Laboratorio de Química Orgánica II PROPIEDADES HIDROCARBURO AROMATICO AROMATICO
Galán Bertel Johanna, Salcedo Figueroa Katlen y Lenes Gonale !ans" #ni$ersidad del %tlántico &e'artamento de (iencias Básica (oordinaci)n de Química RESUMEN Se Estudiaron las diferentes reacciones que llevan a cabo algunos compuestos aromáticos (benceno, tolueno, fenol, naftaleno) para poder determinar ciertas propiedades tanto tanto físicas como químicas de los mismos como lo es la solubilidad. Además en ausencia ausencia de grupos sustituyente sustituyentess polares, polares, las fuerzas fuerzas intermolecu intermoleculares lares son dbiles y limitadas a las atracciones de !an "er #aals del tipo dipolo inducido$dipolo inducido% se presenta un estudio sobre la influencia del anillo bencnico por parte de los sustituyentes en dic&as propiedades y por ende de las reacciones. Palabras claves: aromáticos, propiedades físicas, propiedades químicas, anillo bencnico.
INTRODUCCIÓN En la mayoría de las reacciones de los anillos aromáticos aromáticos son de sustituci sustituci'n 'n electrofíl electrofílica. ica. En todas ellas se rompe &eterolíticamente una uni'n carb carbon ono o &idr &idrog ogeno eno del del anil anillo lo arom aromáti ático co y se forma una uni'n carbono$reactivo electrofílico. as reacciones más importantes del benceno y de los &idrocarburos aromáticos son la nitraci'n, la sulforaci'n sulforaci'n,, la &alogenaci'n, &alogenaci'n, la alquilaci'n, alquilaci'n, y la acilaci'n de fridel$crafts. Estas reacciones y el análisis del comportamiento de orientaci'n y de veloci velocidad dad de reacci reacci'n, 'n, de un anillo anillo aromát aromático ico sustituido, está en funci'n de la inducci'n y la resonan resonancia cia del grupo grupo sustit sustituye uyente nte,, elemen elementos tos fund fundam ament ental ales es para para la prof profun undi diza zaci ci'n 'n 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 encu encuen enttra en tres tipos pos de &idr &idroc ocar arbu burros aromáticos
•
*ompuestos formados por un solo n+cleo de benceno como el tolueno y los &idrocarburos que contienen un n+cleo bencnico, al cual se &allan unidos radicales alifáticos.
•
*ompuestos con más de un n+cleo de benceno, los los cual cuales es se encue encuent ntra ran n form formand ando o anil anillo loss condensados.
•
*ompuestos con más de un n+cleo de benceno, en los cual cuales es los dif diferen erenttes n+cl n+cleo eoss no comparten átomos de carbono.
Teoría Teoría de resonancia. *ons *onsid ider eraa que que la estr estruc uctu tura ra verd verdad ader eraa del del benceno es una forma intermedia entre las dos formas propuestas por e-ul. Esto es a lo que se llama &íbrido de resonancia, el cual es el más estable que cualquiera de los dos anteriores. as estructuras en resonancia suponen deslocalizaci'n de electrones pi y a esto se debe que el benceno tenga un solo tipo de enlace en el anillo.
Teoría Teoría de orbitaes moecuares.
&*+%-%.*/-O &* (I*/(I%S B%SI(%S, (OO&I/%(IO/ &* Q#0.I(%" Objetivo especifico
Afirma que el benceno es una molecular con carbonos e &idr'genos en el mismo plano además es simtrica, los carbonos se ubican en los vrtices de un &eágono regular, donde cada ángulo de enlace /01 grados% esto sugiere que los átomos poseen &ibridaci'n sp0 para los enlaces sigma. En cada uno de los carbonos &ibridados queda un electr'n 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 2na sustancia es aromática cuando contiene un n+mero de electrones pi igual a 3n40, donde n es el n+mero entero.
E!ecto sustitu"ente os grupos presentes en el anillo del benceno pueden afectar tanto la velocidad de reacci'n como el punto donde se produce la sustituci'n o sea la orientaci'n, los grupos sustituyentes se dividen en 0 a. Grupos activadores. 5ue &acen que el anillo aromático sea más reactivo, los grupos tienden a producir una sustituci'n electrofílica principalmente en las posiciones. 6786 y 9A7A. b. Los grupos inhibidores retardan la velocidad de incorporaci'n de un segundo sustituyente. 8ienden a dirigir el electrofílico &acia la sustituci'n :E8A. a reactividad en una sustituci'n electrofílica aromática depende de la tendencia del sustituyente de rec&azar o etraer los electrones, un grupo que libera electrones activa el anillo uno que los atrae lo desactiva.
