BENZENE: STORIA, STRUTTURA, PROPRIETÀ, DERIVATI, USI - CHIMICA - 2025

Il benzene è un composto organico costituito da uno dei più semplici di tutti gli idrocarburi aromatici. La sua formula chimica è C ₆ H ₆ , di cui è noto che il rapporto tra carbonio e idrogeno è pari a 1; vale a dire che per ogni carbonio c'è un idrogeno ad esso legato.

Sebbene il suo aspetto fisico sia quello di un liquido incolore, si trova naturalmente nel petrolio e nei prodotti petroliferi. Il suo odore è molto caratteristico, in quanto ricorda una miscela di colla, bitume e benzina; d'altra parte, è un liquido volatile e infiammabile.

Bottiglia con benzene. Fonte: Air1404

L'immagine sopra mostra un contenitore o una bottiglia con benzene, presumibilmente di purezza non analitica. Se scoperti, i vapori di benzene si diffonderebbero immediatamente in tutto il laboratorio. Per questo motivo questo liquido, comunemente usato come semplice solvente, viene movimentato all'interno di una cappa aspirante.

Essendo la sua formula C ₆ H ₆ , i chimici del XIX secolo hanno innalzato numerose strutture possibili che corrispondessero a detto rapporto C / H uguale a 1. Non solo questo, ma la molecola del benzene doveva avere legami speciali in modo tale da poter essere spiegata la sua insolita stabilità contro le reazioni di addizione; tipico per alcheni e polieni.

Fu così che i loro legami rappresentarono un enigma per i chimici di quel tempo; fino a quando non è stata introdotta la proprietà chiamata aromaticità. Prima di essere considerato un esaciclotriene (con tre legami C = C), il benzene è molto di più ed è un altro dei tanti esempi di sinergia in chimica.

Nella chimica organica, il benzene è un simbolo classico, la base strutturale per più composti poliaromatici. Dal suo esagono si ottengono infiniti derivati ​​mediante sostituzione elettrofila aromatica; un anello dai cui bordi si intreccia la struttura che definisce nuovi composti.

I suoi derivati, infatti, sono dovuti ai vasti usi industriali per i quali hanno bisogno del benzene come materia prima. Dalla preparazione di colle e fibre tessili, a plastiche, gomme, pigmenti, farmaci ed esplosivi. D'altra parte, il benzene si trova naturalmente nei vulcani, negli incendi, nella benzina e nel fumo di sigaretta.

Storia

Scoperta e nomi

La sua scoperta risale al 1825, solitamente attribuita a Michael Faraday, quando raccolse e fece esperimenti con un prodotto petrolifero residuo del gas utilizzato per l'illuminazione. Questo liquido conteneva un rapporto C / H vicino a 1, motivo per cui lo chiamava "idrogeno carburato".

Il chimico Auguste Laurent ha chiamato lo strano idrocarburo "feno", derivato dalla parola greca "phaínein" che significa brillante (perché è stato ottenuto dopo la combustione del gas). Tuttavia, questo nome non è stato accettato dalla comunità scientifica e ha prevalso solo come "fenile", per riferirsi al radicale derivato dal benzene.

Dalla gomma al benzoino il chimico Eilhard Mitscherlich, nove anni dopo, riuscì a produrre lo stesso composto; Pertanto, c'era un'altra fonte per lo stesso idrocarburo, che ha battezzato come "benzina". Tuttavia, non hanno nemmeno considerato il nome appropriato per presumere che fosse un alcaloide, come il chinino.

Pertanto, hanno sostituito il nome "benzine" con "benzol". Tuttavia, ancora una volta c'erano contraddizioni e discrepanze dovute al fatto che il termine "benzolo" confondeva l'idrocarburo per un alcol. Fu allora che nacque il nome "benzene", usato prima in Francia e in Inghilterra.

Produzione industriale

Né il gas di illuminazione né la gomma di benzoino erano fonti appropriate per la generazione di benzene su larga scala. Charles Mansfield, in collaborazione con August Wilhelm von Hofmann, riuscì nel 1845 a isolare il benzene (vent'anni dopo la sua scoperta) dal catrame di carbone, un prodotto secondario della produzione di coke.

Inizia così la produzione industriale di benzene dal catrame di carbone. La disponibilità di benzene in quantità massicce ha facilitato lo studio delle sue proprietà chimiche e ne ha consentito la correlazione con altri composti con reattività simili. Lo stesso August Wilhelm von Hofmann ha coniato la parola "aromatico" per il benzene e i suoi composti correlati.

