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]

$\textbf{a) Indique, razonadamente, la hibridación de los átomos de carbono C¹, C², C³ y C⁴. [1,25 puntos]}$

La regla es contar las $\textbf{zonas}$ (dominios de electrones) que rodean a cada carbono: cuatro zonas corresponden a hibridación $sp^3$, tres a $sp^2$ 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 $\textbf{sp}^3$, 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 $\textbf{sp}^2$, geometría trigonal plana y ángulos próximos a 120°. El segundo par del $\mathrm{C{=}O}$ 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 $\textbf{sp}^2$.

$\mathrm{C^4}$: 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 $\textbf{sp}^2$.

Solo el metilo es $sp^3$; los tres carbonos que forman parte de los anillos son $sp^2$, 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.

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

El $\mathrm{FeBr_3}$ 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:

$\mathrm{C_6H_6} + \mathrm{Br_2} \xrightarrow{\ \mathrm{FeBr_3}\ } \mathrm{C_6H_5Br} + \mathrm{HBr}$

El producto es el $\textbf{bromobenceno}$.

$\textbf{b.2) Escriba la fórmula estructural desarrollada de dicho compuesto. [0,25 puntos]}$



$\textbf{b.3) ¿Qué tipo de reacción ha tenido lugar? [0,25 puntos]}$

Una $\textbf{sustitución electrófila aromática}$ (halogenación del benceno). Merece la pena subrayar el contraste con los alquenos: un doble enlace aislado reaccionaría con el bromo por $\textbf{adición}$, pero el benceno prefiere sustituir para no perder la estabilidad de su sistema aromático deslocalizado.