L'American Chemical Society è una società scientifica con sede a Washington. Nel 1988, due terzi dei campioni presenti nel loro elenco completo di sostanze chimiche avevano un particolare in comune: contenevano tutti un anello benzenico. Questo li rendeva composti aromatici.
I composti aromatici sono molecole organiche che contengono anelli con elettroni pi delocalizzati, come l'anello benzenico. Sono noti anche come areni.
- Questo articolo è un'introduzione ai composti aromatici nella chimica organica.
- Inizieremo con il benzene e la sua struttura.
- Ci eserciteremo poi a dare un nome ai derivati del benzene.
- Infine, vedremo come si formano i composti aromatici ed esploreremo brevemente alcune delle reazioni a cui partecipano.
Che cos'è il benzene?
Oggi ci concentriamo sulle molecole contenenti l'anello benzenico.
Il benzene è un composto aromatico con sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno disposti in un anello planare.
Chiamiamo molecole come il benzene "composti aromatici" perché le prime furono scoperte in oli profumati. In effetti, il benzene è stato isolato per la prima volta dal benzoino, una resina profumata prodotta da alcune specie di alberi asiatici. Tuttavia, non tutti i composti dolciastri mostrano una vera aromaticità e non tutti i composti aromatici hanno un buon odore!
Il benzene è il composto aromatico più conosciuto, ma è possibile ottenere anelli aromatici di altre dimensioni. Ad esempio, la molecola ciclotetradecaeptano, nota anche come [14] annulene, contiene 14 atomi di carbonio e 14 atomi di idrogeno. In realtà, esiste una regola per determinare se una molecola ciclica mostra aromaticità. Deve avere 4n+2 elettroni pi, dove n è un numero intero positivo. Questa regola è nota come regola di Hückel.
Struttura
Come abbiamo detto, il benzene è un anello idrocarburico aromatico contenente sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno. Prova a disegnarlo e a vedere che tipo di strutture riesci a creare.
Figura 1. Possibili strutture per il benzene.
In realtà, il benzene ha una struttura completamente diversa dalle tre molecole mostrate sopra. Non contiene nemmeno un doppio legame! Invece, ogni atomo di carbonio del benzene è legato a un solo atomo di idrogeno e ad altri due atomi di carbonio, formando un esagono. Al benzene viene assegnato il seguente simbolo:
Figura 2. Benzene rappresentato come un esagono con un cerchio all'interno. Il cerchio rappresenta i doppi legami che definiscono l'aromaticità del sistema.
Lunghezza dei legami
Se il benzene non contiene doppi legami, che tipo di legami ha?
Ciascuno dei legami carbonio-carbonio del benzene ha la stessa lunghezza e non è né un legame singolo né un doppio legame, ma una via di mezzo. Li chiamiamo intermedi. Lo si può vedere nella tabella seguente, che mostra le lunghezze dei diversi legami di carbonio:
Tabella 1. Legami.
Delocalizzazione
Se contiamo gli elettroni coinvolti nel benzene, incontriamo un problema. Il carbonio ha quattro elettroni di valenza. Nel benzene, due elettroni di ciascun atomo di carbonio formano legami con atomi di carbonio adiacenti. Un elettrone si lega a un atomo di idrogeno. Questi elettroni fanno tutti parte di legami sigma. Rimane quindi un elettrone. Ma dove si trova?
È qui che entra in gioco la delocalizzazione. L'ultimo elettrone di ciascun atomo di carbonio del benzene si trova in un orbitale pi greco. Come ricorderai dagli alcheni, mentre gli orbitali sigma e i legami si estendono tra atomi adiacenti, gli orbitali pi greco vanno sopra e sotto ogni atomo. Nel benzene, gli orbitali pi greco di tutti e sei gli atomi di carbonio si sovrappongono e formano una grande regione di densità elettronica. Gli elettroni si delocalizzano. Ciò significa che possono muoversi liberamente all'interno della regione e non appartengono a un particolare atomo di carbonio.
Figura 3. Gli orbitali p del benzene. La sovrapposizione degli orbitali p produce un'area ad alta densità elettronica sopra e sotto il piano.
I tre elettroni di legame si trovano in realtà in orbitali speciali chiamati orbitali sp2. Non tutte le commissioni d'esame prevedono la conoscenza degli orbitali, ma anche se la tua non la prevede, gli orbitali sono interessanti da conoscere.
Il carbonio la struttura elettronica 1s2 2s2 2p2. I due sottogusci s hanno un orbitale ciascuno, mentre il sottoguscio p ha tre orbitali che chiamiamo 2px, 2py, e 2pz. Il guscio di valenza del carbonio presenta una coppia di elettroni nell'orbitale 2s e un elettrone ciascuno negli orbitali 2px e 2py. Tuttavia, per formare i tre legami che vediamo nel benzene, il carbonio ha bisogno di tre elettroni spaiati. Per fare ciò, entra in uno stato "eccitato": promuove uno degli elettroni da 2s all'orbitale vuoto 2pz.
