Ароматни въглеводороди (арени): определение, структура и примери

Научи всичко за ароматните въглеводороди (арени): дефиниция, структура, моно- и полициклични видове, примери и значението на бензеновия пръстен.

Ароматният въглеводород, или арен, е съединение с въглеводороден пръстен. В него се редуват двойни и единични връзки между въглеродните атоми, които образуват пръстени. Много от съединенията имат сладък аромат, откъдето идва и терминът "ароматни". Пръстенът от шест въглеродни атома в ароматните съединения е известен като бензенов пръстен, по името на най-простия възможен въглеводороден пръстен - бензена. Ароматните въглеводороди могат да бъдат моноциклични (MAH) или полициклични (PAH).

Някои съединения на небензенова основа, наречени хетероарени, които следват правилото на Хюкел, също са ароматни съединения. В тези съединения поне един въглероден атом е заменен с един от кислорода, азота или сярата.

Какво означава "ароматност" — структурна и електронна характеристика

Ароматността не се отнася само до миризма, а до специфична електронна конфигурация. Ароматните пръстени са циклични, планарни и имат конюгирана система от π-електрони, която се делокализира над целия пръстен. Това делокализиране дава допълнителна стабилност на молекулата — т.нар. ароматна стабилизация.

• Делокализация: въглеродните атоми в пръстена образуват споделена π-електронна облачност, вместо отделни двойни връзки.
• Резонанс: ароматните съединения често се представят чрез резонансни структури; реалната структура е хибрид между тях.
• Планарност: за да има ефективна π-делокализация, атомите трябва да лежат приблизително в една равнина.

Критерии за ароматичност (правило на Хюкел)

За да се определи дали едно циклично конюгирано съединение е ароматно, се използва правилото на Хюкел. Съществените условия са:

• Циклична, конюгирана система (всяка атомна единица участва с p-орбитал).
• Планарна или почти планарна геометрия.
• Наличност на (4n + 2) π-електрона (където n = 0, 1, 2 ...). Примери: 6 π-електрона за бензен (n = 1), 10 π-електрона за нафтален (n = 2) и т.н.

Съществуват и противоположни понятия: антиароматични (с 4n π-електрона — нестабилни и реактивни) и неароматични (липса на конюгация или планарност).

Примери на ароматни съединения

• Бензен (C6H6) — класическият пример; равномерно разпределени π-електрони по шестчленния пръстен.
• Толуен, фенол, анилин — производни на бензена със заместители (алкилна, хидроксилна, аминогрупа).
• Нафтален (C10H8), антрацен и фенантрен — полициклични ароматни въглеводороди (PAH) с два или повече кондензирани бензенови пръстена.
• Хетероарени — пиридин, пирол, фуран, тиофен; в тези пръстени един или повече въглеродни атоми са заместени с азот, кислород или сяра, но системата остава ароматна при спазване на условието за π-електрони.

Химични реакции

Ароматните системи проявяват характерна реакционна способност:

• Електрофилно ароматично заместване (ЕАЗ): основен тип реакции за бензеновия пръстен — нитриране, сулфониране, халогениране, Friedel–Crafts алкилиране/ацилане. Пръстенът запазва ароматичността си след заместването.
• Хидрогениране: при наличие на подходящ катализатор ароматичният пръстен може да се редуцира до циклоалкани (това изисква енергия и специфични условия).
• Окисление: някои заместители на бензен (напр. алкилни групи) могат да се окислят до карбоксилни киселини; полицикличните ароматни въглеводороди могат да образуват токсични окислени продукти.

Физически свойства и аналитични признаци

• Ароматните пръстени имат характерни UV-Vis и NMR спектрални особености — например протоните на ароматния пръстен в 1H NMR се явяват в зоната на понизено поле (6–8 ppm) поради магнитното поле на π-електроните.
• Като правило, ароматните въглеводороди са по-стабилни и със сравнително високи точки на кипене/топене в сравнение с изоенични ациклични аналогични съединения.

Приложения

Ароматните съединения играят голяма роля в химичната промишленост и всекидневието:

• Изходни суровини за синтез на бои, препарати, фармацевтични продукти и пластмаси.
• Разтворители (напр. бензен — макар че използването му е ограничено заради токсичност).
• Компоненти на горива и лубриканти; PAH се срещат в продуктите от непълно изгаряне.

