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:

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:

	+	${\ce {Br2}}$	${\ce {->}}$		+	${\ce {HBr}}$	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:

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.

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

{\ce {C6H6}}

-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.

IUPAC	Triviaal	Molaire massa	Smelt punt (°C)	Kook punt (°C)
Benzeen	Benzeen	78,11	5,5	80,1
Methylbenzeen	Tolueen	92,14	-93	111
1,2-Dimethylbenzeen	ortho-Xyleen	106,16	-25	144
1,3-Dimethylbenzeen	meta-Xyleen	106,16	-48	139
1,4-Dimethylbenzeen	para-Xyleen	106,16	13	138
1,2,3-Trimethylbenzeen	Hemimelliteen	120,19	-25	176
1,2,4-Trimethylbenzeen	Pseudocumeen	120,19	-43,8	169-171
Hexamethylbenzeen	Melliteen	162,276	165,6	265,2
Broombenzeen	-	157,02	-31	156,2
1,2-Dibroombenzeen	ortho-Dibroombenzeen	235,92	5	224
1,3-Dibroombenzeen	meta-Dibroombenzeen	235,92	-7	218
1,4-Dibroombenzeen	para-Dibroombenzeen	235,92	85	219
Ethenylbenzeen	Styreen	104,149	-30,6	145

Voorbeelden