Et aromatisk carbonhydrid eller arene er et carbonhydrid, hvis molekylære struktur omfatter en ring, der har en formel veksling af enkelt- og dobbeltbindinger og respekterer Hückels regel om aromatiske egenskaber . Udtrykket "aromatisk" blev givet til disse molekyler før opdagelsen af det fysiske aromatiske fænomen og skyldes det faktum, at disse molekyler har en generelt sød lugt.
Den aromatiske konfiguration af seks carbonatomer kaldes benzenringen efter den enklest mulige aromatiske carbonhydrid benzen . Aromatiske carbonhydrider kan være monocykliske eller polycykliske .
Den benzen , C 6 H 6 , er den enkleste aromatisk carbonhydrid, og blev den første betragtes som sådan, ved arten af dens dekrypterede links for første gang efter August Kekulé under XIX th århundrede. Af natur har hvert kulstofatom i den sekskantede ring 4 valenselektroner, som det deler med systemet. En af dem er optaget af en kovalent binding med et hydrogenatons valenselektron og to andre for den kovalente binding med hvert af de nærliggende carbonatomer. Der er stadig en elektron, som carbonatomet kan dele med et af de to nærliggende kulstofatomer for at danne en anden binding ( π-binding ), som formelt danner en sekskantet ring med alternerende dobbelt- og enkeltbindinger.
I virkeligheden er disse π-bindinger ikke lokaliserede, og π-elektronerne findes delokaliseret gennem hele cyklussen, i en molekylær orbital af ringens størrelse, hvilket stabiliserer molekylet ved aromatisitet og opretholder strukturen af planringen (i modsætning til f.eks. cyclohexan ). Ringenes kulstof-til-kulstofbindinger er omtrent i størrelsesordenen 1,5, og deres længde er den samme i hele ringen (i et lokaliseret system er dobbeltbindinger kortere end enkeltbindinger). I 1925 introducerede Sir Robert Robinson , for bedre at afspejle denne delokalisering, en cirkulær repræsentation af benzenringens π-system , en repræsentation, der blev populariseret fra 1959 i lærebogen om organisk kemi Morrison & Boyd. Den korrekte anvendelse af denne repræsentation debatteres og tjener i nogle publikationer til at repræsentere ethvert cyklisk π-system , mens andre kun bruger det til at repræsentere et aromatisk π- cyklisk system, der adlyder Hückels regel . William B. Jensen på sin side hævder, at med hensyn til Robinsons oprindelige forslag skal brugen af repræsentationen af en cirkel være begrænset til systemer med seks monocykliske π elektroner . I dette perspektiv kan cirkelsymbolet for en 6c - 6e-binding sammenlignes med Y-symbolet for en 3c-2e-binding .
Forbindelser med en benzenring deler en række egenskaber, herunder:
Benzenringen har også egenskaben stabiliserende ladninger. For eksempel i tilfælde af phenol (C 6 H 5 -OH), når hydroxylgruppen (OH) er deprotoneret , den negative ladning på oxygenatomet er delvist delokaliseret på benzenringen ved mesomerism, som stabiliserer den anioniske form , og faktisk gør protonen af phenolen meget mere sur (pK a = 9,95) end for en lineær alkohol (pK a mellem 18 og 20). Denne delokalisering af ladningen favoriserer reaktioner på cyklussen, såsom aromatiske nukleofile substitutioner og aromatiske elektrofile substitutioner .
Udtrykket benzen -derivat (eller benzenderivat) anvendes til forbindelser, der omfatter en central benzen kerne er substitueret med en til seks grupper. F.eks. Er phenol og toluen monosubstituerede benzenderivater, hvor førstnævnte har en hydroxylgruppe , sidstnævnte en methylgruppe bundet til benzenringen. Når benzenringen har mere end en substituent, er deres rumlige fordeling målet for en særlig nomenklatur , og forbindelserne fordeles i de forskellige grupper, ortho , meta og para i henhold til den respektive position i hver gruppe. For eksempel er der tre isomerer af cresol afhængigt af arrangementet af hydroxyl- og methylgrupperne på ringen; hvis de to grupper er tætte, er det ortho (1,2-methylphenol) -isomeren . Hvis de adskilles af et usubstitueret carbonatom, er det meta (1,3-methylphenol), og hvis de er modsatte på ringen, det er para- isomeren (1,4-methylphenol). Ligeledes har xylenol to methylgrupper og en hydroxylgruppe, hvilket giver den seks isomerer.
