3.10: Benceno y sus Derivados

objetivos de aprendizaje

• nombre benceno y sus derivados utilizando la IUPAC (sistemática) y la nomenclatura de nombre común seleccionada
• dibujar las estructuras del benceno y sus derivados de la IUPAC (sistemática) y nombres comunes seleccionados

B enze ne, como se muestra a la izquierda, es un compuesto aromático orgánico con muchas propiedades interesantes. A diferencia de los alifáticos (carbonos de cadena lineal) u otros compuestos orgánicos cíclicos, la estructura del benceno (3 enlaces π conjugados) permite que el benceno y sus productos derivados sean útiles en campos como la salud, la síntesis de laboratorio y otras aplicaciones como la síntesis de caucho. El benceno es único porque podemos escribir una fórmula condensada para su estructura anillada, C ₆ H _6.

Introducción

Los productos derivados del benceno son bien conocidos por ser agradablemente fragantes. Por esta razón, los compuestos orgánicos que contenían anillos de benceno fueron clasificados como "aromáticos" (olor dulce) entre los científicos a principios del siglo XIX cuando se estableció una relación entre los compuestos derivados del benceno y las fragancias dulces/picantes. Existe una idea errónea entre la comunidad científica, sin embargo, de que todos los aromáticos son de olor dulce y que todos los compuestos de olor dulce tendrían un anillo de benceno en su estructura. Esto es falso, ya que los compuestos no aromáticos, como el alcanfor, extraído del árbol de laurel de alcanfor, liberan un fuerte aroma mentolado, sin embargo, carece del anillo de benceno en su estructura (Ver figura 1). Por otro lado, el propio benceno desprende un olor bastante fuerte y desagradable que de otro modo invalidaría la definición de compuesto aromático (de olor dulce). A pesar de esta inconsistencia, sin embargo, el término aromático continúa siendo utilizado hoy en día para designar moléculas con anillos tipo benceno en sus estructuras. Para una definición química moderna de aromaticidad, refiérase a las secciones Aromaticidad y Regla de Hückel.

Figura 1. Vista superior del alcanfor, junto con su unidad monoterpénica. Observe cómo al alcanfor le falta el anillo de benceno para ser “aromático”.

Sin embargo, muchos compuestos aromáticos tienen un olor dulce/agradable. El eugenol, por ejemplo, se extrae de los aceites esenciales de clavo de olor y libera un aroma especiado similar al del clavo que se usa en los perfumes. Además, también se utiliza en odontología como analgésico.

Figura 2. Eugenol, un compuesto aromático extraído de aceites esenciales de clavo de olor. Utilizado en perfumes y como analgésico.
El anillo de benceno está marcado en rojo en la molécula de eugenol.

¿Es ciclohexano o es benceno?

Debido a la similitud entre benceno y ciclohexano, los dos a menudo se confunden entre sí en estudiantes principiantes de química orgánica.

Figura 3. Comparación de estructuras entre ciclohexano y benceno

Si tuvieras que contar el número de carbonos e hidrógenos en ciclohexano, notarás que su fórmula molecular es C ₆ H ₁₂. Dado que los carbonos en el anillo de ciclohexano están completamente saturados con hidrógenos (el carbono está unido a 2 hidrógenos y 2 carbonos adyacentes), no se forman dobles enlaces en el anillo cíclico. En contraste, el benceno solo se satura con un hidrógeno por carbono, lo que lleva a su fórmula molecular de C ₆ H ₆. Para estabilizar esta estructura, se forman 3 enlaces π (dobles) conjugados en el anillo de benceno para que el carbono tenga cuatro enlaces adyacentes.

En otras palabras, ¡el ciclohexano no es lo mismo que el benceno! Estos dos compuestos tienen diferentes fórmulas moleculares y sus propiedades químicas y físicas no son las mismas. La técnica de hidrogenación puede ser utilizada por químicos para convertir de benceno a ciclohexano saturando el anillo de benceno con hidrógenos faltantes.

NOTA IMPORTANTE: Se requiere un catalizador especial para hidrogenar los anillos de benceno debido a su inusual estabilidad y configuración. Las técnicas normales de hidrogenación catalítica no hidrogenarán el benceno y producirán ningún producto significativo.

