Jakie są związki aromatyczne?

Związki aromatyczne obejmują klasę węglowodorów, które obejmują sześcioelementowy, nienasycony pierścień węglowy, w którym elektrony walencyjne wiązania pi są całkowicie delokalizowane lub sprzężone. Związki te są stabilne i bogate zarówno w formy naturalne, jak i syntetyczne. Najprostszym ze związków aromatycznych jest benzen (C6H6), łatwopalny czynnik rakotwórczy, a jednocześnie chemicznie ważny środek chemiczny. Nazwa aromatyczny opiera się na mocnych aromatach wielu większych związków aromatycznych. Diamenty i grafit, choć nie są uważane za związki aromatyczne, wykazują zdelokalizowany podział elektronów na bardzo dużych odległościach atomowych.

Wiązanie kowalencyjne węgiel-węgiel, podstawa chemii organicznej, dzieli dwa elektrony między dwoma sąsiadującymi atomami węgla jako pojedyncze wiązanie lub cztery elektrony między dwoma atomami węgla w wiązaniu podwójnym. Układ sprzężony ma szereg naprzemiennych wiązań pojedynczych i podwójnych, które mogą być reprezentowane przez dwie lub więcej struktur Lewisa. Sprzężenie lub rezonans występuje, gdy dostępne są orbitale p lub orbitale d w związkach o większej masie cząsteczkowej, w których rozprzestrzenia się dostępne elektrony walencyjne. Koniugacja może zachodzić w liniowej, rozgałęzionej lub cyklicznej konfiguracji między wiązaniami atomów węgla, tlenu lub azotu.

Aromatyczność występuje, gdy elektrony w łańcuchu węglowym są jeszcze bardziej delokalizowane przez utworzenie sześciowęglowego pierścienia z równoważnym trzema naprzemiennymi wiązaniami pojedynczymi i podwójnymi. Gdyby benzen zachowywał się jak cząsteczka z trzema wiązaniami podwójnymi, chemicy oczekiwaliby, że podwójne wiązania cząsteczki będą krótsze niż wiązania pojedyncze, ale długości wiązań węglowych benzenu są równe i współpłaszczyznowe. Benzen i inne związki aromatyczne nie podlegają reakcjom addycji, tak jak alkeny. Alkeny dodają grupy poprzez swoje podwójne wiązania, podczas gdy związki aromatyczne zastępują atom wodoru grupą.

Energia uwolniona, gdy cykloheksen zostaje uwodorniony do cykloheksadienu przez dodanie wodoru do wiązania podwójnego, wynosi 28,6 kcal na mol. Uwodornienie cykloheksadienu za pomocą dwóch podwójnych wiązań uwalnia 55,4 kcal / mol lub 27,7 kcal na mol H2. Benzen uwalnia 49,8 kcal na mol lub 16,6 kcal na mol H2 po całkowitym uwodornieniu. Niezwykle niska wartość jest miarą stabilności struktury aromatycznej.

Chemicy wyjaśniają płaską morfologię benzenu, równe długości wiązań węglowych i niską energię wiązań podwójnych, stwierdzając, że orbitale 2p są rozmieszczone na wszystkich sześciu atomach węgla. Zlokalizowane orbitale pi są wizualizowane jako tworzące torus powyżej i poniżej płaszczyzny pierścienia szkieletu węglowego. Ta konfiguracja wyjaśnia wszystkie jej cechy i wspiera koncepcję współrzędnych pi orbitali w innych sprzężonych systemach.

Związki aromatyczne często wywierają prężność pary, a wiele cząsteczek gazowych jest wykrywanych przez ludzkie nosy. Kora cynamonu, liście zimozielone i fasola waniliowa zawierają związki aromatyczne, które ludzie mogą wyczuć. Synteza tych lub podobnych związków jest również podstawą sztucznego aromatyzowania żywności.

Niektóre bardzo interesujące związki aromatyczne składają się z wielopierścieniowych struktur dzielących jedną lub więcej stron sześcioelementowego pierścienia węglowego z przylegającym pierścieniem węglowym. Naftalen (C10H8) ma dwa połączone pierścienie benzenowe; trzy pierścienie połączone liniowo nazywane są antracenem (C14H10), a sześć pierścieni benzenowych w kole o bardzo wysokim stopniu delokalizacji elektronów nazywa się heksheliceną (C26H16). Wraz ze wzrostem liczby pierścieni zmniejsza się stosunek wodoru do węgla, materiał staje się bardziej stabilny, twardszy, a temperatura topnienia wzrasta. Gdy stosunek zbliża się do zera, związek jest zasadniczo inną postacią węgla. Grafit składa się z arkuszy zdelokalizowanych struktur pierścieniowych z hybrydowymi atomami węgla sp2, a diamenty są hybrydyzowane sp3 w trójwymiarowych połączonych strukturach podobnych do klatek, wszystkie ze względu na aromatyczność.