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“HIDROCARBUROS AROMÁTICOS”
UNIVERSIDAD DE CUENCA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
INVESTIGACIÓN DE QUÍMICA ORGÁNICA
INTEGRANTES: Marcos Carpio; Cristina Llivisaca; David Méndez; María José Songor; Jeniffer Valbuena; Jorge Valdez.
FECHA DE ENTREGA: 30 de Octubre de 2013
1. ESTRUCTURA
Los hidrocarburos aromáticos tienen como núcleo común el benceno que se representa con 1,3,5 ciclo-hexatrieno aunque sus propiedades no concuerdan con esta estructura por ser insaturada y cíclica; por esto también se llaman arenos.
La estructura molecular del benceno fue el problema más debatido en los años 1865-1890. La fórmula C6H6 indica la fuerte instauración y Kekulé propuso su célebre hexágono con 3 enlaces dobles; varios científicos propusieron sus enlaces y al ser sintetizados ninguno era benceno.
Cuando se sintetiza el 1,3,5 ciclo-hexatrieno se obtiene benceno que no cumple con las propiedades de un ciclo-hexagonal que son:
(Yúfera, 2007)
Muy estable. No reacciona fácilmente. No decolora el agua de Br2.
Da un solo derivado sustitutivo y no 2.
Los enlaces C-C tienen una longitud de: 0,146 nm mientras que los enlaces C=C tienen una longitud de 0,135nm que dan un hexágono regular perfecto. (Yúfera, 2007)
Esta idea sobre la gran estabilidad y resonancia se representa así:
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La estructura del benceno fue el problema más grande en la década de 1860 pero fue el alemán Friedrich Kekulé que propone este modelo que es el más acertado pero no expresa totalmente el comportamiento de la molécula.
Propone 6 átomos de carbono dispuestos a manera de un hexágono regular, cada carbono es el vértice de un hexágono y a su vez se unen a un hidrogeno; para cumplir con la cuarta valencia del carbono se realizan 3 dobles enlaces conjugados dentro del anillo; este compuesto no tiene adiciones aunque solo tiene 3 dobles enlaces y esto se debe a que los 3 dobles enlaces giran alrededor de la molécula cambiando velozmente su posición; todo esto regido por la teoría de la resonancia.
2. NOMENCLATURA DE LOS HIDROCARBUROS AROMATICOS
Cuando el anillo de benceno se tiene un solo sustituyente, esté se nombra primero, añadiéndosele después la palabra “benceno”. Es muy importante saber que algunos de estos compuestos tienen, desde hace tiempo, un nombre por el que se les conoce comúnmente, el cual aparece entre paréntesis debajo del nombre sistemático.
Si el anillo de benceno presenta dos sustituyentes, existen varias formas de nombrar al compuesto:
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a) Indicando las posiciones relativas por los prefijos orto, meta y para, dependiendo de si los sustituyentes se encuentran en posiciones inmediatas (1,2), un carbono esté entre ellos (1,3) o, en el último caso, que haya dos carbonos intermedios (1,4). Es preciso abreviar los prefijos por su letra inicial.
b) Anotando la posición y el nombre del sustituyente, terminando con la palabra “benceno”.
Bencenos con más de dos sustituyentes se nombran numerando la posición de cada sustituyente del anillo. Hay que descartar que la numeración se hace de manera que resulten los números mas bajos posibles. Los sustituyentes se listan.
3. PROPIEDADES FÍSICAS
El benceno es un líquido incoloro, de olor aromático, menos denso que el agua y muy inflamable. Se funde a 5,5 ºC y hierve a 80 ºC, lo cual le da unos limites de temperatura muy estrechos como liquido, el punto del fusión del benceno, anormalmente alto, es una consecuencia de su simetría hexagonal que le permite empacarse dentro de una malla cristalina. Es insoluble en agua, pero se disuelve fácil mente en disolventes orgánicos como alcohol y éter etílico. Posee un gran poder disolvente: disuelve resinas, grasas, caucho natural, etc.
Los derivados del benceno de hasta 12 carbonos son líquidos, de allí en adelante son sólidos. En general, tanto el punto de ebullición como el punto de fusión aumenta con el peso molecular.
