Арени. Бензен – бензеново ядро

Ароматните въглеводороди, чиито базов представител е органичното съединение бензен (C₆H₆), съдържат в молекулата си устойчиви пръстени съставени от 6 въглеродни атоми в sp² – хибридно състояние. Те носят общото название арени, а пръстените им се наричат бензенови ядра (Аr).

Бензен – строеж

Както вече споменахме, най-простият представител на арените е бензенът. Първата му структурна формула е предложена от немския химик Фридрих Кекуле. Тя правилно отразява количествения и качествения състав на бензена, но има съществени недостатъци.

Въпреки наличието на двойни връзки (пи-връзки, π) във формулата на Кекуле, на практика бензенът проявява стабилност близка до тази на наситените въглеводороди. Това ще рече, че той е устойчив на силни окислители. За да се обяснят различията между класическата структурна формула на бензена и действителните му химични свойства е създадена съвременна теория за неговия строеж.

В нея двойните химични връзки между въглеродните атоми са делокализирани в следствие на страничното припокриване на p-AO под и над равнината на въглеродния пръстен. Това означава, че те не принадлежат само на атомите, които ги образуват, а на цялата молекула. Формира се ароматно ядро (бензеново ядро) от електронната плътност на π-връзките.

Разстоянията между въглеродните атоми са еднакви, както и всички валентни ъгли в същата равнина. От това следва, че ъглите са равни на 120 градуса. Спрягането (делокализцията) на пи-електроните намалява реактивоспособността на бензена и това е причината той да проявява свойства близки до ненаситените въглеводороди.

Онези въглеводороди, които могат да се разглеждат като произлезли от бензена, след заместване на един или повече водородни атоми в молекулата му с алкилови групи (R), се наричат алкилбензени. Алкилбензените  с един заместител е възможно да се подреждат в хомоложни редове, на които първият представител е бензенът.

Въглеводороди, в чиито молекули се съдържат ароматно ядро и мастни вериги, носят названието мастно-ароматни. Ароматните съединения могат да бъдат с кондензирани ядра като нафталена или с некондензирани ядра като бифенила.

Наименования и изомерия

По номенклатура на IUPAC наименованията на моноалкилбензените се формират като към названието на алкиловия остатък се добави думата бензен – например метилбензен, етилбензен, пропилбензен и т.н. Алкилбензените с повече алкилови заместители в бензеновото ядро се наименоват, като в азбучен ред се изреждат названията им и с числа пред всяко название се указва мястото на свързване на алкиловия радикал с бензеновото ядро и накрая отново се добавя думата бензен. Някои ароматни съединения са запазили тривиалните си наименования като толуен, нафтален и др. Ако разглеждаме бензеновото ядро като заместител то се нарича фенилов остатък – например 2-фенилпропан.

При алкилбензените може да се наблюдава както верижна така и позиционна изомерия. Верижната обикновено касае алкиловия остатък. Позиционната може да се наблюдава и в бензеновото ядро, когато имаме два или повече заместителя. Тя е резултат от разлики във взаимното разположение на заместителите.

Когато алкиловите остатъци са свързани с два съседни въглеродни атома имаме орто-изомер. Когато заместителите се намират през един въглероден атом в бензеновото ядро, се наблюдава мета-изомер. Когато заместителите са свързани с два срещуположни въглеродни атоми в бензеновото ядро, съединението е пара-изомер.

Физични свойства

При обикновени условия химичното вещество бензен е безцветна течност със силна миризма и отровни пари. Той е неразтворим във вода, добре разтворим в органични разтворители и самият се явява отличен разтворител на органични съединения както и на йод, фосфор и др.

Нафталенът също има силна специфична миризма, бифенилът слаба миризма, а висшите арени почти нямат мирис. Температурите на кипене и топене на алкилбензените се изменят правилно с нарастване на молекулната им маса, т.е. нарастват.

Химични свойства на бензен

1.) Заместителни реакции в бензеновото ядро. Заместването на водородни атоми протича по електрофилен механизъм. При всички заместителни реакции на бензена крайните продукти се запазват делокализираната пи-електронна връзка на ароматното ядро.

C₆H₆ + Br-Br → HBr + C₆H₅Br (бромобензен)

Освен халогениране, нитриране и сулфониране може да се извърши и алкилиране посредством синтеза на Фридел-Крафтс. То протича в присъствието на люисови киселини, които са съединения с незапълнен електронен октет при централния атом – например AlCl₃,FeCl₃ и др.

C₆H₆ + CH₃Cl → HCl + C₆H₅-CH₃ (толуен)

2.) Присъединителни реакции – при висока температура, налягане и в присъствие на катализатор към бензеновите ядра може да се присъединява водород до получаването на съответния циклоалкан. Например при пълното хидриране на бензен се получава циклохексан, а при нафталена се образува декалин.

По радикалов механизъм може да се присъединява халоген. Пример за това е получаването на хексахлороциклохексана.

C₆H₆ + 3Cl₂ → C₆H₆Cl₆ (хексахлороциклохексан)

3.) Горене – както всички органични съединения и ароматните горят, като някои се прибавят към бензина и по този начин повишават октановото му число.

2C₆H₆ + 15О₂ → 12CО₂ + 6H₂О

4.) Окисление. Тъй като бензеновото ядро е много устойчиво на окислители, окислителните реакции са характерни само за алкилбензените и то в алкиловия остатък. Окислението винаги протича при въглеродния атом, който е пряко свързан с бензеновото ядро.

5.) Заместителните реакции в алкиловата група са възможни с халогени и протичат по верижно-радикалов механизъм и в присъствие на слънчева светлина.

C₆H₅-CH₃ + Cl₂ → C₆H₅-CH₂Cl + HCl

Получаване, приложение и значение на арени

1.) Бензен може да се получи чрез тримеризация на етин или чрез дехидриране на хексан.

3H-C≡C-H → C₆H₆

C₆H₁₂ → C₆H₆ – 3H₂

Получаването на алкилбензените може да стане както в промишлени условия при риформингпроцеси така и лабораторно.

2.) Синтез на Фридел-Крафтс (кат. AlCl₃).

C₆H₆ + RCl → HCl + C₆H₅-R

3.) Синтез на Вюрц-Фитиг.
Ar-Br + 2Na + Br-R → Ar-R + 2NaBr

4.) Етилиране на бензен (кат. AlCl₃).
C₆H₆ + HC₂=CH₂ → C₆H₅-CH₂CH₃

Арените и алкиларените намират широко приложение в органичния синтез, но те могат да бъдат и опасни химически замърсители. Като цяло са отровни вещества и дори в малки количества имат канценогенен ефект, а също могат да доведат до тежко отравяне или смърт.