Węglowodór aromatyczny - Polski Serwis Naukowy

Węglowodory aromatyczne, areny – cykliczne węglowodory, w których istnieją sprzężone wiązania wielokrotne, czyli zamknięty układ naprzemiennie położonych wiązań podwójnych i pojedynczych między atomami węgla. We wszystkich atomach pierścienia aromatycznego zachodzi hybrydyzacja sp2, dzięki czemu cząsteczki są płaskie (o ile dodatkowe czynniki stereochemiczne nie wymuszają odchyłek, jak np. dla fullerenu C60).

Orbital molekularny (inaczej: cząsteczkowy, skrót: MO) jest funkcją, opisującą stan elektronu w cząsteczce, w ramach teorii orbitali molekularnych. Zwykle przedstawia się go jako kombinację orbitali atomowych - "zwykłych" bądź zhybrydyzowanych.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.

Układ ten powoduje, że wiązania, "rozmywają" się tak, że nie można dokładnie ustalić, które z nich są podwójne, a które pojedyncze. Jedna z metod formalnego opisu tego zjawiska opiera się na założeniu występowania rezonansu chemicznego. Mechanika kwantowa pozwala wyznaczyć funkcje falowe elektronów. Elektrony tworzące wiązania π zajmują kolejne orbitale cząsteczkowe, zgodnie z zasadami stosowanymi do orbitali atomowych. Obsadzanie kolejnych orbitali π przez pary elektronowe rozpoczyna się od tych, które mają najmniejszą energię. Obliczona łączna gęstość elektronowa na trzech orbitalach wiążących wskazuje, że w stanie podstawowym "rozchodzą" się po równo po wszystkich atomach w pierścieniu. Energia całej cząsteczki jest wówczas mniejsza od energii obliczonej dla struktury Kekulégo (3 wiązania C-C i 3 wiązania C=C). Tę różnicę nazywa się „energią stabilizacji aromatycznej”, „energią stabilizacji przez sprzężenie” albo „energią rezonansu”.

Funkcja falowa to w mechanice kwantowej funkcja zmiennych konfiguracyjnych np. położenia, o wartościach zespolonych, będąca rozwiązaniem równania Schrödingera, opisująca czysty stan kwantowy cząstki. Wartość funkcji falowej dla danych parametrów nazywa się amplitudą prawdopodobieństwa, a kwadrat jej modułu jest proporcjonalny do gęstości prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w danym punkcie przestrzeni (jest to tzw. postulat Borna). Ścisła definicja matematyczna wymaga odniesienia się do własności przestrzeni Hilberta. Wg interpretacji kopenhaskiej funkcja falowa opisuje stan naszej wiedzy o układzie kwantowym i jako taka nie ma charakteru ontologicznego. Inne interpretacje często zakładają realne istnienie funkcji falowej.

Ksyleny - (nazwa systematyczna: dimetylobenzen wzór sumaryczny: C8H10) - organiczne związki chemiczne - węglowodory aromatyczne stosowane głównie jako wysokowrzące rozpuszczalniki organiczne.

Nie wszystkie węglowodory cykliczne posiadające sprzężone wiązania wielokrotne są aromatyczne. Prostym, choć nie zawsze skutecznym testem na aromatyczność jest reguła Hückla, głosząca że związek jest aromatyczny, jeśli liczba elektronów tworzących wiązania π w pierścieniu jest równa 4n+2, gdzie n jest dowolną liczbą naturalną. Istnieją jednak związki aromatyczne, które nie spełniają tej reguły (np: piren).

Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

Wiązanie π - wiązanie chemiczne powstałe w wyniku nakładania bocznego orbitali atomowych (oprócz s). Kształt tego wiązania wyznacza orbital molekularny π. Przy opisie wiązania π w indeksie dolnym lub po spacji podaje się jakie orbitale tworzą dane wiązanie, np. πd-d, πp-p*, gdzie * oznacza orbital antywiążący.

Struktura wiązań w arenach powoduje, że są one bardzo trwałe, a ich reaktywność znacząco różni się od innych węglowodorów nienasyconych. Charakterystyczną reakcją dla węglowodorów aromatycznych jest substytucja elektrofilowa katalizowana kwasami Lewisa, zwana reakcją Friedla-Craftsa (reakcja przedstawia alkilowanie benzenu):

Węglowodory to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru.

Hybrydyzacja - w chemii kwantowej to matematyczne przekształcenie funkcji orbitalnych, polegające na "skrzyżowaniu" dwóch lub więcej orbitali atomowych, na skutek czego powstają nowe orbitale, posiadające inny kształt i energię. W istocie hybrydyzacja jest operacją matematyczną ułatwiającą skonstruowanie teorii orbitali walencyjnych, a nie rzeczywistym zjawiskiem fizycznym.

Cząsteczki węglowodorów aromatycznych takich jak benzen, czy benzopiren są płaskie. Mają więc możliwość wślizgiwania się między nukleotydy DNA, co nadaje im właściwości rakotwórcze.

Wzory i nazewnictwo

Wzór benzenu - najprostszego arenu zapisuje się na dwojaki sposób. Po pierwsze, stosując wzory Kekulégo:

Struktury Kekulégo benzenu

Zapis tego typu jest często wygodny, jednak sugeruje on błędnie że benzen posiada strukturę cykloheksa-1,3,5-trienu. Poprawniejszą formą wzoru strukturalnego tego związku jest:

Orbital – powierzchnia opisana funkcją falową, będącą rozwiązaniem równania Schrödingera dla szczególnego przypadku układu jednego elektronu znajdującego się na jednej z powłok atomowych lub tworzących wiązanie chemiczne.