Acetylsalicylsyre
(aspirin)
Trinitrotoluen (TNT)
En vigtig familie af aromatiske carbonhydrider er polykliske aromatiske carbonhydrider (PAH'er). Disse er forbindelser omfattende flere benzenringe smeltet sammen.
Kemisk forbindelse | Struktur | Kemisk forbindelse | Struktur |
---|---|---|---|
Antracen | Benzo [ a ] pyren | ||
Chrysene | Coronene | ||
Corannulene | Tetracen | ||
Naphthalen | Pentacene | ||
Fenanthren | Pyrene | ||
Triphenylen | Ovalene |
De mest almindelige PAH'er er naphthalen , der består af to sammensmeltede benzenringe, anthracen, som har tre, justeret, tetracen (fire, justeret) og pentacen (fem, justeret). Den phenanthren og triphenylen er eksempler på PDT med ikke-lineære forbindelser. Mere "eksotiske" PAH'er er for eksempel helikopter og corannulen .
Disse forbindelser er især til stede i tunge derivater af råolie og kul ( kultjære ). De er blandt de mest udbredte vedvarende organiske forurenende stoffer , der forbliver i havmiljøet på strande længe efter et olieudslip . De er giftige og generelt kræftfremkaldende .
En reaktion, der danner et aromatisk carbonhydrid fra en mættet eller delvist umættet cyklisk forbindelse kaldes simpelthen "aromatisering". Der er mange laboratoriemetoder til organisk syntese af arenaer fra ikke-arene forløbere. Mange af dem er baseret på cycloaddition- reaktioner . Blandt disse kan nævnes trimering af alkyner , en [2 + 2 + 2] cyklisering af tre alkyner , Wulff-Dötz- reaktionen, reaktion mellem en alkyn, carbonmonoxid og et carben - chrom- kompleks . Den Diels-Alder-reaktionen af en alkyn med pyron eller cyclopentadienone under udvikling af carbondioxid eller carbonmonoxid danner også et aromatisk carbonhydrid. Der kan også nævnes Bergman-cyklisering med en enyne og en hydrogendonor som reaktanter .
Et andet sæt metoder er afhængig af aromatisering af cyclohexaner og andre alifatiske ringe; reagenser og katalysatorer anvendt til hydrogenering anvendes til dette , såsom platin , palladium og nikkel (omvendt hydrogenering), quinoner og grundstofferne svovl og selen .
Aromatiske kulbrinter reagerer med mange organiske reaktioner.
Aromatisk substitution er erstatning af en af substituenterne i arenringen, ofte et hydrogenatom, med en anden substituent. De to hovedtyper er aromatisk elektrofil substitution, når det andet reagens er en elektrofil, og aromatisk nukleofil substitution, når det er nukleofil. I radikal aromatisk nukleofil substitution er den anden reaktant en radikal . Som et eksempel på aromatisk substitution kan nævnes nitrering af salicylsyre :
I koblingsreaktioner katalyserer et metal koblingen mellem to formelle radikaler. Almindelige koblinger med aromatiske kulbrinter giver:
Vi kan nævne eksemplet på aryleringen af pentafluorbenzen ved hjælp af para brommethylbenzen:
Den hydrogenering af arener skaber mættet eller delvis umættet ringe. Den 1-naphthol reduceres fuldstændigt i en blanding af isomerer décalinol :
Den resorcinol , hydrogeneret med Raney-nikkel i nærværelse af natriumhydroxid vandige danner et enolat , som kan alkyleres ved iodmethan i 2-methyl-1,3-cyclohexandion :
Cycloaddition- reaktioner er ikke almindelige på aromatiske kulbrinter. En usædvanlig termisk reaktivitet af typen Diels-Alder kan observeres i Wagner-Jauregg-reaktionen . Andre fotokemiske cycloadditions kan forekomme via excimere .