Estudio de compuestos aromáticos - Alma Leticia Hernandez Martinez

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Presentación
El benceno es un compuesto orgánico que consiste en uno de los hidrocarburos aromáticos
más simples de todos. Su fórmula química es C6H6, de la cual se sabe que la relación entre
carbono e hidrógeno es igual a 1; es decir, que por cada carbono hay un hidrógeno enlazado a
este.Su descubrimiento se remonta a 1825, adjudicado normalmente a Michael Faraday,
cuando recolectó e hizo experimentos con un aceite remanente producto del gas utilizado
para la iluminación.
A Friedrich August Kekulé se le adjudica la estructura hexagonal y cíclica del benceno
alrededor del año 1865 creía que el benceno podía considerarse como un anillo hexagonal, y
otros químicos plantearon posibles estructuras
(La quinta estructura es la se ocupa y fue propuesta por Johannes Thiele.)
Derivados
Los hidrógenos del benceno pueden ser sustituidos por otros grupos o átomos. Puede haber
una o más sustituciones, aumentando el grado de sustitución hasta que de los seis hidrógenos
originales no quede ninguno.
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Si este H se sustituye por un OH, se tendrá el Ph-OH, fenol; sustituyéndose por un CH3,
Ph-CH3, tolueno; si se trata del NH2, Ph-NH2, anilina; o si es el CH2CH3, Ph-CH2CH3,
etilbenceno.
Los derivados pueden ser iguales o más tóxicos que el benceno, o por el contrario tornarse
tan complejos que lleguen a ejercer un efecto farmacológico deseable.
Nomenclatura
La nomenclatura de los derivados del benceno varía dependiendo del grado de sustitución, de
cuáles son los grupos sustituyentes, y de sus posiciones relativas. Así, el benceno puede sufrir
mono, di, tri, tetra, etc., sustituciones. Cuando los dos grupos están enlazados a carbonos
adyacentes, se utiliza la denominación ‘orto’; si hay un carbono de por medio separándolos,
‘meta’; y si los carbonos están en posiciones opuestas, ‘para’.
Reacciones de las cadenas laterales de derivados del benceno
El permanganato y el dicromato de potasio en caliente oxidan alquilbencenos a ácidos
benzoicos. Esta reacción sólo es posible si en la posición bencílica existe al menos un
hidrógeno. No importa la longitud de las cadenas o si son ramificadas todas rompen por la
posición bencílica generando el grupo carboxílico.
Oxidación con permanganato
Bajo condiciones moderadas, el permanganato de potasio oxida los alquenos a dioles. Con los
alquinos lleva a cabo una reacción semejante, formándose una dicetona.
Halogenación de cadenas laterales
El catalizador interacciona con uno de los átomos de Br polarizando el enlace de manera que
el otro bromo adquiere la suficiente polaridad positiva como para ser atacado por el benceno.
La segunda etapa de la reacción consiste en la recuperación de la aromaticidad del anillo por
pérdida de un protón.
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INDICE
Presentación..............................................................................................................................2
Introducción..............................................................................................................................5
Estructura y propiedades de del benceno.............................................................................. 6
Nomenclatura de derivados del benceno................................................................................6
Usos del benceno y sus derivados............................................................................................8
Benceno..............................................................................................................................8
Reacciones del benceno..........................................................................................................10
Mecanismos de reacción de las reacciones de las cadenas laterales de derivados del
benceno....................................................................................................................................12
Reglas de Hückel............................................................................................................ 12
Oxidación laterales:........................................................................................................13
Halogenaciones laterales:...............................................................................................13
Reacciones SN1:..............................................................................................................14
Reacciones SN2:..............................................................................................................14
Mecanismos de la oxidación con permanganato................................................................. 15
Halogenación de cadenas laterales........................................................................................15
Mecanismo de la Halogenación....................................................................................16
Ecuaciones químicas del mecanismo.................................................................................... 16
Ejemplos del mecanismo de reacción................................................................................... 17
Conclusiones............................................................................................................................19
Referencias bibiograficas.......................................................................................................23
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Introducción
En este proyecto hablaremos sobre el estudio de compuestos aromáticos y nos enfocaremos
en específicamente en reacciones de las cadenas laterales de derivados del benceno
Para poder desarrollar el tema se realizo una previa invetigación sobre compuestos
aromáticos los cuales se dividen en estructura y propiedades, nomenclatura de derivados del
benceno, y reacciones del benceno; para empezar encontraremos primero que la
palabra aromático se usó para describir sustancias fragantes como el benzaldehído (de cerezas,
durazno y almendras), el tolueno (del bálsamo de tolú) y el benceno (del destilado del carbón).
