Что такое ароматические соединения?

Ароматические соединения включают класс углеводородов, которые включают шестичленное ненасыщенное углеродное кольцо, в котором валентные электроны пи-связи полностью делокализованы или конъюгированы. Эти соединения стабильны и распространены как в естественных, так и в синтетических формах. Самым простым из ароматических соединений является бензол (C6H6), легковоспламеняющийся канцероген, но в то же время промышленно важный химикат. Название ароматическое основано на сильных ароматах многих крупных ароматических соединений. Алмазы и графит, хотя и не считаются ароматическими соединениями, демонстрируют делокализованный обмен электронами на очень больших атомных расстояниях.

Углерод-углеродная ковалентная связь, основа органической химии, делит два электрона между двумя соседними атомами углерода в виде одинарной связи или четыре электрона между двумя атомами углерода в двойной связи. Сопряженная система имеет ряд чередующихся одинарных и двойных связей, которые могут быть представлены двумя или более структурами Льюиса. Сопряжение или резонанс возникает, когда имеются p-орбитали или d-орбитали в соединениях с большей молекулярной массой, в которых распространяются доступные валентные электроны. Сопряжение может происходить в линейной, разветвленной или циклической конфигурации между связями атомов углерода, кислорода или азота.

Ароматичность возникает, когда электроны в углеродной цепи еще более делокализованы, образуя шестиуглеродное кольцо с эквивалентом трех, каждый из которых состоит из чередующихся одинарных и двойных связей. Если бы бензол вел себя как молекула с тремя двойными связями, химики ожидали бы, что двойные связи молекулы будут короче, чем одинарные связи, но длины углеродных связей бензола все равны и копланарны. Бензол и другие ароматические соединения не подвергаются реакциям присоединения, как алкены. Алкены добавляют группы через свои двойные связи, в то время как ароматические соединения замещают атом водорода для группы.

Энергия, выделяемая при гидрировании циклогексена до циклогексадиена путем добавления водорода к двойной связи, составляет 28,6 ккал на моль. Гидрирование циклогексадиена с двумя двойными связями приводит к выделению 55,4 ккал / моль или 27,7 ккал на моль H2. При полной гидрогенизации бензол выделяет 49,8 ккал на моль или 16,6 ккал на моль Н2. Замечательно низкое значение является мерой стабильности ароматической структуры.

Химики объясняют плоскую морфологию бензола, равные длины углеродных связей и низкую энергию его двойных связей, заключая, что 2p-орбитали распределены по всем шести углеродам. Делокализованные пи-орбитали визуализируются как образующие тор выше и ниже плоскости кольца углеродного скелета. Эта конфигурация объясняет все ее характеристики и поддерживает концепцию общих пи-орбиталей в других сопряженных системах.

Ароматические соединения часто оказывают давление пара, и многие газообразные молекулы обнаруживаются человеческим носом. Кора корицы, листья грушанки и ванильные бобы содержат ароматические соединения, которые люди могут пахнуть. Синтез этих или подобных соединений также является основой искусственного пищевого ароматизатора.

Некоторые очень интересные ароматические соединения состоят из полициклических структур, разделяющих одну или несколько сторон шестичленного углеродного кольца с соседним углеродным кольцом. Нафталин (C10H8) имеет два соединенных бензольных кольца; три кольца, соединенные линейно, называются антраценом (C14H10), а шесть бензольных колец в круге с очень высоким уровнем делокализации электронов - гекселикеном (C26H16). С увеличением количества колец отношение водорода к углероду уменьшается, материал становится более стабильным, тверже и температура плавления увеличивается. Когда отношение приближается к нулю, соединение по существу является другой формой углерода. Графит состоит из листов делокализованных кольцевых структур с sp2-гибридизированными атомами углерода, а алмазы гибридизованы sp3 в трехмерных взаимосвязанных клеткообразных структурах, все из-за их ароматичности.