O#$ETI%OS
*onocer las características y utilidad de los compuestos aromáticos.
METODO&O'(A
Soubiidad Se colocaron en unos tubos de ensayo / ml de diclorometano, ter de petr'leo, ácido sulf+rico concentrado y soluci'n de &idr'ido de sodio. A cada uno se le a;adi' benceno. 7epita con naftaleno y fenol.
Ensa"o con a)ua de bromo Se coloc' un mililitro de gotas de agua de bromo, se repiti' el mismo ensayo con fenol y nitrobenceno. Reacción de Baeyer
Se depositaron en tres tubos de ensayo / ml de tolueno, tolueno y naftaleno% ambos disueltos en diclorometano, respectivamente, posteriormente se agreg' a cada muestra 0 gotas de permanganato de potasio ( Reacción con
Estudiar las propiedades físicas y químicas del benceno y de algunos compuestos aromáticos.
).
concentrado
Se deposit' en uno tubo de ensayo > gotas de ácido sulf+rico concentrado en > gotas de benceno. Prueba del NaOH al 10% Se adicion' > gotas de tolueno y > gotas de ?a6< en un tubo de ensayo. Reacción de grupos activantes desactivantes del anillo aro!tico"
y
Se coloc' en uno tubo de ensayo > gotas de fenol en > de
Objetivo general
H 2 SO4
KMnO 4
CCl4
, luego se le a;adi' tres
gotas de agua de bromo y unas limaduras de @e. Se repiti' el mismo procedimiento con benceno y clorobenceno.
&*+%-%.*/-O &* (I*/(I%S B%SI(%S, (OO&I/%(IO/ &* Q#0.I(%" RESU&TADOS #olubilidad $n gua: El benceno, fenol y el naftaleno son insolubles en agua, al mezclar estas sustancias se producen inmediatamente dos fases. A medida que las polaridades sean semeantes la solubilidad aumenta, y analizando la situaci'n desde este ámbito, el agua es una sustancia polar, mientras que los compuestos aromáticos utilizados tiene polaridades casi nula% el benceno por ser totalmente asimtrico tiene polaridad cero. ?o &ay, por otra parte, funciones químicas afines, por lo que si el agua es algo soluble en alguno de los tres, como lo es, se debe solamente a su peque;o tama;o. 9or otro lado El fenol tambin es poco soluble en agua ya que aunque presentan el puente de &idr'geno, la proporci'n de carbonos con respecto a la cantidad de B6< es muy baa. #olubilidad en &ter: las sustancias no polares y ligeramente polares se disuelven en ter. El que un compuesto polar sea o no soluble en ter, depende de la influencia de los grupos polares con respecto a la de los grupos no polares presentes. #olubilidad en !cido sulf'rico concentrado: Este ácido es un donador de protones muy efectivo, y es capaz de protonar &asta la base más dbil. os &idrocarburos aromáticos que son fácilmente sulfonados, tales como los is'meros meta di sustituidos, los trialco&il$sustituidos y los que tienen tres o más anillos aromáticos. 2n compuesto que reaccione con el ácido sulf+rico concentrado, el producto de la reacci'n fue insoluble. #olubilidad en (idró)ido de sodio: os compuestos que son insolubles en agua, pero que son capaces de donar un prot'n a una base
diluida, pueden formar productos solubles en soluci'n básica. Así se considera como ácido los siguientes compuestos aquellos en que el prot'n es removido de un grupo &idroilo.
$nsayo con gua de Broo Benceno * agua de broo:
El benceno no reacciona con bromo para formar un producto dibromado. 9ara que el benceno reaccione con el bromo el proceso se debe efectuar en presencia de un ácido de eCis, como el tribromuro de &ierro (@e=rD), y el producto de la reacci'n es un producto que sigue el mecanismo general de Sustituci'n Electrofílica Aromática. *omo el bromo no es suficientemente electrofílico para ser atacado por el benceno la reacci'n se lleva a cabo en presencia de cantidades catalíticas de @e=r D. +enol * agua de broo:
a bromaci'n electr'fila en los fenoles es una &alogenaci'n que ocurre rápidamente ya que el grupo &idroilo activa al anillo &asta el punto que esta reacci'n ocurre sin necesidad de un catalizador. a reacci'n es positiva si se forma un precipitado de color blanco correspondiente al 0,3,$ 8ribromofenol.
