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Hidrocarburos cíclicos

Las propiedades aromáticas de sustancias como el aceite de clavos, la vainilla, la canela o las almendras, se relacionan con la presencia de compuestos orgánicos cuyas moléculas tienen conformación cíclica. No obstante, como veremos en breve no todas las moléculas cíclicas son aromáticas.

Clasificación

Los hidrocarburos cíclicos pueden dividirse en dos grupos principales: alifáticos cíclicos o alicíclicos y aromáticos. Los alicíclicos son hidrocarburos saturados o insaturados en los cuales la cadena se pliega para formar una especie de anillo. Los aromáticos constituyen un grupo de compuestos definido principalmente por su comportamiento químico particular. Estructuralmente, la gran mayoría de los aromáticos son derivados del benceno, hidrocarburo de seis carbonos, cuya estruc- tura detallaremos más adelante. No obstante, dentro de este grupo tam- bién se incluyen otras sustancias, que se comportan como aromáticos, pero presentan átomos diferentes al carbono formando la estructura cíclica. Por esta razón estos compuestos se conocen como heterocíclicos, mientras que los alicíclicos y los demás aromáticos son homocíclicos.

Compuestos alicíclicos

Compuestos alicíclicos Los hidrocarburos cíclicos son compuestos semejantes a los alcanos y alquenos de cadena lineal equivalente, diferenciándose en que los ex- tremos de la cadena carbonada se unen formando un anillo o ciclo. Este proceso implica la pérdida de un átomo de hidrógeno en cada extremo de la cadena. Por lo tanto, se presentan dos enlaces C—H menos y la fórmula general correspondiente es entonces CnH2n. En adelante, nos referiremos principalmente a los cicloalcanos, ya que los cicloalquenos se comportan químicamente de forma similar a los alquenos alifáticos.

Nomenclatura

El nombre principal del hidrocarburo cíclico va precedido del prefi jo ciclo con el nombre y terminación del alcano o alqueno lineal que tenga el mismo número de carbonos, como hemos estado mencionando hasta ahora. Los hidrocarburos cíclicos sustituidos se nombran ordenando los sustitu- yentes alfabéticamente y teniendo en cuenta que reciban los números más bajos posibles. Estos son algunos ejemplos:

Propiedades físicas

El punto de fusión de los cicloalcanos no se relaciona directamente con el número de carbonos, sino con la forma de las moléculas, que determina qué tan fácil se acomodan unas con otras en la estructura sólida cristalina. El punto de ebullición, en cambio, aumenta progresivamente con el número de carbonos igual que en los alcanos alifáticos. Sin embargo, las temperaturas de ebullición de los cicloalcanos son un poco mayores que las de los alquenos isómeros y que las de los alcanos de peso molecular comparable. Así por ejemplo, el punto de ebullición del ciclohexano es de 81 °C, mientras que el del n-hexeno es 63,5 °C y el n–hexano es 69 °C.

Propiedades químicas

Como mencionamos antes, los cicloalcanos son propensos a reaciones de adición en las cuales la estructura cíclica se abre. A continuación se muestran algunos ejemplos, para el ciclopropano:

Obtención de compuestos cíclicos

Reacción de Simmons–Smith: Esta reacción consiste en la adición de yoduro de metileno o diyodometano, CH2 I2 , a un alqueno, en presencia de un par zinc-cobre, con la consecuente adición de un grupo CH2 y formación del anillo. Esta reacción conduce a la formación de un sólo isómero, dependiendo de compuesto inicial, como se muestra a continuación:

Derivados de compuestos cíclicos

Los productos derivados de los cicloalcanos más simples se resumen en la siguiente tabla:

Compuestos aromáticos

Fuentes naturales Los hidrocarburos aromáticos simples, provienen de dos fuentes prin- cipales, el carbón de hulla y el petróleo. El carbón de hulla es una sustancia de origen mineral, formada en su mayoría por grandes arreglos de anillos insaturados del tipo del benceno, unidos entre sí. Cuando se calientan a 1.000 °C en ausencia de aire, las moléculas de la hulla experimentan desintegración térmica y se produce una mezcla de productos volátiles llamada alquitrán de hulla. Luego, por destilación fraccionada de esta mezcla se obtiene benceno, tolueno, xileno y naft aleno, entre otros. A diferencia del carbón, el petróleo contiene pocos hidrocarburos aromáticos. Sin embargo, durante el proceso de refi nación del petróleo se forman moléculas aromáticas cuando los alcanos se hacen pasar sobre un catalizador a una temperatura de 500 °C y altas presiones.