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4. PROPIEDADES QUÍMICAS:
El benceno experimenta con facilidad un conjunto de reacciones, todas de sustitución, a continuación indicaremos las más importantes:
Mecanismo de nitración
El mecanismo generalmente aceptado para la nitración con una mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico (la «mezcla acida» tan empleada por los químicos orgánicos) implica la serie de reacciones siguiente:
Nucleófilo Electrófilo
El paso (1) genera el ion nitronio. ®NO2 a que es partícula electrófilo que realmente ataca al anillo bencénico. Esta reacción es un equilibrio ácido-base, en el que el ácido sulfúrico sirve de ácido, y el ácido nítrico, mucho más débil, de base. Podemos considerar que el ácido sulfúrico, muy fuerte, induce al ácido nítrico a ionizar en el sentido HO-…NO2» en vez de hacerlo en el usual H+...-ON02. El ion nitronio es bien conocido, puesto que existe en sales como el perclorato de nitronio, NO2
+ ClO4- , y el fluoroborato de nitronio, NO2+BF4-.
De hecho, George Olah comprobó que estas sales de nitronio estables, disueltas en disolventes como el nitrometano o el ácido acético, nitran compuestos aromáticos suavemente, a temperatura ambiente y con rendimientos elevados.
Como necesita electrones, el ion nitronio los encuentra particularmente disponibles en la nube pi del anillo bencénico, de modo que en el paso (2) se une a uno de los carbonos por medio de un enlace covalente, generando el carbocatión.
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Estructura
Mecanismo de Sulfonación
Electrófilo Nucleófilo Electrófilo
De nuevo, el primer paso, que genera el trióxido de azufre electrófilo, es simplemente un equilibrio ácido-base, esta vez entre moléculas de ácido sulfúrico. Para la Sulfonación utilizamos a menudo ácido sulfúrico con un exceso de SO3. Aún cuando no se haga esto, el electrófilo es SO3, formado en el paso (1).
En el paso (2), el reactivo electrófilo, SO3 se une al anillo bencénico para generar el carbocatión intermediario. Aunque el trióxido de azufre no tiene carga positiva, es electrónicamente deficiente y, por tanto, ácido.
El paso (3) es la pérdida de un protón para dar el producto de sustitución estabilizado por resonancia: esta vez el anión del ácido bencenosulfónico se disocia fuertemente, por ser un ácido fuerte (paso 4).
Con algunos sustratos aromáticos y a cierta acidez, el electrófilo puede ser HSO3+ o moléculas que transfieren con facilidad SO3 o HSO3
+ al anillo aromático.
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Mecanismo de Alquilación de Friedel-Crafts
En esta reacción, el electrófilo típico es un carbocatión generado por un equilibrio ácido-base, esta vez en el sentido de Lewis.
En ciertos casos, no se halla involucrado un carbocatión libre. En cambio, se transfiere el grupo alquilo –con un par de electrones menos- directamente al anillo aromático desde el complejo polar, I, que forma el AlCl3 y el halogenuro de alquilo:
Mecanismo de Halogenación
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La Halogenación aromática implica los pasos que se ilustran para la cloración:
El paso clave (2) es la unión de cloro positivo al anillo aromático. Sin embargo, parece poco probable que esté involucrado un ión Cl+ libre. En cambio, se combina cloruro férrico con Cl2 para formar el complejo II, del que se transfiere cloro, sin sus electrones, directamente al anillo.
5. ORTO, META Y PARA: DIRECTORES
Solo hay tres isómeros posibles en cualquier benceno di sustituido debido a la simetría planar del anillo, para identificar estos la nomenclatura de la IUPAC prefiere el uso de los números 1,2; 1,3; 1,4El sistema de prefijos está ampliamente difundido y se usa cuando hay disustitución:
Orto-, u o- para el isómero 1,2 Meta-, o m- para el isómero 1,3 Para-, o p- para el isómero 1,4
Posiciones orto, meta y para en el benceno
Cuando el benceno tiene un sustituyente aparecen tres posiciones diferenciadas, orto, meta y para.
En este punto nos interesa saber en cuál de esas posiciones entraría un segundo grupo al realizar
cualquiera de las reacciones estudiadas en los apartados anteriores.
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Clasificación de sustituyentes
Los sustituyentes se pueden clasificar en cuatro grupos:
Activantes débiles (orto para dirigentes): activan el anillo por efecto inductivo, son los grupos
alquilo y fenilo (-CH3, -Ph)
Activantes fuertes (orto para dirigentes): activan el anillo por efecto resonante, son grupos con
pares solitarios en el átomo que se une al anillo (-OH, -OCH3, -NH2)
Desactivantes débiles (orto para dirigentes): desactivan por efecto inductivo, son los halógenos
(-F,-Br, -I)
El átomo de cloro, que es débilmente electrón atrayente, como se ve por el momento dipolar del clorobenceno, tiene un débil efecto desactivante.
Desactivantes fuertes (meta dirigentes): desactivan por efecto resonante, son grupos con enlaces
múltiples sobre el átomo que se une al anillo (-CHO, -CO2H, SO3H, -NO2)
Ejemplos:
Supongamos un benceno con un grupo nitro (NO2) al que hacemos una halogenación, ¿Dónde
entrará el bromo?.
