Areny chemia organiczna przygotowanie do matury

Związki te pierwotnie nazywano aromatycznymi ze względu na przyjemny zapach. Nazwa ta jednak wychodzi z użycia ponieważ wiele z nic mimo podobieństwa w budowie nie odznacza się tą cechą, a przy tym jest wiele substancji charakteryzujących się miłą wonią, nie mających przy tym podobieństwa w budowie do tych , które pierwotnie nazywano aromatycznymi. Podstawowym związkiem i najbardziej charakterystycznym dla arenów jest benzen.

Struktura benzenu.

Wyjaśnienie budowy cząsteczki benzenu nastręczało chemikom dużo trudności. Ustalenie wzoru sumarycznego na C6H6 nasunęło przypuszczenie, że jest to związek nienasycony. Gdyby jednak tak było, to benzen musiałby ulegać tym wszystkim reakcjom, które dla alkenów i i alkinów są najbardziej charakterystyczne, a więc przede wszystkim ulegałyby reakcjom addycji wodoru, fluorowców itd. Okazało się jednak, że reakcje te zachodzą trudno, wymagają stosowania katalizatorów i odpowiedniej temperatury. Natomiast znacznie łatwiej benzen i inne związki z grupy aren ulegają reakcjom substytucji, która z kolei jest mało znamienna dla związków nienasyconych i zachodzi jedynie w bardzo wysokiej temperaturze.

Pierwszy model budowy cząsteczki benzenu zaproponował niemiecki chemik Kekule wg. którego miał to być cykliczny związek istniejący w dwóch formach ustawicznie w siebie przechodzących:

Model ten jednak nie był w stanie wyjaśnić dlaczego benzen mimo istnienia wiązań podwójnych ma odmienne właściwości chemiczne w stosunku do alkenów .Poczyniono więc dalsze próby przedstawienia struktury tego związku. Oto niektóre rozwiązania proponowane przez chemików:

Wzór Dewara:

Zgodnie z jego propozycją istniałyby trzy struktury nieustannie w siebie przechodzące.

Według Thiela pierścień miałby być nasycony połowicznie, a sześć wodorów kierowałoby się do środka pierścienia:

Powstała również propozycja przedstawienia tego związku w formie trójwymiarowej:

Żadna z tych koncepcji nie była jednak w stanie w sposób zadowalający wytłumaczyć skąd wynikają odmienne właściwości tego związku w stosunku do przewidywanego nienasyconego charakteru benzenu. Rozwiązanie tego problemu stało możliwe dopiero wówczas gdy nastąpił daleko idący postęp w rozwoju metod badawczych. Dzięki temu określono hybrydyzację węgli, ustalono rozmieszczenie elektronów w przestrzeni i ustawienie atomów węgla i wodoru w stosunku do siebie.

Oto najważniejsze założenia teorii budowy benzenu:

1. Cząsteczka jest płaska – wszystkie atomy węgla i wodoru leżą w jednej płaszczyżnie.

2. Wszystkie atomy węgla mają hybrydyzację sp . Sprawia to, że wiązania pomiędzy nimi, a także wodorami są typu sigma.

3. Niezhybrydyzowane orbitale p tworzą dwie chmury elektronowe o kształtach sześciobocznych, układające się po obu stronach szkieletu węglowodorowego. Można to przedstawić następująco:

Strukturę tę często określa się jako sandwiczową, ponieważ pomiędzy obiema płaskimi chmurami elektronowymi znajduje się, jak nadzienie w kanapce, pierścień zbudowany z sześciu węgli połączonych z sześcioma wodorami.

4. Sekstet elektronowy tworzący wiązania pi ulega delokalizacji tworząc dwie wspomniane chmury elektronowe w pewnym stopniu zatracające ścisłą łączność z atomami węgla od których pochodzą. Sprawia to, że mogą one być w zależności od działania czynników zewnętrznych w większym lub mniejszym stopniu zagęszczone z jednej strony, co z kolei zmniejsza gęstość ładunku po stronie przeciwnej.

5. Udowodniono, że wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla mają jednakową długość wynoszącą1,39 A., co stanowi wartość pośrednią pomiędzy wiązaniem pojedynczym – 154 A, a podwójnym – 1,34 A. Wytłumaczenie tego było możliwe przy założeniu wystąpienia struktury mezomerycznej, a więc pośredniej pomiędzy obiema formami sugerowanymi przez Kekulego.

Mezomeria, jak podano w I tomie poświęconym chemii ogólnej, polega na istnieniu struktury elektronowej pośredniej w stosunku do form granicznych. Oznacza to, że wiązania pomiędzy atomami węgla mają charakter pośredni w stosunku do pojedynczego i podwójnego. Mezomerię należy więc rozumieć jako uśrednienie rozkładu elektronów w cząsteczce związku, jednak bez zmiany rozmieszczenia atomów w przestrzeni.

Cechą struktur mezomerycznych jest niemożliwość opisania ich jednym wzorem kreskowym, gdy są to struktury pośrednie pomiędzy dwiema czy większą ilością form przedstawionych tymi wzorami.

6. Cząsteczka benzenu jest stabilizowana przez mezomerię. Oznacza to, że jej poziom energetyczny jest niższy niż teoretycznej cząsteczki cykloheksatrienu o około 150 kJ mol.

Jeżeli więc udałoby się chemikom otrzymać heksatrien, to związek przemieniłby się w benzen obniżając jednocześnie swój poziom energetyczny.

Pełną treść znajdziesz w naszej książce Chemia Organiczna w zarysie