¿Qué pasa con la resonancia?

El benceno se puede extraer de varias maneras diferentes. Esto se debe a que los electrones pi conjugados del benceno resuenan libremente dentro del anillo cíclico, lo que resulta en sus dos formas de resonancia.

Figura 4. La figura de la izquierda muestra las dos formas de resonancia del benceno. Los electrones deslocalizados se mueven de un carbono al siguiente, proporcionando así energía de estabilización. Las estructuras de anillo estabilizadas por el movimiento de electrones deslocalizados a veces se denominan arenos.

Como los electrones en el anillo de benceno pueden resonar dentro del anillo a una velocidad bastante alta, a menudo se usa una notación simplificada para designar las dos formas de resonancia diferentes. Esta notación se muestra arriba, con los tres enlaces pi iniciales (#1, #2) reemplazados por un círculo anular interno (#3). Alternativamente, el círculo dentro del anillo de benceno también puede ser discontinua para mostrar las mismas formas de resonancia (#4).

El Grupo Fenilo (La Fundación de Derivados del Benceno

El grupo fenilo se forma eliminando un hidrógeno del benceno para crear el fragmento es C ₆ H ₅. NOTA: Aunque la fórmula molecular del grupo fenilo es C ₆ H ₅, el grupo fenilo siempre tendría algo unido a donde se eliminó el hidrógeno. Así, la fórmula suele escribirse como Ph - R, donde Ph se refiere al grupo fenilo y R se refiere al grupo R unido donde se eliminó el hidrógeno.

Figura 5. Figura que demuestra la eliminación de hidrógeno para formar el grupo fenilo.

Diferentes grupos R en el grupo fenilo permiten que se formen diferentes derivados de benceno. El fenol, pH-OH, o C ₆ H ₅ OH, por ejemplo, se forma cuando un grupo alcohol (-OH) desplaza un átomo de hidrógeno en el anillo de benceno. El benceno, por esta misma razón, se puede formar a partir del grupo fenilo volviendo a unir el hidrógeno de nuevo a su lugar de eliminación. Así, el benceno, similar al fenol, se puede abreviar PH-H, o C ₆ H ₆.

Figura 6. E pigalocatequina galato (EGCG), un antioxidante que se encuentra en los tés verdes y sus extractos, es famoso por sus potenciales beneficios para la salud. La molécula es un tipo de catequina, la cual está compuesta por múltiples unidades de fenol (marcadas en rojo) (polifenoles - ver aromáticos policíclicos). Dado que las catequinas se encuentran generalmente en los extractos de plantas, a menudo se las conoce como antioxidantes polifenólicos vegetales.

Como puede ver anteriormente, estas son solo algunas de las muchas posibilidades de los productos derivados del benceno que tienen usos especiales en la salud humana y otros campos industriales.

Nomenclatura de compuestos derivados del benceno

A diferencia de los orgánicos alifáticos, la nomenclatura de los compuestos derivados del benceno puede ser confusa porque un solo compuesto aromático puede tener múltiples nombres posibles (como nombres comunes y sistemáticos) asociados con su estructura. En estas secciones, analizaremos algunas de las formas en que estos compuestos pueden ser nombrados.

Nombramiento simple de benceno

Algunos sustituyentes comunes, como NO ₂, Br y Cl, se pueden nombrar de esta manera cuando se une a un grupo fenilo. Los carbonos de cadena larga unidos también se pueden nombrar de esta manera. El formato general para este tipo de nomenclatura es:

(posiciones de sustituyentes (si >1) - + # (di, tri,...) + sustituyente) _n + benceno.

Por ejemplo, el cloro (Cl) unido a un grupo fenilo se denominaría clorobenceno (cloro + benceno). Dado que solo hay un sustituyente en el anillo de benceno, no tenemos que indicar su posición en el anillo de benceno (ya que puede girar libremente alrededor y terminarías obteniendo el mismo compuesto).

Figura 7. Ejemplo de nomenclatura simple de benceno con cloro y NO ₂ como sustituyentes.

Figura 8. Ejemplos simples de nomenclatura de benceno más complicados - Tenga en cuenta que aquí se aplican reglas de prioridad de nomenclatura estándar, haciendo que la numeración de los carbonos cambie.

