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Benceno
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Perteneciente a la familia de los compuestos aromáticos (anillo aromático), de formula C6H6, el cual posee una estructura electrónica única de entre los compuestos aromáticos que le da un comportamiento químico característico.
Este compuesto presenta un alto grado de instauración, y parece evidente que es una molécula simétrica y que la instauración de cualquier hidrógeno por el bromo es equivalente a la sustitución de cualquiera de los 5 hidrógenos restantes.
Se puede representar mediante las estructuras de Kekulé, propuestas en 1865, sin embargo ninguna de las dos son completamente correctas:
Propiedades Físicas y Químicas:
Es un compuesto particularmente estable, pues puede soportar el calor durante largo tiempo y presión alta manteniendo su identidad estructural.
El benceno no reacciona tan fácilmente con reactivos que típicamente lo hacen con alquenos y alcadienos. Por ejemplo el Bromo Br2 en CCl4 o el Permanganato de Potasio acuoso con el ciclohexeno y los ciclohexadienos. Se tiene que utilizar otro tipo de condiciones y/o catalizadores, como el Bromo en presencia de FeBr3 a temperatura ambiente, donde se da una reacción de sustitución entre el hidrógeno y el bromo.
Las longitudes de enlace carbono − carbono son de 1.39 Å en el benceno y no el típico 1.34 Å del C − C en un doble enlace, y mucho menos el 1.54 Å del enlace sencillo C − C.
- Los ángulos son de 120° y es completamente plana. Respecto a su estructura electrónica, los átomos híbridos del carbono son sp2 dando su planaridad a la molécula; y cada uno de estos átomos tiene un orbital p perpendicular a los sp2 donde tiene un solo electrón.
Los orbitales p no se traslapan en pares aislados con enlace tipo , mas bien los seis orbitales p se traslapan entre si para formar una nube. Logrando con ello que los electrones internos de la nube no estén relacionados con uno o dos átomos de carbono específicos, proporcionando una deslocalización de los mismos aumentando la estabilidad de la molécula al dispersar la carga sobre un área mucho mayor. A esta estabilidad adicional se le denomina Energía de Deslocalización.
Como se había visto el benceno posee dos estructuras de kekulé las cuales solo difieren en la localización de los electrones de enlace. Por lo tanto se denominan estructuras resonantes; sin embargo estas estructuras realmente no existen:
Estructuras Resonantes
Se representan mejor con su híbrido de resonancia:
De acuerdo a los calores de hidrogenación (que se emplearon para determinar la estabilidad de los alquenos), el benceno posee 36 Kcal/mol menos de energía de lo que se esperaría tener (se esperaba 85.8 Kcal/mol) si fuera 1,3,5 − ciclohexatrieno. O sea es 36 Kcal/mol mas estable de lo esperado, y es la energía de deslocalización o energía de resonancia (por los electrones deslocalizados).
La deslocalización de los electrones en el benceno es una cualidad que a menudo se conoce como aromaticidad, y que aunque esta característica no solo se limita al benceno para que se pueda dar debe cumplir con los siguientes puntos:
Ser estructuras cíclicas y cumplir con la premisa de tener 4n+2 electrones deslocalizados (Regla de Hückel).
◊ Ser moléculas planas o por lo menos muy cercanas a las planas. ◊ Cada átomo del anillo debe tener hibridación sp2.
- La molécula del benceno no es polar y es insoluble en agua.
- Su punto de fusión es de 5.4°C, de ebullición 80.1°C y su densidad a 20°C 0.879g/cm3. El benceno puede formar sistemas de anillos fusionados , como el naftaleno, el antraceno o el fenantreno, pertenecientes a los hidrocarburos aromáticos polinucleares.
Por ejemplo:
La reacción principal de los compuestos aromáticos es la sustitución aromática electrofílica , donde un electrófilo ataca al anillo aromático y da lugar a la sustitución., sustituyendo un Protón H+ por un electrófilo E+, preservando siempre la integridad aromática del sistema.
Reacciones del Benceno:
- Sustitución Aromática Electrofílica:
Los pasos son los siguientes:
- Generación del Electrófilo, reacción de equilibrio.
Catalizador
E Nu E+ + −:Nu
- Ataque del electrófilo sobre el núcleo aromático: Paso lento determinante de la velocidad.
Pérdida del protón, que es capturado por una especie aceptora de protones (Por ejemplo Nu:−) para dar lugar a un producto de sustitución; reacción rápida.
Reactividad Química:
- Las reacciones del benceno mediante sustitución aromática son las siguientes:
- Nitración del Benceno: Monosustitución.
Se deja reaccionar en una mezcla al benceno con el Ácido Nítrico y Ácido Sulfúrico concentrado a temperaturas de 50 y 60°C, convirtiéndose suavemente a nitrobenceno. A mas de 60°C produce la disustitución.
- Halogenación del Benceno: Monosustitución.
