La American Chemical Society es una sociedad científica americana que tiene su sede en Washington. En 1988, dos tercios de los compuestos de su amplia lista de sustancias químicas tenían una cosa en común: todos contenían un anillo de benceno. Esto los convertía en compuestos aromáticos.
- Este artículo es una introducción a los compuestos aromáticos en química orgánica.
- Empezaremos aprendiendo a identificar un compuesto aromático
- Después, veremos el benceno y su estructura.
- Luego, practicaremos el nombre de los derivados del benceno.
- Por último, aprenderemos cómo se forman los compuestos aromáticos y exploraremos brevemente algunas de las reacciones en las que participan.
Compuestos aromáticos
Los compuestos aromáticos (o arenos) son moléculas orgánicas que contienen anillos con electrones pi deslocalizados, como un anillo de benceno. Se conocen como aromáticos porque poseen en su estructura fundamental anillos que les confieren aromaticidad.
Quizá recuerdes de los alquenos que, mientras los orbitales sigma y los enlaces se extienden entre átomos adyacentes, los orbitales pi van por encima y por debajo de cada átomo. Los electrones π son los electrones que se encuentran en estos orbitales, por lo que tienen un solapamiento lateral, lo que significa que el enlace es más débil; por lo tanto, tienden a deslocalizarse.
El movimiento de los electrones pi produce una estabilidad en la molécula, por la densidad electrónica que le rodea. La deslocalización electrónica se produce cuando electrones en un enlace pi pueden moverse entre orbitales o átomos.
La regla de Hückel
Como ya sabes, al ser los electrones cargas negativas, se repelen entre sí. Por esto, no solo deben tener anillos con electrones que se pueden deslocalizar, sino que tienen un número ideal de electrones para evitar dicha repulsión.
La regla de Hückel especifica que una molécula es aromática si tiene 4n+2 electrones deslocalizados, donde n es un número entero y positivo.
Veremos unos ejemplos:
Determina si las siguientes moléculas son aromáticos: benceno, ciclobutadieno, ciclodecapenteno
Solución:
Empecemos con el benceno: tiene 3 enlaces pi y, por ende, 6 electrones deslocalizados (acuérdate que cada enlace pi son 2 electrones):
4 n +2
Si n = 1; 4+2=6
Si n = 2; 8+2 =10
Vemos que coinciden los 6 o 10 electrones deslocalizados de los compuestos aromáticos, por lo que ¡el benceno lo es!
3 (2) = 6
Ahora, el ciclobutadieno: su nombre ya nos está diciendo que tiene 2 enlaces pi (dieno), por lo que
2 (2) = 4, que no es igual a 4n +2
Por su parte, el ciclodecapenteno tiene 5 enlaces pi (penteno); entonces, si calculamos el número de electrones pi:
5 (2) = 10 = 4n + 2, si n=2
Los electrones de un átomo y de su enlace, se encuentran en realidad en orbitales especiales llamados orbitales sp2.
El carbono tiene 6 electrones, con una estructura electrónica de 1s22s22p2 .En términos de orbitales, su capa de valencia tiene 4 electrones: 2 en el orbital s y 2 en orbitales p. Sin embargo, para formar tres enlaces (como en el benceno), el carbono necesita tres electrones desapareados. Para ello, un electrón del orbital s entra en un estado excitado y salta al orbital p vacío.
Fig, 2. Un electrón es promovido de 2s a 2pz. El átomo de carbono está ahora excitado.
El orbital s está más cerca del núcleo. Entonces, al formar un enlace con el electrón que se encuentra en el orbital s, en teoría, tendría una longitud de enlace menor. Pero, experimentalmente se ha visto que no es así: todos tienen la misma longitud. Esto significa que los enlaces son iguales, a pesar de ser uno del orbital s y dos de los orbitales p.
