En química orgánica, la aromaticidad describe la resonancia de los dobles enlaces conjuntados en moléculas cíclicas. Gracias a esta resonancia, los electrones de los dobles enlaces quedan deslocalizados en todo el anillo, lo que mejora la estabilidad y permite que las moléculas adquieran una geometría plana.
Los compuestos aromáticos más habituales derivan del benceno, por lo que a veces se usa como sinónimo, aunque existen muchos más tipos.
En 1855, August Wilhelm Hofmann fue el primero en utilizar el término «aromático» como propiedad química. Aunque no se sabe por qué eligió este adjetivo, hay que tener claro que la aromaticidad, desde un punto de vista químico, no tiene nada que ver con el olfato ni con sustancias volátiles.
En este artículo, vamos a explicar en detalle qué es la aromaticidad, cuáles son las características principales de los compuestos aromáticos y algunos de los ejemplos más importantes.
Índice de contenido
Concepto de aromaticidad
La aromaticidad se define como una propiedad de los cicloalquenos conjugados, también llamados arenos o hidrocarburos aromáticos, por la cual presentan una estructura plana y alta estabilidad respecto a moléculas con una disposición atómica similar pero sin la presencia de dobles enlaces conjugados.
Los dobles enlaces conjugados son los dobles enlaces que aparecen de forma alterna a lo largo de una cadena de átomos de carbono, pero en realidad los electrones de los dobles enlaces conjugados no están comprometidos a átomos de carbono concretos de la molécula, sino que se encuentra deslocalizados.
Las moléculas con dobles enlaces conjugados presentan resonancia, es decir, se pueden representar de diversas formas o isómeros.
Tomemos como ejemplo el benceno. El benceno está formado por un anillo de seis átomos de carbono y dobles enlaces conjugados. La molécula se puede presentar mediante varios isómeros:
Cualquier de los isómeros es válido, pues en realidad son representaciones hipotéticas de la estructura real del compuesto. Por este motivo, lo más habitual es que los compuestos aromáticos se representen mediante su híbrido de resonancia, y no mediante un isómero concreto, para mostrar la deslocalización de los electrones.
El híbrido de resonancia del benceno sería el siguiente:
Características de los compuestos aromáticos
La deslocalización de los electrones de los dobles enlaces conjugados da lugar a las dos características más importantes de los compuestos aromáticos:
- Alta estabilidad
- Estructura espacial plana
Una de las evidencias de la mayor estabilidad es la mayor energía de hidrogenación en los compuestos aromáticos. Por ejemplo:
Respecto a la estructura plana, podemos comparar, por ejemplo, el anillo de seis átomos del ciclohexano (no aromático) que adopta una forma de «silla», frente al anillo del benceno (aromático) que es plano:
Aromaticidad e hibridación de orbitales sp2
La aromaticidad, desde la teoría de los orbitales moleculares, se explica mediante la hibridación de orbitales sp2.
La hibridación sp2 consiste en la combinación de un orbital s y dos orbitales p , para formar el híbrido sp2. En el átomo de carbono, la hibridación sp2 da lugar a 3 híbridos sp2 y un orbital p.
Los 3 orbitales híbridos sp2 son iguales y quedan en el mismo plano, mientras que el orbital p es diferente a los sp2 y queda perpendicular a estos. La hibridación sp2 en el átomo de carbono tendría esta estructura geométrica:
Los enlaces simples se conectan a través de loss orbitales sp2, que al estar en el mismo plano provoca que la molécula sea plana. Los electrones de los dobles enlaces quedan en los orbitales p, que al deslocalizarse forman un enlace circular π (pi); aparece un orbital pi en el plano superior y otro en el plano inferior.
Reglas de la aromaticidad
De todo lo que hemos descrito anteriormente se deducen las cuatro reglas que debe cumplir una molécula orgánica para ser aromática:
- Molécula cíclica
- Todos los átomos del anillo debe estar conjugados
- La molécula tiene 4n + 2 electrones pi, donde n puede ser 0, 1, 2, etc. Esta regla se conoce como regla de Regla de Hückel, si el número de electrones sp2 es 4n la molécula es antiaromática.
- La molécula es plana (esto se cumple si se cumplen las reglas 1, 2 y 3, salvo algunas excepciones raras, por ejemplo en el 10-anuleno)
Tipos y ejemplos de compuestos aromáticos
Los compuestos aromáticos más comunes son hidrocarburos derivados del benceno, pero existen muchos más tipos de moléculas que presentan aromaticidad.
Homociclos neutrales
El benceno y prácticamente todos los demás anulenos (hidrocarburos monocíclicos totalmente conjugados) son los ejemplos típicos de compuestos aromáticos, con la notable excepción del 10-anuleno (ciclodecapentaeno), que como mencionábamos antes no cumple el requisito de ser una molécula plana.
Heterociclos
Los compuestos aromáticos heterocíclicos son aquellos en los que algún carbono del anillo aromático es sustituido por un elemento diferente, frecuentemente nitrógeno, oxígeno o azufre.
Ejemplos de heterociclos aromáticos son la piridina, la pirazina, el pirrol, el oxazol o el tiofeno.
Compuestos aromáticos policíclicos
Los compuestos aromáticos policíclicos presentan dos o más anillos aromáticos fusionados que comparten átomos de carbonos entre sí. Ejemplos de este tipo son el naftaleno, el antraceno, etc.
Compuestos aromáticos con grupos funcionales
Muchos compuestos aromáticos tienen grupos funcionales unidos al anillo aromático. Este tipo de sustancias son muy importantes en bioquímica, por ejemplo, las bases nitrogenadas del ADN tienen este tipo de estructura.
También son muy importantes en farmacología, por ejemplo, la aspirina y el paracetamol tienen anillos aromáticos con diversos grupos funcionales unidos.
Iones aromáticos
Existen moléculas iónicas (con carga eléctrica) que cumplen las reglas de la aromaticidad. Por ejemplo, el anión ciclopentadienilo y el catión cicloheptatrienilo.
Compuestos aromáticos atípicos
La aromaticidad también se da en compuestos cíclicos inorgánicos, aunque se pueden considerar raros y la mayoría son producto de síntesis en laboratorio.
Por ejemplo, la borazina es un anillo de 6 átomos alternando nitrógeno y boro y presenta aromaticidad.
Otras simetrías aromáticas
Además de la aromaticidad «clásica» que hemos descrito, que se suele denominar aromaticidad de Hückel para diferenciarlas de las demás, existen otras estructuras cíclicas que presentan alta estabilidad y que consideran como tipos de aromaticidad:
- Aromaticidad de Hückel: es la aromaticidad clásica que cumple la regla de Hückel de tener 4n + 2 electrones pi, tiene simetría cilíndrica y ocurre en los anillos aromáticos.
- Aromaticidad de Möbius y Hückel-Möbius: presentan 4n electrones pi y ocurre en anillos aromáticos trans.
- Aromaticidad esférica: presentan 2(n+1)2 electrones pi, tiene simetría esférica y ocurre en los fullerenos.