Co jsou aromatické sloučeniny?

Aromatické sloučeniny obsahují skupinu uhlovodíků, které obsahují šestičlenný nenasycený uhlíkový kruh, ve kterém jsou elektrony pi vazby valence zcela delokalizovány nebo konjugovány. Tyto sloučeniny jsou stabilní a bohaté na přírodní i syntetické formy. Nejjednodušší z aromatických sloučenin je benzen (C6H6), hořlavý karcinogen, přesto průmyslově důležitá chemická látka. Název aromatický je založen na silných aroma mnoha větších aromatických sloučenin. Diamanty a grafit, i když nejsou považovány za aromatické sloučeniny, vykazují delokalizované sdílení elektronů na velmi dlouhé atomové vzdálenosti.

Kovalentní vazba uhlík-uhlík, základ organické chemie, sdílí dva elektrony mezi dvěma sousedními atomy uhlíku jako jednoduchá vazba, nebo čtyři elektrony mezi dvěma uhlíky v dvojné vazbě. Konjugovaný systém má řadu střídavých jednoduchých a dvojných vazeb, které mohou být reprezentovány dvěma nebo více Lewisovými strukturami. Ke konjugaci nebo rezonanci dochází, když jsou k dispozici p-orbitaly nebo d orbitaly ve sloučeninách s větší molekulovou hmotností, ve kterých se šíří dostupné valenční elektrony. K konjugaci může dojít v lineárních, rozvětvených nebo cyklických konfiguracích mezi vazbami atomů uhlíku, kyslíku nebo dusíku.

Aromatičnost nastává, když jsou elektrony v uhlíkovém řetězci ještě více delokalizovány vytvořením šestikarbonového kruhu s ekvivalentem tří každé ze střídavých jednoduchých a dvojných vazeb. Pokud by se benzen choval jako molekula se třemi dvojnými vazbami, chemici by očekávali, že dvojné vazby molekuly budou kratší než jednotlivé vazby, ale délky uhlíkových vazeb benzenu jsou stejné a koplanární. Benzen a další aromatické sloučeniny nepodstupují adiční reakce jako alkeny. Alkeny přidávají skupiny přes jejich dvojné vazby, zatímco aromatické sloučeniny nahrazují atom vodíku skupinou.

Energie uvolněná, když je cyklohexen hydrogenován na cyklohexadien přidáním vodíku k dvojné vazbě, je 28,6 kcal na mol. Hydrogenace cyklohexadienu dvěma dvojnými vazbami uvolňuje 55,4 kcal / mol nebo 27,7 kcal na mol H2. Benzen uvolňuje 49,8 kcal na mol nebo 16,6 kcal na mol H2 po úplné hydrogenaci. Pozoruhodně nízká hodnota je měřítkem stability aromatické struktury.

Chemici vysvětlují rovinnou morfologii benzenu, stejné délky uhlíkových vazeb a nízkou energii svých dvojných vazeb tím, že uzavírají orbitaly 2p, jsou rozděleny do všech šesti uhlíků. Delokalizované pi orbitaly jsou vizualizovány jako formující torus nad a pod rovinou kruhu kostry uhlíku. Tato konfigurace vysvětluje všechny její vlastnosti a podporuje koncept sdílených pi orbitálů v jiných konjugovaných systémech.

Aromatické sloučeniny často vyvíjejí tlak par a mnoho plynných molekul je detekovatelných lidskými nosy. Skořicová kůra, listy zelené rostliny a vanilkové lusky mají všechny aromatické sloučeniny, které lidé mohou cítit. Syntéza těchto nebo podobných sloučenin je také základem umělých aromatických potravin.

Některé velmi zajímavé aromatické sloučeniny sestávají z polycyklických struktur sdílejících jednu nebo více stran šestičlenného uhlíkového kruhu s přilehlým uhlíkovým kruhem. Naftalen (C10H8) má dva spojené benzenové kruhy; tři kruhy spojené lineárně se nazývají anthracen (C14H10), zatímco šest benzenových kruhů v kruhu s velmi vysokou úrovní delokalizace elektronů se nazývá hexhelicene (C26H16). Se zvyšujícím se počtem kruhů klesá poměr vodíku k uhlíku, materiál se stává stabilnějším, tvrdším a zvyšuje se teplota tání. Když se poměr blíží nule, sloučenina je v podstatě další formou uhlíku. Grafit sestává z listů delokalizovaných kruhových struktur s sp2 hybridizovanými atomy uhlíku a diamanty jsou hybridizovány sp3 v trojrozměrných propojovacích strukturách podobných klecím, a to vše kvůli aromatičnosti.