Química Aromática

Compuestos aromáticos

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.

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.

Veremos unos ejemplos:

Benceno

Hoy nos centraremos en las moléculas que contienen el anillo bencénico.

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:

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.

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.

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.

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.

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.