TEMA 17: Hidrocarburos aromáticos Estructura de benceno:

Tema 17- Hidrocarburos aromáticos Maturita Química
TEMA 17: Hidrocarburos aromáticos
Concepto:
Son compuestos cíclicos (anillos) con dobles enlaces caracterizados por tener una especial
estabilidad y ser menos reactivos que los alquenos alifáticos –p.ej.: y casi no presentan
reacciones de adición 1 )–.
A estas propiedades especiales es a lo que se conoce como la aromaticidad.
Se les denominó aromáticos porque los primeros que se descubrieron tenían olores muy
intensos (y algunos agradables) 2 .
Son derivados del benceno o con estructuras parecidas (fue el primer compuesto aromático
descubierto, y el más básico). Los hidrocarburos aromáticos contienen uno (como mínimo) o más
de estos ciclos aromáticos
Esta estructura está presente en otros hidrocarburos aromáticos que podemos identificar
siguiendo las reglas de Hückel:
• Regla 1: Un sistema aromático debe ser cíclico y plano (sin carbonos sp 3 en el ciclo)
• Regla 2: Presentan dobles enlaces conjugados.
• Regla 3: El número de electrones p del sistema aromático cumple la fórmula 4n+2, con n = 0,
1, 2, 3 ......
Además existen moléculas compuestas por más de uno ciclo benzenoico:
Antraceno
Fenantreno naftaleno
Historia del benceno:
En 1825, Faraday aisló un compuesto puro que presentaba un punto de ebullición de 80ºC. El
resultado del análisis elemental realizado a dicho compuesto mostraba una proporción de carbono
e hidrógeno de 1:1, lo cual resultaba ser inusualmente pequeña, ya que teóricamente corresponde
a una fórmula empírica de CH.
Posteriormente Mitscherlich sintetizó el mismo compuesto, calculo la densidad de vapor, lo que
le permitió obtener el peso molecular que era aproximadamente 78, el cual corresponde a una
fórmula molecular de C6H6. Como dicho compuesto se había obtenido a partir de la goma benjuí, se
le denomino bencina y a partir de ahí derivó el nombre a benceno como actualmente se le conoce.
Estructura de benceno:
La fórmula C6H6 se conocía pero el problema era en que en conocer como se disponían los
átomos en la estructura. En 1858 Kekulé propuso que los átomos de carbono se podían unir entre
sí para formar cadenas. Posteriormente en 1865 propuso para poder
resolver el problema del benceno, que estas cadenas carbonadas a veces
se pueden cerrar formando anillos.
En el benceno‐ es un hexágono con dobles enlaces conjugados
(=alternados, lo que significa que hay un doble enlace luego simple y
después otro doble).
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El benceno no reacciona con halógenos (X2, siendo X Cl, Br o I) o con haluros de hidrógeno (HX) como lo haría un
compuesto polialqueno. Además, la hidrogenación del benceno es mucho más lenta que la de los alquenos y requiere
condiciones muy drásticas: alta presión de hidrógeno y empleo de catalizadores muy activos.
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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
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También propuso el concepto de resonancia: esto significa que los dobles enlaces se “mueven”, o
sea, no están en un sitio fijo y la molécula se considera un híbrido de varias formas resonantes:
Y por esto son más estables ( menos reactivos). Cuántas más formas resonantes hay tanto más
estable es la molécula.
Modelo “actual”:
• Se comprobó que los enlaces entre los átomos de carbono son más largos que en dobles enlaces
pero más cortos que en las de un enlace sencillo.
• La densidad electrónica entre los carbonos es mayor que la del enlace simple, pero menor que de
un enlace doble.
• El benceno es un sistema cíclico de 6 electrones π deslocalizados. Está formado por 6 carbonos
con hibridación sp 2 cuyos orbitales p solapan formando una nube que permite la deslocalización
de los electrones p y confiere al benceno una gran estabilidad.
• Se considera que los enlaces entre los atomos de carbono no son ni “simples”(sin doble enlace) ni
dobles. Cada carbono tiene un electrón de un orbital p deslocalizado, estos orbitales p se solapan
lateralmente (pi) formando un orbital molécular en forma de anillo. Los “pi electrones” están
extendidos (rozprostřené/rozložené) por todo el anillo.
