Aromás szénhidrogének

Az aromás szénhidrogének (vagy ritkán használatos megnevezéssel arének) olyan gyűrűs telítetlen szénhidrogének, amelyek molekulájában egy vagy több benzolgyűrű található.

Benzol gyűrű szerkezete

Az aromás szénhidrogének alapvegyületének, a benzolnak a molekulájában hat szén és hat hidrogén atom van. Az első gyűrűs képletet Friedrich August Kekulé von Stradonitz javasolta. Annak ellenére, hogy nagyon telítetlen, nehezen addícionál más vegyületeket, viszont könnyen vesz részt szubsztitúciós reakcióban. A benzol gyűrű szerkezetében a kettős kötések nem rögzítettek, hanem delokalizáltak és emiatt adódik az aromás jelleg (van szaguk). Színtelen, mozgékony folyadék, amelynek szaga kellemetlen, könnyen párolog. Fajsúlya 20 °C -on 0,880; forráspontja 80,5 °C. Az olvadó jég hőmérsékletére lehűtve kristályos tömeggé dermed, mely 6 °C-on megolvad. Vízben alig oldódik; vízmentes borszesszel és éterrel elegyíthető. Gyantákat és zsírokat bőségesen old. A jódot, a ként és a foszfort is feloldja. A brómot is oldja, de azzal nem lép reakcióba - bizonyítja a stabilis szerkezetet. Meggyújtva világító és kormozó lánggal ég. Tömény kénsav szulfonsavvá alakítja, a vörös füstölgő salétromsav pedig nitro-benzollá. Igen nagy számú származékait ismerjük, amelyeket benzolszármazékoknak vagy aromás vegyületeknek nevezünk. Számos bonyolultabb összetételű szénvegyület száraz desztillálásakor képződik. Jelentékeny mennyiségben van a kőszénkátrányban.

Előállítása

A kőszénkátrány 60 °C és 200 °C között átdesztilláló részletéből, az ún. könnyű kátrányolajból készül. E könnyű kátrányolajat előbb kevés tömény kénsavval elegyítik, amely az organikus bázisokat kioldja, majd tömény lúggal rázogatják, amely a sav- természetű vegyületeket távolítja el. Majd a folyadékot újból desztillálva a 85 °C-on átmenő részletet külön felfogják. Az így kapott termék az árubeli nyers benzol, amely a benzolon kívül, annak homológjait (toluol, xilol) is tartalmazza. Frakcionált desztillációval is megtisztítható. Még tisztább úgy lesz, ha a nyers benzolt erősen lehűtik, miközben a benzol kifagyva kristályosan leválik. A kristályos tömeget kipréselik, ami által a meg nem fagyott homológjai elválaszthatóak. Igen tiszta benzolt kalcium-hidroxid és benzoesav elegyének száraz desztillálása révén kaphatunk. A benzol dehidroaromatizálással és toluol dezalkilezésével is gyártható. A dehidroaromatizálás során a nyílt szénláncú normál-hexánból indulunk ki, ami katalizátor (például platina) jelenlétében gyűrűzáródás és dehidrogéneződés révén benzollá alakul. A dehidroaromatizálással azonban nem csak a benzol, hanem homológjai is előállíthatóak. Például ha ipari normál-heptánból indulunk ki, ugyanezzel a módszerrel 90%-os hozammal toluolt kapunk. A toluol dezalkilezéssel szintén benzollá alakítható. Az eljárás lényege, hogy hidrogéngáz és toluolgőz keveréke 500-600 °C-on benzollá és metánná alakul:

C₆H₅CH₃ + H₂ → C₆H₆ + CH₄

Másik módszer a hexánból való hidrogénelvonás, és az azutáni aromatizálás (gyűrűvé zárás).

C₆H₁₄ → C₆H₁₂ + H₂

C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂

Képviselők

Monociklusos arének

Az első képviselő a toluol, vagy más néven a metil-benzol. Fontos megjegyezni, hogy a benzol gyűrű egyik szénatomjához hozzákapcsolódik egy metil csoport, szerkezete a képen is jól látható.

Más képviselő például az etil-benzol, propil-benzol, izopropil-benzol.

Többciklusos arének

Kondenzált gyűrűsök: két vagy több közös szén atomjuk van.

Ilyen például a naftalin, és a fenantrén

Izolált gyűrűsök: nincs közös szén atomjuk, ide tartozik például a bifenil.

Fizikai tulajdonságok

Halmazállapota: folyékony, szilárd. Vízben nem oldódik, de oldódik szerves oldószerekben (pl. éterekben). Olvadás és forráspontja magasabb mint a nyíltláncú szénhidrogéneknek. Fontos megjegyezni, hogy a naftalin szublimál.

Kémiai tulajdonságok

Elsőrendű szubsztituens	Másodrendű szubsztituens
például alkilgyökök, halogének , –OH, –NH2	például nitrocsoport, szulfon, karbonilcsoport, karboxilcsoport, vinilcsoport, nitrilcsoport
Orto és para helyzetbe irányít	Meta helyzetbe irányít

Reakciók

Szubsztituciós reakciók

Ezek a típusú reakciók könnyen végbemennek.

1. Halogénezési reakció AlCl₃ vagy FeCl₃ jelenlétében. Halogén fölöslegben a reakció tovább folytatódik. Ha más szubsztituens mar a benzol gyűrűn van (pl. a toluolon levő CH₃ csoport) akkor a táblázat alapján fog irányítódni a halogén, orto, para vagy meta helyzetbe.

2. Nitrálási reakció: nitrálóeleggyel történik, HNO₃ és H₂SO₄ jelenlétében. A salétromsav felírható a következőképpen: HO-NO₂. A nitrocsoport fog csatlakozni a benzolhoz, vagy ennek más izomerjéhez. Ha egyszerűen csak benzollal reagáltatjuk a salétromsavat, akkor a nitrocsoport 1-es helyzetbe fog kerülni, ha pedig izomerével (pl. toluol) reagáltatjuk, akkor a már ott lévő szubsztituens határozza meg azt, hogy a nitrocsoport hová kerül. Ezt a táblázatból meglehet nézni. A reakció során víz is keletkezik. Ha HNO₃ fölösleg van, akkor a reakciót tovább lehet folytatni.

3. Alkilezési reakció vagy más néven Friedel–Crafts-reakció: Ezt a reakciót nevezzük lánchosszabbító reakciónak.

4. Szulfonálási reakció Koncentrált H₂SO₄-el történik

5. Friedel–Crafts-acilezési reakció

Megjegyzések

A benzolt elsőként Faraday különítette el 1825-ben, a benzol nevet Liebig javaslatára fogadták el. A ma érvényes IUPAC nómenklatúrával ez a név nincs összhangban, mivel az -ol végződés az alkoholok elnevezésére van fenntartva . A magyar szakirodalomban német hatásra terjedt el. Az angolszász irodalom a vegyületre - tekintettel alkénes jellegű telítetlenségére - a benzene elnevezést használja. Ez az elnevezés (Benzen) ma már a német nyelvterületen is terjed.