Hidrocarburos Aromáticos
Un hidrocarburo aromático o areno es un compuesto orgánico cíclico conjugado que posee una mayor estabilidad debido a la deslocalización electrónica en enlaces pi. Para determinar esta característica se aplica la regla de Hückel (debe tener un total de 4n+2 electrones π en el anillo) en consideración de la topología de superposición de orbitales de los estados de transición. Para que se dé la aromaticidad, deben cumplirse ciertas premisas, por ejemplo que los dobles enlaces resonantes de la molécula estén conjugados y que se den al menos dos formas resonantes equivalentes. La estabilidad excepcional de estos compuestos y la explicación de la regla de Hückel han sido explicados cuánticamente, mediante el modelo de "partícula en un anillo".
Originalmente el término estaba restringido a un producto del alquitrán mineral, el benceno, y a sus derivados, pero en la actualidad incluye casi la mitad de todos los compuestos orgánicos; el resto son los llamados compuestos alifáticos. El exponente emblemático de la familia de los hidrocarburos aromáticos es el benceno (C6H6), pero existen otros ejemplos, como la familia de anulenos, hidrocarburos monocíclicos totalmente conjugados de fórmula general (CH)n.
Características
• Propiedades Aromáticas.
• Anillo de tipo especial.
• Existen otros compuestos anulares de comportamiento similar.
• Presentan sustitución electrofílica.
Los alquenos son compuestos insaturados que contienen en su estructura cuando menos un doble enlace carbono-carbono.
DESCUBRIMIENTO DEL BENCENO
- El benceno se aisló por primera vez en 1825 por Michael Faraday.
- La fórmula empírica del nuevo compuesto era CH. La síntesis de este compuesto se consiguió en 1834 por Eilhard Mistscherlich al calentar ácido benzoico, aislado de la goma de benjuí, en presencia de cal.
- En la última parte del siglo XIX se descubrieron muchos otros compuestos que parecían estar relacionados con el benceno pues tenían bajas relaciones hidrógeno/carbono y aromas agradables y por eso a este grupo de compuestos se les denominó hidrocarburos aromáticos.
- El término aromático se aplica en la actualidad a una serie de compuestos cuya estabilidad y reactividad es semejante a la del benceno, independientemente de su olor.
¡Ve el siguiente vídeo para conocer más sobre los hidrocarburos aromáticos!
En 1865, Kekulé propuso la estructura de resonancia: que
es un sistema de enlace entre los átomos de una molécula
que, debido a la compleja distribución de sus electrones,
obtiene una mayor estabilidad que con un enlace simple.
Por lo tanto, la resonancia (denominada también mesomería) es una
herramienta empleada (predominantemente en química) para representar ciertos
tipos de estructuras moleculares. La resonancia consiste en la combinación
lineal de estructuras teóricas de una molécula (estructuras resonantes o en
resonancia) que no coinciden con la estructura real, pero que mediante su
combinación nos acerca más a su estructura real.
¡Ve el siguiente vídeo para conocer más sobre la historia!
CARACTERISTICAS DEL BENCENO
• El Benceno da un producto monosustituído C6H5Y
cuando se produce el reemplazo de un solo H.
• El Benceno da tres productos disustituídos
isómeros C6H4Y2 o C6H4YZ.
• Experimenta reacciones de sustitución
más que de adición: el Benceno resiste
a la adición (destrucción del anillo), en
cambio se sustituye fácilmente
(conservando su sistema anular).
• Calores de combustión e hidrogenación menores de lo
esperado: es el calor desprendido cuando se hidrogena
un mol de un compuesto no saturado. Este es de 28-30
Kcal. por cada doble enlace. Entonces:
ESTRUCTURA RESONANTE DEL BENCENO
- Las estructuras de Kekulé satisfacen las condiciones para la resonancia. Son estructuras que solo difieren en la disposición de los e- . El benceno es un híbrido entre ambas estructuras de Kekulé.
- Las 36 kcal de energía que el benceno no libera se encuentra como energía de Resonancia y es la responsable de las propiedades aromáticas que presenta.