Importancia, aplicaciones y usos del benceno y los hidrocarburos aromáticos:
En la industria química, el benceno puro es la base más importante para los productos aromáticos
intermedios. En base al benceno se elaboran materiales plásticos, caucho sintético, colorantes,
pinturas, materias primas para detergentes.
Entre los hidrocarburos aromáticos más importantes se encuentran:
• Las hormonas lípicas (esteroides) y las vitaminas lípidicas (A, D, E y K).
• Algunos aminoácidos son aromáticos, también compuestos como la clorofila o la hemoglobina.
• Muchos heterociclos 3 también son aromáticos como por ejemplo las bases nitrogenadas que
forman los ácidos nucleicos.
• Muchos condimentos, perfumes y tintes orgánicos son aromáticos.
Propiedades:
Propiedades físicas:
‐ benceno, tolueno, xileno son líquidos (a temperatura ambiente)
‐ naftaleno, anthraceno y fenanthreno son sólidos a temperatura ambiente)
‐ olor característico
‐ menor densidad que el agua
3 Un compuesto heterocíclico (ver anexo) es una sustancia que contiene un anillo formado por más de un tipo de
átomo (tienen al menos un átomo diferente al carbono). Ejemplos de heterociclos (no tienen porque ser aromáticos):
monosacáridos (ciclados), bases nitrogenadas (ADN y ARN), clorofila, muchas drogas (alcaloides, nicotina) y vitaminas...
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Propiedades químicas
‐ no polares
‐ combustibles
‐ tóxicos, carcinógenos (=cancerígeno)
‐ no se disuelven en agua sino en los disolventes no polares‐ en disolventes orgánicos
REACCIONES
‐ sustitucion electrofila en el ciclo
‐ se puede formar producto hasta di‐ o tri‐ sustituido (dobles o triples sustituciones..)
‐ la posicion de segundos y terceros sustituyente enlazado depende de los que ya están
Sustituciones electrófilas:
Halogenación (Cloración, bromación..): Un hidrógeno es sustituido por un halógeno, o sea, por
floro o cloro o bromo o yodo (en el ejemplo Cloro).
+ Cl 2
FeCl 3 (ácido de Lewis)
Cl
+ HCl
Nitración: La nitración es una reacción en la que el hidrogeno es sustituido por un grupo nitro. Un
ion nitronio ataca al anillo bencénico en medio ácido (ácido sulfúrico). El ácido sulfúrico es
regenerado y por tanto funciona como catalizador.
+ HNO 3
H 2 SO 4
NO 2
+ H 2 O
Alquilación: Implica la reacción entre un haluro de alquilo (R‐X) y una molécula de benceno en
presencia de un ácido de Lewis como catalizador. Los productos son alquilbenceno y haluro de
hidrógeno.
+ CH 3 Cl
AlCl 3
(ácido de Lewis)
CH 3
+ HCl
Sulfonación 4 : La reaccion del benceno con una disolución de trióxido de azufre en ácido sulfúrico
produce ácidos bencenosulfónicos.
Acilación: Un hidrogeno es sustituido por un grupo acilo.
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La sulfonación es reversible, tiene utilidad sintética, debido a que el sustituyente ácido sulfónico puede utilizarse como grupo
protector para dirigir la sustitución hacia una posición u otra.
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Dobles (o multiples) sustituciones:
¿En qué posición se va a unir el segundo o tercer grupo sustituyente?
a) Grupos activantes (+M, +I): Ceden e ‐ al anillo (por desplazam electrónicos) y aumentan su
reactividad, (OH, Cl, CH3) orientan al segundo sustituyente a posiciones orto y para.
b) Grupos desactivantes (‐M): Atraen e ‐ del anillo y disminuyen su reactividad (tiene dobles
enlaces: NO2, COOH) orientan el segundo sustituyente a posiciones meta
‐ p.ej.: SO3H, NO2, COOH
Hidrogenación catalítica del benceno 5 (con catalizador):
La hidrogenación catalítica de benceno para dar ciclohexano (o un alqueno cíclico ‐ciclohexenos‐)
se lleva a cabo a temperaturas y presiones elevadas.