La explotación comercial de los hidrocarburos constituye una actividad económica de primera importancia, pues forman parte de los principales combustibles fósiles (petróleo y gas natural), así como de todo tipo de plásticos, ceras y lubricantes. Según los grados API, se clasifican en:

Nomenclatura

Muchos compuestos aromáticos se designan mediante nombres comunes o como derivados del benceno, nombrando el sustituyente unido al anillo seguido del nombre del hidrocarburo. Se sabe que los seis hidrógenos del benceno son equivalentes y por lo tanto no existe sino un solo producto monosustituido así hablamos del:

Propiedades físicas

El benceno es un líquido incoloro, móvil, menos denso que el agua (0,889 g/cm3 ). Presenta olor fuerte aunque no desagradable. Tiene un punto de ebullición de 80,1 °C; y es el más volátil de los hidrocarburos aromáticos. Su punto de fusión es 5,4 °C. Es insoluble en agua, pero muy soluble en solventes orgánicos, como etanol y éter. A su vez posee un gran poder disolvente para las grasas, numerosas resinas, el fósforo y el azufre. En general el benceno y sus homólogos se parecen a los restantes hidrocarburos en sus propiedades físicas. Los hidrocarburos aromáticos son bastante inflamables y deben manejarse con precaución. El benceno es tóxico cuando se ingiere y se deben tomar muchas precauciones cuando se usa industrialmente. La inhalación prolongada de sus vapores trae como consecuencia una disminución en la producción de glóbulos rojos y blancos de la sangre, lo que puede ser mortal. Algunos hidrocarburos aromáticos polinucleares son cancerígenos y su manejo debe ser muy cuidadoso.

Propiedades químicas

La mayoría de las reacciones químicas sobre el anillo aromático proceden por el mecanismo de la sustitución electrófi la que, de forma general, se muestra a continuación:

• Mediante este tipo de reacción es posible introducir sustituyentes distin- tos en el anillo aromático. Seleccionando adecuadamente las condiciones y los reactivo, el anillo aromático se puede halogenar (sustituir con ha- lógeno como cloro, bromo o yodo), nitrar (sustituir con un grupo nitro, NO2 ), sulfonar (sustituir con un grupo sulfónico o —SO3 H), alquilar (sustituir con un grupo alquilo, —R) o acilar (sustituir por un grupo acilo, —COR)

Propiedades químicas

Halogenación

Nitración

Sulfonación

• La inserción de un grupo azufrado a un anillo aromático puede consguirse con ácido sulfúrico y trióxido de azufre (H2SO4 SO3), mezcla llamada ácido sulfúrico fumante . El electrófi lo reactivo es el HSO3 o el SO3 neutro, dependiendo de las condiciones de la reacción. Se trata de una reacción reversible que procede por el mismo mecanismo en dos etapas explicado antes. Los compuestos sulfonados del bencenose caracterizan por portar el grupo sulfónico —SO3H, de carácter ácido.

• El cloro y el yodo pueden introducirse en el anillo aromático mediante una reacción de sustitución electrofílica irreversible, en condiciones apropiadas. En cambio el fl úor es demasiado reactivo y los rendimientos son muy bajos comparados con los anteriores. La cloración y la bromación se realizan por acción directa del halógeno sobre el benceno en presencia de FeCl3 como catalizador. Esta reacción es usada en la síntesis de numerosos agentes farmacéuticos, como el tranquilizante llamado librium.

• La nitración del benceno con ácido nítrico concentrado, es una reacción irreversible y muy exotérmica, que solo se detiene por dilución del ácido, por lo que en la práctica se utiliza la mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados, que se añaden progresivamente al benceno, enfriando y agitando. El rendimiento puede alcanzar hasta el 98%.