Basiskennis chemie/Organische chemie/Aromaten



Aromatische verbindingen

In de vorige hoofdstukken zijn de cycloalkanen en de alkenen besproken en bij die laatste groep ook een paar cyclische alkenen. Dit hoofdstuk gaat over het speciale geval van de verbinding die in eerste instantie als cyclohexa-1,3,5-triëen benoemd kan worden.

De verbinding is sinds 1825 bekend onder de naam benzeen. Ze werd geïsoleerd uit benzoë, een vanaf de 16e eeuw in Europa bekend product uit Zuidoost Azië.

De structuur van benzeen kan op onderstaande manier worden weergegeven:
    Benzene-Kekule-2D-skeletal.png
fig. 1

Aromaten

 
Realiseer je, wanneer je naar bovenstaande figuur kijkt dat er maar drie bindingen aan koolstof zijn aangegeven. Niet aangegeven bindingen zijn waterstof!
Deze verbinding van deze naam voorzien wekt de indruk dat je met een alkeen te doen hebt dat toevallig in een cirkel loopt. Zolang je alleen naar benzeen kijkt en er geen reacties mee uitvoert of naar benzeen met substituenten gaat kijken klopt dat. Kijk je ook naar reacties dan blijkt dat benzeen zich totaal anders gedraagt en ook gesubstitueerde benzenen hebben iets speciaals.

raadsel

 

Reactie

De reactie van benzeen met broom verloopt volgens onderstaande vergelijking:
Benzene-Kekule-2D-skeletal.png + Bromobenzene 200.svg + fig. 2
Benzeen plus Broom geeft Broombenzeen plus Waterstofbromide
Het hele dubbele binding-systeem van de verbinding blijft bestaan. In plaats van dat beide broom-atomen gekoppeld worden, vertrekt er weer een met medeneming van een waterstof-atoom. Dit is een voorbeeldreactie, ook in andere reacties gedraagt benzeen zich voor een alkeen erg vreemd.

Reactie met halogenen

 

1,2-dimethylbenzeen en 1,6-dimethylbenzeen

Vanaf de ontdekking van de stof stelde deze chemici voor raadsels. Gedurende de 40 jaar die op de eerste beschrijving ervan volgde werd benzeen door verschillende chemici bestudeerd. In 1865 kon Kekulé daardoor de correcte structuur van de verbinding opstellen. Wat nog een aantal jaren een probleem bleef was het feit dat er maar één soort dimethyl-verbinding gevonden werd waarbij de methylgroepen direct naast elkaar aan de ring zaten. In onderstaande figuur is het probleem weergegeven:
    共鳴を知らない場合のO-キシレンの想定.svg
fig. 3

Benzeen

 
De structuren lijken niet veel van elkaar te verschillen, maar in de linker structuur zit er een dubbele band tussen de twee koolstof-atomen met de methylgroepen en in de rechter een enkele binding. De linker verbinding krijgt als naam: 1,2-dimethylbenzeen, de rechter zou 1,6-dimethylbenzeen moeten heten.
Pas in de loop va de 20e eeuw, met de ontwikkeling van de kwantummechanica, kon het probleem echt opgelost worden. Onderstaande beschrijving is geen kwantummechanica, maar helpt wel een beeld te krijgen hoe je in het benzeenmolecuul naar het gedrag van de elektronen kunt kijken.
In figuur 3 zijn de elektronen netjes tussen de koolstof-atomen verdeeld en elk koolstof-atoom "ziet" vier bindingen. Elektronen bewegen echter en het is mogelijk om de twee structuren in figuur 3 in elkaar over te laten gaan. De beweging van elektronen is heel snel en te vergelijken met de steen in onderstaand voorbeeld.
Je kent het effect van een steen die aan een touw rond geslingerd wordt. Zolang de draaisnelheid laag is kun je precies zien waar de steen is, en zelfs eventjes binnen de draaicirkel komen. De steen is dan aan de andere kant. Als de steen sneller rond geslingerd wordt, kun je steeds moeilijker zien waar de steen precies is. Binnen de draaicirkel ervan gaan staan betekent dat je de steen tegen je aan krijgt. Je WEET dat er maar één steen in de rondte gaat, maar je moet er eigenlijk rekening mee houden dat de steen overal tegelijk is. Jij beweegt gewoon te traag.
Voor de elektronen in benzeen geldt hetzelfde: ze bewegen zo snel, dat je er eigenlijk van uit kunt gaan dat ze op meer plekken tegelijk zijn. Om de verdeling van de elektronen in de ring aan te geven worden de dubbele bindingen heel vaak niet apart getekend, maar worden ze samen aangegeven met een cirkel, zoals in figuur 4.
    Benzene circle.svg
fig. 4