Sin embargo, pronto se comprendió que las sustancias agrupadas como aromáticas se
comportaban de manera químicamente distinta de como lo hace la mayoría de los otros
compuestos orgánicos. Pero en el siglo XVII, Kekulé propuso una estructura para el
hidrocarburo más representativo de los aromáticos: el benceno C6H6. Todos los compuestos
aromáticos se derivan del benceno gracias a que existe una gran estabilidad química asociada
a la estructura del benceno y en general a todos los compuestos aromáticos.
Reacciones de las cadenas laterales de derivados del benceno. Se divide en dos que serian
oxidación con permanganato (Es útil para preparar derivados del ácido benzoico) y
halogenación de cadenas laterales (Los alquibencenos participan en estas reacciones por
radicales libres, donde la sustracción de un átomo de hidrógeno de la bencilica genera un
radical estabilizado por resonancia).
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Estructura y propiedades de del benceno
Líquido incoloro de olor característico y sabor a quemado, de fórmula C6H6. La molécula de
benceno consiste en un anillo cerrado de seis átomos de carbono unidos por enlaces químicos
que resuenan entre uniones simples y dobles. Cada átomo de carbono está a su vez unido a un
átomo de hidrógeno. El benceno (C6H6) fue descubierto por el científico inglés Michael
Faraday en 1825 aislándolo del gas de alumbrado. Pero hasta 1842 en que se descubrió la
existencia del benceno en el alquitrán de hulla El benceno puro arde con una llama humeante
debido a su alto contenido de carbono. Mezclado con grandes proporciones de gasolina
constituye un combustible aceptable.
Nomenclatura de derivados del benceno
Regla 1. En bencenos monosustituidos, se nombra primero el radical y se termina en la
palabra benceno.
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Regla 2. En bencenos disustituidos se indica la posición de los radicales mediante los
prefijos orto- (o-), meta (m-) y para (p-). También pueden emplearse los localizadores 1,2-,
1,3- y 1,4-.
Regla 3. En bencenos con másde dos sustituyentes, se numera el anillo de modo que los
sustituyentes tomen los menores localizadores. Si varias numeraciones dan los mismos
localizadores se da preferencia al orden alfabético.
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Usos del benceno y sus derivados
Benceno
Descripción: El Benceno es un líquido claro, volátil, incoloro, muy inflamable, con olor
característico.
El grado comercial más común contiene entre 50 y 100%de Benceno.
Usos.
El Benceno se utiliza como constituyente de combustibles para motores, disolventes de
grasas, aceites, pinturas y nueces en el grabado fotográfico de impresiones. También se
utiliza como intermediario químico.
El Benceno también se usa en la manufactura de detergentes, explosivos, productos
farmacéuticos y tinturas.
Una lista parcial de ocupaciones con riesgo de exposiciones incluye:
 Bruñidores.
 Fabricantes de ácido carbólico.
 Fabricantes de ácido maleico.
 Fabricantes de adhesivos.
 Fabricantes de baterías secas.
 Fabricantes de caucho.
 Fabricantes de colorantes.
 Fabricantes de detergentes.
 Fabricantes de estireno.
 Fabricantes de hexacloruro de benceno.
 Fabricantes de linóleo.
 Fabricantes de masilla.
 Fabricantes de nitrobenceno.
 Fabricantes de pegamentos.
