Ароматические соединения

Запрос «Арены» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Ароматические соединения (арены) — циклические непредельные углеводороды, которые имеют в своём составе ароматическую систему. Основными отличительными свойствами являются повышенная устойчивость ароматической системы и несмотря на ненасыщенность, склонность к реакциям замещения, а не присоединения.

формула Кекуле Бензол — одно из наиболее распространённых ароматических соединений

Различают бензоидные (арены и структурные производные аренов, содержат бензольные ядра) и небензоидные (все остальные) ароматические соединения. Среди небензоидных ароматических соединений хорошо известны (азулен), (аннулены), гетарены (пиридин, (пиррол), фуран, (тиофен)), (ферроцен). Известны и неорганические ароматические соединения, например (боразол) («неорганический бензол»).

В структуре молекул многих соединений можно выделить несколько ароматических систем, которые могут быть по отношению друг к другу изолированными либо конденсированными. В качестве примеров бензоидных соединений с изолированными бензольными ядрами можно назвать такие соединения как (дифенилметан) и (полистирол), с удалёнными друг от друга бензольными ядрами, а также (дифенил) и (терфенилы) с непосредственно связанными ядрами. Примерами бензоидных соединений с конденсированными (аннелированными) бензольными ядрами являются такие соединения как (нафталин), (пирен) и прочие ПАУ. В структуре бифенилена бензольные ядра непосредственно связаны друг с другом, но, в отличие от дифенила, у бифенилена бензольные ядра не являются изолированными. Если принять во внимание тот факт, что в одной молекуле может различным образом сочетаться различное число различных ароматических и неароматических групп, то становится очевидно, что число возможных ароматических соединений и их разнообразие практически не ограничены.

(формула Полинга) Бензол - одно из наиболее распространенных ароматических соединений

Широко распространены и имеют большое практическое значение бензоидные ароматические углеводороды (арены). Помимо бензольных колец арены часто содержат другие разнообразные углеводородные группы (алифатические, нафтеновые, полициклические). Основным источником получения ароматических углеводородов служат (каменноугольная смола), нефть и . Большое значение имеют синтетические методы получения. Наиболее важными аренами являются: бензол С₆Н₆ и его гомологи ((толуол) С₆Н₅СН_з, (ксилолы) С₆Н₄(СН_з)₂, (дурол), (мезитилен), (этилбензол)), (кумол), (нафталин) C₁₀H₈, (антрацен) С₁₄Н₁₀ и их производные. Ароматические углеводороды — исходное сырьё для промышленного получения кетонов, альдегидов и кислот ароматического ряда, а также многих других веществ.

Критерии ароматичности

Единой характеристики, позволяющей надёжно классифицировать соединение как ароматическое или неароматическое, не существует. Основными характеристиками ароматических соединений являются:

• склонность к реакциям замещения, а не присоединения (определяется легче всего, исторически первый признак, пример — бензол, в отличие от этилена не обесцвечивает бромную воду)
• выигрыш по энергии, в сравнении с системой несопряженных двойных связей. Также называется (усовершенствованный метод — Энергией Резонанса Дьюара) (выигрыш настолько велик, что молекула претерпевает значительные преобразования для достижения ароматичного состояния, например циклогексадиен легко дегидрируется до бензола, двух и трёхатомные фенолы существуют преимущественно в форме фенолов (енолов), а не кетонов и т. д.).
• наличие кольцевого магнитного тока (наблюдение требует сложной аппаратуры), этот ток обеспечивает смещение хим-сдвигов протонов, связанных с ароматическим кольцом в слабое поле (7—8 м. д. для бензольного кольца), а протонов расположенных над/под плоскостью ароматической системы — в сильное поле (спектр (ЯМР)).
• наличие самой плоскости (минимально искаженной), в которой лежат все (либо не все — гомоароматичность) атомы, образующие ароматическую систему. При этом кольца пи-электронов, образующиеся при сопряжении двойных связей (либо электронов входящих в кольцо гетероатомов) лежат над и под плоскостью ароматической системы.
• практически всегда соблюдается Правило Хюккеля: ароматичной может быть лишь система, содержащая (в кольце) 4n+2 электронов (где n = 0, 1, 2, …). Система, содержащая 4n электронов является антиароматичной (в упрощённом понимании это обозначает избыток энергии в молекуле, неравенство длин связей, низкая стабильность — склонность к реакциям присоединения). В то же время, в случае пери-сочленения (есть атом(ы), принадлежащий(е) одновременно 3 циклам, то есть возле него нет атомов водорода или заместителей), общее число пи-электронов не соответствует правилу Хюккеля (фенален, пирен, коронен). Также предсказывается, что если удастся синтезировать молекулы в форме (ленты Мёбиуса) (кольцо достаточно большого размера, дабы закручивание в каждой паре атомных орбиталей было мало), то для таких молекул система из 4n электронов будет ароматичной, а из 4n+2 электронов — антиароматичной.

