Benzeno: história, estrutura, propriedades, derivados, usos - Ciência - 2023

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o benzeno É um composto orgânico que consiste em um dos hidrocarbonetos aromáticos mais simples de todos. Sua fórmula química é C₆H₆, do qual se sabe que a relação carbono-hidrogênio é igual a 1; ou seja, para cada carbono há um hidrogênio ligado a ele.

Embora sua aparência física seja a de um líquido incolor, é naturalmente encontrado no petróleo e nos produtos derivados do petróleo. Seu cheiro é muito característico, pois lembra uma mistura de cola, betume e gasolina; por outro lado, é um líquido volátil e inflamável.

A imagem superior mostra um recipiente ou garrafa com benzeno, provavelmente de pureza não analítica. Se descobertos, os vapores de benzeno se espalhariam imediatamente por todo o laboratório. Por esse motivo, esse líquido, comumente usado como um simples solvente, é manuseado dentro de uma capela.

Sendo sua fórmula C₆H₆, os químicos do século XIX levantaram inúmeras estruturas possíveis que corresponderiam à dita razão C / H igual a 1. Não só isso, mas a molécula de benzeno deveria ter ligações especiais de tal forma que sua estabilidade incomum contra as reações de Adição; típico para alcenos e polienos.

Era assim que suas ligações representavam um enigma para os químicos da época; até a propriedade chamada aromaticidade. Antes considerado um hexaciclotrieno (com três ligações C = C), o benzeno é muito mais do que isso, e é mais um dos muitos exemplos de sinergia na química.

Na química orgânica, o benzeno é um símbolo clássico, a base estrutural de vários compostos poliaromáticos. De seu hexágono, derivados infinitos são obtidos por substituição eletrofílica aromática; um anel de cujas bordas é tecida a estrutura que define os novos compostos.

Na verdade, seus derivados se devem aos vastos usos industriais para os quais precisam do benzeno como matéria-prima. Desde a preparação de colas e fibras têxteis, a plásticos, borrachas, pigmentos, drogas e explosivos. Por outro lado, o benzeno é encontrado naturalmente em vulcões, incêndios florestais, gasolina e na fumaça do cigarro.

História

Descoberta e nomes

Sua descoberta remonta a 1825, geralmente atribuída a Michael Faraday, quando ele coletou e fez experimentos com um produto remanescente de petróleo do gás usado para iluminação. Esse líquido continha uma razão C / H próxima a 1, razão pela qual ele o chamou de "hidrogênio carburado".

O químico Auguste Laurent chamou o estranho hidrocarboneto de "fenómeno", derivado da palavra grega "phainein'O que significa brilhante (porque foi obtido após a queima do gás). No entanto, esse nome não foi aceito pela comunidade científica e prevaleceu apenas como "fenil", para se referir ao radical derivado do benzeno.

De goma de benjoim, o químico Eilhard Mitscherlich, nove anos depois, conseguiu produzir o mesmo composto; Portanto, havia outra fonte para o mesmo hidrocarboneto, que ele batizou de "benzina". No entanto, também não consideraram o nome adequado para presumir que se tratava de um alcalóide, como o quinino.

Assim, eles substituíram o nome 'benzina' por 'benzol'. No entanto, havia novamente contradições e discrepâncias como resultado do termo "benzol" confundir o hidrocarboneto com um álcool. Foi então que nasceu o nome ‘benzeno’, usado pela primeira vez na França e na Inglaterra.

Produção industrial

Nem o gás de iluminação nem a goma de benjoim foram fontes adequadas para gerar benzeno em grande escala. Charles Mansfield, trabalhando com August Wilhelm von Hofmann, conseguiu em 1845 isolar o benzeno (vinte anos após sua descoberta) do alcatrão de carvão, um subproduto da produção de coque.

Foi assim que começou a produção industrial de benzeno a partir do alcatrão de carvão. A disponibilidade de benzeno em grandes quantidades facilitou o estudo de suas propriedades químicas e permitiu sua relação com outros compostos com reatividades semelhantes. O próprio August Wilhelm von Hofmann cunhou a palavra "aromático" para benzeno e seus compostos relacionados.

Estruturas históricas

Sonho de August Kekulé

Friedrich August Kekulé é creditado com a estrutura hexagonal e cíclica do benzeno por volta do ano 1865, surgida de um sonho estranho com Uroboros, a cobra que morde a própria cauda desenhando um círculo. Assim, ele acreditava que o benzeno poderia ser considerado um anel hexagonal, e outros químicos propuseram estruturas possíveis, que são mostradas a seguir:

Algumas das estruturas superiores podem ser responsáveis pela estabilidade do benzeno.

