Hidrocarburos aromaticos

Introducción.

Los químicos han considerado útil dividir todos los compuestos orgánicos en dos grandes grupos: compuestos aromáticos y compuestos alifáticos. Los significados originales de las palabras alifático (graso) y aromático (fragante) han dejado de tener sentido.
Los compuestos aromáticos son el benceno y los compuestos de comportamiento químico similar. Las propiedades aromáticas son las que distinguen al benceno de los hidrocarburos alifáticos. La molécula bencénica es un anillo de un tipo muy especial. Hay ciertos compuestos, también anulares, que parecen diferir estructuralmente del benceno y sin embargo se comportan de manera similar. Resulta que estos compuestos se parecen estructuralmente al benceno, en su estructura electrónica básica, por lo que también son aromáticos.
Los hidrocarburos alifáticos -alcanos, alquenos y alquinos y sus análogos cíclicos- reaccionan principalmente por adición y sustitución por radicales libres: la primera ocurre en los enlaces múltiples; la segunda, en otros puntos de la cadena alifática. Vimos que estas mismas reacciones suceden en las partes hidrocarbonadas de otros compuestos alifáticos. La reactividad de estas partes se afectada por la presencia de otros grupos funcionales, y la reactividad de estos últimos, por la presencia de la parte hidrocarburos.
En cambio, veremos que los hidrocarburos aromáticos se caracterizan por su tendencia a sustitución heterolítica. Además, estas mismas reacciones de sustitución son características de anillos aromáticos dondequiera que aparezcan, independientemente de los otros grupos funcionales que la molécula pudiera contener. Estos últimos afectan a la reactividad de los anillos aromáticos, y viceversa.

Características de los compuestos aromáticos.

Benceno

Propiedades físicas. El benceno es un líquido incoloro, móvil con olor dulce a esencias.
Es soluble en éter, nafta y acetona. También se disuelve en alcohol y en la mayoría de los solventes orgánicos.
Disuelve al iodo y las grasas.
Su densidad es de 0,89 gramos sobre centímetros cúbicos.
Punto fusión: 5,5 °C.
Punto ebullición: 80°C.
Fórmula: C₆H₆.
Peso molecular: 78 gramos.

ENSAYOS EN EL LABORATORIO.

Obtención de benceno.

En una capsula de porcelana se realiza una solución de 15 gramos de hidróxido de sodio en 15 ml de agua.
Luego se agrega cuidadosamente, y agitando, 20 gramos de ácido benzoico. Se debe formar una pasta espesa. Se evapora el agua agitando continuamente y se pasa finalmente el producto obtenido a un mortero, donde se pulveriza rápidamente debido al carácter higroscópico de exceso de hidróxido de sodio presente.
El producto obtenido se pasa a un matráz de destilación que tenga adaptado un refrigerante para destilar. Se calienta el balón cuidadosamente con llama directa, pasándola por debajo del mismo. Se destila de manera tal que primero destile el agua y luego el benceno. Se agrega cloruro de calcio para eliminar el agua y luego se destila nuevamente.

Combustión.

Técnica: Se colocan en una cápsula de porcelana 1 a 2 ml de benceno y se le acerca una llama y se observa como procede la combustión.
Observación.

• Es incompleta;
• Abundante residuo carbonoso;
• Se desprende materia en suspensión;
• Arde fácil y activamente.

En resumen el benceno arde fácilmente con llama amarillenta y fuliginosa (que humea), debido a la gran masa de carbono que queda sin quemar.
La ecuación que representa la combustión incompleta es:

C₆H₆ + O₂ CO₂ + CO + H₂O + C

Si en cambio, la reacción sería completa, se reemplazaría la ecuación anterior por:

C₆H₆ + O₂ CO₂ + H₂O

Comportamiento frente a los agentes oxidantes.

Ensayo con permanganato (test de Baeyer).
Técnica. A un tubo de ensayos que contiene 1-2 ml de benceno se le agregan 2 a 3 gotas de permanganato, en medio básico y en frío. Se observa la reacción.
Observación. El ensayo es negativo. El permanganato no reacciona como en el caso de los alquenos, debido a que las dobles ligaduras se encuentran deslocalizadas -como si no pertenecieran a ningún carbono-.
Ensayo con agua de bromo en tetracloruro de carbono.
Técnica. A un tubo de ensayo que contiene de 1-2 ml de benceno se le agregan dos o tres gotas de agua de bromo en tetracloruro de carbono. Se observa la reacción.
Observación. El ensayo es en este caso también negativo. No se observa decoloración del agua de bromo. El núcleo es muy estable y no reacciona con el bromo, que es un electrófilo débil.
-con el agregado de limaduras de hierro. En este caso las limaduras de hierro catalizan la reacción, y ésta ocurre.
El hierro reacciona con el bromo para formar FeBr₃, que es el realmente cataliza la reacción. Éste, reacciona con el bromo para formar una molécula complejada de estructura FeBr₄^------ Br⁺, el que ataca al anillo como si fuera un ión bromonio.

