Benzen

  • nejjednodušší a netypyčtější aren
  • molekulový vzorec: $C_6H_6$
  • 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 $sp^2$
  • 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

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 ($-OH,-NH_2,-OR$, 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 $^+NO_2$
      • vznik nitroniového kationtu: $HO-NO_2+H^+\longrightarrow{^+}NO_2+H_2O$
  • Sulfonace
    • provadí se působením koncentrované kyseliny sírové
    • vznikají sulfoniové kyseliny
    • elektrofilním činidlem je $^+SO_2OH$
  • 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

  • $C_6H_5-CH_3$, 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

  • $C_6H_5-CH=CH_2$, 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