Nomenclatura Orto-, Meta-, Para- (OMP) para Bencenos Disustituidos

En lugar de usar números para indicar sustituyentes en un anillo de benceno, se pueden usar orto- (o-), meta- (m-) o para (p-) en lugar de marcadores posicionales cuando hay dos sustituyentes en el anillo de benceno (bencenos disustituidos). Se definen como los siguientes:

• orto- (o-): 1,2- (uno al lado del otro en un anillo de benceno)
• meta- (m): 1,3- (separados por un carbono en un anillo de benceno)
• para- (p): 1,4- (uno frente al otro en un anillo de benceno)

Continuando con el ejemplo anterior en la figura 8 (1,3-diclorobenceno), podemos usar la nomenclatura orto-, meta-, para- para transformar el nombre químico en m-diclorobenceno, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 10. Transformación de 1,3-diclorobenceno en m-diclorobenceno.

Aquí hay algunos otros ejemplos de orto-, meta-, para- nomenclatura utilizada en contexto:

Sin embargo, los sustituyentes utilizados en la nomenclatura orto-, meta-, para- no tienen que ser los mismos. Por ejemplo, podemos usar cloro y un grupo nitro como sustituyentes en el anillo de benceno.

En conclusión, estos se pueden armar en un diagrama resumido, como se muestra a continuación:

Derivadas como Nombres Parentales

Además de la nomenclatura simple del benceno y la nomenclatura OMP, los derivados del benceno también se utilizan a veces como el “padre” en nombre de un compuesto más grande. nombre.

Por ejemplo, fenol (C ₆ H ₅ OH) es el nombre parental del compuesto a continuación porque los grupos hidroxilo tienen mayor prioridad de nomenclatura que los haluros. El átomo de cloro se considera una ramificación en la posición orto con respecto al grupo hidroxilo. En consecuencia, el compuesto se denomina 2-clorofenol u o-clorofenol.

Figura 14. Un ejemplo que muestra el fenol como base en su nombre químico. Observe cómo el benceno ya no sirve como base cuando se agrega un grupo OH al anillo de benceno.

Alternativamente, podemos usar el sistema de numeración para indicar este compuesto. Cuando se usa el sistema de numeración, se le dará la primera prioridad al carbono donde se une el sustituyente sobre la base y se le nombrará como carbono #1 (C ₁). Las reglas de prioridad normales luego se aplican en el proceso de nomenclatura (dale al resto de los sustituyentes la numeración más baja como podrías).

Figura 15. El proceso de denominación para 2-clorofenol (o-clorofenol). Tenga en cuenta que 2-clorofenol = o-clorofenol.

A continuación se muestra una lista de compuestos derivados del benceno comúnmente vistos. Algunos de estos compuestos monosustituidos (marcados en rojo y verde), como fenol o tolueno, se pueden usar en lugar del benceno para el nombre base del químico.

Figura 16. Compuestos derivados de benceno comunes con diversos sustituyentes.

Nomenclatura Común vs Sistemática (IUPAC)

Según las preferencias de indexación de los Chemical Abstracts, fenol, benzaldehído y ácido benzoico (marcados en rojo en la Figura 16) son algunos de los nombres comunes que se conservan en la nomenclatura IUPAC (sistemática). Otros nombres como tolueno, estireno, naftaleno o fenantreno también se pueden ver en el sistema IUPAC de la misma manera. Si bien el uso de otros nombres comunes suelen ser aceptables en la IUPAC, su uso se desaconseja en la nomenclatura de compuestos.

La nomenclatura para los compuestos que tienen tales nombres desalentados será nombrada por el simple sistema de nomenclatura de benceno. Un ejemplo de esto incluiría derivados de tolueno como TNT. (Obsérvese que el tolueno por sí mismo es retenido por la nomenclatura de la IUPAC, pero sus derivados, que contienen sustituyentes adicionales en el anillo de benceno, podrían ser excluidos de la convención). Por esta razón, el nombre químico común 2,4,6-trinitrotolueno, o TNT, como se muestra en la figura 17, no sería aconsejable bajo la nomenclatura IUPAC (sistemática).