Livro, anéis e prisma

Observe que a terceira estrutura não é nem mesmo um anel, mas um prisma triangular, proposto por Albert Ladenburg em 1869; à sua esquerda, um em forma de livro aberto, proposto por Sir James Dewar em 1867; e à sua direita, um com todos os hidrogênios direcionados para o centro do anel, proposto por Henry Edward Armstrong em 1887.

A primeira estrutura, proposta por Adolf Karl Ludwig Claus em 1867, também é bastante peculiar, uma vez que os links C-C são cruzados. E o último foi o anel “serpentino” de Kekulé, sonhado em 1865.

Qual foi o "vencedor"? A quinta estrutura (da esquerda para a direita), proposta em 1899 por Johannes Thiele.

Neste estudo foi considerado pela primeira vez o híbrido de ressonância, que combinou as duas estruturas de Kekulé (gire o primeiro anel à direita para observá-lo) e explicou extraordinariamente a deslocalização dos elétrons e, com ela, a até então incomum estabilidade do benzeno.

Estrutura do benzeno

Acima está a estrutura proposta por Thiele usando um modelo de esferas e barras.

A molécula de benzeno é plana, com os átomos de hidrogênio apontando para fora das laterais do anel. Todos os átomos de carbono têm hibridização sp², com um orbital p disponível para estabelecer o sistema aromático no qual seis elétrons se deslocam.

Esses carbonos sp² são mais eletronegativos do que os hidrogênios e, portanto, os primeiros retiram a densidade eletrônica para os últimos (C_sp2^δ--H^δ+) Conseqüentemente, o centro do anel tem uma concentração maior de elétrons do que seus lados.

Mais precisamente, o sistema aromático pode ser representado como uma nuvem eletrônica ou almofada expandida em ambos os lados do anel hexagonal; e no meio, nas laterais ou bordas, uma deficiência eletrônica formada por hidrogênios com carga parcial positiva.

Graças a essa distribuição de cargas elétricas, as moléculas de benzeno podem interagir umas com as outras por meio de forças dipolo-dipolo; Átomos de H^δ+ eles são atraídos para o centro aromático de um anel vizinho (isso será mostrado abaixo).

Além disso, os centros aromáticos podem ser empilhados uns sobre os outros para favorecer a indução dos dipolos instantâneos.

Ressonância

As duas estruturas Kekulé são mostradas no topo da imagem, e abaixo delas, o híbrido de ressonância. Como as duas estruturas ocorrem repetidamente ao mesmo tempo, o híbrido é representado por um círculo desenhado no meio (semelhante ao de um "donut hexagonal").

O círculo híbrido é importante porque indica o caráter aromático do benzeno (e de muitos outros compostos). Além disso, ele aponta que os links não são tão longos quanto C-C, nem tão curtos quanto C = C; em vez disso, seu comprimento está entre os dois extremos. Assim, o benzeno não é considerado um polieno.

O acima mencionado foi demonstrado medindo os comprimentos das ligações C-C (139 pm) do benzeno, que são ligeiramente mais alongadas do que as ligações C-H (109 pm).

Cristais

O benzeno é um líquido à temperatura ambiente. Suas forças intermoleculares significam que, apesar de não ter um momento de dipolo tão pronunciado, ele consegue manter suas moléculas juntas em um líquido que ferve a 80ºC. Quando a temperatura cai abaixo de 5ºC, o benzeno começa a congelar e, assim, seus cristais correspondentes são obtidos.

Os anéis de benzeno podem adotar padrões estruturais definidos em seus sólidos. Seus dipolos fazem com que se "inclinem" para a esquerda ou para a direita, formando fileiras capazes de serem reproduzidas por uma célula unitária ortorrômbica. Assim, os cristais de benzeno são ortorrômbicos.

Observe na imagem superior que a inclinação dos anéis favorece as interações entre o H^δ+e centros aromáticos, mencionados nas subseções anteriores.

Propriedades

Massa molecular

78,114 g / mol.

Aparência física

Líquido incolor com odor de gasolina.

Ponto de ebulição

80 ° C

Ponto de fusão

5,5 ° C

ponto de ignição

-11ºC (copo fechado).

