermedia entre un enlace simple C-C y uno doble C=C, dejando una nube de 6 electrones deslocalizados sobre ambas caras del anillo. Esta peculiar estructura (aromaticidad) es la responsable de que el anillo del benceno sea tan estable (difícil de romper) y tenga una reactividad química tan característica y diferente a la de los demás hidrocarburos.
Como consecuencia de esta estructura singular, el benceno es un líquido apolar insoluble en agua, bastante inerte o poco reactivo, pero a su vez es capaz de dar algunas reacciones características de los compuestos aromáticos, como la sustitución de hidrógeno por grupos funcionales de todo tipo.
El benceno y sus derivados están presentes en todos los ámbitos de nuestra vida. Es el punto de partida de muchos plásticos, colorantes, perfumes e insecticidas, pero también forma parte de la estructura de un número ilimitado biomoléculas y medicamentos; además, el benceno es la unidad estructural elemental del grafeno, que promete una revolución en la industria de los nuevos materiales.
El benceno es indudablemente un compuesto químico excepcional por todo lo que ha significado en el desarrollo de la química teórica y aplicada, incluida su didáctica, y por sus innumerables aplicaciones industriales. El descubrimiento y la descripción de su estructura molecular según los diferentes modelos y teorías del enlace químico constituyen uno de los grandes hitos en la historia de la química. Además, el icono de su estructura está considerado hoy como un símbolo de la química moderna. Pero ¿cómo se llegó a establecer la estructura molecular del benceno? Aquí es cuando aparece Kekulé y su sueño revelador.
La estructura del benceno ¿un problema sin solución?
Al comenzar la segunda mitad del siglo XIX el benceno ya era bien conocido por los químicos y empezaba a ser un compuesto de uso común en los laboratorios así como en la industria. Se conocían bien sus propiedades físicas y químicas, pero su estructura molecular era todavía una incógnita. De acuerdo con esas propiedades, se tenía por cierto que debería estar formado por pequeñas moléculas de 6 átomos de carbono y otros tantos de hidrógeno, lo que suponía una altísima insaturación (la equivalente a 2 enlaces dobles por cada 3 átomos de carbono), y que los 12 deberían estar enlazados entre si mediante enlaces covalentes C-C y C-H de tal manera que resultase una molécula muy estable y completamente apolar.
Por esas fechas, anteriores a la llegada de las modernas teorías cuánticas del enlace, la teoría que describía los enlaces covalentes que formaban las estructuras de todos los compuestos orgánicos del carbono era el modelo de Lewis, que para el caso de los hidrocarburos, teniendo en cuenta la tetravalencia del C y la monovalencia del H, asignaba un enlace para cada hidrógeno y cuatro enlaces (un par electrones compartido en cada uno) a cada átomo de carbono, ya fuesen 4 simples, uno doble y dos simples o uno triple y uno simple. Por otro lado, en aquella época se daba por hecho que todos los hidrocarburos deberían estar formados de cadenas hidrocarbonadas lineales. Para entender el problema, ahora podemos coger papel y lápiz y entretenernos un rato en dibujar diferentes cadenas lineales de 6 carbonos, 6 hidrógenos, de tal manera que de cada C salgan 4 rayitas y una de cada H, y que el resultado sea una estructura lo suficientemente simétrica para justificar su apolaridad y que no se espere de ella la reactividad característica de los alquenos o alquinos convencionales. Ya adelanto que no vamos a encontrar ninguna. Esto mismo es lo que en aquella época traía de cabeza a los químicos. El benceno no encajaba en las sencillas reglas de enlace de Lewis y su estructura era un auténtico misterio.
El sueño de Kekulé
La solución al enigma de la estructura del benceno vendría de la mano del químico orgánico alemán F. August Kekulé (Darmstadt 1829 – Bonn 1896), considerado actualmente como uno de los grandes por sus aportaciones teóricas a la comprensión de la estructura molecular. Fue el propio Kekulé quién desarrolló en 1857 la teoría sobre la estructura química orgánica, basada en las estructuras de Lewis y la tetravalencia del carbono que, con algunas nuevas aportaciones como el concepto de resonancia, se sigue aplicando en el día de hoy para comprender y representar la estructura molecular de los compuestos orgánicos.
Por el año 1865 Kekulé, como muchos otros químicos, estaba ocupado con el problema de la de la molécula de benceno. Su fórmula C6H6 parecía imposible de conciliar con una disposición estable de sus enlaces que cumpliese las reglas de la estructura química. Y un buen día sucedió el hecho fortuito que habría de suponer la revelación del misterio: Kekulé tuvo un sueño que alguno podría calificar de profético, tal como él mismo relató en sus escritos.
No era la primera vez que un sueño inspiraba a Kekulé una idea feliz. En una ocasión, se quedó dormido mientras viajaba en un coche de caballos. Estaba exhausto después de largas jornadas de investigación teórica acerca del extraño fenómeno en virtud del cual muestras de sustancias puras de la misma composición y fórmula química mostraban propiedades que en ocasiones podían ser muy diferentes. Al despertar de aquel sueño fatigoso, vio que contenía la clave de la explicación del problema, que sería desde entonces el concepto de isomería química: la posibilidad de que una misma fórmula molecular pudiese responder a diferentes estructuras químicas.