Reacciones de disustitución de derivados monosustituidos del benceno.
- Reacciones de compuestos nitro:
El nitro desactiva al anillo hacia una mayor sustitución y también orienta a los grupos entrantes a la posición meta. Por tal motivo se deberán utilizar condiciones mas vigorosas para introducir un segundo grupo a una molécula que contiene el grupo nitro.
Las reacciones de Friedel − Crafts no se pueden realizar en compuestos que presentan un orientador meta o con anillos aromáticos que contienen los grupos −OH, −OCH3, −NH2, −NHR y NR2.
La reacción general es:
Donde E = NO2 X, SO3H
- Reacciones de Alquilbencenos:
Los Alquilbencenos son más reactivos que el benceno, y el grupo alquilo orienta un electrófilo entrante a las posiciones orto − para. La reactividad aumenta cuando hay un grupo alquilo, y un problema al que se puede enfrentar en la reacción de Alquilación de Friedel − Crafts es la formación de alquilbencenos disustituidos.
La reacción general es:
E = R, SO3H, NO2, X
- Reacciones de Ácidos Bencensulfónicos:
Los ácido Bencensulfónicos se pueden nitrar y halogenar, y es posible introducir un segundo ácido sulfónico en la molécula. Dado que el grupo −SO3H orienta a meta , las reacciones de Friedel − Crafts no se pueden llevar a cabo en ácidos aril − sulfónicos. El grupo de ácido sulfónico desactiva el anillo para una mayor sustitución.
Donde E = NO2, X, SO3H
- Reacciones de Halobencenos:
El átomo de halógeno desactiva el anillo aromático, pero orienta un grupo entrante a las posiciones orto y para. Los halobencenos se pueden sulfonar, alquilar y nitrar en condiciones normales.
Su reacción general es:
E = R, SO3H, NO3, X
- reacciones del benceno mediante Adición al Anillo Aromático:
- Hidrogenación y Cloración:
El anillo aromático se puede hidrogenar y clorar en condiciones drásticas.
La reacción del cloro con benceno en presencia de luz o altas temperaturas y presiones adiciona 3 moles de cloro por mol de benceno.
- Oxidación de Cadenas Laterales de Alquilo:
La oxidación de la cadena lateral de alquilo en los alquilbencenos (Ar − R) se logra por:
◊KMnO4 en base acuosa. Ácido Crómico, H2CrO4 formado a partir de la reacción de dicromato de potasio (Kr2Cr2O7) y H2SO
Las reacciones requieren de un calentamiento vigoroso.
En el caso mas sencillo, el grupo metilo en el tolueno se oxida al grupo ácido carboxílico, −COOH.
Otros sustituyentes rara vez afectan esta reacción de oxidación, pero cuando hay varios grupos metilo, todos son oxidados de igual manera.
La reacción general es la siguiente:
- Halogenación de la Cadena Lateral de Alquilbencenos:
Radicales Bencilo
Los alquilbencenos, Ar − C, contienen un anillo aromático y una cadena lateral alquilo. El anillo experimenta la sustitución electrofílica con reactivos iónicos, y los alcanos experimentan reacciones de sustitución por radicales libres. Por esto no debe sorprender que los alquilbencenos sufran ambas reacciones dependiendo de las condiciones de reacción empleadas.
Por ejemplo, el tolueno reacciona con cloro en presencia de cloruro férrico para dar lugar a la cloración del anillo. En tanto que con cloro en presencia de luz produce sustitución en el grupo metilo.
Resulta de la sustitución Resulta de la Halogenación
Electrofílica Aromática por radicales libres
en el grupo CH
Síntesis de Compuestos Aromáticos que Contienen Tres o Mas sustituyentes:
La síntesis de compuestos con tres o más sustituyentes requiere que se consideren efectos de la orientación y de la reactividad de los grupos del anillo. Para evaluar adecuadamente donde es más posible que valla un grupo entrante. Hay que considerar lo siguiente:
Los sustituyentes que ya están en el anillo son los causantes de la orientación del grupo entrante. La orientación no depende mucho de la naturaleza del electrófilo entrante.
En algunos casos los sustituyentes presentes en el anillo orientan a un grupo entrante a la misma posición que ya ocupa uno de ellos.
Cuando hay dos o más sustituyentes con diferente poder de activación, el que tiene mayor poder de activación por lo regular determina la orientación del grupo entrante.
Usos y Aplicaciones del Benceno:
Durante muchos años, la principal salida para el benzol fue como combustible de motores de automóviles, sobre todo mezclado con gasolina. Ese uso se extendió principalmente en Europa, donde se hicieron
Entre los usos del Benceno se encuentra la fabricación de medicamentos, tintes, detergentes, plásticos, explosivos, aplicaciones como disolventes, y en la síntesis de otros compuestos aromáticos. También como parasiticida en las heridas (veterinaria), como disolvente de lacas, ceras y aceites. En las Gasolina se emplea como antidetonante.
