U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o posebnoj skupini cikličkih, nezasićenih ugljikovodika koje nazivamo aromatskim ugljikovodicima.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

• Objasni svojstvo aromatičnosti ugljikovodika!
• Prikaži strukturu benzena!
• Zašto su aromatski ugljikovodici stabilni?
• Pojasni imenovanje arena na primjeru!
• Navedi fizikalna svojstva arena!
• Koje su kemijske reakcije karkteristične za arene? Objasni reakcijski mehanizam tih reakcija!
• Napiši primjere karakterističnih reakcija aromatskih ugljikovodika?
• Navedi svojstva i područja upotrebe osnovnih arena!

UVOD

Aromatski ugljikovodici ili ARENI, svoj naziv duguju ugodnim aromama ili mirisima koji odlikuju predstavnike ove skupine spojeva. Ovakav naziv je zadržan do danas, iako se izmjenio način njegovog shvaćanja. Danas, pod pojmom “aromatičnost” podrazumijevamo posebnu stabilnost spojeva koji u svojoj strukturi imaju prsten od 6 C-atoma između kojih su naizmjenične dvostruke i jednostruke veze, tzv. benzenski prsten.

Struktura arena

Vidjeli smo da je u osnovi strukture aromatskih ugljikovodika (arena) benzenski prsten. Najjednostavniji predstavnik ove skupine ugljikovodika je upravo BENZEN (slika 1.).

Prvu strukturu benzena predložio je njemački organski kemičar Friedrich August Kekulé (1829.-1896.). Riječ je o cikličkoj (prstenastoj) strukturi sa šest C-atoma, povezanih naizmjeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama, koji sadrže svaki po jedan H-atom. Između njegovih formula stoji strelica sa dva vrha koja označava REZONANCIJU. Što znači rezonancija? Nijedna od formula, zapravo, ne predstavlja benzen, ali njihova kombinacija, da.

Danas znamo da svi atomi ugljika i vodika u strukturi benzena leže u jednoj ravnini (planarna struktura), sve veze između C-atoma su jednake duljine i nisu ni jednostruke ni dvostruke. Kako?

Osobina prirode veze između C-atoma objašnjava se kombinacijom jednostruke i dvostruke veze. Jednostrukom vezom prema sp³ hibridizaciji dobivamo sigma (σ) veze, a dvostrukom vezom dobivamo i sigma (σ) i pi (π) vezu. Prisjeti se sp² hibridizacije u Temi NEZASIĆENI UGLJIKOVODICI! Upravo su nehibridizirane p-orbitale iz kojih se formira π veza te koje sadrže delokalizirane, π elektrone koji uzrokuju posebnu stabilnost ovih spojeva, tzv. aromatičnost.

Naziv arena

Imenovanje spojeva sa benzenskom jezgrom objasnit ćemo na sljedećem primjeru:

Ukoliko na benzensku jezgru imamo vezana dva supstituenta, njihov se međusobni položaj može u nazivu opisati i slovima o za 1,2 položaj (orto-položaj), m za 1,3 položaj (meta-položaj) i p za 1,4 položaj (para- položaj).

Mnogi derivati benzena imaju svoje trivijalne nazive kao što je slučaj i sa dimetilbenzenom koji je poznatiji pod nazivom ksilen.

ZADATAK:

Napiši strukturnu, molekulsku i formulu pomoću veznih crtica za sljedeći spoj: m-diklorbenzen!

SVOJSTVA ARENA

Fizikalna svojstva

Aromatski ugljikovodici su tekućine ili krutine karakterističnih mirisa. Imaju niska tališta i vrelišta koja rastu sa porastom relativne molekulske mase aromatskih spojeva. Ne otapaju se u vodi već u organskim otapalima prema onoj već poznatoj “slično se otapa u sličnome”. Benzen je bezbojna tekućina, manje gustoće od gustoće vode. Pri sobnoj temperaturi, areni hlape i njihove pare su kancerogene i u smjesi sa zrakom eksplozivne stoga treba biti vrlo pažljiv prilikom rada sa njima.

Kemijska svojstva

Vidjeli smo da su aromatski ugljikovodici kemijski vrlo stabilni spojevi zbog “oblaka delokaliziranih elektrona” te su zbog toga kemijski vrlo slični alkanima. Kao i ostali ugljikovodici, i areni mogu gorjeti potpuno i nepotpuno uz oslobađanje velike količine topline. Benzen gori svijetlim i čađavim plamenom.

Areni podliježu reakcijama supstitucije ili zamjene te je tu njihova sličnost sa alkanima.

