Transcript: Arene – nomenclatură, clasificare şi proprietăţi fizice

În ultimele lecții am vorbit numai despre carbon și compușii ai carbonului și cu toate astea am acoperit doar o mică parte din chimia carbonului.
Am discutat despre catene de atom de carbon, liniare sau ramificate.
Lanțurile sau catenele de atom de carbon sunt toate interesante și foarte, foarte importante pentru industrie, însă nu sunt singurul motiv pentru care carbonului se dă atât de multă importanță.
Pe lângă lanțuri, atomie de carbon pot forma și inele sau, după cum le numesc chimiștii, structuri ciclice.
Dacă aceste structuri ciclice conțin numărul potrivit de atom de carbon, iar legăturile duble sunt plasate într-un anume fel,
atunci ele se vor comporta surprinzător de interesant și diferit față de compușii organici aciclici.
Compușii formați din aceste inele de carbon se numesc hidrocarburi aromatice și nu întâmplător.
Vanilia, scorțișoara, lămâia, toate acestea și multe altele își datorează mirosul sau aroma compușilor aromatici.
Inelele de carbon ale compușilor aromatici se leagă de receptorii noștri olfactivi și transmit mesaje către creier.
Mesaje precum, plăcinta asta miroase delicios sau, din contră, mesaje precum, hmm, cred că e cazul să arunc ciorba de acum 3 săptămâni.
Structuri ciclice ale carbonului sunt și ciclohexanul sau ciclopentena.
Însă, acesta este un alcan ciclic, iar aceasta este o alchienă ciclică.
Aceștia nu sunt compuși aromatice. Să vedem ce au atât de special hidrocarburile aromatice.
În cazul aceștei clase de compuși organic, carbonul are unul din acele comportamente spectaculoase, care chiar și în ziua de azi încă ridică semne de întrebare,
și anume, formează hidrocarburi ciclice care conțin structuri de rezonanță.
Deci, lucrurile devin din ce în ce mai interesante.
În chimie, prin rezonanță, ne referim la situațiile în care există mai mult decât un singur model corect de distribuție a electronilor într-o moleculă.
Este vorba despre prezența în moleculă a unor electroni delocalizați.
Electronii delocalizați nu sunt asociați cu un singur atom sau cu o singură legătură covalentă,
ci acești electroni se află într-un singur orbital care se extinde peste mai mulți atomi adiaceni.
Asta face imposibilă reprezentarea distribuției electronilor printr-o singură structură Lewis,
de aceea ne folosim de structuri de rezonanță, care se mai numesc și structuri limită.
Structura reală a acestor compuși este o medie a tuturor structurilor Lewis pe care le putem noi desena.
Iar pentru a reprezenta această medie ne folosim de structurile de rezonanță.
Benzenul este cea mai simplă hidrocarbură aromatică.
Este compusul care dă benzine acel miros specific.
Formula moleculară a benzenului este carbon 6, hidrogen 6.
Benzenul conține trei legături duble conjugate, repartizate simetric.
Fiecare atom de carbon este legat la rândul său și decât un atom de hidrogen, astfel încât să aibă un total de patru legături.
Chimistul german Friedrich August Kekule este cel care a reprezentat pentru prima oară benzenul ca fiind un ciclu hexagonal regulat.
De aceea această reprezentare se mai numește și model Kekule.
Pentru a simplifica lucrurile, aceste structuri se reprezintă fără atomii de hidrogen, ba chiar și fără atomii de carbon.
Se presupune pur și simplu că fiecare colț este un atom de carbon și știind că fiecare atom de carbon are patru legături,
e ușor să ne dăm seama unde ar fi locul atomilor de hidrogen chiar și dacă nu-i scrie.
Însă partea mai interesantă abia acum urmează.
Aceste legături duble se află în aceste poziții, dar într-un fel se află și în aceste poziții.
Să ne amintim că legăturile duble sunt formate dintr-o legătură sigma și o legătură pi între doi atomi de carbon hibridizați sp2.
Legătura sigma este liniară. În schimb, în cazul legăturii pi, e nevoie de orbitalii p nehibridizați,
care sunt perpendiculari pe planul legăturilor sigma, cu un loc deasupra planului și un loc sub plan.
Aceasta este reprezentarea celor șase orbitali p de la cei șase atomi de carbon din structura benzenului.
Dar se pare că în compușii aromatici acești orbitali p se îmbină cu toții pentru a forma un inel care se întinde deasupra și dedesubtul întregii molecule.
Electronii delocalizați sunt distribuiti în acest inel care arată ca o gogoașă deasupra și sub molecula de benzen.
O astfel de structură este extrem de stabilă.
Per total, legăturile duble se află de fapt în ambele poziții, deci structura reală este de fapt media acestor două structuri Lewis.