COMPUESTOS AROMÁTICOS
- Los hidrocarburos aromáticos son compuestos insaturados de un tipo especial. Originalmente recibieron el nombre de aromáticos debido al aroma que algunos poseen. Sin embargo no todos son odoríferos y muchos compuestos fragantes no son de tipo aromático.
- Uno de los compuestos más simples y que se conoció primero con la estructura especial característica de los compuestos aromáticos fue el hidrocarburo benceno.
- Los hidrocarburos aromáticos simples que se usan como material de partida para elaborar productos más complejos provienen de dos fuentes principales, el carbón (o hulla) y el petróleo.
- El carbón es una sustancia mineral enormemente compleja formada en mayor medida por grandes arreglos de anillos insaturados del tipo del benceno unidos entre sí.
3.El petróleo a diferencia del carbón, consiste principalmente en alcanos y contiene pocos compuestos aromáticos. Sin embargo, durante la refinación del petróleo se forman moléculas aromáticas cuando los alcanos se hacen pasar sobre un catalizador a una temperatura aproximada de 500 °C a altas presiones.
PROPIEDADES FÍSICAS
- Son compuestos de baja polaridad.
- Insolubles en agua.
- Menos densos que el agua.
- Hasta no hace mucho y a pesar de su inflamabilidad, el benceno se usó ampliamente como disolvente. Este uso ha desaparecido prácticamente una vez que fue demostrado que el benceno es un cancerígeno. El tolueno ha reemplazado al benceno como disolvente orgánico barato, porque tiene propiedades similares como disolvente y no se ha demostrado que sea cancerígeno en los sistemas celulares y a los niveles que lo es el benceno.
PROPIEDADES QUÍMICAS
La reacción más importante de los compuestos aromáticos es la sustitución electrofílica aromática. Esto es, un electrófilo (E+ ) reacciona con un anillo aromático y sustituye uno de los hidrógenos.
Por medio de este tipo de reacción de sustitución electrofílica es posible introducir muchos sustituyentes distintos en el anillo aromático. Seleccionando las condiciones y los reactivos apropiados, el anillo aromático puede reaccionar de la siguiente forma:
Halogenación: El anillo aromático se puede halogenar (sustituir con un halógeno: -Cl, -Br) utilizando un catalizador que es un ácido de Lewis como FeBr3o FeCl3.La función del catalizador es generar el electrófilo Br+.
Nitración: El benceno experimenta nitración (sustituir con un grupo nitro: -NO2 ) cuando se trata con HNO3 concentrado. El ácido de Lewis catalizador en esta reacción es el H2SO4 concentrado.
Sulfonación: (sustituir con un grupo sulfónico: -SO3H) del benceno con ácido sulfúrico fumante (H2SO4 + SO3 ) produce un ácido bencensulfónico.
Alquilación: (sustituir con un grupo alquilo: -R) con un halogenuro de alquilo y una traza de AlCl3 se llama a menudo alquilación de Friedel-Crafts, en honor de Charles Friedel, químico francés y James Crafts, químico norteamericano, quienes desarrollaron esta reacción en 1887.
CARÁCTER AROMÁTICO. REGLA DE HUCKEL
- Compuestos aromáticos: aquellos que son semejantes al benceno.
- Propiedades que presentan: contienen anillos aromáticos, alto grado de insaturación, sufren reacciones de sustitución electrofílica, son estables, bajos calores de combustión e hidrogenación, sustancias cíclicas (anillos de 5,6 y 7 átomos), moléculas planas.
- Sustancia aromática: sustancia cuya molécula debe tener nubes cíclicas de e- pi deslocalizados encima y debajo del plano de la molécula. Estas nubes pi deben contener un total de (4n+2) e - pi (Regla de Hückel)
NOMENCLATURA
Se antepone el nombre del grupo sustituyente a la palabra benceno.
• Los compuestos especiales más importantes son:
Todo benceno disustituido tiene tres isómeros constitucionales, y existen dos métodos aceptables para escribir la orientación relativa de los sustituyentes: mediante el uso de números de posición relativa, y empleando las designaciones orto, meta y para que se suelan abreviar como o, m y p.