Para responder a esta pregunta no tenemos más que buscar en la lista anterior el grupo nitro
(desactivante y meta dirigente), esto indica que el bromo entrará en la posición meta.
¿Y si el benceno tiene un grupo hidroxi y hacemos una nitración?
El producto para se obtiene en más cantidad que el orto debido a los impedimentos estéricos que
produce el grupo hidroxi.
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6. FUENTES
Los hidrocarburos aromáticos sencillos provienen de dos fuentes principales: carbón y petróleo. El carbón es una mezcla enormemente compleja constituida principalmente por arreglos extensos de anillos parecidos a los del benceno unidos entre sí. La ruptura térmica del carbón ocurre cuando se calienta a 1000 ºC en ausencia de aire y hierve hasta consumirse una mezcla de productos volátiles llamada alquitrán de hulla.
El petroleo.- La producción de compuestos orgánicos a partir del petróleo sobrepasa al alquitrán de hulla como materia prima química; sin embargo, el contenido de hidrocarburos aromáticos en petróleo es menor que en el alquitrán de hulla. Durante el proceso de destilación del petróleo tiene benceno y otros hidrocarburos aromáticos cuando los alcanos se someten a la acción del calor y catalizadores. Así el hexano por la acción de calor y catalizadores da lugar a la formación del cilohexano que por deshidrogenación catalítica produce benceno.
7. USOS
La importancia económica de los hidrocarburos aromáticos ha aumentado progresivamente desde que a principios del siglo XIX se utilizaba la nafta de alquitrán de hulla como disolvente del caucho. En la actualidad, los principales usos de los compuestos aromáticos como productos puros son: la síntesis química de plásticos, caucho sintético, pinturas, pigmentos, explosivos, pesticidas, detergentes, perfumes y fármacos. También se utilizan, principal- mente en forma de mezclas, como disolventes y como constituyentes, en proporción variable, de la gasolina.
El cumeno se utiliza como componente de alto octanaje en los combustibles de los aviones, como disolvente de pinturas y lacas de celulosa, como materia prima para la síntesis de fenol y acetona y para la producción de estireno por pirolisis.
La cumarina se utiliza como desodorante o como potenciador del olor en jabones, tabaco, productos de caucho y perfumes. También se utiliza en preparados farmacéuticos.
El benceno se ha prohibido como componente de productos destinados al uso doméstico y en muchos países también se ha prohibido su uso como disolvente y componente de los líquidos de limpieza en seco. El benceno se ha utilizado ampliamente en la fabricación de estireno, fenoles, anhídrido maleico, detergentes, explosivos, productos farmacéuticos y colorantes. También se ha empleado como combustible, reactivo químico y agente de extracción para semillas y frutos secos.
El tolueno es un disolvente de aceites, resinas, caucho natural (mezclado con ciclohexano) y sintético, alquitrán de hulla, asfalto, brea y acetilcelulosas (en caliente, mezclado con etanol). También se utiliza como disolvente y diluyente de pinturas y barnices de celulosa y como diluyente de las tintas de fotograbado. Al mezclarse con el agua, forma mezclas azeotrópicas que tienen un efecto deslustrante.
El naftaleno se utiliza como material de partida para la síntesis orgánica de una amplia gama de sustancias químicas, como anti- polillas, y en conservantes de madera. También
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se emplea en la fabricación de índigo y se aplica externamente al ganado o las aves para controlar los insectos parásitos.
El estireno se utiliza en la fabricación de una amplia gama de polímeros (como el poliestireno) y elastómeros copolímeros, como el caucho de butadieno-estireno o el acrilonitrilo-butadieno-esti- reno (ABS), que se obtienen mediante la copolimerización del estireno con 1,3-butadieno y acrilonitrilo. El estireno se utiliza ampliamente en la producción de plásticos transparentes.
Los terfenilos se utilizan como productos químicos intermedios en la producción de lubricantes densos y como refrigerantes en los reactores nucleares. Los terfenilos y difenilos se utilizan como agentes de transferencia de calor, en síntesis orgánicas y en la fabricación de perfumes. El difenilmetano, por ejemplo, se utiliza como perfume en la industria del jabón y como disolvente de lacas de celulosa. También tiene algunas aplicaciones como pesticida.
BIBLIOGRAFÍA:
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McMurry, J. (2012). Quimica Organica. Mexico: Cengage Learning.
Freire Román, H. (2007). Quimica 3. Quito, Ecuador: LIBRERÍA ESPAÑOLA.
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