Аре́ни (також аромати́чні вуглево́дні) — органічні сполуки, які належать до класу карбоциклічних сполук. У складі молекули ароматичних вуглеводнів є одна або кілька груп з атомів вуглецю, сполучених у ароматичне кільце замкненою системою спряжених пі-зв'язків (див. формула Кекуле). За сучасними уявленнями, атоми вуглецю в ароматичному ядрі сполучені електронами двох типів: одні електрони містяться в площині молекули, інші розміщені перпендикулярно до неї.
Представники
Найпростішим представником ароматичних вуглеводнів є бензен, складнішими — нафтален, антрацен, які мають кілька бензенових ядер.
У великій кількості вони містяться в кам'яновугільній смолі, яку одержують при коксуванні вугілля.
Назва «ароматичні» виникла у зв'язку з тим, що перші сполуки цього класу добували з природних запашних речовин.
Фізичні властивості
Моноциклічні (одноколові: бензен, толуен) арени — безбарвні рідини зі специфічним запахом, леткі, вогненебезпечні, легші за воду, не розчиняються в ній. Добре розчиняються в органічних розчинниках, є розчинниками для багатьох органічних речовин.
Хімічні властивості
Ароматичні вуглеводні відзначаються особливою здатністю до реакцій заміщення і стійкістю бензенового ядра. При заміні водню в ароматичних вуглеводнів на галоген утворюються галогенопохідні; при реакціях з концентрованою азотною або сірчаною кислотами — нітросполуки або сульфосполуки.
Ароматичні вуглеводні майже не здатні до реакцій приєднання.
Реакція горіння (на прикладі бензену):
2 C6H6 + 15 O2 → 12 CO2 + 6 H2O
Арени горять кіптявим полум'ям, що свідчить про великий вміст вуглецю.
Реакції заміщення
Галогенування На прикладі бензолу:
C6H6 + Br2 ->[FeCl3, FeBr3, t]C6H5Br + HBr
Реакція відбувається за умови каталізатора FeCl3 або FeBr3 і простої речовини Br2 у чистому вигляді до утворення бромбензолу і бромідної кислоти.
Реакція протікає у декілька етапів.
1. Молекула брому поляризується під дією каталізатора:
Br2 ->[FeBr3]Br+ + Br-
2. Каталізатор забирає негативний полюс молекули, утворюючи FeBr4-, а позитивний атом прикріплюється до бензолу:
FeBr3 + Br- -> FeBr4-
3. Позитивний іон брому забирає два електрони з ароматичної системи, утворюючи ковалентний зв'язок з одним з атомів вуглецю, при цьому порушуючи ароматичність:
C6H6 + Br+ -> C6H6Br+
4. Атом водню, який зв'язаний із цим атомом вуглецю, відає свій електрон та вилітає, відновлюючи ароматичність:
C6H6Br+ -> C6H5Br + H+
5. Іон водню прикріплюється до каталізатора з негативним іоном брому, вивільнюючи каталізатор та утворюючи бромідну кислоту:
H+ + FeBr4- -> HBr + FeBr3
На прикладі толуену:
C6H5CH3 + 3Br2 -> C6H2Br3CH3 + 3HBr
Реакція відбувається за звичайних умов при взаємодії толуену з бромною водою (розчин простої речовини брому у воді) до утворення 2,4,6-трибромтолуену (2,4,6-бром-1-метилбензен) — білого осаду (якісна реакція на толуен) і бромідної кислоти у співвідношенні 1:3.
При заміщенні аренів атомом хлору (Cl) використовується каталізатор AlCl3.
Нітрування На прикладі бензолу:
C6H6 + HNO3 ->[t, H2SO4]C6H5NO2 + H2O
В результаті взаємодії бензолу і нітратної кислоти утворюється нітробензен і вода. В результаті реакції утворюється жовта рідина і запах гіркого мигдалю, що є якісною реакцією на бензен. Реакція відбувається за наявності каталізатора H2SO4 (концентрованого розчину) — сульфатної кислоти, що є дуже гігроскопічною речовиною і поглинає воду, а також високої температури.
Окиснення На прикладі толуену:
C6H6CH3 + 3[O] -> C6H5COOH + H2O
Окисником виступає KMnO4 (перманганат калію). В результаті окиснення утворюється бензойна кислота, оксид марганцю(IV) і вода. Під час реакції відбувається знебарвлення розчину перманганату калію.
Алкілування На прикладі бензену:
C6H6 + CH3Cl ->[AlCl3, t] C6H5CH3 + HCl
Реакція відбувається при високій температурі з хлоридом алюмінію.
Приєднання
Гідрування На прикладі бензолу:
C6H6 + 3H2 -> C6H12
При приєднанні до бензолу атомів водню утворюється циклогексан. Відбувається розірвання подвійних зв'язків (у формулі Кекуле). Реакція відбувається за наявності нікелевого каталізатора і підвищеної температури:
Хлорування На прикладі бензолу:
C6H6 + 3Cl2 -> C6H6Cl6
При приєднанні до бензолу атомів хлору утворюється гексахлорциклогексан (гексахлоран). Реакція відбувається лише за наявності світла.
Ізомерія У ароматичних вуглеводнів, що містять два або більше замісників у ядрі, можлива ізомерія взаємного положення. Наприклад, у ксилолу може бути три ізомера: о-ксилолу — замісники знаходяться в положенні 1, 2; м-ксилолу — в положенні — 1,3; п-ксилолу — в положенні — 1,4.
Добування
Ароматичні вуглеводні синтезують за реакціями Віттіга та Фріделя — Крафтса. В промисловості ароматичні вуглеводні спочатку добували з кам'яновугільної смоли; тепер їх добувають головним чином ароматизацією погонів нафти.
Реакція Зелінського (на прикладі бензолу): C6H12 → C6H6 + 3H2
Добування бензолу відбувається із циклогексану при його термічному розпаді за наявності каталізатора платини чи паладію до утворення бензолу і водню.
Тримеризація ацетилену:
3C2H2 → C6H6
При нагріванні (температура близько 600 °C) і наявності каталізатора — активованого вугілля 3 молекули ацетилену об'єднуються в одну молекулу бензолу.
Застосування
Ароматичні вуглеводні широко застосовують у виробництві барвників, пластичних мас, хіміко-фармацевтичних препаратів, вибухових речовин, синтетичних волокон, моторного палива тощо.
Див. також Ариленова група Дегідроарени Поліциклічні ароматичні вуглеводні Гетеракаліксарени
Джерела
Чичибабин А. Е. Основные начала органической химии. Изд. 6, т. 2. М., 1958. Хомченко Г. П. «Посібник хімії для вступників до вузів». Видавництво «Вища школа», Київ, 1970. ст. 265—270. Цветков Л. О. «органічна хімія 10 клас». Видавництво «Радянська школа», видання 15-те, Київ, 1983. ст. 63-73. АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ Фармацевтична енциклопедія Дмитрий Григорьевич Кузнецов Органическая химия 13358K, 556 с. издание 2016 г.