Hidrocarburos aromáticos y derivados del benceno
En una mecánica de barrio de Cuenca, el mecánico limpia una pieza con un solvente de olor fuerte y dulzón. Ese olor es de un hidrocarburo aromático, y el compuesto base de esa familia, el benceno, tiene seis carbonos y seis hidrógenos. Si tuviera tres dobles enlaces, debería reaccionar como un alqueno, pero no lo hace. ¿Por qué es tan estable? Lo resolverás al final del apartado.
El benceno: fórmula y forma
El benceno tiene fórmula molecular $\text{C}_6\text{H}_6$: seis carbonos y seis hidrógenos. Es el hidrocarburo aromático más sencillo. Se llama «aromático» porque los primeros compuestos de esta familia que se aislaron tenían olores característicos.
Compáralo con el ciclohexano, $\text{C}_6\text{H}_{12}$. El benceno tiene seis hidrógenos menos de los que tendría un anillo saturado: eso indica insaturaciones.
Cada carbono del benceno tiene hibridación $sp^2$ (la viste en ATCARB-HIBRID). Por eso:
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Cada carbono forma tres enlaces $\sigma$: dos con carbonos vecinos y uno con un hidrógeno.
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Los ángulos son de 120°, así que los seis carbonos forman un hexágono regular plano.
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A cada carbono le queda un orbital $p$ sin hibridar, perpendicular al plano del anillo.
Escribe la fórmula molecular del benceno e indica cuántos átomos de carbono y de hidrógeno tiene, cuál es su hibridación y qué forma geométrica tiene el anillo.
Escribe la fórmula molecular del benceno e indica cuántos átomos de carbono y de hidrógeno tiene, cuál es su hibridación y qué forma geométrica tiene el anillo.
Resonancia y electrones π deslocalizados
Kekulé propuso un hexágono con enlaces simples y dobles alternados. Pero esa estructura tiene un problema: los enlaces dobles son más cortos que los simples, y en el benceno los seis enlaces C–C miden lo mismo (intermedios entre simple y doble).
La solución es la resonancia. Los seis orbitales $p$ (uno por carbono) se solapan lateralmente formando una nube $\pi$ continua, por encima y por debajo del plano del anillo. Los seis electrones $\pi$ no pertenecen a un par de carbonos: están deslocalizados en todo el anillo. Por eso todos los enlaces son iguales.
Las dos estructuras de Kekulé no son dos moléculas que se alternan: son dos dibujos incompletos de una sola molécula real, cuyo «promedio» es el híbrido de resonancia. Por eso se dibuja el benceno con un círculo dentro del hexágono, que representa la nube de seis electrones $\pi$.
Doménica lee que Kekulé propuso para el benceno una estructura con enlaces simples y dobles alternados, pero que los seis enlaces C–C del benceno miden lo mismo. Explica…
Doménica lee que Kekulé propuso para el benceno una estructura con enlaces simples y dobles alternados, pero que los seis enlaces C–C del benceno miden lo mismo. Explica cómo la deslocalización de los electrones $\pi$ (resonancia) resuelve esa contradicción y por qué se dibuja el benceno con un círculo dentro del hexágono.
Estabilidad y comportamiento químico
Los alquenos y cicloalquenos reaccionan con facilidad por adición: el doble enlace se «abre» y se añaden átomos. Por ejemplo, el ciclohexeno decolora enseguida una solución de bromo, porque el $\text{Br}_2$ se adiciona al doble enlace.
El benceno no hace eso. Sus seis electrones $\pi$ deslocalizados lo hacen muy estable: si se adiciona algo, se rompe la nube $\pi$ y se pierde esa estabilidad extra. Por eso el benceno prefiere la sustitución: un hidrógeno es reemplazado por otro átomo o grupo, y el anillo aromático queda intacto. Con bromo necesita un catalizador (por ejemplo, $\text{FeBr}_3$):
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{Br} + \text{HBr}$$| Sustancia | Estructura | Con solución de bromo | Tipo de reacción |
|---|---|---|---|
| Ciclohexano | anillo saturado | no reacciona (sin luz) | — |
| Ciclohexeno | un doble enlace localizado | decolora de inmediato | adición |
| Benceno | anillo con $\pi$ deslocalizados | solo con catalizador | sustitución |
Mateo compara el ciclohexeno ($\text{C}6\text{H}{10}$, con un doble enlace) con el benceno. Ambos reaccionan de manera distinta con el bromo: el ciclohexeno lo decolora…
Mateo compara el ciclohexeno ($\text{C}_6\text{H}_{10}$, con un doble enlace) con el benceno. Ambos reaccionan de manera distinta con el bromo: el ciclohexeno lo decolora fácilmente por adición, mientras que el benceno reacciona solo con un catalizador y por sustitución. Explica esa diferencia de comportamiento químico a partir de la estructura electrónica del benceno.
Un laboratorio de un colegio de Cuenca recibe tres frascos sin etiqueta que contienen ciclohexano, ciclohexeno y benceno. Se sabe que: el frasco A decolora de inmediato…
Un laboratorio de un colegio de Cuenca recibe tres frascos sin etiqueta que contienen ciclohexano, ciclohexeno y benceno. Se sabe que:
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el frasco A decolora de inmediato una solución de bromo sin necesidad de catalizador;
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el frasco B no reacciona con la solución de bromo en esas condiciones;
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el frasco C tampoco la decolora, pero tiene un olor característico y su molécula es plana.
- a) Identifica cada frasco y justifica tu decisión.