Figura 4. Un elettrone è promosso dall'orbitale 2s a 2pz. L'atomo di carbonio si trova così in uno stato eccitato.
Sappiamo che nel benzene, ogni atomo di carbonio ha un elettrone delocalizzato da un orbitale p. Questo elettrone proviene da 2pz. Gli altri tre elettroni del carbonio vengono utilizzati per formare tre legami uguali. Ma per formare tre legami uguali, il carbonio ha bisogno di un elettrone in ciascuno dei tre orbitali uguali. Il modo più semplice per farlo è ibridare i tre orbitali rimanenti: 2s, 2px e 2py. Questi formano tre orbitali identici, noti come orbitali sp2, perché - hai indovinato - sono formati da un orbitale s e due orbitali p.
Figura 5. Gli orbitali nel benzene.
Se non sei sicuro degli orbitali, consulta Gusci di elettroni, sottogusci e orbitali.
Angolo di legame
Ciascun atomo di carbonio del benzene ha tre legami: due legami C-C e un legame C-H. Questi legami cercano di distanziarsi il più possibile. Il risultato è un angolo di 120° tra ciascun legame. Pertanto, il benzene forma una molecola trigonale planare.
Benzene
Analizzeremo più da vicino le proprietà del benzene in Struttura e legame, ma ci sono alcune cose che devi sapere fin da subito.
- Il benzene è una molecola trigonale planare. Ha angoli di legame di 120°. Essendo così piatta, le molecole possono impacchettarsi strettamente l'una con l'altra, quindi ha punti di fusione e di ebollizione relativamente alti.
- L'anello di elettroni del benzene lo rende stabile rispetto ad altri idrocarburi. Questa caratteristica è nota come stabilità aromatica.
- Pur essendo insaturo, il benzene resiste alle reazioni di addizione.
Nomenclatura dei composti aromatici
Ora che sappiamo che cos'è il benzene, possiamo dare un nome alle diverse molecole che contengono il suo anello caratteristico.
I derivati del benzene utilizzano il suffisso -benzene. Tuttavia, se sono presenti più gruppi funzionali, a volte usano il prefisso fenil-. Vediamo alcuni esempi per ricordare le regole della nomenclatura.
Se hai bisogno di un rapido promemoria sulla denominazione delle molecole prima di iniziare, consulta la Nomenclatura IUPAC.
Dai un nome al seguente derivato del benzene.
Questa molecola ha un gruppo metile e un atomo di cloro attaccati all'anello benzenico. Ha bisogno dei prefissi metile- e cloro-. Ricordiamo che per indicare la posizione di altri gruppi funzionali sulla catena di carbonio utilizziamo dei numeri detti locanti. Con altre molecole organiche, come gli alcani, possiamo iniziare a numerare i carboni da entrambe le estremità della catena carboniosa. Nel caso del benzene, la catena non termina, quindi numeriamo tutti i carboni con il numero 1. Dobbiamo solo assicurarci di seguire la regola del numero più basso: se contiamo i locanti che indicano le posizioni di tutti i gruppi funzionali, vogliamo ottenere il totale più basso possibile.
Qui possiamo vedere che il gruppo metile è attaccato al carbonio 1 e l'atomo di cloro al carbonio 3, o viceversa. Entrambe le possibilità di numerazione ci danno una somma totale di 1 + 3 = 4. Dobbiamo quindi considerare la parte successiva della regola del numero più basso: diamo il numero più basso al gruppo funzionale con il prefisso che viene prima nell'alfabeto. Il cloro- precede alfabeticamente il metile-, e quindi questa molecola è nota come 1-cloro-3-metilbenzene.
Figura 6. Molecola incognita. Atomi di carbonio numerati in modo corretto con i numeri in grassetto. La numerazione errata è riportata tra parentesi. 
In realtà si tratta di un chetone, in cui uno dei gruppi R è un anello benzenico. Dobbiamo usare il prefisso fenil-. La catena di carbonio rimanente è lunga 2 atomi e prende il nome di radice -et-, quindi questa molecola è nota come feniletanone.
Prova questo.
La prossima molecola ha un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo idrossilico (-OH) attaccati al suo anello benzenico. Il gruppo carbossilico ha la priorità, quindi dobbiamo usare il suffisso -acido oico e il prefisso idrossile-. Considerando l'atomo di carbonio attaccato al gruppo carbossilico come carbonio 1, l'atomo di carbonio contenente il gruppo ossidrilico occupa la posizione 2. Chiamiamo questa molecola acido 2-idrossibenzoico.