 Impregnadores de productos de asbestos.
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 Químicos.
 Soldadores.
 Terminadores de muebles.
 Trabajadores con clorobenceno.
 trabajadores de la industria petroquímica
Riesgos.
Vías de entrada: Inhalación de vapor que puede estar complementada con absorción cutánea,
si bien el benceno no es absorbible a través de la piel sana.
Efectos nocivos:
Locales. La exposición al líquido y al vapor puede producir irritación primaria de los ojos, la
piel y las vías respiratorias superiores. Si el líquido llega a los pulmones puede provocar
edema pulmonar y hemorragia. Como consecuencia de la remoción de grasa de la piel se
puede producir etirema, vesiculación y dermatitis seca, escarificada.
Sistemáticos. La exposición aguda al benceno produce depresión del sistema nervioso central.
También pueden producirse cefalea, mareos, náuseas, vómitos, convulsiones, coma y muerte.
Se ha comprobado que la exposición crónica al benceno causa trastornos en la sangre. El
benceno es un agente mielotóxico
Precaución.
Límites de exposición permisibles: Es 1 ppm para un promedio ponderado en un tiempo de 8
horas, con un pico de 5 ppm por encima del máximo aceptable para una duración máxima de
15 minutos.
Medidas de protección personal: Debe usarse siempre vestimenta de protección. La ropa
mojada con benceno debe desecharse de inmediato. En áreas en las cuales la exposición es
constante se debe usar ropa y guantes impermeables para cubrir las zonas expuestas del
cuerpo. En áreas donde pueden producirse salpicaduras debe usarse máscara o anteojos de
protección. En las zonas donde hay elevadas concentraciones de vapor se requiere el uso de
máscaras con filtro para vapor orgánico o “línea de aire”, o bien aparatos de respiración.
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Reacciones del benceno.
a) Oxidación de cadenas con permanganato y dicromato.
El permanganato y el dicromato de potasio en caliente oxidan alquilbencenos a ácidos
benzoicos. Esta reacción sólo es posible si en la posición bencílica existe al menos un
hidrógeno. No importa la longitud de las cadenas o si son ramificadas todas rompen por la
posición bencílica generando el grupo carboxílico.
Ilustración 1 Ejemplos de oxidación de aromáticos.
Aparte del KMnO4, el ácido crómico caliente, también se puede utilizar para esta oxidación.
Un anillo aromático proporciona estabilidad adicional a los átomos de carbono más próximos
de sus cadenas laterales (posiciones bencílicas). Así, el anillo aromático y un átomo de
carbono de la cadena lateral pueden permanecer después de una oxidación enérgica con
permanganato de potasio. El producto es una sal del ácido benzoico.
Sin hidrógenos en la posición bencílica no se produce la ruptura:
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b) Halogenación de las cadenas laterales.
Los alquilbencenos experimentan halogenaciones radicalarias mucho más fácilmente que los
alcanos, debido a que la abstracción de un átomo de hidrógeno en posición bencílica da lugar
a un radical bencílico estabilizado por resonancia.
El benceno reacciona con halógenos en presencia de ácidos de Lewis, sustituyendo uno de
sus hidrógenos por el halógeno.
La halogenación de compuestos aromáticos se diferencia de la halogenación de alquenos, que
no requieren de un ácido de Lewis como catalizador. T La formación del ion arenio da como
resultado una pérdida temporal de la aromaticidad, que tiene una mayor energía de activación
en comparación con la formación de carbocatión en alquenos. En otras palabras, los alquenos
son más reactivos y no necesitan tener debilitado el enlace Br-Br o Cl-Cl.
Algunos tipos de compuestos aromáticos, tales como fenol, van a reaccionar sin un
catalizador, pero para los derivados del benceno típicos frente a sustratos menos reactivos, es
necesario un ácido de Lewis como catalizador. Entre los ácidos Lewis que actúan como
catalizadores habituales tenemos al AlCl3, FeCl3, FeBr3 y ZnCl2. Estos actúan formando un
gran complejo electrofílico que ataca al anillo de benceno.
c) Resumen de reactividad.
