- describir la química de los arenos tal como se ejemplifica en las siguientes reacciones del benceno y el metilbenceno: (a) reacciones de sustitución con $\text{Cl}_2$ y con $\text{Br}_2$ en presencia de un catalizador, $\text{AlCl}_3$ o $\text{AlBr}_3$, para formar halogenoarenos (haluros arílicos); (b) nitración con una mezcla de $\text{HNO}_3$ concentrado y $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado a una temperatura entre $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ y $60\text{ }^{\circ}\text{C}$; (c) alquilación de Friedel–Crafts por $\text{CH}_3\text{Cl}$ y $\text{AlCl}_3$ y calor; (d) acilación de Friedel–Crafts por $\text{CH}_3\text{COCl}$ y $\text{AlCl}_3$ y calor; (e) oxidación completa de la cadena lateral usando $\text{KMnO}_4$ alcalino caliente y luego ácido diluido para dar ácido benzoico; (f) hidrogenación del anillo de benceno usando $\text{H}_2$ y catalizador $\text{Pt/Ni}$ y calor para formar un anillo de ciclohexano
- describir el mecanismo de la sustitución electrofílica en los arenos: (a) tal como se ejemplifica en la formación de nitrobenceno y bromobenceno; (b) respecto al efecto de la deslocalización (estabilización aromática) de electrones en los arenos para explicar la predominancia de la sustitución sobre la adición
- predecir si ocurrirá halogenación en la cadena lateral o en el anillo aromático en los arenos dependiendo de las condiciones de reacción
- describir que en la sustitución electrofílica de los arenos, diferentes sustituyentes dirigen hacia diferentes posiciones del anillo (limitado a los efectos directores de $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ y $-\text{COR}$)
Hidrocarburos
A-Level Química · Tema 30
7:42
Hidrocarburos (A2): arenos
El agua de bromo naranja es la prueba clásica para un doble enlace. Agítalo con un alqueno, y el color naranja desaparece de inmediato. Ahora agita la misma muy agua de bromo…
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30.1
Arenas
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
Arenas Los hidrocarburos aromáticos son compuestos basados en el anillo de benceno. El anillo deslocalizado de electrones es estable y rico en electrones, por lo que el benceno reacciona principalmente mediante sustitución electrofílica —manteniendo el anillo— en lugar de mediante adición.
Reacciones del benceno y metilbenceno
| Reacción | Reactivos y condiciones | Producto |
|---|---|---|
| halogenación | $\text{Cl}_2$ o $\text{Br}_2$, con $\text{AlCl}_3$ o $\text{AlBr}_3$ como catalizador | un haloareno (haluro arilo) |
| nitración | $\text{HNO}_3$ concentrado + $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado, $25$–$60\,°\text{C}$ | nitrobenceno |
| alquilación de Friedel-Crafts | $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, calor | metilbenceno (añade un grupo alquilo) |
| acilación de Friedel-Crafts | $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, calor | una cetona fenílica (añade un grupo acilo) |
| oxidación de la cadena lateral | $\text{KMnO}_4$ alcalino caliente, seguido de ácido diluido | ácido benzoico |
| hidrogenación | $\text{H}_2$, catalizador $\text{Pt/Ni}$, calor | ciclohexano |
En la oxidación de la cadena lateral, toda la cadena lateral (como el $\text{–CH}_3$ en el metilbenceno) se convierte en un grupo $\text{–COOH}$, dando ácido benzoico. En la hidrogenación, tres moléculas de $\text{H}_2$ se añaden al anillo de benceno para formar un anillo de ciclohexano saturado.
Mecanismo: sustitución electrofílica
Tome la nitración como ejemplo. La mezcla ácida genera el electrófilo $\text{NO}_2^+$. Luego:
- los electrones deslocalizados del anillo forman un enlace con el electrófilo, dando un intermediario inestable.
- se pierde un $\text{H}^+$ de ese carbono, lo que restaura el anillo estable.
La sustitución gana sobre la adición porque se mantiene la deslocalización (estabilización aromática) del anillo. La adición destruiría este sistema estable, por lo que no es favorecida.
¿Cadena lateral o anillo?
Dónde reacciona un halógeno depende de las condiciones:
- con un catalizador portador de halógeno (como $\text{AlCl}_3$) y sin luz UV → sustitución en el anillo.
- con luz UV y sin catalizador → sustitución por radicales libres en la cadena lateral.
Efectos orientadores
Un grupo ya presente en el anillo decide dónde entrará el siguiente grupo: su efecto orientador:
| Grupo ya presente | Orienta al nuevo grupo a |
|---|---|
| $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ | posiciones 2 y 4 |
| $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ | posición 3 |
Ejemplo resuelto. Se nitan tanto el metilbenceno como el nitrobenceno. Prediga dónde entrará el nuevo grupo $\text{NO}_2$ y cuál de los compuestos reacciona más rápido. Observe el grupo ya presente en el anillo. En el metilbenceno, el $\text{–CH}_3$ es un grupo alquilo: orienta al nuevo grupo a las posiciones 2 y 4, y libera electrones hacia el anillo, haciendo que este sea más atractivo para un electrófilo; por tanto, el metilbenceno se nita más rápido que el benceno. En el nitrobenceno, el $\text{–NO}_2$ orienta a la posición 3, y retira electrones del anillo; por tanto, el nitrobenceno se nita más lentamente que el benceno. El grupo ya presente controla tanto la posición como la velocidad, y ambos viajan juntos: los orientadores 2,4 activan el anillo, mientras que los orientadores 3 lo desactivan.
Explorar
Ruta de sustitución del areno
Seguir la sustitución electrofílica en el benceno.
Explorar
Laboratorio de efectos directores
Clasificar los sustituyentes según cómo afectan al anillo de benceno.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| arene/ˈæren/ | 芳烃 | fāng tīng |
| benzene/ˈbenziːn/ | 苯 | běn |
| electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | 亲电取代 | qīn diàn qǔ dài |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | 催化剂 | cuī huà jì |
| halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ | 卤代芳烃 | lǔ dài fāng tīng |
| nitration/naɪˈtreɪʃn/ | 硝化 | xiāo huà |
| Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ | 傅克烷基化 | fù kè wán jī huà |
| Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ | 傅克酰基化 | fù kè xiān jī huà |
| benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ | 苯甲酸 | běn jiǎ suān |
| hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ | 氢化 | qīng huà |
| side-chain/saɪd tʃeɪn/ | 侧链 | cè liàn |
| benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ | 苯环 | běn huán |
| delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ | 离域 | lí yù |
| directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ | 定位效应 | dìng wèi xiào yìng |
30.1
Consejos para el examen
- El benceno experimenta sustitución electrofílica, no adición, porque la adición destruiría el anillo deslocalizado estable.
- Aprenda la nitración ($\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrados, $50-60\ ^\circ\text{C}$) y la halogenación (halógeno + $\text{AlCl}_3$) junto con el paso de generación del electrófilo.
- Compare la reactividad: el benceno resiste la adición mucho más que un alqueno debido a la deslocalización.
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.