Ejercicio resuelto de Química · 2024

a) [1,25 puntos] Se muestra, a continuación, la fórmula estructural desarrollada de la cafeína. Indique, razonadamente, la hibridación de los átomos de carbono ${\text{C}}^1$, ${\text{C}}^2$, ${\text{C}}^3$ y ${\text{C}}^4$.



b) [0,75 puntos]

b.1) ¿Qué nombre recibe el compuesto que se forma al hacer reaccionar benceno, ${\text{C}}_6{\text{H}}_6$, con bromo, ${\text{Br}}_2$, en presencia de bromuro de hierro(III), ${\text{FeBr}}_3$? [0,25 puntos]

b.2) Escriba la fórmula estructural desarrollada de dicho compuesto. [0,25 puntos]

b.3) ¿Qué tipo de reacción ha tenido lugar? [0,25 puntos]

$\mathbf{\text{a)}}\mathbf{\text{Indique,}}\mathbf{\text{razonadamente,}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{hibridaci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{los}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tomos}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{carbono}}\mathbf{\text{C¹,}}\mathbf{\text{C²,}}\mathbf{\text{C³}}\mathbf{\text{y}}\mathbf{\text{C⁴.}}\mathbf{\text{[1,25}}\mathbf{\text{puntos]}}$

La regla es contar las $\mathbf{\text{zonas}}$ (dominios de electrones) que rodean a cada carbono: cuatro zonas corresponden a hibridación $s{p}^3$, tres a $s{p}^2$ y dos a $sp$. Un enlace doble cuenta como una sola zona, porque el segundo par está en un orbital $p$ sin hibridar.

${\mathrm{C}}^1$: es el carbono de un grupo metilo unido al nitrógeno. Forma cuatro enlaces simples (tres con hidrógenos y uno con el nitrógeno), es decir, cuatro zonas: hibridación ${\mathbf{\text{sp}}}^3$, con disposición tetraédrica y ángulos de 109,5°.

${\mathrm{C}}^2$: es un carbono carbonílico. Tiene un doble enlace con el oxígeno y dos enlaces simples con los nitrógenos vecinos, tres zonas en total: hibridación ${\mathbf{\text{sp}}}^2$, geometría trigonal plana y ángulos próximos a 120°. El segundo par del $\mathrm{C}=\mathrm{O}$ es un enlace $\pi$ entre los orbitales $p$ sin hibridar.

${\mathrm{C}}^3$: pertenece a la unión de los dos anillos. Está unido a un nitrógeno del anillo de seis, a un nitrógeno del de cinco y, por un doble enlace, al otro carbono del puente: tres zonas, luego hibridación ${\mathbf{\text{sp}}}^2$.

${\mathrm{C}}^4$: es el carbono del anillo de cinco que lleva un hidrógeno. Está unido a ese hidrógeno, a un nitrógeno por enlace simple y a otro por enlace doble: otra vez tres zonas, hibridación ${\mathbf{\text{sp}}}^2$.

Solo el metilo es $s{p}^3$; los tres carbonos que forman parte de los anillos son $s{p}^2$, y sus orbitales $p$ sin hibridar se solapan lateralmente a lo largo del sistema bicíclico, que es lo que le da a la cafeína su carácter plano y deslocalizado.

$\mathbf{\text{b.1)}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{nombre}}\mathbf{\text{recibe}}\mathbf{\text{el}}\mathbf{\text{compuesto}}\mathbf{\text{que}}\mathbf{\text{se}}\mathbf{\text{forma}}\mathbf{\text{al}}\mathbf{\text{hacer}}\mathbf{\text{reaccionar}}\mathbf{\text{benceno}}\mathbf{\text{con}}\mathbf{\text{bromo}}\mathbf{\text{en}}\mathbf{\text{presencia}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{bromuro}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{hierro(III)?}}\mathbf{\text{[0,25}}\mathbf{\text{puntos]}}$

El $\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_3$ es un ácido de Lewis que polariza la molécula de bromo y genera el electrófilo capaz de atacar al anillo. Uno de los hidrógenos del benceno se sustituye por un bromo y se desprende bromuro de hidrógeno:

${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_6+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2\stackrel{\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_3}{\to }{\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5\mathrm{B}\mathrm{r}+\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}$

El producto es el $\mathbf{\text{bromobenceno}}$.

$\mathbf{\text{b.2)}}\mathbf{\text{Escriba}}\mathbf{\text{la}}\mathbf{\text{f}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{rmula}}\mathbf{\text{estructural}}\mathbf{\text{desarrollada}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{dicho}}\mathbf{\text{compuesto.}}\mathbf{\text{[0,25}}\mathbf{\text{puntos]}}$



$\mathbf{\text{b.3)}}\mathbf{\text{¿Qu}}\acute{\mathbf{\text{e}}}\mathbf{\text{tipo}}\mathbf{\text{de}}\mathbf{\text{reacci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{ha}}\mathbf{\text{tenido}}\mathbf{\text{lugar?}}\mathbf{\text{[0,25}}\mathbf{\text{puntos]}}$

Una $\mathbf{\text{sustituci}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}\mathbf{\text{electr}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{fila}}\mathbf{\text{arom}}\acute{\mathbf{\text{a}}}\mathbf{\text{tica}}$ (halogenación del benceno). Merece la pena subrayar el contraste con los alquenos: un doble enlace aislado reaccionaría con el bromo por $\mathbf{\text{adici}}\acute{\mathbf{\text{o}}}\mathbf{\text{n}}$, pero el benceno prefiere sustituir para no perder la estabilidad de su sistema aromático deslocalizado.