Aromatické uhlovodíky, známé také jako areny, jsou cyklické uhlovodíky obsahující alespoň jedno aromatické jádro. Toto jádro je charakterizováno delokalizovaným systémem π elektronů.
Struktura a vlastnosti arenů
Areny jsou formálně cyklické uhlovodíky s konjugovaným systémem dvojných vazeb. Ve skutečnosti však v rovinných molekulách arenů dochází k delokalizaci p-elektronů z těchto vazeb a vytvoření p-elektronového sextetu (v případě šestičlenného kruhu). Elektronová hustota je rovnoměrně rozmístěna v prstenci nad a pod rovinou, tvořenou cyklem uhlíkových atomů.
Tato delokalizace, při níž zaniká charakter dvojných vazeb (nenasycenost sloučenin), je příčinou specifických chemických vlastností aromatických sloučenin. Delokalizací elektronů vzniká molekula, která je energeticky chudší než molekula s konjugovaným systémem vazeb, a je tedy i stabilnější. Popsaný energetický rozdíl se nazývá delokalizační energie.
Vzorec benzenu může být zapisován dvěma způsoby - obvykle jako šestiúhelník uhlíkových atomů se třemi dvojnými vazbami v konjugovaných polohách - tzv. Kekuleho vzorec, který ovšem nevyjadřuje skutečnou strukturu molekuly. Důkazem odlišné stavby molekuly aromatických sloučenin jsou jejich odlišné chemické vlastnosti oproti nenasyceným sloučeninám. Aromatické uhlovodíky obvykle mají specifický zápach.
Homologická řada arenů
Mezi aromatické sloučeniny patří vedle benzenu i některé další uhlovodíky, u nichž se potom projevuje aromatický charakter. Homologická řada arenů má obecný vzorec CnH2n-6. Patří sem areny odvozené od benzenu, jako je toluen, ethylbenzen, xyleny, atd. Aromatické uhlovodíky s více jádry, jejichž kruhy mají společnou dvojici C atomů (např. naftalen), se nazývají polycyklické aromatické uhlovodíky.
Čtěte také: Využití lehčeného betonu s polystyrenem
Fyzikální vlastnosti arenů
Benzen a jeho homology (toluen, xylen) jsou kapaliny, vícejaderné kondenzované areny jsou pevné látky. Areny jsou látky nepolární, jsou tedy nerozpustné ve vodě a rozpustné v polárních rozpouštědlech, naopak často jsou samy výbornými nepolárními rozpouštědly.
Chemické reakce arenů
Aromatické uhlovodíky podléhají různým typům reakcí, které odrážejí jejich specifickou strukturu a stabilitu.
Elektrofilní substituce
Reakce elektrofilní substituce je typickou reakcí pro aromatické uhlovodíky. Mechanismus zahrnuje přitažení elektrofilní částice E+ k p-elektronům aromatického kruhu molekuly arenu, což vede ke vzniku tzv. σ-komplexu. Elektrofilní částice se orientuje na konkrétní uhlíkový atom cyklu, vzniká zde vazba a dočasně zaniká aromatický charakter molekuly. Následně dochází k odštěpení protonu a obnovení aromaticity.
Typy elektrofilní substituce:
- Nitrace: Reakce s nitrační směsí (konc. HNO3 + konc. H2SO4) za vzniku nitrobenzenu.
- Halogenace: Reakce s halogeny (např. Br2, Cl2) za přítomnosti Lewisovy kyseliny (např. FeBr3, AlCl3) za vzniku halogenderivátů benzenu.
- Sulfonace: Reakce s koncentrovanou kyselinou sírovou (popř. dýmavou kyselinou sírovou) za vzniku sulfonových kyselin.
- Friedel-Craftsova alkylace: Reakce s alkylhalogenidem za přítomnosti AlCl3 za vzniku alkylovaných derivátů benzenu.
- Friedel-Craftsova acylace: Reakce s acylhalogenidem (např. acetylchlorid) za přítomnosti AlCl3, kde vzniká acylový kation (např. CH3CO+), za vzniku acylovaných derivátů benzenu.
Substituenty a jejich vliv na substituci:
- Substituenty I. třídy: Vyznačují se +M (mají na atomu vázaném na aromatický uhlík volný elektronový pár) nebo +I efektem. To vede k rozdílným úrovním elektronové hustoty na jmenovaných polohách a tedy i k přednostní substituci - konkrétně na polohy ortho- a para-.
- Substituenty II. třídy: Vyznačují se -M nebo -I efektem (na vázaném atomu je nízká elektronová hustota).
Adiční reakce
Tyto reakce, kdy se areny chovají jako nenasycené uhlovodíky, jsou z důvodů uvedených již v úvodu velmi řídké. Lze je vyvolat např. katalytickým působením. Mají radikálový mechanismus.
- Hydrogenace: Na Raneyově niklu vznikají cykloalkany.
- Adice halogenů: Chloru, bromu, působením UV záření, např. vzniká hexachlorcyklohexan (lindan).
Oxidační reakce
Areny jsou stálé vůči oxidaci slabými oxidačními činidly. Při drsnější oxidaci benzenu, např. kyslíkem při 500°C a přítomnosti V2O5, vzniká maleinanhydrid (příp. kyselina maleinová).
Čtěte také: Vlastnosti cementového lepidla na polystyren
Oxidací např. toluenu (s postranním řetězcem) vzniká kyselina benzoová. Naftalen oxiduje na ftalanhydrid.
Významné aromatické uhlovodíky a jejich použití
Aromatické uhlovodíky mají široké uplatnění v průmyslu a v každodenním životě.
| Název | Struktura | Použití/Vlastnosti |
|---|---|---|
| Benzen | C6H6 | Bezbarvá kapalina, toxická, karcinogenní. Používá se jako rozpouštědlo a surovina pro výrobu mnoha organických látek, např. styrenu (prekurzor polystyrenu), anilinu, fenolu. Získává se z ropy, příp. z černouhelného dehtu. |
| Toluen | Aromatické jádro s navázanou methylovou skupinou | Poněkud méně toxický než benzen. Používá se jako rozpouštědlo a k výrobě kyseliny benzoové. |
| Xylen | C6H4(CH3)2 (tři izomery: ortho-, meta-, para-) | O-xylen se používá k výrobě ftalanhydridu, p-xylen k výrobě kyseliny tereftalové. |
| Naftalen | Dvě kondenzovaná benzenová jádra | Je surovinou pro výrobu důležitých organických sloučenin, např. kyseliny ftalové. Za běžných podmínek sublimuje. |
| Polystyren | Polymer styrenu (derivát benzenu) | Důležitý plast, vznikající polymerací styrenu. |
Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU)
Při hoření organických látek mohou vznikat polycyklické aromatické uhlovodíky (např. benzo[a]pyren sestávající z pěti aromatických jader). Tyto látky jsou značně nebezpečné pro zdraví, nacházejí se např. ve výfukových plynech, cigaretovém kouři a grilovaném mase.
Čtěte také: Použití polystyrenu
tags: #aromatické #uhlovodíky #polystyren #chemie