Опасности и екологични аспекти

• Токсичност: някои ароматни въглеводороди са високо токсични или канцерогенни (напр. бензен е известен като причинител на левкемия; много PAH като бензо[a]пирен са канцерогенни).
• Загрязняване: PAH се акумулират в почви и седименти и са продукт от непълно изгаряне (тютюн, автомобилни емисии, горене на дърва и въглища).
• Поради това има строги регулации за емисии и използване на някои ароматни съединения.

Как се определя ароматичността в практиката

• Спектроскопски методи: NMR (характерни химични измествания), UV-Vis (конюгирани системи), IR.
• Структурно: рентгенова кристалография за измерване на дължините на връзките — при ароматни пръстени дължините са усреднени между единична и двойна връзка.
• Теоретични и калкулационни методи: изчисляване на ароматичната енергия и електронна структура с помощта на квантово-химични методи.

Кратко обобщение: ароматните въглеводороди (арени) са циклични, конюгирани и планарни системи с делокализирани π-електрони, които следват правилото на Хюкел (4n + 2 π-електрона). Те имат специфични физико-химични свойства, широка употреба, но и потенциални рискове за здравето и околната среда.

Модел на бензеновия пръстен

Бензенът, C₆ H₆ , е най-простият ароматен въглеводород и е признат за първия ароматен въглеводород, като естеството на връзката му е осъзнато за първи път от Кекуле през XIX век. Всеки въглероден атом в шестоъгълния цикъл има по четири електрона за споделяне. Един отива към водородния атом и по един към двата съседни въглерода. Остава един, който може да се сподели с един от двата съседни въглеродни атома, поради което молекулата на бензена е нарисувана с редуващи се единични и двойни връзки около шестоъгълника.

Структурата е илюстрирана и като кръг около вътрешността на пръстена, за да се покажат шестте електрона, които плуват наоколо в делокализирани молекулни орбитали с размера на самия пръстен. Това също така представя еквивалентното естество на шестте връзки въглерод-въглерод, всяка от които е еквивалентна на ~1,5. Електроните се визуализират като плаващи над и под пръстена, като генерираните от тях електромагнитни полета поддържат пръстена плосък.

Общи свойства:

1. Проявява ароматност.
2. Съотношението между въглерод и водород е високо.
3. Те горят със саждистожълт пламък поради високото съотношение между въглерода и водорода.
4. Те се подлагат на реакции на заместване.

Символът на кръга за ароматичност е въведен от сър Робърт Робинсън и неговия ученик Джеймс Армит през 1925 г. и популяризиран през 1959 г. от учебника по органична химия на Morrison & Boyd. Правилната употреба на символа е предмет на спорове; в някои публикации той се използва за описание на всяка циклична система Пи, а в други - само на тези системи Пи, които се подчиняват на правилото на Хюкел.

Бензен

Видове ароматни съединения

Почти всички ароматни съединения са съединения на въглерода, но не е задължително те да са въглеводороди.

Хетероциклични съединения

При хетероцикличните ароматни съединения един или повече от атомите в ароматния пръстен са от елемент, различен от въглерод. Примери са пиридин, пиразин, имидазол, пиразол, оксазол и тиофен.

Полициклични вещества

Полицикличните ароматни въглеводороди са молекули с два или повече прости ароматни пръстена, съединени помежду си чрез споделяне на два съседни въглеродни атома. Примери за това са нафталин, антрацен и фенантрен.

Заместени ароматни съединения

Много химични съединения са ароматни пръстени с прикрепени към тях други елементи. Примери за това са тринитротолуенът (TNT), ацетилсалициловата киселина (аспирин), парацетамолът и нуклеотидите на ДНК.

Натлаленът има два пръстена.

Въпроси и отговори

В: Какво е ароматен въглеводород?

В: Как се нарича пръстенът от шест въглеродни атома в ароматните съединения?

В: Каква е разликата между моноцикличните (MAH) и полицикличните (PAH) ароматни въглеводороди?

Въпрос: Защо ароматните въглеводороди се наричат "ароматни"?

В: Какво представляват хетероарените и по какво се различават от ароматните съединения на бензенова основа?

Въпрос: Кой е най-простият възможен въглеводороден пръстен?

В: Кои са двата вида ароматни въглеводороди?

Търсене по буква