Para hacer esto, el carbono necesita tres electrones en orbitales iguales. La forma más fácil de hacerlo es hibridar tres de sus orbitales 2s, 2px y 2py. Estos forman tres orbitales idénticos, conocidos como orbitales sp2, porque (¡lo has adivinado!) están formados por un orbital s y 2 orbitales p.
El electrón que se encuentra en el 2pz se deslocaliza por el átomo y estructura, lo que permite la aromaticidad.
Fig, 3. Los orbitales del benceno.
Para más información al respecto, lee nuestro artículo Hibridación en la química orgánica.
Benceno
Hoy nos centraremos en las moléculas que contienen el anillo bencénico.
El benceno es un compuesto aromático con seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno dispuestos en un anillo plano.
Llamamos a las moléculas como el benceno compuestos aromáticos porque las primeras se descubrieron en los aceites de olor dulce. De hecho, el benceno se aisló por primera vez a partir del benjuí, una resina aromática procedente de ciertas especies de árboles asiáticos. Sin embargo, no todos los compuestos de olor dulce muestran una verdadera aromaticidad, ¡y no todos los compuestos aromáticos huelen bien!
Forma
Como ya hemos dicho, el benceno es un anillo de hidrocarburo aromático que contiene seis átomos de carbono y seis de hidrógeno. Intenta dibujarlo y ver qué tipo de estructuras se te ocurren.
En realidad, el benceno tiene una estructura completamente diferente a las tres moléculas mostradas anteriormente: ni siquiera contiene un solo doble enlace. En cambio, cada uno de los átomos de carbono del benceno está unido a un único átomo de hidrógeno y a otros dos átomos de carbono; así forma un hexágono. Se le ha dado al benceno el siguiente símbolo:
En el benceno, los orbitales pi de los seis átomos de carbono se solapan y forman una gran región de densidad electrónica. También, los electrones se deslocalizan; esto significa que pueden moverse libremente dentro de la región y no pertenecen a un átomo de carbono concreto.
Longitud del enlace
Como dijimos antes, en los compuestos aromáticos hay hibridación en los orbitales para que todos los enlaces C-C tengan la misma longitud. No es un enlace simple, ni un enlace doble; es algo intermedio. Puedes verlo en la siguiente tabla, que muestra las longitudes de los distintos enlaces del carbono:
| Tipo de enlace | Longitudad de enlace (nm) |
| C-C | 0,154 |
| C=C | 0,134 |
| C-C en benceno | 0,140 |
Tabla 1. Longitud de los enlaces C-C.
Ángulo de enlace
Cada uno de los átomos de carbono del benceno tiene tres enlaces: dos enlaces C-C y un enlace C-H. Estos enlaces intentan separarse lo máximo posible. Esto da lugar a un ángulo de 120° entre cada enlace. Por tanto, el benceno forma una molécula trigonal plana.
Propiedades del benceno
Las propiedades más importantes del benceno son:
- El benceno es un compuesto con geometría molecuar trigonal plana. Tiene ángulos de enlace de 120°. Al ser tan plana, las moléculas pueden empaquetarse estrechamente, por lo que tiene puntos de fusión y ebullición relativamente altos.
- El anillo de electrones del benceno lo hace estable, en comparación con otros hidrocarburos. Esto se conoce como estabilidad aromática.
- Aunque es insaturado, el benceno resiste las reacciones de adición, por su estabilidad aromática.
¿Cómo se nombran los hidrocarburos aromáticos?
Ahora que sabemos lo que es el benceno, podemos ver cómo se nombran las distintas moléculas que contienen este anillo característico.
Los derivados del benceno utilizan el sufijo -benceno. Sin embargo, si hay varios grupos funcionales presentes, a veces utilizan el prefijo -fenil-, en su lugar. Veamos algunos ejemplos para recordar las reglas de nomenclatura.
Si necesitas un pequeño repaso antes de empezar, dirígete a Nomenclatura Orgánica
FIg. 8. ¿Puedes nombrar esta molécula desconocida?