Strutture storiche

Il sogno di August Kekulé

A Friedrich August Kekulé viene attribuita la struttura esagonale e ciclica del benzene intorno all'anno 1865, derivante da uno strano sogno con Uroboros, il serpente che si morde la coda disegnando un cerchio. Pertanto, credeva che il benzene potesse essere considerato come un anello esagonale e altri chimici hanno sollevato possibili strutture, che sono mostrate di seguito:

Strutture per l'anello benzenico proposto nel corso della storia. Fonte: Jü

Alcune delle strutture superiori potrebbero spiegare la stabilità del benzene.

Libro, anelli e prisma

Si noti che la terza struttura non è nemmeno un anello ma un prisma triangolare, proposto da Albert Ladenburg nel 1869; alla sua sinistra, uno a forma di libro aperto, proposto da Sir James Dewar nel 1867; e alla sua destra, uno con tutti gli idrogeni diretti verso il centro dell'anello, proposto da Henry Edward Armstrong nel 1887.

Particolare è anche la prima struttura, proposta da Adolf Karl Ludwig Claus nel 1867, in quanto i collegamenti CC sono incrociati. E l'ultimo era l'anello "serpentino" di Kekulé, sognato nel 1865.

Qual è stato il "vincitore"? La quinta struttura (da sinistra a destra), proposta nel 1899 da Johannes Thiele.

In questo è stato considerato per la prima volta l'ibrido di risonanza, che ha unito le due strutture di Kekulé (ruotare il primo anello a destra per osservarlo) e ha spiegato straordinariamente la delocalizzazione degli elettroni e, con essa, la stabilità fino ad allora insolita del benzene.

Struttura del benzene

Anello benzenico aromatico. Fonte: Benjah-bmm27

Sopra è la struttura proposta da Thiele utilizzando un modello di sfere e barre.

La molecola del benzene è piatta, con gli atomi di idrogeno che puntano verso l'esterno dai lati dell'anello. Tutti gli atomi di carbonio hanno ibridazione sp ² , con un orbitale p disponibile per stabilire il sistema aromatico in cui si delocalizzano sei elettroni.

Questi atomi di carbonio sp ² sono più elettronegativi degli idrogeni, e quindi i primi ritirano la densità elettronica al secondo (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Di conseguenza, il centro dell'anello ha una maggiore concentrazione di elettroni rispetto ai suoi lati.

Più precisamente, il sistema aromatico può essere rappresentato come una nuvola o tampone elettronico espanso su entrambi i lati dell'anello esagonale; e al centro, sui lati o sui bordi, una deficienza elettronica costituita da idrogeni con carica parziale positiva.

Grazie a questa distribuzione di cariche elettriche, le molecole di benzene possono interagire tra loro tramite forze dipolo-dipolo; Gli atomi di H ^{δ +} sono attratti dal centro aromatico di un anello vicino (questo sarà rappresentato di seguito).

Inoltre, i centri aromatici possono essere impilati uno sull'altro per favorire l'induzione dei dipoli istantanei.

Risonanza

Strutture e ibrido di risonanza del benzene. Fonte: Edgar181 da Wikipedia.

Le due strutture Kekulé sono mostrate nella parte superiore dell'immagine e sotto di esse, l'ibrido di risonanza. Poiché le due strutture si ripetono più e più volte contemporaneamente, l'ibrido è rappresentato da un cerchio disegnato al centro (simile a una “ciambella esagonale”).

Il cerchio ibrido è importante perché indica il carattere aromatico del benzene (e quello di molti altri composti). Inoltre, sottolinea che i collegamenti non sono lunghi quanto CC, né sono corti come C = C; piuttosto, la loro lunghezza è compresa tra i due estremi. Pertanto, il benzene non è considerato un poliene.

Ciò è stato dimostrato misurando le lunghezze dei legami CC (139 pm) del benzene, che sono leggermente più allungate dei legami CH (109 pm).

Cristalli

Struttura cristallina ortorombica del benzene. Fonte: Ben Mills

Il benzene è un liquido a temperatura ambiente. Le sue forze intermolecolari fanno sì che, nonostante non abbia un momento di dipolo così pronunciato, può tenere insieme le sue molecole in un liquido che bolle a 80 ° C. Quando la temperatura scende sotto i 5 ° C, il benzene inizia a gelare: si ottengono così i suoi cristalli corrispondenti.

Gli anelli di benzene possono adottare modelli strutturali definiti nel loro solido. I loro dipoli li inducono a “inclinarsi” a sinistra oa destra, formando file che possono essere riprodotte da una cellula unitaria ortorombica. Pertanto, i cristalli di benzene sono ortorombici.

Si noti nell'immagine in alto che l'inclinazione degli anelli favorisce le interazioni tra l'H ^{δ +} ed i centri aromatici, citati nelle sottosezioni precedenti.

Proprietà

Massa molecolare

78,114 g / mol.

Aspetto fisico

Liquido incolore con un odore simile alla benzina.

Punto di ebollizione

80 ° C.

Punto di fusione

5,5 ° C.

punto di accensione

-11ºC (vaso chiuso).

