Areny

Teorie aromatického stavu

všechny vazby mezi atomy uhlíku jsou stejně dlouhé
delokalizovaný π-elektronový systém – velmi stabilní

rozdělení arenů:

• monocyklické – jedno benzenové jádro
• polycyklické:
  kondenzovaná jádra: benzenová jádra jsou všechny „pohromadě“ (sousedí spolu sdílenými hranami)
  izolovaná jádra: mezi jádry ještě něco je

názvosloví: většinou se vychází z benzenu, většinou se používá triviální název
dva substituenty: uhlíky si očíslujeme tak, aby jeden ze substituentů ležel na prvním uhlíku
podle polohy druhého substituentu rozlišujeme tři polohy:

• ortho- (o-): 1,2
  substituenty jsou na dvou sousedních uhlících
  
• metha- (m-): 1,3
  jeden substituent je od druhého ob-uhlík
  
• para- (p-): 1,4
  substituenty jsou naproti sobě

všechny ostatní polohy (1,5 a 1,6) jsou jen jinak otočenými (a číslovanými) výše uvedenými polohami, proto je neuvažujeme

Přehled vzorců arenů

Alkylbenzeny a alkenylbenzeny

• toluen – methylbenzen – C₆H₅CH₃
  na benzenovém jádru je na jeden uhlík navázán methyl
  
• dimethylbenzeny (xyleny):
  na benzenovém jádru jsou nějak navázány dva methyly
  o-xylen – methyly jsou na sousedních uhlících
  m-xylen – mezi uhlíky s methyly je jeden obyčejný uhlík (jsou na např. prvním a třetím uhlíku)
  p-xylen – methyly jsou na protilehlých uhlících
  
• ethylbenzen – na jednom uhlíku je navázán ethyl
  
• kumen – isopropylbenzen – na jednom uhlíku je navázán propyl – navíc tak, že je „uchycen“ za svůj prostřední uhlík
  
• styren vinylbenzen – na jednom uhlíku je navázán vinyl (–CH=CH₂)
  polymerací můžeme získat polystyren
  C₆H₅C₂H₃

Areny s kondenzovanými benzenovými jádry

• naftalen
  C₁₀H₈
  dvě benzenová jádra mající společnou „hranu“
  
• anthracen
  tři benzenová jádra v řadě
  
• fenanthren
  dvě benzenová jádra v řadě, třetí je k nim „posunuté“ (sousedí jinou „hranou“, netvoří řadu)

Areny s izolovanými benzenovými jádry

• bifenyl – dvě benzenová jádra spojená jednoduchou vazbou
  
• bifenylmethan – dvě benzenová jádra, spojená pomocí –CH₂–

Aryly

aryl je uhlovodíkový zbytek od arenu
vodík se odebere přímo z benzenového jádra

• fenyl – C₆H₅–
  benzenové jádro s jedním odebraným vodíkem
  
• naftyl
  dva způsoby, jak odebrat vodík (ostatní možnosti jsou stejné, jen různě otočené)
  1-naftyl: odebereme vodík blíže ke společné hraně obou benzenových jader
  2-naftyl: odebereme vodík dále od společné hrany obou benzenových jader
  
• tolyl – od toluenu
  o-tolyl (ortho-tolyl) – vodík sebereme uhlíku sousedícímu s uhlíkem, na kterém je navázán CH₃
  m-tolyl (metha-tolyl) – vodík sebereme uhlíku, který je vzdálenosti 2 od uhlíku s CH₃
  p-tolyl (para-tolyl) – vodík sebereme uhlíku naproti uhlíku s CH₃
  benzyl (není aryl) – vodík sebereme od navázaného CH₃ (získáme CH₂–)

Fyzikální vlastnosti

charakteristický je zápach
kapaliny nebo pevné látky
nerozpustné ve vodě, rozpustné v organických rozpouštědlech
hořlavé
některé zdraví škodlivé
některé při zahřání sublimují (pevné látky se mění na plyn)

Chemické vlastnosti

nechovají se ani jako nasycené, ani jako nenasycené – mají vlastní skupinu – aromatické
typickou reakcí je substituce elektrofilní – S_E

Substituce elektrofilní

nemění se aromatický charakter
Reakční schéma: benzenové jádro–H + E⁺ → benzenové jádro–E + H⁺
Reakční mechanismus:

• Vznik π-komplexu: E⁺ se naváže na π-elektrony
  
  
• Vznik σ-komplexu:
  