FeBr₃ + Br₂ FeBr₄^- ----- Br⁺

La molécula de bromo complejada ataca al sistema de electrones pi del anillo de benceno, que actúa como nucleófilo, en un paso lento determinante de la velocidad -en la cinética total-, para formar un carbocatión no aromático intermediario. Éste, que es doblemente alílico, puede representarse en tres estructuras resonantes.
Si bien, el carbocatión es estable comparado con otros conocidos, es mucho menos estable que el benceno del que se partió. La reacción tiene una alta energía de activación, y es relativamente lenta.
En sí, una reacción de sustitución aromática electrofílica se basa en reemplazar un hidrógeno por otro grupo (en este caso un bromo).

Obtención de Nitrobenceno.

Técnica. Se realiza la mezcla nitrante agregando 10 ml de ácido sulfúrico concentrado a 10 ml de ácido nítrico concentrado, contenido en un matráz de 500 ml..
Se miden en una probeta 27,5 ml de benceno y se agregan 2 ó 3 mililitros del mismo a la mezcla nitrante. Se controla la temperatura de la reacción para evitar que esta supere los 50° C a 60 °C; en caso de que se supere esta temperatura se podrá enfriar la mezcla de reacción sumergiéndola en un baño de agua fría. Si en cambio, la temperatura bajo de los 50°C, se deberá calentar el recipiente para elevarla. Se repite la operación, agregando una nueva alícuota de benceno, y así hasta agotarlo totalmente. Se agita bien la mezcla durante diez minutos aproximadamente y luego se pasa a una ampolla de decantación para poder separar la fase ácido del nitrobenceno. Una vez separada la fase ácida se lava dos veces con agua y se la separa nuevamente.
Mientras se prepara el aparato para destilar el benceno, se le agregan al matrás unos trocitos de cloruro de calcio (durante 15 minutos aproximadamente). Luego se destila en refrigerante al aire, recogiendo el destilado que pasó durante el rango de temperaturas de 200°C-215°C. NO se debe llevar a sequedad pues se destilaría el posible m-dinitrobenceno producido; a demás se corre el riesgo de que este último evolucione violentamente a temperaturas elevadas.

PREPARACION DE NITRO-DERIVADOS AROMATICOS.

Obtención de p-nitrobromobenceno. Técnica. En un tubo de ensayos se prepara la mezcla nitrante mezclando 5 ml de ácido sulfúrico concentrado con 5 ml de ácido nítrico concentrado, y a continuación se le añade 1 ml de bromobenceno. Al agitar el tubo de ensayos, se produce una reacción exotérmica tal que no es necesario aplicar calor con un mechero o baño de vapor. Al poco tiempo el tubo comienza a enfriarse y luego aparece algo de p-nitrobromobenceno, primero en la superficie del tubo y posteriormente en toda la mezcla de reacción.
El contenido del tubo se vierte en 75-100 ml de agua y los cristales se recogen por filtración en un embudo HIRSCH pequeño y se recristaliza en alcohol caliente. El producto recristalizado se seca en un trozo de plato poroso y se determina el punto de fusión.
Preparación del m-dinitrobenceno. Técnica. Se prepara la mezcla nitrante mezclando 5 ml de ácido sulfúrico concentrado con 5 ml de ácido nítrico concentrado. Luego se añade 1-2 ml de nitrobenceno y se calienta la mezcla hasta cercanía del punto de ebullición durante 2 a 3 minutos. Luego se deja enfriar y se vuelca en 100 ml de agua con un trocito de hielo.
Finalmente, se filtra y se recristaliza en alcohol caliente; se toma el punto de fusión.

PREPARACION DE ACIDO BENCENSULFONICO

Técnica. Colocar 300g de ácido sulfúrico fumante en un matráz de medio litro, enfriar con agua y dejar caer lentamente 90 ml de benceno desde una ampolla de decantación, agitando en forma continua y circularmente durante 15 minutos aproximadamente. Una vez disuelto éste, se vierte el contenido del matráz en cuatro veces su volumen de una solución saturada de sal común mantenida en hielo. Se la deja reposar durante algunas horas y se filtra la sal sódica del ácido formado. Pulverizar y secar al aire y luego con estufa a 110°C. Calcular el rendimiento.