- b) Explica por qué el ciclohexano y el benceno no se pueden distinguir solo con la prueba del bromo, aunque su estructura sea muy distinta.
- c) Propón una característica estructural (hibridación o geometría) que permita diferenciarlos.
Derivados monosustituidos
Un derivado monosustituido resulta de cambiar un hidrógeno del benceno por otro átomo o grupo. Como los seis carbonos son equivalentes, existe un solo isómero: no hace falta numerar.
La IUPAC nombra la mayoría con el sustituyente como prefijo seguido de «benceno». Algunos conservan su nombre común.
| Fórmula | Sustituyente | Nombre |
|---|---|---|
| $\text{C}_6\text{H}_5\text{–CH}_3$ | metilo | metilbenceno (tolueno) |
| $\text{C}_6\text{H}_5\text{–Cl}$ | cloro | clorobenceno |
| $\text{C}_6\text{H}_5\text{–NO}_2$ | nitro | nitrobenceno |
| $\text{C}_6\text{H}_5\text{–OH}$ | hidroxilo | fenol |
| $\text{C}_6\text{H}_5\text{–NH}_2$ | amino | anilina |
El tolueno es un solvente común en talleres y en thinner. Fíjate: el grupo metilo es un carbono $sp^3$ (tetraédrico) unido a un anillo de carbonos $sp^2$.
Nombra los siguientes derivados monosustituidos del benceno, según la IUPAC: a) benceno con un grupo $-\text{CH}3$; b) benceno con un átomo de $-\text{Cl}$; c) benceno…
Nombra los siguientes derivados monosustituidos del benceno, según la IUPAC: a) benceno con un grupo $-\text{CH}_3$; b) benceno con un átomo de $-\text{Cl}$; c) benceno con un grupo $-\text{NO}_2$.
Derivados disustituidos: orto, meta, para
Con dos sustituyentes sí importa dónde están. Se numera el anillo desde un sustituyente (posición 1) y se busca que el segundo tenga el número menor. Hay tres posibilidades:
| Prefijo | Numeración | Significado |
|---|---|---|
| orto (o-) | 1,2 | carbonos vecinos |
| meta (m-) | 1,3 | separados por un carbono |
| para (p-) | 1,4 | opuestos en el anillo |
Si los dos sustituyentes son distintos, se nombran en orden alfabético y el primero lleva el 1. Si son iguales, se usa «di».
En un benceno disustituido, los prefijos orto, meta y para indican la posición relativa de los dos sustituyentes. Indica a qué numeración de posiciones del anillo…
En un benceno disustituido, los prefijos orto, meta y para indican la posición relativa de los dos sustituyentes. Indica a qué numeración de posiciones del anillo corresponde cada prefijo (por ejemplo, 1,2; 1,3 o 1,4).
Nombra los siguientes compuestos y escribe su fórmula semidesarrollada o describe su estructura: a) un benceno con dos grupos $-\text{CH}3$ en posiciones 1,4; b) un…
Nombra los siguientes compuestos y escribe su fórmula semidesarrollada o describe su estructura:
- a) un benceno con dos grupos $-\text{CH}_3$ en posiciones 1,4;
- b) un benceno con un grupo $-\text{Br}$ y un grupo $-\text{NO}_2$ en posiciones 1,3;
- c) un benceno con dos átomos de $-\text{Cl}$ en posiciones 1,2.
Usa los prefijos orto, meta o para y también la numeración.
Sumak estudia el tolueno (metilbenceno) y el 1,3,5-trimetilbenceno. a) Escribe la estructura de cada uno e indica la hibridación de los carbonos del anillo y del carbono…
Sumak estudia el tolueno (metilbenceno) y el 1,3,5-trimetilbenceno.
- a) Escribe la estructura de cada uno e indica la hibridación de los carbonos del anillo y del carbono del grupo metilo en el tolueno.
- b) Nombra el isómero del dimetilbenceno en el que los dos metilos están en posición 1,3 y explica cuántos isómeros de posición tiene el dimetilbenceno en total.
- c) Argumenta por qué el benceno y sus derivados se consideran más estables de lo que se esperaría para una molécula con tres dobles enlaces, relacionando tu respuesta con el número de electrones $\pi$ deslocalizados.
Polisustituidos y propiedades físicas
Con tres o más sustituyentes se numera el anillo para que los localizadores sean los menores posibles. Un ejemplo es el 1,3,5-trimetilbenceno, con tres metilos separados por un carbono, de forma muy simétrica.
Propiedades físicas del benceno y sus derivados sencillos:
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El benceno, el tolueno y el clorobenceno son apolares o muy poco polares: no se disuelven en agua, pero sí en otros disolventes orgánicos. El fenol y la anilina tienen grupos polares ($-\text{OH}$, $-\text{NH}_2$) y se comportan distinto: son algo solubles en agua.
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Tienen fuerzas de London como principal fuerza intermolecular.
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El benceno y el tolueno son menos densos que el agua; el clorobenceno y el nitrobenceno son más densos. Muchos tienen olor característico.
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Son tóxicos e inflamables. El benceno se relaciona con daños a la salud por inhalación; por eso se usa con precaución.
Vuelve al principio: el solvente del taller huele fuerte por sus aromáticos. Y el benceno, aunque «parece» tener tres dobles enlaces, no reacciona como un alqueno: sus seis electrones $\pi$ están deslocalizados en el anillo, lo que lo hace muy estable y lo lleva a sustituir hidrógenos en lugar de adicionar.