Αρωματικές Ενώσεις - Βενζόλιο 🔷

Τι είναι οι αρωματικές ενώσεις

Στα πρώτα χρόνια της ανάπτυξης της οργανικής χημείας, ο όρος αρωματικές ενώσεις αφορούσε ενώσεις με ευχάριστη οσμή, όπως η βενζαλδεΰδη που βρίσκεται στα κεράσια, τα ροδάκινα και τα αμύγδαλα. Σήμερα ο όρος χρησιμοποιείται με εντελώς διαφορετική σημασία: αναφέρεται στο βενζόλιο και σε όλες τις ενώσεις που περιέχουν έναν τουλάχιστον βενζολικό δακτύλιο στο μόριό τους.

Οι αρωματικές ενώσεις έχουν χημική συμπεριφορά πολύ διαφορετική από αυτή των άκυκλων (αλειφατικών) ενώσεων που έχουν μελετηθεί μέχρι τώρα, όπως τα αλκάνια και τα αλκένια. Αυτή η ιδιαίτερη συμπεριφορά ονομάζεται αρωματικός χαρακτήρας.

Ο μοριακός τύπος και το ιστορικό πρόβλημα του βενζολίου

Το βενζόλιο είναι η απλούστερη αρωματική ένωση και είναι υδρογονάνθρακας με μοριακό τύπο $C_6H_6$.

Ανακαλύφθηκε από τον Faraday το 1825, όμως η δομή του μορίου του παρέμεινε άλυτο μυστήριο για σαράντα ολόκληρα χρόνια, παρόλο που ήταν ήδη βιομηχανικό προϊόν με πολλά και χρήσιμα παράγωγα. Το πρόβλημα ήταν το εξής αντιφατικό εύρημα:

• Ο μοριακός τύπος $C_6H_6$ ταίριαζε με μια ακόρεστη ένωση (πολύ λιγότερα υδρογόνα από όσα θα είχε ένα κορεσμένο μόριο με 6 άτομα άνθρακα).
• Η χημική συμπεριφορά του βενζολίου έμοιαζε με αυτή μιας κορεσμένης, σταθερής ένωσης, αφού δεν αντιδρούσε εύκολα όπως θα αναμενόταν από μια ακόρεστη ένωση.

Η δομή Kekulé του βενζολίου

Σύμφωνα με τη θεωρία του Kekulé, τα 6 άτομα άνθρακα του βενζολίου συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας έναν εξαμελή κυκλικό δακτύλιο, με τρεις διπλούς και τρεις απλούς δεσμούς που εναλλάσσονται γύρω από τον δακτύλιο (απλός-διπλός-απλός-διπλός-απλός-διπλός). Οι δεσμοί αυτοί δε μένουν σε σταθερές θέσεις, καθώς κάθε άτομο άνθρακα φέρει και ένα άτομο υδρογόνο προς τα έξω του δακτυλίου.

Αυτή η δομή εξηγούσε το μοριακό τύπο $C_6H_6$, αλλά δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί το βενζόλιο συμπεριφερόταν σαν κορεσμένη ένωση αντί να δίνει εύκολα αντιδράσεις προσθήκης, όπως θα έκανε κανονικά μια ένωση με τρεις διπλούς δεσμούς.

Η σύγχρονη αντίληψη: απεντοπισμένα ηλεκτρόνια

Σύμφωνα με τις νεότερες αντιλήψεις, τα άτομα άνθρακα του βενζολίου συνδέονται μεταξύ τους ανά δύο με έναν δεσμό που δεν είναι ούτε καθαρά απλός ούτε καθαρά διπλός, αλλά ένας ενδιάμεσος δεσμός ανάμεσα στους δύο αυτούς τύπους. Όλοι οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα στον δακτύλιο είναι στην πραγματικότητα ισοδύναμοι μεταξύ τους.

Η εξήγηση είναι η εξής: τα δεσμικά ηλεκτρόνια των ατόμων άνθρακα (αυτά που θα σχημάτιζαν τους «διπλούς δεσμούς» στη δομή Kekulé) δεν είναι εντοπισμένα ανάμεσα σε συγκεκριμένα ζεύγη ατόμων, αλλά δημιουργούν ένα ενιαίο, μη εντοπισμένο ηλεκτρονικό νέφος που περιβάλλει ολόκληρο τον δακτύλιο και «δένει» εξίσου όλα τα άτομα άνθρακα μεταξύ τους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται απεντοπισμός των ηλεκτρονίων.

Ανακεφαλαιώνοντας τη δομή του βενζολίου με λόγια:

• Πρόκειται για έναν επίπεδο, εξαμελή δακτύλιο έξι ατόμων άνθρακα.
• Κάθε άτομο άνθρακα φέρει ένα άτομο υδρογόνου.
• Οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα είναι όλοι ισοδύναμοι, ενδιάμεσοι ανάμεσα σε απλό και διπλό δεσμό, λόγω του απεντοπισμένου ηλεκτρονικού νέφους που καλύπτει ολόκληρο τον δακτύλιο.

Ο απεντοπισμός των ηλεκτρονίων είναι αυτός που προσδίδει στο βενζόλιο την ιδιαίτερη σταθερότητά του και εξηγεί γιατί η χημική του συμπεριφορά διαφέρει τόσο πολύ από αυτή μιας ένωσης με πραγματικούς διπλούς δεσμούς.

