Wat zijn aromatische verbindingen?
Aromatische verbindingen omvatten een klasse koolwaterstoffen die een zesledige, onverzadigde koolstofring omvatten waarin de pi-bindingvalentie-elektronen volledig gedelokaliseerd of geconjugeerd zijn. Deze verbindingen zijn stabiel en overvloedig in zowel natuurlijke als synthetische vormen. De eenvoudigste van de aromatische verbindingen is benzeen (C6H6), een brandbaar carcinogeen, maar toch een industrieel belangrijke chemische stof. De naam aromatisch is gebaseerd op de sterke aroma's van veel van de grotere aromatische verbindingen. Diamanten en grafiet, hoewel niet beschouwd als aromatische verbindingen, demonstreren delocalized elektronen delen over zeer lange atomaire afstanden.
De koolstof-koolstof covalente binding, de basis van organische chemie, deelt twee elektronen tussen twee aangrenzende koolstofatomen als een enkele binding, of vier elektronen tussen twee koolstofatomen in een dubbele binding. Een geconjugeerd systeem heeft een reeks afwisselende enkele en dubbele bindingen die kunnen worden voorgesteld door twee of meer Lewis-structuren. Vervoeging of resonantie treedt op wanneer er p-orbitalen beschikbaar zijn, of d orbitalen in verbindingen met een groter molecuulgewicht, waarin de beschikbare valentie-elektronen worden verspreid. Vervoeging kan optreden in lineaire, vertakte of cyclische configuraties tussen bindingen van koolstof-, zuurstof- of stikstofatomen.
Aromaticiteit treedt op wanneer de elektronen in de koolstofketen nog delocalischer zijn door een zes-koolstofring te vormen met het equivalent van drie elk van afwisselende enkele en dubbele bindingen. Als benzeen zich zou gedragen als een molecuul met drie dubbele bindingen, zouden chemici verwachten dat de dubbele bindingen van het molecuul korter zijn dan de enkele bindingen, maar de koolstofbindingslengten van benzeen zijn allemaal gelijk en coplanair. Benzeen en andere aromatische verbindingen ondergaan geen additiereacties zoals alkenen. Alkenen voegen groepen toe via hun dubbele bindingen, terwijl aromatische verbindingen een waterstofatoom vervangen door een groep.
De energie die vrijkomt wanneer cyclohexeen wordt gehydrogeneerd tot cyclohexadieen door waterstof aan de dubbele binding toe te voegen, is 28,6 kcal per mol. Hydrogenering van cyclohexadieen met twee dubbele bindingen geeft 55,4 kcal / mol of 27,7 kcal per mol H2 af. Benzeen geeft 49,8 kcal per mol of 16,6 kcal per mol H2 af bij volledige hydrogenering. De opmerkelijk lage waarde is een maat voor de stabiliteit van de aromatische structuur.
Chemici verklaren benzeen's vlakke morfologie, gelijke koolstofbindingslengten en de lage energie van zijn dubbele bindingen door te concluderen dat de 2p-orbitalen zijn verdeeld over alle zes koolstofatomen. De gedelokaliseerde pi-orbitalen worden gevisualiseerd als een torus boven en onder het vlak van de koolstofskeletring. Deze configuratie verklaart al zijn kenmerken en ondersteunt het concept van gedeelde pi-orbitalen in andere geconjugeerde systemen.
Aromatische verbindingen oefenen vaak een dampdruk uit en veel van de gasvormige moleculen zijn detecteerbaar door menselijke neuzen. Kaneelschors, wintergroene bladeren en vanillebonen hebben allemaal aromatische verbindingen die mensen kunnen ruiken. Synthese van deze of soortgelijke verbindingen is ook de basis van kunstmatige smaakstof.
Sommige zeer interessante aromatische verbindingen bestaan uit polycyclische structuren die een of meer zijden van de zesledige koolstofring delen met een aangrenzende koolstofring. Naftaleen (C10H8) heeft twee verbonden benzeenringen; drie lineair samengevoegde ringen worden anthraceen (C14H10) genoemd, terwijl zes benzeenringen in een cirkel, met een zeer hoog niveau van elektrondelocalisatie, hexheliceen (C26H16) worden genoemd. Met de toename van het aantal ringen neemt de waterstof-koolstofverhouding af, wordt het materiaal stabieler, harder en neemt het smeltpunt toe. Naarmate de verhouding nul nadert, is de verbinding in wezen een andere vorm van koolstof. Grafiet bestaat uit vellen van gedelokaliseerde ringstructuren met sp2 gehybridiseerde koolstofatomen en diamanten worden gehybridiseerd sp3 in driedimensionale onderling verbonden kooi-achtige structuren alle vanwege aromaticiteit.