Arenos

[Química orgánica] Sección 3. [Arenos] [Nomenclatura de los arenos] [Aromáticos verdaderamente aromáticos]

Los compuestos antes conocidos como "aromáticos" son hidrocarburos poliinsaturados, mono o policíclicos, que pueden considerarse como "falsos alquenos", ya que estructuralmente pueden parecer alquenos. Sin embargo, la principal diferencia radica en su estabilidad y baja energía. Cuando varios dobles enlaces se disponen de manera intermitente en un anillo, los electrones $\pi$ se deslocalizan, lo que da lugar a una estructura electrónica diferente. Esta deslocalización reduce la energía del sistema y cierra el anillo de forma más simple y estable. Como resultado, los dobles enlaces en los compuestos aromáticos son considerablemente más estables que los alquenos convencionales. Esta deslocalización electrónica suele representarse mediante un círculo dentro del anillo, lo que hace que los compuestos aromáticos de seis carbonos se asemejen a una estructura tipo "panal" de abejas.

Aunque muchos compuestos aromáticos forman parte de aceites esenciales aromáticos, otros no lo hacen. Por lo tanto, el concepto de aromaticidad en la química orgánica ha evolucionado hacia una definición menos intuitiva. En la actualidad, la aromaticidad se entiende principalmente como la deslocalización y estabilidad de los electrones en el anillo, lo que también se conoce como resonancia. Esta característica de los compuestos aromáticos, que permite una distribución más uniforme de los electrones, contribuye a su mayor estabilidad en comparación con otros compuestos no aromáticos.

El benceno. El benceno ($\color{#006cda}{\ce{C6H6}}$) es el ejemplo ideal de una sustancia aromática debido a su estructura cíclica y plana, donde los seis electrones $\pi$ están deslocalizados a lo largo del anillo. Esta deslocalización confiere al benceno una estabilidad extraordinaria, haciéndolo menos reactivo que otros compuestos con enlaces dobles fijos. El benceno es un modelo clásico de la aromaticidad en química orgánica.

(1) Representaciones alternativas del benceno.

El benceno es un ejemplo de un areno monocíclico, ya que su anillo está compuesto exclusivamente por átomos de carbono.

Arenos heterocíclicos. En los aromáticos heterocíclicos (o heteroaromáticos), uno o más de los átomos del anillo aromático son elementos distintos del carbono, pero la aromaticidad se conserva. Esto significa que los electrones $\pi$ están deslocalizados a lo largo de todo el anillo, lo que mantiene a la molécula estable. Sin embargo, las diferencias en la estructura, las propiedades químicas y la afinidad de los átomos no carbonados pueden reducir la aromaticidad del anillo, aumentando su reactividad. Un ejemplo de esto es el furano. Otros ejemplos de heteroaromáticos incluyen la piridina, pirazina, pirrol, imidazol, pirazol, oxazol, tiofeno y sus análogos benzanulados, como el bencimidazol.

(2) La fórmula estructural del pirrol corresponde a un compuesto orgánico aromático heterocíclico, que consiste en un anillo de cinco miembros con la fórmula $\color{#006cda}{\ce{C4H4NH}}$. Es un líquido volátil e incoloro que tiende a oscurecerse rápidamente al exponerse al aire. Los derivados sustituidos del pirrol también reciben el nombre de pirroles, como el N-metilpirrol ($\color{#006cda}{\ce{C4H4NCH3}}$). El porfobilinógeno, un pirrol trisustituido, es un precursor biosintético clave en la formación de muchos productos naturales, como el grupo hemo de la hemoglobina.

Los pirroles son componentes de macrociclos más complejos, incluidos los porfirinógenos y los productos derivados de ellos, incluidas las porfirinas del hemo, las clorinas, las bacterioclorinas y las clorofilas.

Arenos policíclicos. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son moléculas que contienen dos o más anillos aromáticos simples fusionados al compartir dos átomos de carbono adyacentes. Ejemplos comunes incluyen el naftaleno, el antraceno y el fenantreno. En estos compuestos fusionados, no todos los enlaces carbono-carbono son necesariamente equivalentes, ya que los electrones no se deslocalizan de manera uniforme a través de toda la molécula.

(3) El antraceno es un hidrocarburo aromático policíclico formado por tres anillos bencénicos fusionados. Su fórmula molecular es $\color{#006cda}{\ce{C14H10}}$. Es un sólido cristalino, incoloro y se utiliza como materia prima en la fabricación de tintes y productos químicos.

La aromaticidad de estas moléculas puede explicarse mediante su imagen orbital: al igual que el benceno y otros compuestos aromáticos monocíclicos, los hidrocarburos policíclicos poseen un sistema $\pi$ conjugado cíclico, con superposición de orbitales $p$ por encima y por debajo del plano del anillo.

Propiedades físicas
El nombre "hidrocarburos aromáticos" proviene de los olores agradables que emiten muchos derivados de los arenos. Sin embargo, los arenos en sí son generalmente tóxicos; varios de ellos son cancerígenos, por lo que se debe evitar la inhalación de sus vapores. Los arenos volátiles son altamente inflamables y arden con una llama luminosa que produce hollín, a diferencia de los alcanos y alquenos, que arden con una llama azulada y dejan pocos residuos de carbono. Las propiedades físicas de los arenos más comunes se detallan en la tabla:

Tabla 6.1. Propiedades físicas de algunos arenos, Mp significa melting Point o punto de fusión, BP significa boiling Point o punto de ebullición, mientras que la densidad está medida a 20° Celsius y en unidades de ${\color{purple}{\textbf{g/mL}}}$ o ${\color{purple}{\textbf{kg/L}}}$.

Los arenos son menos densos que el agua, por lo que flotarán en una mezcla con agua y son altamente insolubles en ella. Los puntos de ebullición aumentan regularmente con el incremento del peso molecular, pero existe poca correlación entre el punto de fusión y el peso molecular. El punto de fusión depende en gran medida de la simetría del compuesto; por ejemplo, el benceno se funde a 100 °C más que el metilbenceno, y el 1,4-dimetilbenceno (para-xileno), más simétrico, tiene un punto de ebullición más alto que los isómeros 1,2 o 1,3. Este fenómeno se aprovecha en la separación por cristalización fraccionada de 1,4-dimetilbenceno a partir de mezclas de isómeros producidos a Aplicaciones.