&*+%-%.*/-O &* (I*/(I%S B%SI(%S, (OO&I/%(IO/ &* Q#0.I(%" El benceno reacciona lentamente con el ácido sulf+rico a temperaturas elevadas. El producto de la reacci'n es el ácido bencenosulf'nico
*i)ura 0.su!unaci,n de benceno.
*i)ura +. Mecanismo bromaci,n eectro!íica.
Este mecanismo se conoce como sulfunaci'n e implica la formaci'n del tri'ido de azufre (S6D) a partir del ácido sulf+rico. El tri'ido de azufre es un electr'filo relativamente fuerte porque el átomo de azufre necesita más electrones y ataca al anillo bencnico de la forma acostumbrada.
Reacción de Baeyer ,olueno *
KMnO4 :
2n 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 oidaci'n vigorosa con permanganato para formar derivados del ácido benzoico.
*i)ura -. Toueno /erman)anato.
Reacción con
H 2 SO 4
concentrado
Reacción de grupos activantes desactivantes del anillo aro!tico
y
&*+%-%.*/-O &* (I*/(I%S B%SI(%S, (OO&I/%(IO/ &* Q#0.I(%"
•
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 a;adir las limaduras de &ierro se descoloro la soluci'n. Esta observaci'n se puede eplicar con tipo de reacci'n conocida como bromaci'n que sigue el mecanismo general de la sustituci'n aromática electrofílica pero como el bromo no es suficientemente electrofílico para reaccionar con el benceno, se necesita un ácido de eCis fuerte, como el @e=r D. El primer paso del mecanismo es la formaci'n de un electr'filo más fuerte. El catalizador reacciona con el
Br 2
•
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 electr'nica del anillo (efecto inductivo negativo) desactivándolo Pe r oe sas uv e ze lc o l o rt i e ne
el ec t r ones no enl az ant es que per mi t en donar de ns i da de l e c t r ó ni c aat r a v é sde le n l a c e
π
por
r es onanci a.Laf ormaci óndelcompl ej os i gmaconel r t oy p a r a Fey e lBr es u s t i t uy e ne n po s i c i o ne so 2s debi do a que l ac ar ga pos i t i va delc ompl ej os e es t abi l i za por el i on cl orur o por r es onanci a r t oy p a r a gene r ando una mez c l a de pr oduct os o c l or obromobence noEsta reacci'n fue la más lenta y se
para formar
un electr'filo fuerte. El ataque del benceno en el electr'filo y la prdida de protones da bromobenceno como producto mayoritario.
someti' a calentamiento debido a la presencia de cloro como sustituyente desactivante.
*i)ura 2. Ata3ue en a /osici,n orto " /ara en a #romaci,n de corobenceno.
CONC&USIONES
*i)ura 1. Mecanismo bromaci,n de benceno
•
a
aromaticidad
tiene
un
alto
grado
de
instauraci'n y llevan a cabo principalmente reacciones de sustituci'n. •
a oidaci'n con permanganato de potasio es posible cuando el anillo aromático tiene sustituyentes alquílicos% el benceno por su gran estabilidad es resistente a la oidaci'n.
&*+%-%.*/-O &* (I*/(I%S B%SI(%S, (OO&I/%(IO/ &* Q#0.I(%" •
os compuestos aromáticos son insolubles en agua debido a la incompatibilidad de sus polaridades% si se tiene sustituyentes &al'genos, estos atraen densidad electr'nica, provocando un dficit en el carbono al que se encuentran unidos, esto permitiría un ataque del agua% por lo que el clorobenceno es el más soluble en comparaci'n con el benceno, naftaleno y tolueno.
ANE4OS +. Ha)a un resumen com/arati5o de todas as reacciones reai6adas en a /ráctica. •
•
Poseen una gran estabilidad debido a las múltiples formas resonantes que presenta.
sustituci"n principalmente en las posiciones orto y para# en la molécula del benceno.