Temperatura di autoaccensione

497,78 ° C.

Densità

0,8765 g / mL a 20 ° C.

solubilità

Un litro di acqua bollente può a malapena sciogliere 3,94 g di benzene. Il suo carattere apolare lo rende praticamente immiscibile con l'acqua. Tuttavia, è miscibile con altri solventi, come etanolo, eteri, acetone, oli, cloroformio, tetracloruro di carbonio, ecc.

Densità del vapore

2,8 rispetto all'aria (cioè quasi tre volte più densa).

Pressione del vapore

94,8 mm Hg a 25 ° C.

Calore di combustione

-3267,6 kJ / mol (per benzene liquido).

Calore di vaporizzazione

33,83 kJ / mol.

Tensione superficiale

28,22 mN / ma 25 ° C.

Indice di rifrazione

1.5011 a 20 ° C.

Derivati

Gli idrogeni del benzene possono essere sostituiti da altri gruppi o atomi. Possono esserci una o più sostituzioni, aumentando il grado di sostituzione fino a quando nessuno dei sei idrogeni originali rimane.

Ad esempio, supponiamo il benzene come Ph-H, dove H è uno dei suoi sei idrogeni. Ricordando che il centro dell'anello ha una densità di elettroni più alta, attrae gli elettrofili, che attaccano l'anello per sostituire H in una reazione chiamata sostituzione elettrofila aromatica (SEAr).

Se questa H viene sostituita da un OH, avremo il Ph-OH, fenolo; essendo sostituito da un CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluene; se è NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilina; o se è CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etilbenzene.

I derivati ​​possono essere uguali o più tossici del benzene, o al contrario possono diventare così complessi da avere un effetto farmacologico desiderabile.

applicazioni

È un buon solvente per un'ampia varietà di composti, presente ad esempio in pitture, vernici, adesivi e rivestimenti.

Allo stesso modo, può sciogliere oli, grassi o cere, motivo per cui è stato utilizzato come solvente per l'estrazione di essenze. Questa proprietà venne utilizzata da Ludwig Roselius nel 1903 per decaffeinizzare il caffè, operazione già in disuso a causa della tossicità del benzene. Allo stesso modo, è stato utilizzato in passato per sgrassare i metalli.

In uno dei suoi usi classici, non agisce come un solvente ma come un additivo: aumentando il numero di ottani della benzina, sostituendo a questo scopo il piombo.

I derivati ​​del benzene possono avere usi differenti; alcuni servono come pesticidi, lubrificanti, detergenti, plastica, esplosivi, profumi, coloranti, colle, droghe, ecc. Se si osserva un anello benzenico nella sua struttura, è molto probabile che la sua sintesi sia iniziata dal benzene.

Tra i suoi derivati ​​più importanti ci sono: cumene, xilene, anilina, fenolo (per la sintesi delle resine fenoliche), acido benzoico (conservante), cicloesano (per la sintesi del nylon), nitrobenzene, resorcinolo ed etilbenzene.

Nomenclatura

La nomenclatura dei derivati ​​del benzene varia a seconda del grado di sostituzione, di cosa sono i gruppi sostituenti e delle loro posizioni relative. Pertanto, il benzene può subire sostituzioni mono, di, tri, tetra, ecc

Quando i due gruppi sono attaccati a carboni adiacenti, viene utilizzata la designazione "orto"; se c'è un carbonio nel mezzo che li separa, "meta"; e se i carboni sono in posizioni opposte, "para".

Le immagini seguenti mostrano esempi di derivati ​​del benzene con i rispettivi nomi disciplinati dalla IUPAC. Sono anche accompagnati da nomi comuni o tradizionali.

Monoderivati ​​del benzene. Fonte: Gabriel Bolívar.

Altri derivati ​​del benzene. Fonte: Gabriel Bolívar.

Si noti che nel benzene trisostituito gli indicatori orto, para e meta non sono più utili.

Tossicità

Il benzene è un composto che deve essere maneggiato con cura. Dato il suo odore particolare, gli effetti negativi immediati possono essere soffocamento, vertigini, mal di testa, tremori, sonnolenza, nausea e persino morte (con elevata esposizione). Se ingerito, oltre a quanto sopra, può provocare forti dolori allo stomaco e convulsioni.

Inoltre, gli effetti a lungo termine sotto costante esposizione a questo liquido sono cancerogeni; aumenta le possibilità che l'individuo soffra di qualche tipo di cancro, in particolare il cancro del sangue: la leucemia.

Nel sangue può diminuire la concentrazione di globuli rossi, provocando anemia, e colpire anche il midollo osseo e il fegato, dove viene assimilato dall'organismo per generare derivati ​​del benzene ancora più tossici; per esempio, idrossichinone. Si accumula anche nei reni, nel cuore, nei polmoni e nel cervello.

Riferimenti

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