Las reacciones más características del benceno son las de sustitución electrofílica. También
son de destacar las reacciones de la cadena lateral de los compuestos aromáticos.
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Mecanismos de reacción de las reacciones de las cadenas laterales de derivados del
benceno.
El benceno es un sistema cíclico de 6 electrones π deslocalizados. Está formado por 6
carbonos con hibridación sp2 cuyos orbitales p solapan formando una nube que permite la
deslocalización de los electrones p y confiere al benceno una gran estabilidad.
Reglas de Hückel
Esta energía de estabilización, llamada aromaticidad, está presente en otras moléculas que
podemos identificar siguiendo las reglas de Hückel:
 Regla 1.- Un sistema aromático debe ser cíclico y plano (sin carbonos sp3 en el ciclo)
 Regla 2.- Existe conjugación cíclica de los dobles enlaces.
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 Regla 3.- El número de electrones p del sistema aromático cumple la fórmula 4n + 2,
con n = 0, 1, 2, 3 ......
Oxidación laterales:
Los alquilbencenos se oxidan a ácido benzoico al tratarlo con KMnO 4 caliente o
Na2Cr2O7/H2SO4.
Halogenaciones laterales:
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La posición BENCÍLICA es la más reactiva
La Cloración no es tan selectiva como la bromación, resultan mezclas.
El Br2 reacciona sólo en posición BENCÍLICA
Reacciones SN1:
Carbocationes bencílicos están estabilizados por resonancia, y
formados fácilmente.
Los haluros de bencilo llevan a cabo reacciones SN1.
Reacciones SN2:
 Los halogenuros de bencilo son 100 veces más reactivos que los halogenuros
primarios.
 El estado de transición se estabiliza por el anillo.
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Mecanismos de la oxidación con permanganato
El permanganato y el dicromato de potasio en caliente oxidan alquilbencenos a ácidos
benzoicos. Esta reacción sólo es posible si en la posición bencílica existe al menos un
hidrógeno. No importa la longitud de las cadenas o si son ramificadas todas rompen por la
posición bencílica generando el grupo carboxílico.
Sin hidrógenos en la posición bencílica no se produce la ruptura
Halogenación de cadenas laterales
El benceno reacciona con halógenos en presencia de ácidos de Lewis, sustituyendo uno de
sus hidrógenos por el halógeno.
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Mecanismo de la Halogenación
El catalizador interacciona con uno de los átomos de Br polarizando el enlace de manera que
el otro bromo adquiere la suficiente polaridad positiva como para ser atacado por el benceno.
La segunda etapa de la reacción consiste en la recuperación de la aromaticidad del anillo por
pérdida de un protón
Etapa 1. Ataque del benceno al electrófilo (bromo). El catalizador polariza la molécula de
bromo
Etapa 2. Re aromatización del benceno
Ecuaciones químicas del mecanismo
a) Reacciones de oxidación de la cadena lateral. Un anillo aromático imparte estabilidad
adicional al átomode carbono más cercano de sus cadenas laterales. El anillo aromático y un
átomo de carbono de una cadena lateral pueden sobrevivir a una oxidación vigorosa con
permanganato para formar una sal de ácido benzoico. Esta reacción es útil para preparar
derivados de ácido benzoico si los demás grupos funcionales del anillo aromático son
resistentes a la oxidación.
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b) Reacciones de halogenación radicalaria de la cadena lateral. Los alquilbencenos
participan en reacciones de halogenaciones por radicales libres mucho más fácilmente que los
alcanos, porque la sustracción de un átomo de hidrógeno de la posición bencílica genera un
radical bencilo estabilizado por resonancia. Por ejemplo, el etilbenceno reacciona con bromo,
en ausencia de ácidos de Lewis, bajo irradiación fotoquímica para formar el
a-bromoetilbenceno.