Esta molécula tiene un grupo metilo y un átomo de cloro unidos al anillo de benceno: necesita los prefijos metil- y cloro-. Recuerda que utilizamos números para mostrar las posiciones de otros grupos funcionales en la cadena de carbono. Sin embargo, con otras moléculas orgánicas, como los alcanos, empezamos a numerar los carbonos desde cualquier extremo de la cadena de carbono. En el caso del benceno, no hay principio ni final de la cadena, por lo que numeramos cualquiera de los carbonos como 1. Solo tenemos que asegurarnos de seguir la regla del "número más bajo". Si contamos los números que muestran las posiciones de los grupos funcionales, deberíamos obtener el total más bajo posible. Como el halógeno tienen más importancia que el metilo, se numeran los carbonos empezando por el halógeno.
Aquí podemos llamar número 1 al átomo de carbono unido al cloro y, así, el átomo de carbono unido al metilo es el número 3. Cuando enumeramos los grupos funcionales, lo hacemos por orden alfabético. Por tanto, esta molécula se llama 1-cloro-3-metilbenceno.
Pero, también se pueden nombrar según la distancia entre los dos grupos sustituyentes. En el ejemplo anterior, tenemos los dos grupos funcionales en posiciones 1,3. Si tenemos solo dos sustituyentes, puede que estén unidos a carbonos contiguos (1,2), que les separe un carbono del ciclo (1,3) o que le separen dos carbonos del ciclo (1,4). Por esto, tenemos la nomenclatura orto (o) si es 1,2, meta (m) si es 1,3 y para (p) si es 1,4.
La forma más fácil de acordarse del orden es formar una frase fácil que podamos asociar, como "Otra Magdalena, Por favor!"
De este modo, en el ejemplo, sería m - clorometilbenceno.
Además, tengamos en cuenta que el metilbenceno se denomina tolueno y, comercialmente, se conoce como orto-tolueno.
Aquí tienes otro ejemplo:
Fig. 11. ¿Puedes nombrar esta molécula?
En realidad, se trata de una cetona, en la que uno de los grupos R es un anillo de benceno. Tenemos que utilizar el prefijo fenil-. La cadena de carbono restante tiene 2 átomos, por lo que toma el nombre de raíz -et-. Así, esta molécula se conoce como feniletanona, aunque comúnmente se le llama acetofenona, debido a que la cetona etanona se conoce como la acetona.
¿Intentas esto?
Fig. 12: Otra molécula desconocida.
La siguiente molécula tiene un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo hidroxilo (-OH) unidos a su anillo de benceno. El grupo principal es el ácido, por lo que tendremos que usar el sufijo -ácido oico y el prefijo hidroxilo-. Contando el átomo de carbono unido al grupo carboxilo como carbono 1, el átomo de carbono que contiene el grupo hidroxilo ocupa la posición 2. Por tanto, llamamos a esta molécula ácido 2-hidroxibenzoico, o el ácido o-hidroxibenceno.
Fig. 13: Ácido 2-hidroxibenzoico.
Un anillo de benceno con solo un grupo hidroxilo unido tiene su propio nombre especial: fenol.
Fig. 14: Fenol.
¿Cómo se forman los compuestos aromáticos?
Para fabricar anillos de benceno y otros compuestos aromáticos, utilizamos un proceso llamado reformado catalítico. Para ello, tomamos fracciones del petróleo crudo que tienen entre seis y ocho átomos de carbono. Luego, las calentamos con un catalizador y gas hidrógeno hasta alcanzar los 500 °C a una presión de unas 20 atm.
El catalizador es una mezcla de óxido de aluminio y platino. Por eso el proceso se conoce a veces como platforming.
A temperaturas tan altas, algunos de los hidrocarburos tienden a descomponerse en carbono, lo que contamina el catalizador; pero, la adición de hidrógeno detiene este proceso. Los productos son derivados del benceno y más gas hidrógeno.