Para nombrar correctamente a TNT bajo el sistema IUPAC, se debe usar el sistema simple de nomenclatura de benceno:

Figura 18. Nombre sistemático (IUPAC) de 2,4,6-trinitrotolueno (nombre común), o TNT.
Nótese que el grupo metilo se nombra individualmente debido a la exclusión del tolueno de la nomenclatura IUPAC.

Figura 19. El nombre común 2,4-dibromofenol, es compartido por la nomenclatura sistemática de la IUPAC.
Solo los sustituyentes fenol, ácido benzoico y benzaldehído comparten esta similitud.

Dado que la nomenclatura de la IUPAC se basa principalmente en el sistema simple de nomenclatura de benceno para la nomenclatura de diferentes compuestos derivados del benceno, el sistema OMP (orto-, meta-, para-) no es aceptado en la nomenclatura de la IUPAC. Por esta razón, el sistema OMP dará nombres comunes que se pueden convertir en nombres sistemáticos utilizando el mismo método anterior. Por ejemplo, el O-xileno del sistema OMP puede denominarse 1,2-dimetilbenceno mediante el uso de nomenclatura simple de benceno (estándar IUPAC).

Los grupos fenilo y bencilo

El grupo fenilo

Como se mencionó anteriormente, el grupo fenilo (PH-R, C ₆ H ₅ -R) se puede formar eliminando un hidrógeno del benceno y uniendo un sustituyente al lugar donde se eliminó el hidrógeno. A este fenómeno, podemos nombrar compuestos formados de esta manera aplicando esta regla: (fenil + sustituyente). Por ejemplo, un cloro unido de esta manera se denominaría cloruro de fenilo, y un bromo unido de esta manera se llamaría bromuro de fenilo. (Ver diagrama a continuación)

Figura 20. Nombramiento de cloruro de fenilo y bromuro de fenilo

Si bien los compuestos como estos generalmente se nombran por denominación simple de tipo benceno (clorobenceno y bromobenceno), el nombre del grupo fenilo generalmente se aplica a anillos de benceno donde se une un sustituyente con seis o más carbonos, como en el diagrama a continuación.

Figura 21. Diagrama de 2-feniloctano.

Si bien el diagrama anterior puede ser un poco desalentador de entender al principio, no es tan difícil como parece después de que se haga un análisis cuidadoso de la estructura. Al buscar la cadena más larga en el compuesto, debe quedar claro que la cadena más larga tiene ocho (8) carbonos de largo (octano, como se muestra en verde) y que un anillo de benceno está unido a la segunda posición de esta cadena más larga (marcada en rojo). Como esta regla sugiere que el anillo de benceno actuará como un grupo funcional (un sustituyente) siempre que un sustituyente de más de seis (6) carbonos esté unido a él, el nombre “benceno” se cambia a fenilo y se usa de la misma manera que cualquier otro sustituyente, como metilo, etilo, o bromo. Poniéndolo todo junto, el nombre se puede derivar como: 2-feniloctano (el fenilo está unido en la segunda posición de la cadena carbonada más larga, octano).

El Grupo Bencilo

El grupo bencilo (abbv. Bn), similar al grupo fenilo, se forma manipulando el anillo de benceno. En el caso del grupo bencilo, se forma tomando el grupo fenilo y añadiendo un grupo CH ₂ a donde se eliminó el hidrógeno. Su fragmento molecular puede escribirse como C ₆ H ₅ CH ₂ -R, PhCH ₂ -R, o Bn-R. La nomenclatura de los compuestos basados en el grupo bencilo es muy similar a la de los compuestos del grupo fenilo. Por ejemplo, un cloro unido a un grupo bencilo se llamaría simplemente cloruro de bencilo, mientras que un grupo OH unido a un grupo bencilo se llamaría simplemente alcohol bencílico.

Figura 22. Nomenclatura de grupos bencílicos

Adicionalmente, otros sustituyentes pueden unirse en el anillo de benceno en presencia del grupo bencilo. Un ejemplo de esto se puede ver en la siguiente figura:

Figura 23. Nomenclatura de cloruro de 2,4-difluorobencilo.