De steen aan een touw

Elektronen in benzeen

 

Aromaten

Het vreemde gedrag van benzeen treedt steeds op als een zesring met drie dubbele bindingen in het molecuul aanwezig is. Dat maakt deze verbindingen duidelijk herkenbaar. Bovendien zijn veel verbindingen makkelijk te bestuderen: ze reageren niet snel met vocht of zuurstof, zijn vaste stoffen of vloeistoffen met een redelijk hoog kookpunt (je bent ze niet 'zomaar' kwijt als de fles even open staat) en, zeker de eerste bekende verbindingen uit deze groep, hadden allemaal een "luchtje". Een mooi woord voor "luchtje" is "aroma" al wordt dat meestal met een lekker luchtje geassocieerd, wat niet van alle aromaten gezegd kan worden.
Al deze aspecten van benzeen en benzeenachtige verbindingen hebben ertoe geleid dat benzeen niet als cyclohexatrieen benoemd wordt, maar als benzeen. Er zijn meer soorten verbindingen die deze eigenschappen vertonen. Deze zullen in latere hoofdstukken aan de orde komen. Dit hoofdstuk beperkt zich tot de aromaten waarin de -structuur duidelijk herkenbaar aanwezig is. Hooguit zijn een of meer waterstof-atomen vervangen door andere atomen of groepen.

Aromaten

 

Naamgeving van aromaten

De naamgeving van aromaten verloopt parallel aan die van de cycloalkanen:
  • Is er geen substituent dan is de naam alleen benzeen
  • Zijn er substituenten, dan worden deze alfabetisch gerangschikt
  • De nummering (bij meerdere substituenten) wordt zo gedaan dat een zo laag mogelijk nummer zo vroeg mogelijk in de naam verschijnt.
  • Als er maar twee substituenten zijn wordt nog vaak gebruik gemaakt van de oudere aanduidingen
    • ortho voor 1,2-substitutie
    • meta voor 1,3-substitutie en
    • para voor 1,4-substitutie.

Naamgeving

 

Aromaten, alkenen en alkynen

De aromaatkern heeft in de naamgeving voorrang boven het alkeen en het alkyn. Deze groepen worden, als ze een een aromaat gekoppeld zijn als substituent behandeld. De naam van het alkeen of alkyn wordt dan ~enyl of ~ynyl. De laatste regel laat een voorbeeld zien.

Aromaat, alkeen en alkyn

 

Aromaten, alkenen en alkynen

In de tabel met voorbeelden staan deze namen in de kolom "IUPAC". De lange geschiedenis van de verbindingen heeft er ook voor gezorgd dat er een groot aantal triviale namen in omloop is. Deze staan vermeld in de kolom "Triviaal".

In onderstaande tabel zijn de eigenschappen en het voorkomen van een aantal aromaten weergegeven.

Structuur IUPAC Triviaal Molaire
massa
Smelt
punt
(°C)
Kook
punt
(°C)
Benzene circle.svg Benzeen Benzeen 78,11 5,5 80,1
Toluene topo.svg Methylbenzeen Tolueen 92,14 -93 111
O-xylene topo.svg 1,2-Dimethylbenzeen ortho-Xyleen 106,16 -25 144
M-xylene topo.svg 1,3-Dimethylbenzeen meta-Xyleen 106,16 -48 139
P-xylene topo.svg 1,4-Dimethylbenzeen para-Xyleen 106,16 13 138
Hemellitol.svg 1,2,3-Trimethylbenzeen Hemimelliteen 120,19 -25 176
Pseudocumene.svg 1,2,4-Trimethylbenzeen Pseudocumeen 120,19 -43,8 169-171
Hexamethylbenzene.svg Hexamethylbenzeen Melliteen 162,276 165,6 265,2
Brombenzol - Bromobenzene.svg Broombenzeen - 157,02 -31 156,2
1,2-dibromobenzene 200.svg 1,2-Dibroombenzeen ortho-Dibroombenzeen 235,92 5 224
1,3-dibromobenzene 200.svg 1,3-Dibroombenzeen meta-Dibroombenzeen 235,92 -7 218
1,4-dibromobenzene 200.svg 1,4-Dibroombenzeen para-Dibroombenzeen 235,92 85 219
Styrene acsv.svg Ethenylbenzeen Styreen 104,149 -30,6 145

Voorbeelden

 




Informatie afkomstig van https://nl.wikibooks.org Wikibooks NL.
Wikibooks NL is onderdeel van de wikimediafoundation.