Chemia27

2.4. Węglowodory aromatyczne

2.4.1. Ogólna charakterystyka węglowodorów aromatycznych arenów

Nazwa węglowodorów aromatycznych wywodzi się z okresu, gdy uż.y wano jej dla określenia grupy związków o charakterystycznym zapachu Nazywano tak przede wszystkim grupę związków wydzielanych z roślin (np. z wiśni, brzoskwiń czy ziół). Badania dotyczące budowy tych arom a tycznych związków wykazały, że wiele z nich ma wspólny element struk tury cząsteczki. Elementem tym, występującym w wielu substancjach o intensywnym zapachu, jest pierścień benzenowy. Z tego powodu ben zen zaliczono do grupy węglowodorów aromatycznych.

Obecnie określenia „węglowodory aromatyczne” lub „areny” używa się w stosunku do związków zawierających w swojej strukturze pierścień ben zenowy lub inne podobne pierścienie - i nie wiąże się tej nazwy z zapa chem. Pierścień benzenowy, nazywany też aromatycznym, jest zbudowany z 6 atomów węgla i wykazuje wyjątkową trwałość. Sam benzen jest sub stancją rakotwórczą, powodującą zanik szpiku kostnego, co przy długo trwałym działaniu prowadzi do białaczki. Z tego powodu do badania wla ściwości arenów stosować będziemy najbliższy homolog benzenu - toluen

2.4.2. Budowa cząsteczki benzenu

Benzen ma wzór sumaryczny C_ńH₆ i jest związkiem cyklicznym. W cząsteczkach benzenu na jeden atom węgla przypada tylko jeden atom wo doru - sugeruje to dużą liczbę wiązań wielokrotnych. Jednak benzen nic zachowuje się jak związek nienasycony - nie odbarwia wody bromowej ani roztworu KMn0₄. Mówimy, że pierścień benzenowy jest wyjątkowo trwały. Ustalenie struktury cząsteczki benzenu zajęło naukowcom wiele lat. Pierwszy model struktury tej cząsteczki zaproponował ponad 100 lat temu niemiecki uczony Friedrich Kekule von Stradonitz. Twierdził on, że cząsteczka benzenu może być opisana dwoma wzorami:

H

H

H i	H i
ć ^H
II 1 -	— 1 II
o / /
V H	^H ?
1 H	1 H

H

H

Warto zwrócić uwagę, że druga z powyższych struktur nie odpowiada obróceniu wyjściowej cząsteczki o 60°, jak by się mogło na pierwszy rzut oka wydawać. W obu strukturach wszystkie atomy węgla znajdują się na tych samych miejscach, nie ma więc mowy o obrocie cząsteczki, inne jest natomiast poln/enic wiązań podwójnych. Będzie to Icpiią widoczne, jeśli poszczególnym atomom węgla w cząsteczce przypisze my mmu iy:

I (’    11

"b* Si''

I r II

,Cs

H

C\

,C

Xh

H

H

f

H

H

L raz widać wyraźnie, że w pierwszej strukturze wiązania podwójne v* lępują między atomami 1 i 2, 3 i 4 oraz 5 i 6, w strukturze zaś drugiej |m.i.i/.enia wiązań podwójnych są zmienione - występują między atomami ni 1,2 i 3 oraz 4 i 5.

W laśnie taka zamiana pozycji wiązań |m Jwojnych w cząsteczce benzenu miała i <\' /.daniem Kekulego, przyczyną braku lic miłości benzenu do reakcji addycji, li iklerystycznych dla związków niena-n\innych. Kekule założył, że zamiana ta i' i lak szybka, iż uniemożliwia benzenowi nd/i il w reakcjach typowych dla alkenów.

I i/.niejsze badania struktury cząstecz-i 11 nzenu wykazały jednak, że nie nastę-I u 11. w niej zmiana długości wiązań (pa-

.....aj my, że wiązania podwójne są nieco

I i. • i ,/e od pojedynczych). Dowiedziono, że cząsteczka benzenu jest ideału płaska, a wszystkie wiązania węgiel-węgiel są jednakowej długości do 2.35). Wiązania C—C w benzenie są krótsze niż wiązania pojedyncze • i i anie, ale dłuższe niż wiązania podwójne w etenie, co sugeruje, że dłu-

..... wiązań w benzenie jest pośrednia między długością wiązań pojedyn-

. \ h a podwójnych. Sześć elektronów walencyjnych sześciu atomów węgla 11' jednym od każdego atomu) nie tworzy bowiem trzech wiązań 7t, jak to wynikało ze struktury Kekulego.    a

l ktrony te wchodzą w skład roz-in lego na całą cząsteczkę sekstetu elekt runowego.

lii rozmyte na całą cząsteczkę I nzenu wiązanie nazywamy zde-lokalizowanym wiązaniem n, co n/nac/.a, że nie łączy ono dwóch konkretnych atomów, ale pozosta-i rozmyte na większy fragment cząsteczki elektrony tworzące wiązanie można spotkać w dowolnym miejscu tego fragmentu cząsteczki (iyc. 2. U>).

Ryc. 2.35. Model cząsteczki benzenu

Zlokalizowane wiązanie n tworzone jest przez dwa położone obok siebie atomy, natomiast zdelokalizowane wiązanie n (przedrostek de- oznacza „odwrotność, przeciwieństwo”) nie występuje tylko między dwoma atomami, lecz rozciąga się na większą liczbę położonych obok siebie atomów węgla.

W cząsteczce benzenu istnieje zdelokalizowany sekstet elektronowy.

V	V
w..

?

Ryc. 2.36. ( /^steczka benzenu ze /drink,ili/owanymi elektronami n

n