  
• Rozpad σ-komplexu: H se odštěpí jako H⁺
  

S_E podle činidla

• halogenace – reaguje X⁺ (např. Cl⁺, Br⁺), vznikají halogenderiváty
• nitrace – reakce s nitrační směsí (směsí kyseliny dusičné a sírové)
  H₂SO₄ je jen katalyzátor
  reaguje NO₂⁺ (nitrylový kation, zbytek od HO–NO₂)
  vznikají nitrosloučeniny
• sulfonace – reaguje SO₃H⁺ (hydroxysulfurylový kation, zbytek od HO–SO₃H)
  reakce s koncentrovanou kyselinou sírovou
  vznikají sulfonové kyseliny (sulfonové, ne sulfanové)
• alkylace – alkylový kation (např. CH₃⁺)
  vnesení alkylové skupiny na benzenové jádro pomocí halogenalkanu
• acylace

Další substituce na aromatické jádro

na aromatickém jádru už máme něco navázáno a chceme navázat něco dalšího
o další substituci rozhodne již navázaný substituent
substituenty dělíme:

• I. třída – halogeny, OH, OR, NH₂, alkyly
  další substituce proběhne do polohy ortho a para
  
• II. třída – NO₂, SO₃H, COOH
  další substituce proběhne do polohy metha

Pomůcka: z těch substituentů, co se učíme jsou v II. třídě právě ty, co mají dva a více kyslíků (podle Wikipedie to ale pro další méně známé substituenty neplatí)

Adice arenů

spojují se dvě částice, jedna ze sloučenin však musí mít dvojnou vazbu
při adici arenů dochází k porušení aromatického charakteru (aby reakce proběhla, musí se použít vysoký tlak, teplotu nebo přidat katalyzátor)

• hydrogenace benzenu:
  benzen + 3H₂ → (t, p, kat.) cyklohexan
  C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂
  
• hydrogenace fenanthrenu:
  fenanthren + 7H₂ → perhydrofenanthren

Oxidace arenů

• oxidace na benzenovém jádře
• oxidace na bočním řetězci

Zástupci

Benzen

C₆H₆
hořlavá kapalina
toxická, karcinogenní
hoří čadivým plamenem
páry se vzduchem jsou exlozivní
výborné organické rozpouštědlo
ve vodě nerozpustný, plave na vodě
neodbarvuje bromovou vodu ani ☉KMnO₄ ⇒ neobsahuje dvojné vazby

Výroba

• z produktů karbonizace uhlí
• dehydrogenace cyklohexanu

Užití

výborné organické rozpouštědlo
výroba jiných organických látek (kumen, anylin)

Chemické reakce

• substituce elektrofilní
  chlorace: C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl (chlorbenzen) + HCl
  nitrace: C₆H₆ + HNO₃ (HO − NO₂) → (H₂SO₄) C₆H₅NO₂ (nitrobenzen) + H₂O
  sulfonace: C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H (benzensulfonová kyselina) + H₂O
  methylace: C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ (methylbenzen, toluen) + HCl
• hydrogenace:
  C₆H₆ + 3H₂ → (t, p, kat.) C₆H₁₂

Uhlovodíkový zbytek: C₆H₅, fenyl

Toluen

methylbenzen, C₆H₅CH₃, na benzenovém jádře je navázán methyl
kapalina
dobré organické rozpouštědlo
zneužívá se jako inhalační droga
oxidací toluenu vzniká kyselina benzolová (na benzenovém jádru je navázáno –COOH)
používá se k výrobě TNT (2,4,6-trinitrotoluen)
Uhlovodíkové zbytky: benzyl (sebereme vodík z methylu), tolyl (ortho-, metha-, para; vodík sebereme z uhlíku, na kterém není navázán methyl)

Styren

vinylbenzen, C₆H₅C₂H₃
na jednom uhlíku v benzenovém jádře je navázán vinyl (–CH=CH₂)
Výroba: dehydrogenace ethylbenzenu (na jednom uhlíku v benzenovém jádře je –CH₂–CH₃): ethylbenzen → (-H₂) styren

Užití:

• polymerace ⇒ polystyren
  
• výroba butadien-styrenového kaučuku – ten se používá na výrobu pneumatik

Naftalen

C₁₀H₈
poloha α – uhlíky 1, 4, 5, 8; mají o trochu větší π-elektronovou hustotu
poloha β – uhlíky 2, 3, 6, 7


bílá pevná látka
sublimuje

Kumen

isopropylbenzen, na benzenové jádro je navázán za svůj prostřední uhlík propyl
výroba fenolu a acetonu – oxidací kumenu