12

Лекція № ароматичні сполуки (арени)

Найпростішим представником одноядерних ароматичних вуглеводнів є бензен С₆Н₆.

Вперше бензол був здобутий М. Фарадеем у 1825 р. з конденсованих залишків світильного газу, який утворюється в процесах пере­робки кам’яного вугілля.

У 1865 р. А. Кекулє запропонував формулу у вигляді циклу з шести атомів Карбону з розташованими по черзі простими та подвійними зв’язками. Пізніше було доведено, що ці зв’язки рівноцінні (А. Ладенбург, 1874 р. та Е. А. Врублевський, 1878 р.).

У відповідності до сучасних уявлень, основаних на даних квантової хімії та фізико-хімічних досліджень, молекула бензену являє собою правильний плоский шестикутник. Усі карбонові атоми знаходяться у стані sр²-гібридізації. При цьому кожний атом Карбону утворює три -зв’язки (один С – Н два С – С), які лежать в одній площині під кутом 120° один до одного (рис.1), і надає одну р-орбіталь для утворення замкненої спряженої системи, електронна густина в якій розподілена (делокалізована) між карбоновими атомами та сконцентрована головним чином над і під площиною -скелета молекули .

Утворення таких систем (ароматичного секстету) є енергетично вигідним. Встановлено, що спряження в циклі бензину призводить до зменшення енергії на 150 кДжмоль. Таким чином, в молекулі бензину немає простих і подвійних зв’язків, а є ароматичний зв’язок.

Сукупність специфічних властивостей бензену, а саме висока стабільність, інертність в реакціях приєднання та схильність до реакцій заміщення, одержала назву ароматичність, або ароматич­ні властивості.

У 1931 р. німецький вчений Е. Хюккель на підставі квантово-хімічних розрахунків за допомогою методу МО сформулював пра­вило стабільності циклічних спряжених систем, котре являє собою теоретично обгрунтований метод визначення їх ароматичності. Згідно з цим правилом, критерієм ароматичності органічної сполуки є наявність в його структурі плоского циклу, що вміщує замкнену спряжену систему, яка включає (4n + 2) -електронів, де n = 0, 1, 2, 3 і т. д. До найбільш поширених ароматичних систем, які містять б-електронів (n = 1), відноситься бензен і його похідні. Правило Хюккеля застосовується і до систем з конденсованими ядрами, такими, як нафталін, антрацен і фенантрен:

нафталін 10-електронів антрацен 14- електронів фенантрен 14- електронів

(n =2) (n =3) (n =3)

Номенклатура та ізомерія

За замісниковою номенклатурою ІЮПАК одноядерні арени розглядають як продукти заміщення бензену: метилбензен, етил­бензен, вінілбензен і т. д. При наявності в бензеновому кільці двох і більше замісників їх положення вказують цифрами. Нумерацію атомів карбону здійснюють таким чином, щоб замісники мали найменші номери. У дизаміщених бензенах поряд із цифровим позначенням положень замісників застосо­вують також префікси: орто- (о-) положення — 1,2; мета- (м-) по­ложення — 1,3 та пара-(п-) положення — 1,4.

Крім систематичних назв в ряді одноядерних аренів збереглися і тривіальні назви: толуол, ксилол, кумол та ін. Нижче наведено деякі представники аренів (тривіальні назви подано в дужках):

Н₃С—СН—СН₃ СН=СН₂

метилбензен (толуол) етилбензен ізопропілбензен (кумол) вінілбензен (стирол)

Одновалентні радикали ароматичних вуглеводнів мають за­гальну назву арили (Аг)

феніл- о-толіл- м-толіл- бензил о-фенілен

Дизаміщені похідні бензену існують у трьох ізомерних формах, які мають різне розміщення замісників у кільці (ізомери положення). Крім того, для гомологів бензену характерна ізомерія, зумовле­на різною кількістю замісників у бензеновому кільці.

1,2-диметилбензен 1,3-диметилбенен

(о-ксилол)