Получение

• Каталитическая дегидроциклизация алканов, то есть отщепление водорода с одновременной циклизацией. Реакция осуществляется при повышенной температуре с использованием катализатора, например оксида хрома.
• Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных. В качестве катализатора используется палладиевая чернь или платина при 300 °C. ((Н. Д. Зелинский))
• Циклическая тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 600 °C. ((Н. Д. Зелинский))
• Алкилирование бензола галогенопроизводными или олефинами. ((Реакция Фриделя — Крафтса))

Первые в мире заводы для получения ароматических углеводородов из нефти — один возле Ярославля, другой возле Баку, были построены в 1880—1881 гг по проекту (Александра Летнего).

Классификация

В общих чертах ароматические соединения можно классифицировать следующим образом:

Системы с 2 π-электронами.

Представлены производными катиона и дикатион (циклобутадиена). Например, (перхлорат) циклопропенилия.

Системы с 6 π-электронами.

1. Бензол и его гомологи
2. Дианион (циклобутадиена), дикатион (циклооктатетраена)
3. Пяти- и шестичленные циклы, содержащие один или несколько гетероатомов, обычно азота, кислорода или серы. Наиболее известны среди них (пиррол), фуран, (тиофен), пиридин.

Системы с 10 π-электронами.

1. (Нафталин). Широко встречается в природе, конденсированные бензольные кольца.
2. (Азулен). Изомер нафталина, содержит в себе 5- и 7-членное кольца. Встречается в эфирных маслах.
3. Дианион циклооктатетраена, анион циклононатетраена, азонин, 1,6-замещенные-[10]-аннулены (мостиковые).
4. Индол, (хинолин), изохинолин, , , другие системы, основанные на бензольном кольце, конденсированном с другим кольцом, в котором находится гетероатом. Широко распространены в природе.
5. (Хинолизидин), (пирролизидин), пурин, (птеридин) (их аналоги) — бициклические производные пиррола, пиридина и т. д. Содержат атомы азота (реже — кислорода в точке сопряжения либо несколько гетероатомов, в обоих кольцах). Широко распространены в природе.

Системы с 14 π-электронами.

1. (Антрацен), (фенантрен), в определённом смысле —  — конденсированные бензольные кольца. Соединения такого типа называют полиценами (следующий — (тетрацен)).
2. [14]-(аннулен). Как сам по себе, так и его мостиковые вариации (транс-15,16-диметилгидропирен, син-1,6:8,13-бисоксидо[14]аннулен). Также ароматичен дегидро[14]аннулен.

Системы с более чем 14 π-электронами.

1. , (кекулен).
2. (Коронен) — ароматически полициклический углеводород, содержащий 24 π-электрона, что означает по правилу Хюккеля его антиароматичность. Однако π-электронная система коронена состоит из двух концентрических колец, содержащих 18 (внешнее) и 6 (внутреннее) электронов.

В 2019 году группой химиков Оксфордского университета был синтезирован циклический гексамер порфирина с 162 π-электронами, молекула этого соединения имеет диаметр 5 нм.

Один из атомов кольца, которое не может расположиться в плоскости, резко выведен из этой плоскости, сохраняет sp³-гибридизацию и не участвует в сопряжении. Так, при растворении циклооктатетраена в серной кислоте образуется гомотропилиевый ион. Аналогичную структуру имеет трисгомоциклопропенильный катион.

(Сидноны)

И прочие мезоионные соединения. Принадлежность сиднонов к ароматическим соединениям так и не была однозначно принята всеми учёными (предлагал ). Впрочем единственный протон, связанный с углеродом, вступает во многие реакции, характерные для аренов (нитрование, сульфирование, хлорирование, меркурирование и т. д.), а сам сиднон содержит циклическую систему пи-орбиталей.

Представитель — [4,2]спирарен. Подчиняется правилу Хюккеля.

Свойства

Как правило, ароматические соединения — твёрдые или жидкие вещества. Отличаются от алифатических и алициклических аналогов высокими показателями преломления и поглощения в близкой УФ и видимой области спектра. Для ароматических соединений характерны реакции замещения, как (электрофильного) (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование, ацилирование, др.), так и (нуклеофильного) (по различным механизмам). Возможны (реакции присоединения), окисления (для моноядерных аренов — в весьма жёстких условиях и/или с катализаторами).

Примечания

1. В. Е. Пархоменко. Технология переработки нефти и газа. — Москва; Ленинград: Государственное Научно-Техническое Издательство Нефтяной И Горно-Топливной Литературы, 1953. — С. 193. — 460 с.
2. Дж. Марч. Органическая Химия. Реакции, механизмы и структура. 1 том. с 88
3. Терней А. Л. Современная органическая химия. т.1. с. 578.
4. Michel Rickhaus, Michael Jirasek, Lara Tejerina, Henrik Gotfredsen,Martin D. Peeks,Renée Haver, Hua-Wei Jiang, Timothy D. W. Claridge, Harry L. Anderson. Global aromaticity at the nanoscale, Nature Chemistry, volume 12, pages 236—241 (2020).

Литература

• Дж. Марч. Органическая Химия. Реакции, механизмы и структура. 1 том.
• Керри. Сандберг. Органическая химия. Механизмы реакций. 1 том.
• Химическая Энциклопедия в 5 томах. ред. И. Л. Кнунянц. 1 том.