Come si chiama un anello benzenico con solo un gruppo ossidrile (-OH) attaccato? Sistematicamente si chiama idrossibenzene, ma ha un nome particolare: fenolo.
Figura 7. Fenolo
Come si formano i composti aromatici?
Per produrre anelli di benzene e altri composti aromatici, utilizziamo un processo chiamato reforming catalitico. Per farlo, prendiamo frazioni di petrolio greggio con una lunghezza di circa sei-otto atomi di carbonio. Poi le riscaldiamo con un catalizzatore e idrogeno gassoso a 500 °C a una pressione di circa 20 atm. Il catalizzatore è una miscela di ossido di alluminio e platino. Per questo motivo il processo è talvolta noto come platforming. A temperature così elevate, alcuni idrocarburi tendono a decadere in carbonio, contaminando il catalizzatore, ma l'aggiunta di idrogeno blocca questo processo. I prodotti sono derivati del benzene e altro idrogeno gassoso.
Figura 8. Reforming catalitico.
Come reagiscono i composti aromatici?
Guarda di nuovo il benzene. Si tratta di una molecola insatura. Abbiamo già incontrato questo termine quando abbiamo descritto gli alcheni con doppi legami C=C. Sebbene il benzene non abbia doppi legami, è insaturo perché non contiene l'intero numero possibile di atomi di idrogeno. Ogni atomo di carbonio del benzene è legato ad altri due atomi di carbonio e a un atomo di idrogeno, ma potenzialmente può legarsi a due atomi di idrogeno. In questo modo si ottiene un idrocarburo ciclico saturo chiamato cicloesano, C6H12. L'idrogenazione per ottenere il cicloesano è solo un esempio di reazione del benzene.
Figura 9. Cicloesano. Un idrocarburo saturo.
A differenza di altri composti insaturi come gli alcheni, il benzene non ama partecipare alle reazioni di addizione. Questo perché una reazione di addizione utilizza uno degli elettroni delocalizzati negli orbitali pi greco sovrapposti del benzene, rovinando l'anello di delocalizzazione. Questo richiede molta energia. Invece, il benzene partecipa spesso a reazioni di sostituzione. Si tratta di reazioni che prevedono lo scambio di un atomo o di un gruppo di atomi con un altro.
L'anello di elettroni delocalizzati è un'area piena di molti elettroni schiacciati in uno spazio piccolo . Possiamo dire che ha un'alta densità di elettroni. Ciò significa che è attraente per gli elettrofili. Occorre ricordare che gli elettrofili sono accettori di coppie di elettroni, con un orbitale vuoto e una carica positiva o parzialmente positiva (-filo deriva dalla parola latina philos, che significa "amore" - gli elettrofili amano davvero gli elettroni!)
Se mettiamo insieme queste due idee, possiamo concludere che i composti aromatici come il benzene partecipano spesso a reazioni di sostituzione elettrofila. Le analizzeremo in modo più approfondito in Reazioni del benzene. Alcuni esempi sono:
- Reazioni di nitrazione, con scambio di un atomo di idrogeno per il gruppo -NO2. Si ottiene così il nitrobenzene, utilizzato nei coloranti e nei prodotti farmaceutici.
- Reazioni di acilazione di Friedel-Crafts, in cui il benzene reagisce con un derivato acido in presenza di un catalizzatore di cloruro di alluminio. Il prodotto è utilizzato per le materie plastiche e i detergenti.
Nell'articolo citato in precedenza, esamineremo anche reazioni come la combustione. Poiché il benzene ha un elevato rapporto tra atomi di carbonio e idrogeno, brucia con una caratteristica fiamma fuligginosa. Questo è un modo per identificare i composti aromatici.
Composti aromatici - Punti chiave
I composti aromatici sono chiamati anche areni e contengono un anello di elettroni pi delocalizzati. L'anello più comune è quello del benzene (C6H6).
Il benzene contiene sei atomi di carbonio legati a forma di esagono. I legami tra ogni atomo di carbonio sono intermedi identici, a metà strada tra un legame singolo e doppio.
Ogni atomo di carbonio del benzene contiene un elettrone non legato che si trova in un orbitale pi greco. Questi orbitali si sovrappongono sopra e sotto l'anello benzenico per formare un'area di delocalizzazione. Gli elettroni possono muoversi liberamente all'interno di questa regione, nota come anello di aromaticità.
Il benzene viene prodotto da frazioni di petrolio grezzo utilizzando un catalizzatore di ossido di alluminio e platino, in condizioni di 500 °C e 20 atm.
Il benzene è relativamente stabile e presenta punti di fusione e di ebollizione elevati rispetto agli alcani.
I derivati del benzene vengono denominati con il suffisso -benzene o con il prefisso fenil-.
Il benzene partecipa spesso a reazioni di sostituzione elettrofila come la nitrazione e le reazioni di acilazione di Friedel-Crafts.
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