Benzen

• nejjednodušší a netypyčtější aren
• molekulový vzorec: $C_6{H}_6$
• strukturní vzorec:

  

  • přesně neodpovídá skutečnosti
    • zobrazuje cyklohexa-1,3,5-trien
  • používá se stále

Struktura benzenu

• je to cyklický uhlovodík
• obsahuje systém konjugovaných dvojných vazeb
• všechny atomy uhlíku mají hybridní orbitaly $s{p}^2$
• všechny atomy uhlíku mají jeden nehybridizovaný orbital $2p$
  • jsou navzájem paralelní a kolmé k rovině uhlíkových atomů
• $\pi$-elektrony se mohou volně pohybovat
  • vznikají dva elektronové oblaky nad a pod cyklem
  • k vyjádření delokalizace se používá jiný strukturní vzorec

    

• všechny vazby v benzenu jsou rovnocené a stejně dlouhé

Vlastnosti benzenu

• delokalizované $\pi$-elektrony dodávají systému větší stabilitu
  • nižší reaktivita
• delokalizace elektronů snižuje energii molekuly
  • delokalizační energie (resonanční energie)
  • úbytek energie

Aromatický charakter

• vlastnosti odvozené od benzenu
• určují podmínky pro aromatické sloučeniny
• Vlastnosti
  • obsahuje cyklický systém konjugovaných dvojných vazeb
  • molekula je planární
  • obsahuje $4n+1\pi$-elektronů
    • Hückleovo pravidlo
    • $n$ nabývá hodnotě $0$ a kladných celočíselných hodnot
    • pro benzen je $n=1$ jí jasnou a příjemnou vůni

Rozdělení arenů

• Monocyklické areny
  • obsahují jedno benzenové jádro
• Polycyklické areny
  • obsahují více než jedno benzenových jader
  • mají zvláštní číslování
  • pojmenovávají se triviálními názvy
  • kondenzované polycyklické areny
    • benzenová jádra sdílí dva uhlíky
  • izolované polycyklické areny
    • benzenová jádra sdílí jeden uhlík

Nomenklatura arenů

• názvy jednodušších arenů jsou odvozeny od benzenu nebo jsou triviální
  • používání triviálních názvu je velmi časté

Určení polohy dvou substituentů

• pro určení polohy subtituentů používáme lokanty nebo speciální prefixy

Poloha ortho

• prefix ortho
• značka o-
• poloha $1,2-$
• příklad:

  

  - o-xylen (1,2-dimethylbenzen)

Poloha meta

• prefix meta
• značka m-
• poloha $1,3-$
• příklad:

  

  - m-xylen (1,3-dimethylbenzen)

Poloha para

• prefix para
• značka p-
• poloha $1,4-$
• příklad:

  

  - p-xylen (1,4-dimethylbenzen)

Alkyl- a alkenylbenzeny

• obsahují jeden aromatický kruh
• např.:

  

  - toluen (methylbenzen)

  

  - kumen ((1-methylethyl)benzen)

  

  - styren (ethenylbenzen)

Areny s kondenzovanými aromatickými kruhy

• obsahuje více než jeden aromatický kruh
• sousední kruhy mají společné atomy uhlíku
• mají triviální názvy
• např.:

  

  - naftalen

  

  - anthracen

  

  - fenanthren

Areny s nekondenzovanými aromatickými kruhy

• aromatické kruhy spolu sdílí jeden nebo žádný uhlík
• např.:

  

  - bifenyl

  

  - difenylmethan

Aryly

• v obecných vzorcích se značí Ar
• tvoří se odtržení vodíku z armoatického kruhu

  

  • fenyl
    • neznámější
    • ostatná se tvoří nahrazením koncovky konvockou -yl
    • benzyl

      

      • není to aryl!

Fyzikální vlastnosti arenů

• mají charakteristický zápach
• jsou hořlavé a toxické
• jsou nerozpustný ve vodě
• kapalné areny (benzen, toluen, xyleny) se používají k výrobě organických rozpouštědel
• areny s kondenzovanými aromatickými kruhy jsou pevné a snadno sublimují

Chemické vlastnosti arenů

• jsou stabilnější než klasické nasycené uhlovodíky

Reakce arenů

Elektrofilní substituce

• Obecně
  • elektrofilní činidlo napadá benzenový kruh
  • vzniká $\pi$-komplex
  • ten se mění na $\sigma$-komplex
    • elektrofilní činidlo se váže na jeden atom kruhu
    • je narušena aromaticita
  • uvolní se kation $H^{+}$
    • aromaticita se obnoví
  • vzniká substituční derivát
  • přítomné substituenty v látce mohou ovlivnit substituci dalších
    • Substituenty I. řádu
      • řídí vstup dalšího substituentu do polohy ortho nebo para
      • jsou to alkyly a skupiny s volným elektronovým párem ($-OH,-N{H}_2,-OR$, halogeny)
      • působí +M efektem
        • zvyšují elektronovou hustotu v polohách ortho a para
    • Substituenty II. řádu
      • řídí vstup dalšího substituentu do polohy meta
      • působí -M efektem
• Halogenace
  • vznikají halogenderiváty ($Ar-X$)
  • podle podmínek vstupuje halogen do postranního řetězce
  • vazba $X-X$ se štěpí heterolyticky
    • elektrofilním činidlem je $X^{+}$
• Nitrace
  • provádí se působením nitrační směsi
    • koncentrovaná kyselina dusičná a kyselina sírová
  • vznikají nitrosloučeniny
  • elektrofilním činidlem je nitroniový kation ${}^{+}N{O}_2$
    • vznik nitroniového kationtu: $HO-N{O}_2+H^{+}⟶{}^{+}N{O}_2+H_{2}O$
• Sulfonace
  • provadí se působením koncentrované kyseliny sírové
  • vznikají sulfoniové kyseliny
  • elektrofilním činidlem je ${}^{+}S{O}_{2}OH$
• Alkylace
  • do aromatického kruhu se zavádí alkyl
  • provádí se působením halogenalkanů
  • elektrofilním činidlem je alkylový kation $R^{+}$
• Acylace
  • je zavedení skupina $-CO-R$ do aromatického kruhu
  • provádí se reakcí s acylhalogenidy
  • vznikají ketony

Radikálová adice

• Katalytická hydrogenace
  • zaníká aromaticita
• Halogenace
  • zaniká aromaticita
  • vzniká cyklické uhlovodíky

Oxidace

• aromatický kruh přímo neoxiduje
• oxidují postranní řetězce
• vznikají oxoderiváty

Zástupci

Toluen

• $C_6{H}_5-C{H}_3$, methylbenzen
• má podobné vlastnosti jako benzen
• je dobrým orgnanickým rozpouštědlem
• jeho páry mají omamné účinky
  • při čichání způsobuje trvalé poškození mozku a jater
  • při větším zasažení způsobuje smrt

Styren

• $C_6{H}_5-CH=C{H}_2$, vinylbenzen, ethenylbenzen
• je výchozí látkou pří výrobě polystyrenu
• jeho páry jsou karcinogenní a poškuzují kostní dřeň

Naftalen

• $C_{10}{H}_8$
• tvoří perleťově bílé krystalky
• sublimuje za pokojové teploty
• má desinfekční účinky
• odpuzuje některé živočichy
  • používá se k ochraně proti molům
• je základní surovin při výrobě některých barviv k ochraně proti molům
• je základní surovin při výrobě některých barviv ochraně proti molům
• je základní surovin při výrobě některých barviv