Areni su slabe baze i reagiraju pretežito sa elektrofilnim reagensima ili kiselinama, stoga su za njih karakteristične reakcije ELEKTROFILNE SUPSTITUCIJE. Adicijske reakcije mogu se događati, ali u posebnim uvjetima, uz visoku temperaturu i tlak ili pod djelovanjem svjetlosti.

Najčešće reakcije elektrofilne supstitucije na benzenskoj jezgri su: halogeniranje, nitriranje, sulfoniranje i alkiliranje.

Upotreba arena

Benzen i njegovi derivati su važne sirovine u kemijskoj industriji. Najznačajnija upotreba benzena je kao važno otapalo za mnoge organske spojeve (masti, ulja, smole, boje) i kao polazna sirovina za sintezu aromatskih spojeva. Koristi se još i za proizvodnju lijekova, lakova, boja, plastičnih masa, eksploziva, sredstava za pranje, različitih pesticida.

Benzenove pare su jako otrovne i kancerogene. Njegova smjesa sa zrakom je vrlo zapaljiva.

Od derivata benzena najznačajniji su: metilbenzen ili toluen, dimetilbenzen ili ksilen i etenilbenzen ili stiren.

Metilbenzen ili toluen je bezbojna i zapaljiva tekućina ugodnog mirisa koja vrije na 111 °C. Dobiva se ekstrakcijom ili destilacijom benzina, suhom destilacijom kamenog ugljena ili frakcijskom destilacijom katrana kamenog ugljena. Upotrebljava se za proizvodnju boja, lakova, plastičnih masa, benzena, benzojeve kiseline, fenola, itd. Također se upotrebljava i kao otapalo umjesto otrovnijeg benzena.

Dimetilbenzen ili ksilen je bezbojna i hlapljiva tekućina slatkastog mirisa. Posjeduje nagrizajuća i zapaljiva svojstva. Dobiva se iz katrana kamenog ugljena. Ksilen se upotrebljava kao otapalo, u proizvodnji boja i razrjeđivača, u proizvodnji guma, kože, sintetskih vlakana, vještačkih boja i mirisa. Zbog visokog oktanskog broja koristi se i kao dodatak kerozinu i benzinu za poboljšanje njihove kvalitete.

Etenilbenzen ili poznatiji pod nazivom stiren je bezbojna tekućina oštrog mirisa. Tali se na -31 °C, a vrije na 145 °C. Dobiva se iz katrana kamenog ugljena.

Zagrijavanjem se vrlo lako polimerizira u staklastu masu poznatu kao polistiren ili stiropor koji je važan izolacijski materijal.

Pare stirena su nadražujuće i opasne za zdravlje.

ZA ONE KOJI ŽELE ZNATI VIŠE!

Polinuklearni aromatski ugljikovodici

Polinuklearni aromatski ugljikovodici su nastali spajanjem dvaju ili više benzenskih prstena pri čemu su dva ugljikova atoma zajednička za dva susjedna prstena. Polinuklearni aromatski ugljikovodici sadrže samo atome ugljika i vodika. Najpoznatiji primjeri ovih spojeva su: naftalen, antracen, fenantren i piren.

Naftalen

Naftalen ili naftalin, kemijske formule C₁₀H₈ je krutina karakteristična i prodorna mirisa. Lako je hlapljiv i lako sublimira. Gori svijetlim plamenom pri čemu nastaje čađa i crni dim. Netopljiv je u vodi, a topljiv u organskim otapalima primjerice u alkoholu, benzenu, eteru, kloroformu. Dobiva se iz katrana kamenog ugljena.

Između ostalog, upotrebljavao je se kao insekticid (protiv moljaca) no izbačen je iz upotrebe jer je kancerogen.

Antracen

Antracen, kemijske formule C₁₄H₁₀ je bezbojna krutina, sastojak ugljene smole iz koje se i dobiva. Netopljiv je u vodi. Koristi se za dobivanje antracenskih ulja i bojila.

Piren

Piren, kemijske formule C₁₆H₁₀ , je krutina žute boje koja se dobiva nepotpunim sagorijevanjem organskih spojeva. Nalazi se u katranu kamenog ugljena.

Koristi se u organskim sintezama i nije kancerogen za razliku od benzo(a)pirena koji sadrži pet kondenziranih prstena. Ovaj spoj je također produkt nepotpunog sagorijevanja organskih materija. Može se nalaziti u katranu ugljena, duhanskom dimu, mesu sa roštilja.

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

AROMATSKI UGLJIKOVODICI

e-učenje kemije