S"lo el ataque en las posiciones orto y para da lugar a un cati"n he(adienilo en el que una estructura resonante tenga la carga positiva adyacente al sustituyente alquilo# de&ando un carbocati"n terciario# en cambio en meta ninguna de las formas resonantes de&a un carbocati"n terciario# por tal motivo predominan los productos orto y para dado que el intermedio es m$s estable# a su ve% el mayoritario es el para por efectos estéricos. Seguidamente se efectúa la e(plicaci"n mecan!stica para el caso del bromo
Son insolubles en agua.
•
Muy solubles en disolventes no polares como el éter.
•
s un l!quido menos denso que el agua.
•
Sus puntos de ebullici"n aumentan# conforme se incrementa su peso molecular.
•
Los puntos de fusi"n no dependen únicamente del peso molecular sino también de la estructura.
•
Los hidrocarburos arom$ticos son por regla general bastante inertes a la sustituci"n electrof!lica y a la hidrogenaci"n# reacciones que deben llevarse a cabo con ayuda de catali%adores.
-. 78u9 ti/o de sustancias or)ánicas: di!erentes a com/uestos insaturados: decooran a souci,n acuosa de ;MnO1< 7Se diso5erán en ácido su!=rico concentrado " !río< Las sustancias que decoloran la soluci"n de permanganato aparte de los compuestos no saturados son# por e&emplo# alcoholes y carbon!licos. n medio del $cido sulfúrico concentrado reaccionan al calentarse y al enfriarse reacciona m$s lento.
0. E>/i3ue e mecanismo de reacci,n " bromaci,n de toueno. La bromaci"n no es un caso particular' la nitraci"n y la sulfonaci"n dan los mismos resultados cualitativos#
1. En a reacci,n ?@: 7Con cuá com/uesto ocurre más rá/ido a reacci,n " /or 3u9< *eor!a de la reactividad de los arom$ticos La reacci"n del nitrobenceno es m$s lenta que la del fenol porque# el alcohol es m$s reactivo que el nitrobenceno y que el clorobenceno. La determinaci"n de la reactividad relativa +n grupo se clasifica activante# si el anillo al que sustituye es m$s 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 ba&o condiciones idénticas. Por e&emplo# el tolueno reacciona con $cido sulfúrico fumante entre un décimo y un
&*+%-%.*/-O &* (I*/(I%S B%SI(%S, (OO&I/%(IO/ &* Q#0.I(%" vigésimo de tiempo requerido por el benceno el tolueno es m$s reactivo que el benceno# por lo que el ,-/ es un grupo activante. Siendo# sin embargo# el nitrobenceno menos reactivo que el benceno# por lo que el grupo nitro ,012# es desactivante. Para comparar la velocidad de sustituci"n en el benceno# tolueno y nitrobenceno confrontaremos las estructuras de los carbocationes que genera cada uno de los tres compuestos l grupo metilo tiende a neutrali%ar la carga positiva# liberando electrones y haciéndose# por tanto# m$s positivo a s! mismo. sta dispersi"n de la carga estabili%a al carbocati"n. l efecto inductivo estabili%a de la misma forma la carga positiva que se desarrolla en el estado de transici"n# y la reacci"n se acelera. Si en lugar de un grupo metilo fuese un grupo nitro , 012# éste e&erce un efecto inductivo de atracci"n de electrones esto tiende a intensificar la carga positiva# desestabili%a al carbocati"n y hace que la reacci"n sea m$s lenta. n consecuencia la reactividad en la sustituci"n arom$tica electrof!lica depende de la tendencia de un grupo sustituyente a la liberaci"n o atracci"n de
electrones. +n grupo que libera electrones# activa el anillo' uno que los atrae# lo desactiva. 1tros grupos alquilo liberan electrones igual que el 3-/ #y como éste# activan el anillo. *odos los sustituyentes activantes orientan a orto y para. -asi todos los sustituyentes desactivantes orientan a meta.
#I#&IO'RA*(A 5uímica
orgánica%
.F.
#ade%
9earson
Education. (0113). 5uinta edici'n. *apítulo S.A. :adrid #illiam Froutas. :ecanismo de reacci'n, #ic&ita State 2niversity, :c FraC . @6G :.A., #
