Aromatische Verbindung - Aromatic compound

Aromatische Verbindungen sind chemische Verbindungen (am häufigsten organisch ), die einen oder mehrere Ringe mit um sie herum delokalisierten Pi-Elektronen enthalten . Im Gegensatz zu Verbindungen, die Aromatizität aufweisen , fehlt aliphatischen Verbindungen diese Delokalisierung. Der Begriff "aromatisch" wurde verwendet, bevor der physikalische Mechanismus entdeckt wurde, der die Aromatizität bestimmt , und bezog sich einfach auf die Tatsache, dass viele solcher Verbindungen einen süßen oder angenehmen Geruch haben; jedoch haben nicht alle aromatischen Verbindungen einen süßen Geruch, und nicht alle Verbindungen mit einem süßen Geruch sind aromatische Verbindungen. Aromatische Kohlenwasserstoffe oder Arene sind aromatische organische Verbindungen, die ausschließlich Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthalten. Die Konfiguration von sechs Kohlenstoffatomen in aromatischen Verbindungen wird "Benzolring" genannt, nach der einfachen aromatischen Verbindung Benzol oder einer Phenylgruppe , wenn sie Teil einer größeren Verbindung ist.

Nicht alle aromatischen Verbindungen basieren auf Benzol; Aromatizität kann sich auch in Heteroarenen manifestieren , die der Hückelschen Regel folgen (für monocyclische Ringe: wenn die Anzahl seiner π-Elektronen 4 n  + 2 beträgt , wobei n  = 0, 1, 2, 3, ...). In diesen Verbindungen ist mindestens ein Kohlenstoffatom durch eines der Heteroatome Sauerstoff , Stickstoff oder Schwefel ersetzt . Beispiele für Nicht-Benzol-Verbindungen mit aromatischen Eigenschaften sind Furan , eine heterocyclische Verbindung mit einem fünfgliedrigen Ring, der ein einzelnes Sauerstoffatom enthält, und Pyridin , eine heterocyclische Verbindung mit einem sechsgliedrigen Ring, der ein Stickstoffatom enthält.

Benzolringmodell

Benzol , , ist der am wenigsten komplexe aromatische Kohlenwasserstoff und wurde als erster als solcher benannt. Die Art seiner Verbindung wurde erstmals im 19. Jahrhundert von August Kekulé erkannt . Jedes Kohlenstoffatom im hexagonalen Zyklus hat vier Elektronen, die sich teilen. Einer geht zum Wasserstoffatom und einer zu jedem der beiden benachbarten Kohlenstoffe. Dadurch teilt sich ein Elektron mit einem der beiden benachbarten Kohlenstoffatome, wodurch eine Doppelbindung mit einem Kohlenstoff entsteht und eine Einfachbindung mit dem anderen verbleibt, weshalb einige Darstellungen des Benzolmoleküls es als Sechseck mit abwechselnden Einfach- und Doppelbindungen.

Andere Darstellungen der Struktur zeigen das Sechseck mit einem Kreis darin, um darauf hinzuweisen, dass die sechs Elektronen in delokalisierten Molekülorbitalen von der Größe des Rings selbst herumschweben. Dies repräsentiert die äquivalente Natur der sechs Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen alle der Bindungsordnung 1,5; die Äquivalenz wird durch Resonanzformen erklärt . Die Elektronen werden als schwebend über und unter dem Ring visualisiert, wobei die elektromagnetischen Felder, die sie erzeugen, den Ring flach halten.

Allgemeine Eigenschaften aromatischer Kohlenwasserstoffe:

  1. Sie zeigen Aromatik
  2. Das Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnis ist hoch
  3. Sie brennen wegen des hohen Kohlenstoff-Wasserstoff-Verhältnisses mit einer starken rußgelben Flamme
  4. Sie gehen elektrophile Substitutionsreaktionen und nukleophile aromatische Substitutionen ein

Das Kreissymbol für Aromatizität wurde 1925 von Sir Robert Robinson und seinem Schüler James Armit eingeführt und ab 1959 durch das Lehrbuch von Morrison & Boyd über organische Chemie populär gemacht. Die richtige Verwendung des Symbols wird diskutiert: Einige Veröffentlichungen verwenden es für jedes zyklische π-System, während andere es nur für diejenigen π-Systeme verwenden, die der Hückel-Regel gehorchen . Jensen argumentiert, dass in Übereinstimmung mit Robinsons ursprünglichem Vorschlag die Verwendung des Kreissymbols auf monocyclische 6 π-Elektronensysteme beschränkt werden sollte. Auf diese Weise kann das Kreissymbol für eine Sechs-Zentren-Sechs-Elektronen-Bindung mit dem Y-Symbol für eine Drei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung verglichen werden .

Arensynthese

Eine Reaktion, die aus einem ungesättigten oder teilweise ungesättigten cyclischen Vorläufer eine Arenverbindung bildet, wird einfach als Aromatisierung bezeichnet . Es gibt viele Labormethoden für die organische Synthese von Arenen aus Nicht-Aren-Vorstufen. Viele Verfahren beruhen auf Cycloadditionsreaktionen . Alkin-Trimerisierung beschreibt die [2+2+2]-Cyclisierung von drei Alkinen, bei der Dötz-Reaktion sind ein Alkin, Kohlenmonoxid und ein Chromcarben-Komplex die Reaktionspartner. Auch Diels-Alder-Reaktionen von Alkinen mit Pyron oder Cyclopentadienon unter Austreibung von Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid bilden Arenverbindungen. Bei der Bergman-Cyclisierung sind die Reaktanten ein Enin plus ein Wasserstoffdonor.

