Laboratorio de Química Orgánica II

PROPIEDADES HIDROCARBURO AROMATICO Galán Bertel Johanna, Salcedo Figueroa Katlen y Lenes Gonzalez Hans.

Universidad del AtlánticoDepartamento de Ciencias Básica

Coordinación de Química

RESUMENSe Estudiaron las diferentes reacciones que llevan a cabo algunos compuestos aromáticos (benceno, tolueno, fenol, naftaleno) para poder determinar ciertas propiedades tanto físicas como químicas de los mismos como lo es la solubilidad. Además en ausencia de grupos sustituyentes polares, las fuerzas intermoleculares son débiles y limitadas a las atracciones de Van Der Waals del tipo dipolo inducido-dipolo inducido; se presenta un estudio sobre la influencia del anillo bencénico por parte de los sustituyentes en dichas propiedades y por ende de las reacciones.

Palabras claves: aromáticos, propiedades físicas, propiedades químicas, anillo bencénico.

INTRODUCCIÓN

En la mayoría de las reacciones de los anillos aromáticos son de sustitución electrofílica. En todas ellas se rompe heterolíticamente una unión carbono hidrogeno del anillo aromático y se forma una unión carbono-reactivo electrofílico.Las reacciones más importantes del benceno y de los hidrocarburos aromáticos son: la nitración, la sulforación, la halogenación, la alquilación, y la acilación de fridel-crafts. Estas reacciones y el análisis del comportamiento de orientación y de velocidad de reacción, de un anillo aromático sustituido, está en función de la inducción y la resonancia del grupo sustituyente, elementos fundamentales para la profundización de la práctica.

MARCO TEÓRICO

Hidrocarburos aromáticos

Son compuestos cíclicos muy insaturados, que muestran características del benceno, o sea que lo tengan o no en tu estructura. El benceno se encuentra en tres tipos de hidrocarburos aromáticos:

Compuestos formados por un solo núcleo de benceno como el tolueno y los hidrocarburos que contienen un núcleo bencénico, al cual se hallan unidos radicales alifáticos.

Compuestos con más de un núcleo de benceno, los cuales se encuentran formando anillos condensados.

Compuestos con más de un núcleo de benceno, en los cuales los diferentes núcleos no comparten átomos de carbono.

Teoría de resonancia.

Considera que la estructura verdadera del benceno es una forma intermedia entre las dos formas propuestas por Kekulé. Esto es a lo que se llama híbrido de resonancia, el cual es el más estable que cualquiera de los dos anteriores. Las estructuras en resonancia suponen deslocalización de electrones pi y a esto se debe que el benceno tenga un solo tipo de enlace en el anillo.

Teoría de orbitales moleculares.

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Afirma que el benceno es una molecular con carbonos e hidrógenos en el mismo plano además es simétrica, los carbonos se ubican en los vértices de un hexágono regular, donde cada ángulo de enlace 120 grados; esto sugiere que los átomos poseen hibridación sp2 para los enlaces sigma. En cada uno de los carbonos hibridados queda un electrón que ocupa un orbital p puro perpendicular al plano formado enlace entre los carbonos; estos seis orbitales p se solapan para dar tres orbitales pi.

Aromaticidad

Una sustancia es aromática cuando contiene un número de electrones pi igual a 4n+2, donde n es el número entero.

Efecto sustituyente

Los grupos presentes en el anillo del benceno pueden afectar tanto la velocidad de reacción como el punto donde se produce la sustitución o sea la orientación, los grupos sustituyentes se dividen en 2:

a. Grupos activadores. Que hacen que el anillo aromático sea más reactivo, los grupos tienden a producir una sustitución electrofílica principalmente en las posiciones. ORTO y PARA.

b. Los grupos inhibidores retardan la velocidad de incorporación de un segundo sustituyente. Tienden a dirigir el electrofílico hacia la sustitución META. La reactividad en una sustitución electrofílica aromática depende de la tendencia del sustituyente de rechazar o extraer los electrones, un grupo que libera electrones activa el anillo uno que los atrae lo desactiva.

OBJETIVOS

Objetivo general

Estudiar las propiedades físicas y químicas del benceno y de algunos compuestos aromáticos.

Objetivo especifico

Conocer las características y utilidad de los compuestos aromáticos.

METODOLOGÍA

SolubilidadSe colocaron en unos tubos de ensayo 1 ml de diclorometano, éter de petróleo, ácido sulfúrico concentrado y solución de hidróxido de sodio. A cada uno se le añadió benceno.Repita con naftaleno y fenol.

Ensayo con agua de bromoSe colocó un mililitro de Hidrocarburo Benceno y se adicionó 5 gotas de agua de bromo, se repitió el mismo ensayo con fenol y nitrobenceno.

Reacción de BaeyerSe depositaron en tres tubos de ensayo 1 ml de tolueno, tolueno y naftaleno; ambos disueltos en diclorometano, respectivamente, posteriormente se agregó a cada muestra 2 gotas de permanganato de potasio (KMnO4).

Reacción con H 2 SO4 concentradoSe depositó en uno tubo de ensayo 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado en 5 gotas de benceno.

