Арени

Бензенов пръстен

Ароматен въглеводород или арен (понякога арилов въглеводород) е въглеводород с циклична структура и делокализиран π-електронен секстет. Терминът ароматни е предложен преди определянето на физическия механизъм за ароматност и произлиза от факта, че много от тези съединения имат сладникав аромат. Конфигурацията на шестте въглеродни атома в ароматните съединения е известна като пръстен на бензена, по името на възможно най-простия въглеводород – бензен (ост. бензол). Ароматните въглеводороди могат да бъдат моноциклични или полициклични.

В арените въглеродните и водородните атоми образуват бензеново ядро и са свързани помежду си чрез сигма (σ) и 6-пи (π) делокализирана връзка. Въглеродният атом в молекулата на арените се намира в sp² хибридно състояние.

• Моноядрени арени

Моноядрените арени са изградени от едно бензеново ядро (). Това са бензенът и неговите хомолози.

Хекса-пери-хексабензокоронен

• Полиядрени арени

Полиядрени арени има в два случая:

• когато две ядра са свързани помежду си чрез сигма (σ) връзка между два въглеродни атома;
• когато две ядра са свързани помежду си чрез два общи въглеродни атома (бифенил).

Някои небензенови производни съединения, наречени хетероарени, които отговарят на правилото на Хюкел, също са ароматни съединения. В тези съединения най-малко един въглероден атом е заменен с един от хетероатомите кислород, азот или сяра. Пример за небензеново хетеросъединение с ароматни свойства е фуранът, хетероциклено съединения с петчленен пръстен, който включва един кислороден атом, както и пиридин, хетероциклено съединения с шестчленен пръстен, съдържащи един азотен атом.

Бензен и производните му

Орто-, мета-, и пара-ориентация при бензен

Бензеновите производни имат между един и шест заместители, свързани към централното ядро. Примери на бензенови производни само с един заместител са фенолът, който носи хидроксилна група, и толуенът с метилова група. Когато има повече от един заместител в пръстена, тяхната пространствена ориентация стават важна, като се делят на орто-, мета-, и пара-ориентирани. Така например при трите изомера за крезола, метилова и хидроксилна групи може да бъдат поставени в непосредствена близост една от друга (орто), през една позиция (мета) или една срещу друга (пара). Ксиленолът има две метилови групи в допълнение към хидроксилната група и за тази структура съществуват 6 изомера.

• Основни бензенови производни
• 
  Толуен
• 
  Етилбензен
• 
  p-Ксилен
• 
  m-Ксилен
• 
  Мезитилен
• 
  Дурен
• 
  2-Фенилхексан
• 
  Бифенил
• 
  Фенол
• 
  Анилин
• 
  Нитробензен
• 
  Бензенова киселина
• 
  Аспирин
• 
  Парацетамол
• 
  Пикринова киселина

Ароматност

Правило на Хюкел за ароматност

През 1931 г. Ерих Хюкел извежда т.нар. 4n+2 правило. То гласи, че плоските циклични спрегнати системи са ароматни, ако имат (4n+2) π-електрона (n=1,2,3...), и неароматни, ако имат 4n π-електрона в пръстена. Бензенът има 4n+2=6 π-електрона (n=1) и е ароматен. Циклобутадиенът има 4 π-електрона (n=1) и е антиароматен (крайно неустойчив, получен 1965 г. при -78 °C и веднага се димеризира). Следователно наличието на циклична (затворена) спрегната π-система е необходимо, но не е единствено условие за ароматност. За да бъде едно съединение ароматно, е необходимо да се спази преди всичко и правилото на Хюкел. Правилото обобщено гласи, че в молекулата на съединението трябва:

1. да се съдържат атоми, свързани в пръстен (като освен C-атоми в пръстена могат да участват и други атоми – хетероциклични съединения);
2. броят на π-електроните от нехибридните p-AO в пръстена да са равни на 4n+2 (Хюкел), като n=0, 1, 2, 3 и т.н.;
3. орбиталите на всички атоми в пръстена да са в sp²-хибридизация (виж МВВ).

Просто казано едно циклично съединение е ароматно, ако в пръстена му се редуват двойни и прости връзки и ако съдържа 2, 6, 10, 14, 18 или 26… на брой π-електрони в него:

• 2 (n=0 при циклопропенилиев катион – )
• 6 (n=1 при бензен и пиридин – , пирол ,фуран и циклопентадиенилнатрий – виж долу)
• 10 (n=2 при нафтален – )
• 14 (n=3 при антрацен – и фенантрен – )
• 18 (n=4 при анулен – )
• 26 (n=6 при хемът на хемоглобина) са с ароматни свойства и са копланарни. Това правило е потвърдено с многобройни синтезирани за целта съединения, но има и такива, които не отгова­рят на правилото, а имат ароматен характер, напр. пирен.

Ако пръстеновидно съединение има нечетен брой редуващи се двойни връзки, то най-вероятно е ароматно.

Примери за други ароматни съединения

Циклопентадиенилнатрии

Структура на циклопентадиенилнатрии

От циклопентадиен след изместване водороден атом от метиленовата си група с натрий се получава циклопентадиенилнатрий, в пръстена на който се съдържат 6 спрегнати π-електрона (4x1+2 = 6), което го прави ароматно съединение.

Фероцен

Структурна формула на фероцен

Водороден атом може да се замести и с халогенмагнезилна група, като напр. C₂H₅MgBr. Продукт на реакцията е циклопентадиенилмагнезиев бромид, който реагира с железен дихлорид и дава кристалното съединение бис-циклопентадиенилжелязо (портокале­в цвят) наречено фероцен от Роберт Удуърт. Фероценът съдържа два петатомни пръсте­на, изградени от СН-групи. Във всеки от тях четирите π-електрона от π-връзките и двойката електрони от аниона на СН-групата (про­излязла от СН₂-групата) образуват общ π-секстет. Така фероценът има два π-секстета и притежава ароматен характер (по­добно на бензена). Двете ядра са копланарни. Железният атом в това съединение е свързан с петте C-атома на всеки от пръстените подобно на сандвич. „Сандвичевата“ структура на фероцена е потвърдена по рентгенографски път. Фероценът може да реа­гира с ацетилхлорид, като дава диацетилно производно (синтез по Фридел-Крафтс).

Структура на бифенил

Структура на нафтален

Множество важни химически съединения са производни на бензена, вследствие на заместване на един или повече от водородните му атоми с друга функционална група. Примери за прости бензенови производни са фенол, толуен и анилин. Бензеновият остатък (радикал), участващ в различни други съединения, се нарича фенил или фенилова група. Свързването на две бензенови ядра дава бифенил C₆H₅-C₆H₅. Последваща загуба на водороден атом води до образуването на полициклични ароматни въглеводороди, като нафтален, антрацен. Краят на свързването на бензеновите ядра се осъществява при безводородната алотропна форма на въглерода – графит.