Temperatura de auto ignição

497,78 ° C

Densidade

0,8765 g / mL a 20 ° C

Solubilidade

Um litro de água fervente mal consegue dissolver 3,94 g de benzeno. Seu caráter não polar o torna praticamente imiscível com água. No entanto, é miscível com outros solventes, como etanol, éteres, acetona, óleos, clorofórmio, tetracloreto de carbono, etc.

Densidade do vapor

2,8 em relação ao ar (ou seja, quase três vezes mais denso).

Pressão de vapor

94,8 mm Hg a 25 ° C

Calor de combustão

-3267,6 kJ / mol (para benzeno líquido).

Calor da vaporização

33,83 kJ / mol.

Tensão superficial

28,22 mN / m a 25 ° C

Índice de refração

1,5011 a 20 ° C.

Derivados

Os hidrogênios do benzeno podem ser substituídos por outros grupos ou átomos. Pode haver uma ou mais substituições, aumentando o grau de substituição até que nenhum dos seis hidrogênios originais permaneça.

Por exemplo, suponha que o benzeno seja Ph-H, onde H é qualquer um de seus seis hidrogênios. Lembrando que o centro do anel possui maior densidade de elétrons, ele atrai eletrófilos, que atacam o anel para substituir o H em uma reação chamada substituição eletrofílica aromática (SEAr).

Se este H for substituído por um OH, teremos o Ph-OH, fenol; sendo substituído por um CH₃, Ph-CH₃, tolueno; se é NH₂, Ph-NH₂, anilina; ou se for o CH₂CH₃, Ph-CH₂CH₃, etilbenzeno.

Os derivados podem ser iguais ou mais tóxicos do que o benzeno ou, pelo contrário, podem tornar-se tão complexos que têm um efeito farmacológico desejável.

Formulários

É um bom solvente para uma ampla variedade de compostos, presentes por exemplo em tintas, vernizes, adesivos e revestimentos.

Também pode dissolver óleos, gorduras ou ceras, por isso tem sido usado como solvente de extração de essências. Essa propriedade chegou a ser utilizada por Ludwig Roselius em 1903 para descafeinar o café, operação já em desuso devido à toxidade do benzeno. Da mesma forma, foi usado no passado para desengordurar metais.

Em um de seus usos clássicos, não atua como solvente, mas como aditivo: aumentando a octanagem da gasolina, substituindo o chumbo para essa finalidade.

Os derivados do benzeno podem ter diferentes usos; alguns servem como pesticidas, lubrificantes, detergentes, plásticos, explosivos, perfumes, tinturas, colas, medicamentos, etc. Se um anel de benzeno for observado em sua estrutura, é bem provável que sua síntese tenha começado a partir do benzeno.

Entre seus derivados mais importantes estão: cumeno, xileno, anilina, fenol (para a síntese de resinas fenólicas), ácido benzóico (conservante), ciclohexano (para a síntese de náilon), nitrobenzeno, resorcinol e etilbenzeno.

Nomenclatura

A nomenclatura dos derivados de benzeno varia dependendo do grau de substituição, quais são os grupos substituintes e suas posições relativas. Assim, o benzeno pode sofrer substituições mono, di, tri, tetra, etc.

Quando os dois grupos estão ligados a carbonos adjacentes, a designação 'orto' é usada; se houver um carbono entre os separando, 'meta'; e se os carbonos estiverem em posições opostas, 'para'.

As imagens abaixo mostram exemplos de derivados de benzeno com seus respectivos nomes regidos pela IUPAC. Eles também são acompanhados por nomes comuns ou tradicionais.

Observe que, no benzeno trissubstituído, os indicadores orto, para e meta não são mais úteis.

Toxicidade

O benzeno é um composto que deve ser manuseado com cuidado. Devido ao seu cheiro particular, os efeitos negativos imediatos podem ser asfixia, tontura, dores de cabeça, tremores, sonolência, náusea e até morte (com alta exposição). Se ingerido, além dos itens acima, pode causar fortes dores de estômago e convulsões.

Além disso, os efeitos de longo prazo sob exposição constante a esse líquido são cancerígenos; aumenta as chances de o indivíduo sofrer de algum tipo de câncer, principalmente o câncer de sangue: a leucemia.

No sangue, pode diminuir a concentração de hemácias, causando anemia, e também afetar a medula óssea e o fígado, onde é assimilado pelo organismo para gerar derivados de benzeno ainda mais tóxicos; por exemplo, hidroxiquinona. Também se acumula nos rins, coração, pulmões e cérebro.

Referências

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