Prueba del NaOH al 10%Se adicionó 5 gotas de tolueno y 5 gotas de NaOH en un tubo de ensayo.

Reacción de grupos activantes y desactivantes del anillo aromático.Se colocó en uno tubo de ensayo 5 gotas de fenol en 5 de CCl4, luego se le añadió tres gotas de agua de bromo y unas limaduras de Fe. Se repitió el mismo procedimiento con benceno y clorobenceno.

RESULTADOS

Solubilidad

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En Agua: El benceno, fenol y el naftaleno son insolubles en agua, al mezclar estas sustancias se producen inmediatamente dos fases. A medida que las polaridades sean semejantes la solubilidad aumenta, y analizando la situación desde este ámbito, el agua es una sustancia polar, mientras que los compuestos aromáticos utilizados tiene polaridades casi nula; el benceno por ser totalmente asimétrico tiene polaridad cero. No hay, por otra parte, funciones químicas afines, por lo que si el agua es algo soluble en alguno de los tres, como lo es, se debe solamente a su pequeño tamaño. Por otro lado El fenol también es poco soluble en agua ya que aunque presentan el puente de hidrógeno, la proporción de carbonos con respecto a la cantidad de –OH es muy baja.

Solubilidad en éter: las sustancias no polares y ligeramente polares se disuelven en éter. El que un compuesto polar sea o no soluble en éter, depende de la influencia de los grupos polares con respecto a la de los grupos no polares presentes.

Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado: Este ácido es un donador de protones muy efectivo, y es capaz de protonar hasta la base más débil. Los hidrocarburos aromáticos que son fácilmente sulfonados, tales como los isómeros meta di sustituidos, los trialcohil-sustituidos y los que tienen tres o más anillos aromáticos. Un compuesto que reaccione con el ácido sulfúrico concentrado, el producto de la reacción fue insoluble.

Solubilidad en hidróxido de sodio: Los compuestos que son insolubles en agua, pero que son capaces de donar un protón a una base diluida, pueden formar productos solubles en solución básica. Así se considera como ácido los

siguientes compuestos: aquellos en que el protón es removido de un grupo hidroxilo.

Ensayo con Agua de Bromo

Benceno + agua de bromo:

El benceno no reacciona con bromo para formar un producto dibromado. Para que el benceno reaccione con el bromo el proceso se debe efectuar en presencia de un ácido de Lewis, como el tribromuro de hierro (FeBr3), y el producto de la reacción es un producto que sigue el mecanismo general de Sustitución Electrofílica Aromática. Como el bromo no es suficientemente electrofílico para ser atacado por el benceno la reacción se lleva a cabo en presencia de cantidades catalíticas de FeBr3.

Fenol + agua de bromo:

La bromación electrófila en los fenoles es una halogenación que ocurre rápidamente ya que el grupo hidroxilo activa al anillo hasta el punto que esta reacción ocurre sin necesidad de un catalizador. La reacción es positiva si se forma un precipitado de color blanco correspondiente al 2,4,6- Tribromofenol.

Figura 1. Mecanismo bromación electrofílica.

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Reacción de Baeyer

Tolueno + KMnO4 : Un anillo aromático imparte estabilidad adicional al átomo de 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 derivados del ácido benzoico.

Figura 2. Tolueno + permanganato.

Reacción con H 2 SO4 concentrado

El benceno reacciona lentamente con el ácido sulfúrico a temperaturas elevadas. El producto de la reacción es el ácido bencenosulfónico:

Figura 3.sulfunación del benceno.

Este mecanismo se conoce como sulfunación e implica la formación del trióxido de azufre (SO3) a partir del ácido sulfúrico. El trióxido de azufre es un electrófilo relativamente fuerte porque el átomo de azufre necesita más electrones y ataca al anillo bencénico de la forma acostumbrada.

Reacción de grupos activantes y desactivantes del anillo aromático

Al mezclar las dos soluciones, se dieron dos capas, el cual estaba en forma de precipitado el agua de bromo en tetracloruro de carbono, luego al añadir las limaduras de hierro se

descoloro la solución. Esta observación se puede explicar con tipo de reacción conocida como bromación que sigue el mecanismo general de la sustitución aromática electrofílica pero como el bromo no es suficientemente electrofílico para reaccionar con el benceno, se necesita un ácido de Lewis fuerte, como el FeBr3. El primer paso del mecanismo es la formación de un electrófilo más fuerte. El catalizador reacciona con el Br2 para formar un electrófilo fuerte. El ataque del benceno en el electrófilo y la pérdida de protones da bromobenceno como producto mayoritario.

Figura 4. Mecanismo bromación del benceno

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En el caso del clorobenceno, el grupo sustituyente cloro, desactiva el anillo pero es orto y para director

ya que el cloro es muy electronegativo y sustrae densidad electrónica del anillo (efecto inductivo negativo) desactivándolo Pero es

a su vez el color tiene electrones no enlazantes que permiten donar densidad electrónica a través del

enlace π por resonancia. La formación del complejo sigma

con el Fe y el Br2 se sustituyen en posiciones orto y para debido a que la carga positiva del complejo se estabiliza por el ion cloruro por resonancia generando una mezcla de productos orto y para clorobromobenceno Esta reacción fue la más lenta y se sometió a calentamiento debido a la presencia de cloro como sustituyente desactivante.

