Aromatiniai angliavandeniliai (arenai): apibrėžimas, tipai ir savybės

Sužinokite, kas yra aromatiniai angliavandeniliai (arenai): benzeno žiedas, monocikliniai ir policikliniai tipai, heteroarenai bei jų cheminės ir fizinės savybės.

Aromatinis angliavandenilis arba arenas yra angliavandenilio žiedo junginys. Jame tarp anglies atomų pakaitomis yra dvigubos ir viengubos jungtys, sudarančios žiedus. Daugelis šių junginių turi saldų kvapą, todėl jie vadinami aromatiniais. Šešių anglies atomų žiedas aromatiniuose junginiuose vadinamas benzeno žiedu, pagal paprasčiausią galimą angliavandenilio žiedą - benzeną. Aromatiniai angliavandeniliai gali būti monocikliniai (MAH) arba policikliniai (PAH).

Kai kurie ne benzeno pagrindu sudaryti junginiai, vadinami heteroarenais, kurie vadovaujasi Hückelio taisykle, taip pat yra aromatiniai junginiai. Šiuose junginiuose bent vienas anglies atomas yra pakeistas deguonies, azoto arba soros atomu.

Kas yra aromatinė sistema ir kodėl ji stabili

Aromatiniai junginiai pasižymi delokalizuotų π-elektronų sistema žiedo plokštumoje. Pagal Hückelio taisyklę, uždara konjuguota pi-elektronų sistema yra aromatinė, jei joje yra 4n + 2 π-elektronų (kur n yra sveikas skaičius). Dėl pi-elektronų delokalizacijos susidaro rezonansinė energija, vadinama aromatine stabilizacija. Tai lemia, kad aromatiniai junginiai dažnai yra mažiau reaguojantys linkę į išlaikyti žiedinę struktūrą, palyginti su izoliuotomis dvigubomis jungtimis.

Tipai

• Monocikliniai aromatai (MAH) – vienas žiedas, pvz., benzenas.
• Policikliniai aromatiniai angliavandeniliai (PAH) – keli susijungę žiedai, pvz., naftalenas, antracenas, fenantrenas. PAH gali būti benzenoidiniai (sudaryti iš benzeno tipo žiedų) arba nebenzenoidiniai.
• Heteroarenai – aromatiniai žiedai, kuriuose vienas ar daugiau anglies atomų pakeisti heteroatomais (pvz., piridinas, furanas, tiopenas). Tokie junginiai taip pat atitinka Hückelio kriterijų dėl delokalizuotų π-elektronų.

Fizinės savybės

• Daugelis arenų yra hidrofobiški, blogai tirpsta vandenyje, bet gerai tirpsta nepoliniuose tirpikliuose.
• PAH cheminės medžiagos paprastai turi aukštesnes lytėjimo ir virimo temperatūras nei atitinkami monocikliniai analogai.
• Daugelis aromatinių junginių turi ryškų — dažnai „saldaus“ arba aštraus — kvapą; tuo jie ir įgavo pavadinimą „aromatiniai“.

Cheminės savybės ir reakcijos

Aromatiniai angliavandeniliai išlaiko žiedo aromatinę sistemos stabilumą ir dažniausiai reaguoja per mechanizmus, kurie nenutraukia aromatinės konjugacijos. Svarbiausios reakcijos:

• Elektrofilinė aromatinė substitucija (EAS) – tipiška benzeno reakcija: nitrinimas, sulfoninimas, halogeninimas, Friedelio–Kraftso alkilinimas ir acilinimas. Aromatinis žiedas priima elektrofilą, o vėliau atkuria aromatinę aromatinę sistemą atidavus protoną.
• Hidrogenacija – sumažina aromatinį žiedą iki cikloalkano; tai dažnai reikalauja katalizatorių ir suteikia didelę energiją (aromatinės stabilizacijos praradimas).
• Oxidacija – tam tikri PAH ir alkilošaknys gali būti oksiduojamos iki karboksirūgščių ar kitų oksidacijinių produktų; benzeno pagrindo alkilų oksidacija iki benzo rūgščių yra pavyzdys.

Spektroskopija ir atpažinimas

• 1H ir 13C NMR – aromatiniai protonai ir anglies atomai turi būdingus cheminius poslinkius (δ ~6–9 ppm protonams), leidžiančius identifikuoti žiedines sistemas.
• IR spektroskopija – C–H arenų virpesiai, taip pat charakteringos aromatinės C=C virpesių juostos.
• UV–Vis – delokalizuotos π-sistemos sugeria šviesą ilgesnėse bangose; PAH dažnai turi ryškią UV/Vis absorbciją ir gali fluorescuoti.

Praktinis panaudojimas ir reikšmė

• Arenai naudojami kaip tirpikliai (pvz., toluolas, ksilenas) ir kaip pradinių medžiagų šaltiniai cheminių sintezių procesuose.
• PAH yra svarbūs organinės elektronikos ir pigmentų srityse; kai kurie heteroarenai yra vaistų, agrochemikalų ir polimerų statybiniai blokai.
• Aromatiniai žiedai yra ir naftos komponentai — jie randami kurų bei išmetamųjų dujų sudėtyje.