Similar al sistema de nomenclatura de nombres de bases, se le da prioridad al carbono en el que el sustituyente base está unido al anillo de benceno y al resto de los sustituyentes se les da el orden numérico más bajo posible. Bajo esta consideración, el compuesto anterior puede denominarse: cloruro de 2,4-difluorobencilo.

Diagrama de flujo de resumen de nomenclatura de compuestos de benceno

Diagrama de flujo resumido (Figura 24). Resumen de reglas de nomenclatura utilizadas en compuestos comúnmente derivados del benceno.
Como los compuestos derivados del benceno pueden ser extremadamente complejos, solo los compuestos cubiertos en este artículo y otros compuestos comúnmente nombrados pueden nombrarse usando este diagrama de flujo.

Determinación de nombres comunes y sistemáticos mediante diagrama de flujo

Para demostrar cómo se puede usar este diagrama de flujo para nombrar a TNT en su nombre común y sistemático (IUPAC), a continuación se muestra una réplica del diagrama de flujo con las rutas de flujo apropiadas:

Ejercicio

1. ¿Verdadero o Falso? El siguiente compuesto contiene un anillo de benceno y por lo tanto es aromático.

2. La estabilidad inusual del benceno es causada por una combinación de los enlaces pi conjugados _________________ en su anillo cíclico.

especificar el número

3. El mentol, un analgésico tópico utilizado en muchos ungüentos para el alivio del dolor, libera un aroma a menta al exponerse al aire. Con base en esta conclusión, ¿puede implicar que un anillo de benceno está presente en su estructura química? ¿Por qué o por qué no?

4. Predecir el producto de la reacción a continuación o explicar por qué no ocurre ninguna reacción.

5. En condiciones normales, el benceno tiene ___ estructuras de resonancia.

6. ¿Cuál de los siguientes nombres es/son correctos para el siguiente compuesto?

a) nitrohidruro benceno
b) fenilamina
c) fenilamida
d) anilina
e) nitrógenohidrógeno benceno
f) Todo lo anterior es correcto

7. Convierte 1,4-dimetilbenceno en su nombre común.

8. El nombre común de TNT es: ______________________________

9. Nombrar el siguiente compuesto usando la nomenclatura OMP:

10. Dibujar la estructura del 2,4-dinitrotolueno.

11. Dé al nombre de la IUPAC el siguiente compuesto:

12. ¿Cuál de los siguientes es el nombre correcto para el siguiente compuesto?

a) bromuro de 3,4-difluorobencilo
b) bromuro de 1,2-difluorobencilo
c) bromuro de 4,5-difluorobencilo
d) bromuro de 1,2-difluoroetilo
e) bromuro de 5,6-difluoroetilo
f) bromuro de 4,5-difluoroetilo

13. a) T rue o Falso? El cloruro de bencilo se puede abreviar Bz-Cl.

b) ¿Cuál es la fórmula condensada para el cloruro de bencilo?

c) ¿Cuál es la fórmula condensada para el cloruro de fenilo?

14. El ácido benzoico tiene qué grupo R unido a su grupo funcional fenilo?

15. ¿Verdadero o Falso? Un solo compuesto aromático puede tener múltiples nombres que indiquen su estructura.

16. Enumerar las posiciones correspondientes para el sistema OMP (o-, m-, p-).

17. Un científico ha realizado un experimento sobre un compuesto desconocido. Fue capaz de determinar que el compuesto desconocido contiene un anillo cíclico en su estructura así como un grupo alcohol (-OH) unido al anillo. ¿Cuál es el compuesto desconocido?

a) Ciclohexanol
b) Cicloseptanol
c) Fenol
d) Metanol
e) Blanqueador
f) No se puede determinar a partir de la información anterior

18. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa para el compuesto, fenol?

a) El fenol es un compuesto derivado del benceno.
b) El fenol se puede preparar uniendo un grupo -OH a un grupo fenilo.
c) El fenol es altamente tóxico para el organismo incluso en pequeñas dosis.
d) El fenol puede ser utilizado como catalizador en la hidrogenación de benceno en ciclohexano.
e) El fenol se utiliza como antiséptico en dosis diminutas.
f) El fenol se encuentra entre uno de los tres nombres comunes retenidos en la nomenclatura de la IUPAC.