Pero volvamos ahora al sueño del que trata este relato. Kekulé se encontraba en su hogar mientras leía sentado plácidamente frente a la chimenea. Arrullado por la luz y el calor del fuego y el crepitar de las brasas, no tardó en quedarse dormido con el libro aun en sus manos. A medida que se iba sumiendo en el sueño, percibía cómo las llamas en su vaivén se iban juntando y separando formando hileras sinuosas de luces, que en algún momento dejaron de serlo para ser átomos soñados que se unían y separaban aleatoriamente hasta formar largas cadenas que se retorcían serpenteando. En un momento dado percibió, según sus propias palabras, cómo “una de esas serpientes se había unido a su propia cola y la forma giraba con sorna ante mis ojos”. Esa imagen de la serpiente que se muerde la cola, el ancestral uroboros, que de forma tan persistente parecía como si le quisiera decir algo, fue interpretada por Kekulé como una señal reveladora que le mostraba la solución del problema que le ocupaba la cabeza por aquella época: La molécula del benceno… ¡Un anillo perfecto! Una cadena sin principio ni fin de seis carbonos con un átomo de hidrógeno cada uno, cerrada en un anillo hexagonal con tres dobles enlaces alternados. De este modo todo cuadraba ¿Por qué razón iba a tener que ser una cadena abierta como se pensaba comúnmente que tendrían que ser todos los hidrocarburos?
Y así es como Kekulé resolvió el problema de la estructura molecular del del benceno. Es cierto que la estructura propuesta tenía alguna pequeña limitación, como el hecho de que la alternancia de los 3 dobles enlaces C=C con los 3 simples C-C no conduciría a un hexágono rigurosamente perfecto, como sabemos que realmente es, ni que esta disposición explicaba por sí misma su estabilidad extra.
Estas limitaciones se corregirían más tarde con sucesivas contribuciones a la teoría del enlace como la resonancia entre formas canónicas de Pauling y posteriormente las teorías cuánticas del enlace de valencia y de los orbitales moleculares. De cualquier forma, la idea propuesta por Kekulé del anillo hexagonal plano con tres dobles enlaces conjugados sigue siendo válida y útil en la actualidad.
La propuesta de Kekulé sobre la estructura del benceno fue revolucionaria en aquel momento, pero más tarde se pudo confirmar experimentalmente que la molécula era plana, de simetría hexagonal y con un sistema de dobles enlaces conjugados consistente con la estructura de Kekulé.
El Uroboros, la serpiente que se muerde la cola, el antiguo símbolo de la regeneración y de los continuos ciclos de la vida. (Ouroboros canvas print aged paper. wallandprints4u.com). A la derecha, La solución a la estructura del benceno propuesta por Kekulé, inspirada por su sueño y conforme con la teoría estructural de Lewis.
Diferentes maneras de representar el benceno
Las fórmulas químicas CH (empírica) y C6H6 (molecular) del benceno sólo hacen referencia a la composición del compuesto y al número de átomos que constituyen su unidad más elemental, es decir, su molécula; pero esto resulta poco práctico en la química orgánica. Por este motivo se recurre a las fórmulas estructurales que, además, muestran la estructura y la disposición de los enlaces de la molécula. Se muestran a continuación las representaciones más comunes del benceno.
1. Modelo de bolas. Maqueta que representa la composición atómica y forma geométrica de la molécula de forma realista.
2. Fórmula estructural desarrollada. Muestra todos los átomos de la molécula y sus enlaces. En este caso también sus ángulos y geometría.
3. Fórmula estructural de esqueleto. Explícitamente solo se muestran los enlaces entre átomos de carbono. Se supone un C en cada vértice, y se sobreentienden los H necesarios para que cada C tenga 4 enlaces en total. Es la forma más común de representación de la estructura del benceno.
4. Resonancia entre las dos formas canónicas posibles (estructuras de Kekulé) para los tres dobles enlaces.
5. Estructura de esqueleto alternativa que enfatiza el híbrido de resonancia entre las dos formas de Kekulé. El círculo interior representa al sistema de enlace homogéneo y deslocalizado formado por los 6 electrones de los enlaces dobles, que junto los 6 enlaces C-C localizados dan como resultado el ciclo o anillo aromático.
Algo más que un sueño
¿Podría considerarse que el descubrimiento de la estructura del benceno desencadenado por el sueño de Kekulé no es más que un acontecimiento esporádico producto del azar? ¿Se trata acaso de una revelación profética? Es evidente que no. Detrás hay mucho más.
Aunque esta historia del sueño revelador parezca una leyenda, fue el mismo Kekulé quien se encargó de relatarla tal y como aquí la contamos. Así consta en sus escritos y conferencias, por lo que, confiando en su propio testimonio, no tenemos ninguna razón para poner en tela de juicio su veracidad. Pero Kekulé no era ningún iluminado; en el momento en que se produjo su descubrimiento, era un reputado químico teórico totalmente dedicado a la investigación. Estaba al tanto de los últimos avances en la estructura atómica del enlace y él mismo había contribuido decisivamente a ello. Su sueño no surgió sin más en un cerebro anodino, ni tampoco parece verosímil que fuera una revelación profética. Hacía ya tiempo que Kekulé estaba preocupado y tal vez hasta obsesionado por el problema de la estructura del benceno, y a ello le estaba dedicando la mayor parte de su tiempo y esfuerzo como investigador. Así que parece bastante normal que su cerebro siguiese trabajando en sueños. De este modo parece normal que en algún momento saltase esa “chispa” que gracias a su conocimiento científico y experiencia no dudaría en interpretar y desarrollar correctamente. Merecido reconocimiento para August Kekulé.
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