FIg. 15: Reformado catalítico.
¿Cómo reaccionan los compuestos aromáticos?
Vuelve a mirar el benceno: es una molécula insaturada. Ya hemos conocido este términom al describir alquenos con dobles enlaces C=C. Aunque el benceno no tiene dobles enlaces, no contiene todo el número posible de átomos de hidrógeno. Cada átomo de carbono puede unirse potencialmente a otros dos átomos de carbono y a dos átomos de hidrógeno, lo que daría lugar al hidrocarburo cíclico saturado llamado ciclohexano, C6H12.
La hidrogenación para obtener ciclohexano es solo un ejemplo de reacción del benceno.
Sin embargo, a diferencia de otros compuestos insaturados como los alquenos, el benceno requiere mucha energía para participar en reacciones de adición. Esto se debe a que una reacción de adición utilizaría uno de los electrones deslocalizados en los orbitales pi superpuestos del benceno, rompiendo el anillo de deslocalización. Esto requiere mucha energía. En cambio, el benceno suele sufrir en reacciones de sustitución; estas son reacciones que implican el cambio de un átomo o grupo de átomos por otro.
El anillo de electrones deslocalizados es una zona de mucha densidad electrónica llena de muchos electrones congregados en un espacio reducido. Esto significa que es atractivo para los electrófilos. Debes recordar que los electrófilos son aceptantes de pares de electrones, con un orbital vacío y carga positiva o parcialmente positiva (-filo viene de la palabra latina philos, que significa amor: ¡los electrófilos realmente aman los electrones!)
Si juntamos estas dos cosas, podemos llegar a la conclusión de que los compuestos aromáticos como el benceno participan a menudo en reacciones de sustitución electrofílica.
Algunos ejemplos son:
- Reacciones de nitración, cambiando un átomo de hidrógeno por el grupo -NO2. Esto produce nitrobenceno, que se utiliza en tintes y productos farmacéuticos.
- Reacciones de alquilación de Friedel-Crafts, en las que el benceno reacciona con un derivado ácido en presencia de un catalizador de cloruro de aluminio. El producto se usa en plásticos y detergentes.
Como el benceno tiene una alta proporción de átomos de carbono e hidrógeno, arde con una llama característicamente tiznada. Esta es una forma de identificar los compuestos aromáticos.
Hay compuestos aromáticos que tienen átomos distintos al C, como el N, O o S; se denominan heterociclos aromáticos.
Los heterociclos aromáticos son muy importantes en la bioquímica, ya que entre estos se encuentran moléculas elementales como las las purinas y pirimidinas que forman parte del ADN.
Química aromática - Puntos clave
- Los compuestos aromáticos también se llaman arenos y contienen un anillo con electrones pi deslocalizados, y 4n+2 electrones. El anillo más común es el benceno, .
- El benceno contiene seis átomos de carbono unidos en forma de hexágono. Los enlaces entre cada átomo de carbono son idénticos y están a medio camino entre el enlace simple y el doble.
- Cada átomo de carbono del benceno contiene un electrón no enlazante, que se encuentra en un orbital pi.
- Estos orbitales se solapan por encima y por debajo del anillo de benceno para formar una zona de deslocalización.
- Los electrones pueden moverse libremente dentro de esta región, que se conoce como anillo de aromaticidad.
- El benceno se fabrica a partir de fracciones de petróleo crudo, utilizando un catalizador de óxido de aluminio y platino, a temperaturas de 500 °C y 20 atm de presión.
- El benceno es relativamente estable y tiene puntos de fusión y ebullición altos en comparación con los alcanos.
- Los derivados del benceno se denominan con el sufijo -benceno o el prefijo fenilo-.
- El benceno suele participar en reacciones de sustitución electrofílica, como la nitración y las reacciones de alquilación de Friedel-Crafts.
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