Contestar

1. Falso, este compuesto no contiene un anillo de benceno en su estructura.

2. 3

3. No, una sustancia que es fragante no implica que un anillo de benceno esté en su estructura. Ver ejemplo de alcanfor (figura 1)

4. Sin reacción, el benceno requiere de un catalizador especial para ser hidrogenado debido a su inusual estabilidad dada por sus tres enlaces pi conjugados.

5. 2

6. b, d

7. p-xileno

8. 2,4,6-trinitrotolueno

9. p-cloronitrobenceno

10.

11. 4-fenilheptano

12. a) bromuro de 3,4-difluorobencilo

13. a) Falso, la abreviatura correcta para el grupo bencilo es Bn, no Bz. La abreviatura correcta para Cloruro de bencilo es Bn-Cl.

b) C ₆ H ₅ CH ₂ Cl.

c) C ₆ H ₅ Cl.

14. COOH o CO ₂ H

15. Cierto. TNT, por ejemplo, tiene el nombre común 2,4,6-trinitrotolueno y su nombre sistemático es 2-metil-1,3,5-trinitrobenceno.

16. Orto - 1,2; Meta - 1,3; Para - 1,4

17. La respuesta correcta es f). No podemos determinar qué estructura es esta ya que la pregunta no nos dice en qué tipo de anillo cíclico está unido el grupo -OH. Así como el ciclohexano puede ser cíclico, el benceno y el cicloheptano también pueden ser cíclicos. La fórmula química permitiría una determinación.

18. d

Enlaces externos

• Nombrar compuestos aromáticos - Una buena revisión de los conceptos presentados anteriormente
• Denominación de compuestos aromáticos - Grupos funcionales y compuestos formados por diferentes grupos funcionales
• Nombrar compuestos aromáticos - Problemas adicionales de práctica están disponibles aquí
• Aromaterapia y Compuestos Aromáticos
• Michael Faraday - Descubrimiento del benceno y la historia
• Wikipedia - Alcanfor
• Usos Medicinales del Alcanfor
• Más sobre Terpenos
• Propiedades de Eugenol
• Aromaticidad y estabilidad del benceno
• Matar con jeringas: inyecciones de fenol - Una reminiscencia del proyecto de “eutanasia” nazi en Auschwitz
• Beneficios para la salud del té verde - Efectos antioxidantes del EGCG
• El nutriente de té verde EGCG bloquea la diabetes: efectos promotores del jarabe de maíz alto en fructosa
• Catequinas en el té verde - Por qué las catequinas son importantes para tu salud
• Fitoquímicos - Catequinas
• Wikipedia - Trinitrotolueno (TNT)
• Sistema de Nomenclatura IUPAC y Recomendaciones
• Wikipedia - Grupo fenilo
• Wikipedia - Grupo Bencilo

Referencias

1. Nicolaou, K. C., & Montagnon, T. (2008). Moléculas que cambiaron el mundo. KGaA, Weinheim: Wiley-VCH. p. 54
2. Pitman, V. (2004). Aromaterapia. Gran Bretaña, Reino Unido: Nelson Thornes. p.135-136
3. Burton, G. (2000). Ideas Químicas. Bicester, Oxon: Heinemann. p.290-292
4. Vollhardt, K. P.C. & Shore, N. (2007). Química Orgánica (^5ª Ed.). Nueva York: W. H. Freeman. p. 667-669
5. Schnaubelt, K. (1999). Aromaterapia Médica. Berkeley, CA: Libros de ranas. p. 211-213
6. Patrick, G. L. (2004). Química Orgánica. Nueva York, NY: Taylor & Francis. p. 135-136
7. Talbott, S. M. (2002). Una guía para comprender los suplementos dietéticos. Binghamton, NY: Prensa Haworth. p. 616-619
8. Lifton, R. J. (2000). Los médicos nazis. Nueva York, NY: Libros Básicos. p. 255-261
9. Myers, R. L., & Myers, R. L. (2007). Los 100 compuestos químicos más importantes. Westport, CT: Greenwood Publishing Group. p. 281-282

Colaboradores y Atribuciones

• David Lam