Ejemplos del mecanismo de reacción
La formación de este compuesto se explica mediante un mecanismo radicalario. En la etapa
de iniciación el bromo molecular se escinde homolíticamente para formar dos radicales
bromo. En la etapa de propagación el radical bromo abstrae un átomo de hidrógeno de la
posición bencílica originando un radical bencílico, que está estabilizado por resonancia con el
anillo aromático. El radical bencílico reacciona con el bromo molecular para dar lugar al
a-bromoetilbenceno y a un radical bromo que inicia de nuevo el ciclo radicalario.
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Conclusiones.
Conclusión general:
El benceno (C6H6) es un líquido claro, volátil, incoloro, muy inflamable, el cual tiene un olor
característico, este fue descubierto por el científico inglés Michael Faraday en 1825
aislándolo del gas de alumbrado, del cual debemos comprender que las sustancias agrupadas
como aromáticas se comportan de manera químicamente distinta de como lo hacen la
mayoría de los otros compuestos orgánicos. Algo curioso que sucede dentro de esta molécula
fue que el permanganato y el dicromato de potasio en caliente oxidan alquilbencenos a ácidos
benzoicos, a ello lo conocimos, como oxidación de cadenas con permanganato y dicromato,
algo de lo que nos dimos cuenta fue lo que sucede con la halogenación de las cadenas
laterales. Los alquilbencenos experimentan halogenaciones radicalarias, los cuales son mucho
más fácilmente que los alcanos, esto debido a que la abstracción de un átomo de hidrógeno en
posición bencílica da lugar a un radical bencílico, el cual es estabilizado por la resonancia.
Es precindible también del Mecanismo de reacción de las reacciones de las cadenas laterales
de derivados del benceno, como nos dimos cuenta el benceno es un sistema cíclico de 6
electrones π deslocalizados. El cual está formado por 6 carbonos con hibridación sp2 cuyos
orbitales p solapan formando una nube que permite la deslocalización de los electrones p y
confiere al benceno una gran estabilidad. Es de suma importancia que como ingenieros
químicos tengamos conocimiento de los que son los estudios de compuestos aromáticos, asi
como los Mecanismo de reacción de las reacciones de las cadenas laterales de derivados del
benceno ya que estos nos ayuda a conocer a detalle las propiedades del benceno que uso le
podríamos dar en la industria, lo cual nos permite como futuros ingenieros químicos la toma
de decisiones acertadas respecto a la modificación de procesos operatorios, orientadas a
hacerlos más eficientes y a obtener un producto de mejor calidad, donde se minimicen las
reacciones colaterales en favor del rendimiento del producto deseado, además de reducir los
riegos (como la exposición al líquido y al vapor, irritación primaria en los ojos, la piel y las
vías respiratorias superiores), los costos de producción y sobre todo disminuir el impacto
ambiental que tiene la producción de productos derivados de los aromáticos a largo plazo.
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Referencias bibiograficas
 Carey, F. (2006). Arenos y Aromaticidad (6a edicion). quimica organica. (PP. 434 - 451).
México, MC GrawHill.
 Morrison, R.T. y Boyd, R.N. (1998). Química Orgánica, (5ª. Edición), México, Ed.
Addison Wesley Longman de México, S.A. de C.V.,
 Wade, L.G. (1993). Química Orgánica, (2ª. Edición). México, Ed. Prentice Hall
Hispanoamericana, S.A. de C.V.,
 Luna, J. (2014, may 30). Compuestos Aromaticos. lunarincony. Recuperado de:
https://sites.google.com/site/qoi2014ilunarincony/unidad-v/compuestos-aromaticos
 Mariano, A. (2009). Aromaticos. Nomenclatura Química. Recuperado de:
http://centros.edu.xunta.es/iesasardineira/web_CS/qo/nomenclatura/nomenorgan/hidrocar
buros/aromaticos.php
 Clausell, J. M. (s. f.). Tema 9. El benceno y derivados (Vol. 1) [Libro electrónico]. Low
Cost Books. Recuperado de: http://www.sinorg.uji.es/Docencia/QO/tema9QO.pdf