Παρασκευή βενζολίου και αλκυλοβενζολίων

Η βιομηχανική παραγωγή του βενζολίου και των αλκυλοβενζολίων έχει τεράστια οικονομική σημασία, καθώς αποτελούν την πρώτη ύλη για τη σύνθεση σχεδόν όλων των αρωματικών ενώσεων — ακριβώς όπως τα αλκάνια (που προέρχονται από το πετρέλαιο) αποτελούν τη βάση για τη σύνθεση των αλειφατικών ενώσεων.

Υπάρχουν δύο κύριες πηγές των απλών αρωματικών υδρογονανθράκων:

Το κάρβουνο (λιθάνθρακες)

Το κάρβουνο είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο μίγμα, αποτελούμενο κυρίως από εκτεταμένες αλυσίδες δακτυλίων που μοιάζουν με του βενζολίου. Όταν θερμανθεί στους 1000 °C απουσία αέρα (διεργασία γνωστή ως ξηρά απόσταξη), το κάρβουνο διασπάται σε ένα μίγμα πτητικών προϊόντων που ονομάζεται λιθανθρακόπισσα. Με κλασματική απόσταξη της λιθανθρακόπισσας προκύπτει βενζόλιο, καθώς και άλλοι αρωματικοί υδρογονάνθρακες, όπως το μεθυλοβενζόλιο και το διμεθυλοβενζόλιο.

Το πετρέλαιο

Το πετρέλαιο αποτελείται κυρίως από αλκάνια. Κάτω από κατάλληλες συνθήκες θέρμανσης και παρουσία καταλυτών, τα αλκάνια υφίστανται αφυδρογόνωση και κυκλοποίηση, μετατρεπόμενα σε αρωματικούς υδρογονάνθρακες. Για παράδειγμα, το εξάνιο μετατρέπεται σε βενζόλιο:

Σήμερα οι μεγαλύτερες ποσότητες βενζολίου παρασκευάζονται βιομηχανικά από το πετρέλαιο με πυρόλυση.

Φυσικές ιδιότητες

Το βενζόλιο είναι:

• Άχρωμο υγρό
• Με χαρακτηριστική οσμή βενζίνης
• Αδιάλυτο στο νερό
• Διαλυτό σε οργανικούς διαλύτες, και μάλιστα λειτουργεί το ίδιο ως άριστος διαλύτης πολλών ουσιών
• Ισχυρά τοξική ουσία

Το βενζόλιο περιέχεται στα καυσαέρια οχημάτων που χρησιμοποιούν ως καύσιμο αμόλυβδη βενζίνη.

Χημικές ιδιότητες: γιατί το βενζόλιο κάνει υποκατάσταση και όχι προσθήκη

Η δομή που πρότεινε ο Kekulé (με εναλλασσόμενους απλούς και διπλούς δεσμούς) δεν μπορούσε να ερμηνεύσει τη χημική συμπεριφορά των αρωματικών ενώσεων, δηλαδή τον αρωματικό χαρακτήρα. Ο βενζολικός δακτύλιος παρουσιάζει τα εξής χαρακτηριστικά:

• Έχει ελάχιστη δραστικότητα, δηλαδή μεγάλη σταθερότητα — σε πλήρη αντίθεση με τα αλκένια, που έχουν πραγματικούς διπλούς δεσμούς.
• Δίνει δύσκολα αντιδράσεις προσθήκης — και πάλι σε αντίθεση με τα αλκένια, τα οποία δίνουν εύκολα αντιδράσεις προσθήκης στον διπλό τους δεσμό.
• Δίνει εύκολα αντιδράσεις υποκατάστασης, δηλαδή αντιδράσεις στις οποίες ένα άτομο υδρογόνο του δακτυλίου αντικαθίσταται από κάποιο άλλο άτομο ή ομάδα ατόμων (π.χ. αλογόνο, αλκύλιο κ.λπ.), ενώ ο δακτύλιος παραμένει άθικτος.

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αντίδρασης υποκατάστασης είναι η αντίδραση του βενζολίου με βρώμιο: το βενζόλιο αντιδρά με το $Br_2$ και αρχίζει να το αποχρωματίζει, καθώς ένα άτομο βρωμίου αντικαθιστά ένα άτομο υδρογόνου του δακτυλίου. Το $HBr$ που ελευθερώνεται στην αντίδραση αυτή χρωματίζει κόκκινο τον δείκτη χάρτου (βρέχοντάς τον, λόγω της όξινης φύσης του).

Χαρακτηριστικές ομάδες και παράγωγα του βενζολίου

Όταν αφαιρεθεί ένα άτομο υδρογόνο από τον βενζολικό δακτύλιο, προκύπτει η ρίζα $C_6H_5-$, η οποία ονομάζεται φαινύλιο. Η ρίζα αυτή αποτελεί τη βάση για την ονομασία πολλών παραγώγων του βενζολίου, όπως:

Χρήσεις του βενζολίου

Το βενζόλιο χρησιμοποιείται κυρίως:

• Ως διαλύτης
• Ως πρώτη ύλη για την παρασκευή αρωματικών ενώσεων που χρησιμοποιούνται στα χρώματα, στα φάρμακα, στα πλαστικά και σε πολλά άλλα προϊόντα