Pentacen (2,3,6,7-dibenzoantracen) - organiczny związek chemiczny, policykliczny węglowodór aromatyczny, zbudowany z 5 skondensowanych pierścieni benzenowych. Pentacen był pierwszą pojedynczą cząsteczką sfotografowaną za pomocą mikroskopu sił atomowych z rozdzielczością umożliwiającą wizualizację poszczególnych atomów i wiązań.

zapis struktury benzenu z "kółkiem" - wiązaniem zdelokalizowanym

w której okrąg oznacza układ wiązań zdelokalizowanych (6 elektronów). Zapis ten nie jest stosowany w przypadku kolejnych węglowodorów aromatycznych, aby uniknąć pomyłki w liczebności zdelokalizowanych elektronów. I tak następny aren - naftalen (10 elektronów π) ma wzór:

Fenantren – organiczny związek chemiczny, policykliczny węglowodór aromatyczny (trójcykliczny). Jest zbudowany z trzech pierścieni benzenu, skondensowanych w sposób kątowy. W roztworach wykazuje słabą niebieską fluorescencję.

Izomeria konstytucyjna – rodzaj izomerii cząsteczek chemicznych posiadających tę samą liczbę tych samych atomów, między którymi występuje jednak inny układ wiązań chemicznych. Izomery konstytucyjne posiadają ten sam ogólny wzór sumaryczny.

Wzór naftalenu

W przypadku węglowodorów aromatycznych niepodstawionych skondensowanych stosuje się najczęściej nomenklaturę zwyczajową (benzen, naftalen, antracen, fenantren). W przypadku arenów o liczbie skondensowanych pierścieni większej od 4 nazwę ustala się dodając do greckiego rdzenia liczby pierścieni sufiks -acen (pentacen, heksacen, heptacen itd.).

Reguła Hückla zwana też regułą 4n+2 - prosta metoda pozwalająca na sprawdzenie, czy określony, organiczny, cykliczny związek chemiczny jest aromatyczny. Reguła ta wynika z analiz kwantowo-mechanicznych zjawiska aromatyczności wykonanych przez Ericha Hückla w 1931 r. Sama reguła 4n+2 została jednak sformułowana przez von Doeringa w 1951 r.

Cymen (właściwie: p-cymen, 4-metylo-izopropylobenzen lub p-metylo-izopropylobenzen) to organiczny związek chemiczny z grupy węglowodorów aromatycznych, pochodna benzenu o wzorze: CH3-C6H5–CH(CH3)2. Występuje w olejkach eterycznych.

W przypadku arenów jednopodstawionych, takich jak toluen:

Struktura toluenu

przy ustalaniu nazwy systematycznej do nazwy arenu dodaje się jako przedrostek przekształconą nazwę podstawionego pierwiastka lub grupy (np. chloro-, etylo-, itd.). W przypadku toluenu nazwa systematyczna to metylobenzen.

W przypadku węglowodorów aromatycznych wielopodstawionych w nazwie wymienia się w porządku alfabetycznym lokanty wszystkich grup i atomów pierwiastków, tak aby suma ich liczb była najmniejsza, a numer lokantu podstawnika pierwszego wg alfabetu był jak najniższy. Dla przykładu nazwa systematyczna p-cymenu to 1-metylo-4-(propan-2-ylo)benzen, a półsystematyczna to 1-izopropylo-4-metylobenzen.

Wiązanie σ – wiązanie chemiczne powstałe w wyniku nakładania czołowego orbitali atomowych. Kształt wiązania σ wyznacza orbital molekularny σ. Przy opisie wiązania σ w indeksie dolnym lub po spacji podaje się, jakie orbitale tworzą dane wiązanie, np.: σsp-sp, σsp2-sp, σsp3-s, σp-p*, σs-s, gdzie * oznacza orbital antywiążący.

Związki aromatyczne – związki organiczne posiadające w cząsteczce zdelokalizowane elektrony π, tworzące tzw. układ aromatyczny. Zapewnia on cząsteczce dużo większą trwałość niż należałoby oczekiwać dla związku zawierającego wiązania podwójne.

Struktura p-cymenu

W nazewnictwie stosuje się także oznaczenia orto (o-), meta (m-), para (p-). Określają one wzajemne położenie dwóch podstawników względem siebie:

orto- to położenie obok siebie, przy dwóch kolejnych atomach węgla, a zatem w pozycji 1,2

meta- to położenie w pozycji 1,3 - a zatem między dwoma podstawnikami występuje jeden niepodstawiony nimi atom węgla.

para- - to położenie naprzeciwko. W przypadku pochodnych benzenu odpowiada to pozycji 1,4.

Dwa związki aromatyczne, które różnią się tylko położeniem podstawników są izomerami konstytucyjnymi typu orto, meta, para.

Izomeria orto-, meta, para- to jeden z rodzajów izomerii konstytucyjnej (izomerii strukturalnej). Jest to izomeria związana z położeniem podstawników w pierścieniu benzenowym.

Fulereny (fullereny) (ang. fulleren) – cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Cząsteczki fulerenów zawierają od 28 do ok. 1500 atomów węgla.

Przykłady izomerów ksylenu:

o-ksylen
(1,2-dimetylobenzen)

m-ksylen
(1,3- dimetylobenzen)

p-ksylen
(1,4-dimetylobenzen)

W Wikimedia Commons znajdują się multimedia związane z tematem:
Węglowodory aromatyczne

Zobacz też

Związki aromatyczne

Przypisy

Takie wiązania tworzą elektrony, które nazywa się zdelokalizowanymi.
lub fenylometan, jeśli związek ten będzie traktowany jako pochodna metanu