Aplinkosauga ir sveikata

Policikliniai aromatiniai angliavandeniliai (PAH) kelia susirūpinimą dėl jų toksiškumo ir kancerogeninių savybių. Dalis PAH gamtoje susidaro degimo procesuose (pvz., iškastinio kuro degimas, rūkymas). Dėl lipofiliškumo jie nusėda dirvožemyje ir nuosėdose, ilgai išlieka aplinkoje ir gali kauptis organizmuose. Todėl svarbios priemonės mažinant PAH emisijas ir stebint grynumą laboratorijose bei pramonėje.

Saugos rekomendacijos

• Dirbant su arenais laikytis įprastų cheminių saugos priemonių: tinkami pirštinės, apsauga kvėpavimui ir akių apsauga.
• Venkite ilgalaikio arba dažnai kartojamo poveikio PAH — naudokite tinkamas ventiliacijos sistemas ir atliekų tvarkymą.

Trumpas pavyzdžių sąrašas

• Benzenas (paprasčiausias arenas)
• Naftalenas (du susijungę benzeno žiedai)
• Antracenas, fenantrenas (trys kondensuoti žiedai skirtinga sandara)
• Piridinas, furanas, tiopenas (heteroarenai su azoto, deguonies ar sieros atomais)

Apibendrinant: aromatiniai angliavandeniliai — tai konjuguoti žiediniai junginiai su delokalizuotomis π-elektronų sistemomis, turintys specifines fizines ir chemines savybes, plačiai naudojami pramonėje, tačiau kai kurių PAH klasė kelia ekologinius ir sveikatos pavojus.

Benzeno žiedo modelis

Benzenas, C₆ H₆ , yra paprasčiausias aromatinis angliavandenilis ir buvo pripažintas pirmuoju aromatiniu angliavandeniliu, o jo ryšio pobūdį XIX a. pirmasis nustatė Kekulė. Kiekvienas anglies atomas šešiakampiame cikle turi po keturis elektronus, kuriais gali dalytis. Vienas atitenka vandenilio atomui, o po vieną - dviem kaimyniniams angliavandeniliams. Lieka vienas, kuriuo galima dalytis su vienu iš dviejų kaimyninių anglies atomų, todėl benzeno molekulė nupiešta taip, kad aplink šešiakampį pakaitomis yra viengubos ir dvigubos jungtys.

Struktūra taip pat pavaizduota apskritimu aplink žiedo vidų, kad būtų matyti šeši elektronai, plaukiojantys delokalizuotose molekulinėse orbitalėse, kurios yra tokio pat dydžio kaip pats žiedas. Tai taip pat parodo šešių anglies ir anglies jungčių ekvivalentinį pobūdį, kurių kiekvienas yra lygus ~1,5. Elektronai įsivaizduojami kaip plūduriuojantys virš ir po žiedu, o jų sukuriami elektromagnetiniai laukai padeda išlaikyti žiedą plokščią.

Bendrosios savybės:

1. Parodykite aromatingumą.
2. Anglies ir vandenilio santykis yra didelis.
3. Dėl didelio anglies ir vandenilio santykio jie dega suodina geltona liepsna.
4. Jose vyksta pakeitimo reakcijos.

Apskritimo simbolį, žymintį aromatiškumą, 1925 m. įvedė seras Robertas Robinsonas ir jo mokinys Džeimsas Armitas, o 1959 m. jį išpopuliarino Morrisono ir Boydo organinės chemijos vadovėlis. Dėl tinkamo simbolio naudojimo diskutuojama; kai kuriuose leidiniuose juo apibūdinama bet kokia ciklinė pi sistema, o kituose - tik tos pi sistemos, kurios atitinka Hückelio taisyklę.

Benzenas

Aromatinių junginių tipai

Beveik visi aromatiniai junginiai yra anglies junginiai, tačiau jie nebūtinai turi būti angliavandeniliai.

Heterocikliniai junginiai

Heterocikliniuose aromatiniuose junginiuose vienas ar daugiau aromatinio žiedo atomų yra ne anglies, o kito elemento. Pavyzdžiui, piridinas, pirazinas, imidazolas, pirazolas, oksazolas ir tiofenas.

Policikliniai junginiai

Policikliniai aromatiniai angliavandeniliai - tai molekulės, turinčios du ar daugiau paprastų aromatinių žiedų, sujungtų dviem gretimais anglies atomais. Pavyzdžiui, naftalenas, antracenas ir fenantrenas.

Pakaitiniai aromatiniai junginiai

Daugelis cheminių junginių yra aromatiniai žiedai, prie kurių prijungti kiti elementai. Pavyzdžiui, trinitrotoluenas (TNT), acetilsalicilo rūgštis (aspirinas), paracetamolis ir DNR nukleotidai.

Natlalene yra du žiedai.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra aromatinis angliavandenilis?

K: Kaip vadinasi aromatinių junginių žiedas iš šešių anglies atomų?

K: Kuo skiriasi monocikliniai (MAH) ir policikliniai (PAH) aromatiniai angliavandeniliai?

K: Kodėl aromatiniai angliavandeniliai vadinami aromatiniais?

K: Kas yra heteroarenai ir kuo jie skiriasi nuo aromatinių junginių benzeno pagrindu?

K: Koks yra paprasčiausias galimas angliavandenilių žiedas?

K: Kokios yra dvi aromatinių angliavandenilių rūšys?

Paieška pagal raidę