De aceea le numim formule de rezonanță și pentru a reprezenta rezonanța folosim o săgeată cu două capete.
De obicei, pentru a arăta că legăturile duble nu se află într-un singur loc, se folosește această reprezentare cu un cerc în centrul moleculei
care semnifică distribuția electronilor în jurul acelui orbital sub formă de gogoașă din molecula de benzen.
Așadar, aceste legături duble nu sunt chiar duble.
S-a stabilit că între doi atomi de carbon din inelul benzenic se află un număr de 1,5 legături.
Deci nu e o legătură dublă, ci numai o legătură și jumătate.
Deci această catenă ciclică este benzenul.
El se mai numește nucleu benzenic sau inel benzenic, iar hidrocarburile aromatice sau arenele sunt definite ca fiind compușii organici
care conțin în moleculă unul sau mai multe inele benzenice.
După numărul de nuclee benzenice, arenele se împart în arene mononucleare și arene polinucleare.
Arenele mononucleare sunt cele care conțin un singur inel benzenic.
Ele pot fi fără catenă laterală și singura arenă mononucleară fără catenă laterală este benzenul.
Sau ele pot avea catenă laterală.
Atomii de hidrogen din nucleul benzenic pot fi și ei substituiți cu unul sau mai mulți radicale alchil.
Arenele cu catenă laterală se numesc alchili benzeni sau fenil alcanici.
Asta deoarece radicalul carbon-6, hidrogen-5 se numește fenil.
Câteva exemple de radicali benzenici monosubstituiți sunt următoarele.
Metilbenzenul.
Acest compus se mai numește uzual și toluen, deoarece a fost izolat pentru prima oară din balsamul de Tolu, un arbore întâlnit în pădurile sudamericane.
Deci vedem că în acest caz, un atom de hidrogen a fost substituit de un radical metil.
Acesta este etilbenzenul, iar acest compus se numește n-propilbenzen.
Dacă radicalul fenil se leagă de al doilea atom al unei catene de propan, avem izopropilbenzenul, care se mai numește uzual și cumen.
Radicalii din catenele laterale pot fi și nesaturați.
Este cazul etenilbenzenului.
După cum știm, radicalul etenil este cunoscut și sub denumirea de vinil.
Deci acest compus se mai numește și vinilbenzen.
Și are chiar și o a treia denumire, și anume stiren.
Denumirea hidrocarburilor aromatice se face tot conform regulilor IUPAC, însă arenele cu cele mai multe aplicații practice au și denumiri uzuale, după cum am văzut că este cazul toluenului sau stirenului.
Dacă benzenul este substituit cu doi sau mai mulți radicali diferit, numerotarea și denumirea acestora se face în ordine alfabetică, respectând aceleași reguli ca și hidrocarburile aciclice.
În cazul derivaților disubstituite ai benzenului, pozițiile substituenților se marchează prin cifre sau folosind niște prefixe specifice și anume orto-, meta- și para-.
Spre exemplu, cei trei derivați dimetilbenzen, numiți uzual și xileni, sunt
1,2-dimetilbenzenul sau orto-xilenul, 1,3-dimetilbenzenul sau meta-xilenul și 1,4-dimetilbenzenul sau para-xilenul.
Arenele polinucleare conțin două sau mai multe nuclee benzenice. Aceste nuclee benzenice pot fi condensate, așa cum este cazul acestui compus, numit naftalen, dar pe care îl cunoaștem cu toții sub denumirea de naftalino.
Alte exemple sunt antracenul, care este probabil colorantul care dă culoare albastră a blugilor, și o altă arenă polinucleară condensată este fenantrenul.
Nucleele benzenice din arenele polinucleare pot fi și izolate. Este cazul difenilului sau al difenil-metanului.
Hidrocarburile aromatice mononucleare sunt substanțe lichide la temperatura camerei. Punctele de fierbere cresc odată cu creșterea maselor moleculare.
Hidrocarburile aromatice polinucleare sunt substanțe solide, cristalizate la temperatura camerei. Arenele sunt insolubile în apă, dar sunt solubile în solvenți organici precum cloroformul.
E important să știm că vaporii benzenului sunt toxici, benzenul fiind o substanță cancerigenă. Arenele polinucleare cu inele benzenice condensate sunt și ele substanțe cancerigene.
Benzopirenul, numit mai precis benzoapiren, este una dintre cele mai cancerigene hidrocarburii aromatice. Benzopirenul se formează oricând un compus organic suferă o reacție de ardere incompletă.
De exemplu, întâlnim benzopiren în fumul de țigară, în carnea friptă la grătar cu cărbune de lemn sau în gazele de eșapament de la automobile.
Deci, iată câteva situații pe care ar trebui să le evităm pentru a nu intra prea mult în contact cu acest compus.