Algunos compuestos aromáticos:
benceno
‐ C6H6
‐ líquido, punto de ebullicion 80°C
‐ perjudica la salud
‐es combustible
‐ se puede obtener de petroleo ( dehidrogenacion catalítica de ciclohexano)
uso: produccion de compuestos aromaticos p.ej.:
estireno, es disolvente
tolueno
‐ metilbenceno
5 La hidrogenación es un tipo de reacción química (redox) cuyo resultado final visible es la adición de hidrógeno (H2) a
otro compuesto. En general, al añadir oxigeno el carbono de la molécula orgánica se oxida, al añadir hidrogeno o
eliminar oxigeno el carbono se reduce.
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‐ de petroleo
‐es un líquido parecido a benceno
uso: se usa como disolvente o para la produccion
de las sustancias orgánicas p.ej: para producir sacarina ( el azúcar artificial)
estireno
‐ vinilbenceno
‐ Producción: de benceno, interpaso etilbenceno
‐ Polimeración: poliestireno
Cumeno
‐ isopropilobenceno
‐ producción: reacción de benceno con propileno catalizada con acido
uso: producción de fenol y acetona
Xileno
‐ dimetilbenceno
‐ líquido
uso: disolvente, producción de ácidos
bencenodicarboxílicos
Naftaleno
‐ C10H8
‐ Sólido blanco (p.f.: 80°C)
‐ Se produce cuando se queman combustibles
uso: producción de compuestos aromáticos (acido ftálico)
Entre las moléculas que presentan aromaticidad están por ejemplo: Las bases nitrogenadas del
ADN, algunos de los aminoácidos, y los compuestos clorofila y hemoglobina también (ver página 2).
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ANEXO:
Nomenclatura:
CH 3 CHO COOH NH 2
benceno tolueno benzaldehido ácido benzoico anilina
Estructura Nº9
NO2 OH CH CH 2 CH3
CH 3
COOH
nitrobenceno fenol estireno para-xileno ácido gálico
Sustituyente Grupo funcional. Nombre del compuesto. Nombre común
Hidroxi ‐OH Hidroxibenceno Fenol
Amino ‐NH2 Aminobenceno Anilina
Etenil ‐CH=CH2 Etenilbenceno Estireno
Otros sustituyentes aromáticos bencenoides son:
CH
difenilmetil
C
trifenilmetil
Heterociclos: Concepto y nomenclatura.
(Ojo!! Ni todos los compuestos aromáticos son heterociclos, ni los heterociclos son todos
aromáticos, son conceptos que no tienen nada que ver)
Un compuesto heterocíclico es una sustancia que contiene un anillo formado por más de un tipo
de átomo. Existen compuestos monocíclicos, bicíclicos y policíclicos, todos ellos con gran interés
para los químicos y bioquímicos.
Son compuestos muy abundantes en la naturaleza, se estima que más del 50% de los compuestos
naturales son heterociclos: vitaminas, drogas, medicamentos, etc.
Son heterociclos los carbohidratos, como también la clorofila y hemina, que dan el color verde a
las hojas y rojo a la sangre. Los sitios reactivos de muchas enzimas y coenzimas son heterociclos. La
herencia, por último, se almacena y transmite en la secuencia de unión específica de media docena
de anillos heterocíclicos en largas cadenas de ácidos nucleicos.
Nomenclatura:
HO
OH
OH
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Muchos de los heterociclos tienen nombres comunes. Además, hay varias formas alternativas de
nombrar a los heterociclos que requieren memorización, no son de aplicación universal y, a veces
se prestan a confusión. Para compuestos monocíclicos sencillos se utiliza prefijos para indicar la
presencia y la identidad del heteroátomo: aza‐ para nitrógeno, oxa‐ para oxígeno, tio‐ para azufre,
fosfa‐ para fósforo y así sucesivamente.
Oxaciclobutano Azaciclopentano Oxaciclohexano Tiociclohexano 3-etiloxaciclohexano
Tipos.
Pirrol Furano Tiofeno Imidazol Oxazol Tiazol
Pirazol 3-Pirrolina Pirrolidina Piridina Pirimidina Purina
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