Figura 5. Ataque en la posición orto y para en la Bromación del clorobenceno.

CONCLUSIONES

La aromaticidad tiene un alto grado de instauración y llevan a cabo principalmente reacciones de sustitución.

La oxidación con permanganato de potasio es posible cuando el anillo aromático tiene sustituyentes alquílicos; el benceno por su gran estabilidad es resistente a la oxidación.

Los compuestos aromáticos son insolubles en agua debido a la incompatibilidad de sus polaridades; si se tiene sustituyentes halógenos, estos atraen densidad electrónica, provocando un déficit en el carbono al que se encuentran unidos,

esto permitiría un ataque del agua; por lo que el clorobenceno es el más soluble en comparación con el benceno, naftaleno y tolueno.

ANEXOS

1. Haga un resumen comparativo de todas las reacciones realizadas en la práctica.

Poseen una gran estabilidad debido a las múltiples formas resonantes que presenta.

Son insolubles en agua.

Muy solubles en disolventes no polares como el éter.

Es un líquido menos denso que el agua.

Sus puntos de ebullición aumentan, conforme se incrementa su peso molecular.

Los puntos de fusión no dependen únicamente del peso molecular sino también de la estructura.

Los hidrocarburos aromáticos son por regla general bastante inertes a la sustitución electrofílica y a la hidrogenación, reacciones que deben llevarse a cabo con ayuda de catalizadores.

2. ¿Qué tipo de sustancias orgánicas, diferentes a compuestos insaturados, decoloran la solución acuosa de KMnO4? ¿Se disolverán en ácido sulfúrico concentrado y frío?

Las sustancias que decoloran la solución de permanganato aparte de los compuestos no saturados son, por ejemplo, alcoholes y carbonílicos. En medio del ácido sulfúrico concentrado reaccionan al calentarse y al enfriarse reacciona más lento.

3. Explique el mecanismo de reacción y bromación del tolueno.

La bromación no es un caso particular; la nitración y la sulfonación dan los mismos resultados cualitativos, sustitución principalmente en las posiciones orto y para, en la molécula del benceno.

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Sólo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a un catión hexadienilo en el que una estructura resonante tenga la carga positiva adyacente al sustituyente alquilo, dejando un carbocatión terciario, en cambio en meta ninguna de las formas resonantes deja un carbocatión terciario, por tal motivo predominan los productos orto y para dado que el intermedio es más estable, a su vez el mayoritario es el para por efectos estéricos. Seguidamente se efectúa la explicación mecanística para el caso del bromo:

4. En la reacción #6, ¿Con cuál compuesto ocurre más rápido la reacción y por qué?

Teoría de la reactividad de los aromáticos:

La reacción del nitrobenceno es más lenta que la del fenol porque, el alcohol es más reactivo que el nitrobenceno y que el clorobenceno.

La determinación de la reactividad relativa:

Un grupo se clasifica activante, si el anillo al que sustituye es más reactivo que el benceno, y desactivante, si ocurre lo contrario. Las reactividades del benceno y de uno sustituido y se comparan.

Midiendo el tiempo que necesitan las reacciones bajo condiciones idénticas. Por ejemplo, el tolueno reacciona con ácido sulfúrico fumante entre un décimo y un vigésimo de tiempo requerido por el benceno: el tolueno es más reactivo que el benceno, por lo que el –CH3 es

un grupo activante. Siendo, sin embargo, el nitrobenceno menos reactivo que el benceno, por lo que el grupo nitro –NO2, es desactivante.

Para comparar la velocidad de sustitución en el benceno, tolueno y nitrobenceno confrontaremos las estructuras de los carbocationes que genera cada uno de los tres compuestos:

El grupo metilo tiende a neutralizar la carga positiva, liberando electrones y haciéndose, por tanto, más positivo a sí mismo. Esta dispersión de la carga estabiliza al carbocatión. El efecto inductivo estabiliza de la misma forma la carga positiva que se desarrolla en el estado de transición, y la reacción se acelera.

Si en lugar de un grupo metilo fuese un grupo nitro –NO2, éste ejerce un efecto inductivo de atracción de electrones: esto tiende a intensificar la carga positiva, desestabiliza al carbocatión y hace que la reacción sea más lenta.

En consecuencia la reactividad en la sustitución aromática electrofílica depende de la tendencia de un grupo sustituyente a la liberación o atracción de electrones. Un grupo que libera electrones, activa el anillo; uno que los atrae, lo desactiva.

Otros grupos alquilo liberan electrones igual que el -CH3 ,y como éste, activan el anillo.Todos los sustituyentes activantes orientan a orto y para. Casi todos los sustituyentesdesactivantes orientan a meta.

BIBLIOGRAFÍA

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FOX M.A., WHITESELL J. K. segunda edición. Química orgánica. Pearson educación S.A. Madrid. Capítulo 7.

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