SUSTITUYENTES EL ANILLO
- Si muchos grupos están enlazados al anillo bencénico, debemos no sólo decir cuales son, sino también indicar sus posiciones relativas.
- Un benceno disustituido puede tener tres isómeros, los cuales se diferencian entre sí por el uso de los prefijos orto (o- ), meta (m-) y para (p-).
Los tres isómeros posibles para bencenos disustituídos son:
Si los dos grupos son diferentes y ninguno le confiere nombre
especial, se los nombra sucesivamente terminando con la
palabra benceno. Si uno de los grupos le confiere nombre
especial, el compuesto se nombra como un derivado de la
sustancia especial.
Si tiene unido más de dos grupos, se utilizan números para indicar las posiciones.
PROPIEDADES FÍSICAS DEL BENCENO
- Líquido de olor agradable.
- Muy volátil.
- Menos denso que el agua.
- Insoluble en agua pero soluble en compuestos orgánicos.
- Sufre reacciones típicas de Sustitución electrofílica como la halogenación, nitración, sulfonación y alquilación.
- Las reacciones de adición, como la hidrogenación, se producen solo en presencia de catalizadores y a alta temperatura.
EFECTO DE LOS GRUPOS SUSTITUYENTES
Los grupos ya presentes en el anillo bencénico, afectan la
reactividad, la velocidad de reacción y la orientación en la
sustitución.
- Grupos activadores: donan carga al anillo, lo hacen más negativo y más reactivo que el benceno. Orientan a la posición orto-para.
- Grupos desactivadores: toman carga del anillo y lo hace menos reactivo que el benceno. Orienta posición meta (excepto los halógenos, directores orto-para).
HETEROCICLOS AROMÁTICOS
Compuestos Heterociclos : contienen uno o más átomos
diferentes al carbono en el anillo. Piridina y pirimidina son heterociclos análogos del benceno.
Son aromáticos.
Los compuestos heterocíclicos son los compuestos cíclicos en los que los
anillos contienen al menos dos tipos diferentes de átomos (incluido un átomo de
carbono). Los átomos distintos de los átomos de carbono presentes en el anillo
se conocen como heteroátomos. Por lo general, los anillos de estos compuestos
consisten en una porción más grande de carbono. Los heteroátomos más comunes
presentes en los compuestos heterocíclicos incluyen nitrógeno, azufre y
oxígeno.
PIRIDINA
La piridina (fórmula molecular C5H5N, masa molecular: 79,10) es un líquido incoloro de olor desagradable, similar al pescado en mal estado. Pertenece a la familia de los compuestos heterocíclicos aromáticos , y está estructuralmente relacionada al benceno, siendo la única diferencia entre ellos el reemplazo de un grupo CH del anillo bencénico por un átomo de nitrógeno. - Piridina tiene 32 kcal/mol de energía de resonancia, ligeramente menor que la del benceno.
FURANO
- De los dos orbitales con dos pares de electrones del átomo de oxígeno en le furano, uno forma parte del sestete aromático y el otro no.
- La energía de resonancia del furano es 16 kcal/mol.
- Son compuestos aromáticos formados de dos o más anillos aromáticos.
- El naftaleno es el hidrocarburo aromático polinuclear más simple. Otros son el antraceno y el fenantreno.
Un hidrocarburo aromático polinuclear es un hidrocarburo compuesta de condensados aromáticos moléculas de anillo. Estos son anillos que comparten uno o más lados y contienen electrones deslocalizados. Otra forma de considerar PAHs es moléculas hechas por la fusión de dos o más anillos de benceno.
Moléculas de hidrocarburos aromáticos polinucleares sólo contienen carbono y de hidrógeno átomos .
Estos tres hidrocarburos se obtienen del alquitrán de hulla,
en el que el naftaleno es el más abundante de todos sus constituyentes
(5%).
¡Ve el siguiente vídeo para conocer más sobre la nomenclatura de hidrocarburos aromáticos!
Buen trabajo
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