Ein weiteres Methodenpaket ist die Aromatisierung von Cyclohexanen und anderen aliphatischen Ringen: Reagenzien sind bei der Hydrierung verwendete Katalysatoren wie Platin, Palladium und Nickel (umgekehrte Hydrierung), Chinone und die Elemente Schwefel und Selen .

Reaktionen

Aromatische Ringsysteme nehmen an vielen organischen Reaktionen teil.

Aromatische Substitution

Bei der aromatischen Substitution wird ein Substituent am Arenring, üblicherweise Wasserstoff, durch einen anderen Substituenten ersetzt. Die beiden Haupttypen sind die elektrophile aromatische Substitution, wenn das aktive Reagens ein elektrophiles Reagens ist, und die nukleophile aromatische Substitution, wenn das Reagens ein Nukleophil ist. Bei der radikal-nukleophilen aromatischen Substitution ist das aktive Reagens ein Radikal. Ein Beispiel für die elektrophile aromatische Substitution ist die Nitrierung von Salicylsäure :

Nitrierung von Salicylsäure

Kopplungsreaktionen

Bei Kupplungsreaktionen katalysiert ein Metall eine Kupplung zwischen zwei formalen Radikalfragmenten. Gängige Kupplungsreaktionen mit Arenen führen zur Bildung neuer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen, zB Alkylarene, Vinylarene, Biraryle, neue Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen (Aniline) oder neue Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen (Aryloxyverbindungen). Ein Beispiel ist die direkte Arylierung von Perfluorbenzolen

Kupplungsreaktion

Hydrierung

Die Hydrierung von Arenen erzeugt gesättigte Ringe. Die Verbindung 1-Naphthol wird vollständig zu einem Gemisch von Decalin- ol- Isomeren reduziert .

1-Naphthol-Hydrierung

Die mit Raney-Nickel in Gegenwart von wässrigem Natriumhydroxid hydrierte Verbindung Resorcin bildet ein Enolat, das mit Methyljodid zu 2-Methyl-1,3-cyclohexandion alkyliert wird :

Resorcin-Hydrierung

Cycloadditionen

Cycloadditionsreaktionen sind nicht üblich. Eine ungewöhnliche thermische Diels-Alder-Reaktivität von Arenen findet sich in der Wagner-Jauregg-Reaktion . Andere photochemische Cycloadditionsreaktionen mit Alkenen laufen über Excimere ab .

Entaromatisierung

Bei Desaromatisierungsreaktionen geht die Aromatizität des Reaktanten dauerhaft verloren.

Benzol und Derivate von Benzol

Benzolderivate haben ein bis sechs Substituenten, die an den zentralen Benzolkern gebunden sind. Beispiele für Benzolverbindungen mit nur einem Substituenten sind Phenol , das eine Hydroxylgruppe trägt , und Toluol mit einer Methylgruppe . Wenn mehr als ein Substituent am Ring vorhanden ist, wird ihre räumliche Beziehung wichtig, für die die Aren-Substitutionsmuster ortho , meta und para entwickelt werden. Zum Beispiel gibt es für Kresol drei Isomere , weil die Methylgruppe und die Hydroxylgruppe nebeneinander ( ortho ), eine Position voneinander entfernt ( meta ) oder zwei Positionen voneinander entfernt ( para ) platziert werden können. Xylenol hat neben der Hydroxylgruppe zwei Methylgruppen, und für diese Struktur existieren 6 Isomere.

Der Arenring hat die Fähigkeit, Ladungen zu stabilisieren. Dies zeigt sich beispielsweise bei Phenol (C 6 H 5 –OH), das am Hydroxyl (OH) sauer ist , da eine Ladung an diesem Sauerstoff (Alkoxid –O ) teilweise in den Benzolring delokalisiert wird.

Andere monozyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

Andere monocyclische aromatische Kohlenwasserstoffe umfassen Cyclotetradecaheptaen oder Cyclooctadecanonaen .

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

Hexabenzocoronen ist ein großer polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoff.

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) sind aromatische Kohlenwasserstoffe, die aus anellierten aromatischen Ringen bestehen und keine Heteroatome enthalten oder Substituenten tragen . Naphthalin ist das einfachste Beispiel für eine PAK. PAK kommen in Öl- , Kohle- und Teerablagerungen vor und werden als Nebenprodukte der Brennstoffverbrennung (ob fossile Brennstoffe oder Biomasse) produziert. Als Schadstoffe sind sie besorgniserregend, da einige Verbindungen als krebserregend , mutagen und teratogen identifiziert wurden . PAK sind auch in gekochten Lebensmitteln enthalten. Studien haben gezeigt, dass hohe PAK-Gehalte beispielsweise in hochgegartem Fleisch wie beim Grillen oder Grillen und in geräuchertem Fisch gefunden werden.

Sie kommen auch im interstellaren Medium , in Kometen und in Meteoriten vor und sind ein Kandidatenmolekül für die frühesten Lebensformen . In Graphen wird das PAH-Motiv auf große 2D-Blätter ausgedehnt.

Siehe auch

Verweise

Externe Links

  • Medien im Zusammenhang mit Aromaten bei Wikimedia Commons