💍 Areny

Záhada benzenu

O čem to je

Benzen C₆H₆ byl chemikům v 19. století záhadou. Podle vzorce by měl mít spoustu dvojných vazeb a reagovat jako alkeny – ale nereaguje. August Kekulé navrhl šestiúhelník a podle legendy ho k tomu inspiroval sen o hadovi, který se kousl do ocasu.

Látkám s benzenovým jádrem říkáme areny (aromatické uhlovodíky). Z nich se vyrábí polystyren, léky, barviva i výbušnina TNT.

Nové pojmy

ArenUhlovodík, který obsahuje benzenové jádro – kruh ze 6 uhlíků se zvláštními vazbami.benzen, toluen, naftalen
Vazba πDruhá vazba v dvojné vazbě, její elektrony leží nad a pod rovinou atomů.
DelokalizaceElektrony nepatří jedné vazbě, ale jsou rozprostřené po více atomech – v benzenu po celém kruhu.

Jak benzen opravdu vypadá

Kekulé kreslil střídavě jednoduché a dvojné vazby. Měření ale ukázala, že všech šest vazeb C–C je stejně dlouhých – něco mezi jednoduchou a dvojnou.

Vysvětlení: 6 elektronů vazeb π (6 π elektronů) netvoří tři oddělené dvojné vazby, ale jeden společný „oblak“ nad a pod kruhem. Proto se benzen kreslí jako šestiúhelník s kroužkem uvnitř.

AromaticitaZvláštní stabilita kruhu s delokalizovanými elektrony. Podmínky (Hückelovo pravidlo): kruh je rovinný, má střídavé (konjugované) dvojné vazby a 4n + 2 π elektronů (n = 0, 1, 2…).Benzen: 6 = 4 · 1 + 2 ✓

Proč substituce, a ne adice

Kdyby se na benzen něco adovalo, „rozbil“ by se aromatický oblak a molekula by přišla o svou stabilitu. To se nevyplatí. Proto benzen neodbarví bromovou vodu a místo adice volí substituci: vodík se vymění a kruh zůstane celý.

Elektrofilní substituceNa elektronový oblak kruhu zaútočí elektrofil (částice lačná po elektronech) a nahradí jeden vodík.
  • halogenace: C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl (katalyzátor FeCl₃)
  • nitrace: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O (nitrační směs HNO₃ + H₂SO₄)
  • sulfonace: C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H + H₂O
  • alkylace: navázání alkylu, např. vznik ethylbenzenu
Co vznikne nitrací benzenu a co je elektrofil?
Kyselina sírová z HNO₃ vytvoří nitroniový kation NO₂⁺ – to je elektrofil. Nahradí jeden vodík: vzniká nitrobenzen C₆H₅NO₂ a voda.

Polohy na jádře

Když jsou na jádře dvě skupiny, rozlišujeme jejich polohu: ortho (1,2 – vedle sebe), meta (1,3 – ob jeden), para (1,4 – naproti).

První skupina řídí, kam půjde druhá: –CH₃, –OH, –NH₂ a halogeny posílají ji do ortho a para; –NO₂, –COOH, –SO₃H do meta.

Známé areny

Otoč kartu a zjisti, k čemu se aren používá.

  • benzen – surovina chemie; karcinogenní
  • toluen (methylbenzen) – rozpouštědlo, výroba TNT
  • xylen (dimethylbenzen) – rozpouštědlo
  • styren (vinylbenzen) – polystyren
  • naftalen – dva kruhy; dříve proti molům
✗Benzen má tři kratší dvojné a tři delší jednoduché vazby.
✓Všech šest vazeb C–C v benzenu je stejně dlouhých.

π elektrony jsou delokalizované po celém kruhu. Kekulého střídavé vazby jsou jen zjednodušený obrázek.

Benzen C₆H₆: rovinný kruh, 6 delokalizovaných π elektronů (4n + 2), stejné vazby. Areny reagují elektrofilní substitucí (halogenace s FeCl₃, nitrace nitrační směsí). Polohy ortho, meta, para.

Reakce krok za krokem

O čem to je

Aromatické látky jsou v lécích (paracetamol, aspirin), barvivech, plastech i výbušninách. Aby je chemik vyrobil, musí umět na benzenové jádro „přišroubovat“ správnou skupinu na správné místo. Tady je postup.

Nové pojmy

Benzenové jádroRovinný šestičlenný kruh uhlíků, každý s jedním vodíkem (v benzenu). Šest π elektronů (elektronů z násobných vazeb) je delokalizováno – rozprostřeno po celém kruhu.
Aromaticita (Hückelovo pravidlo)Cyklický, rovinný systém s konjugovanými dvojnými vazbami a 4n + 2 π elektrony je mimořádně stabilní.
ElektrofilČástice s nedostatkem elektronů (kation), která útočí na elektronový oblak.Cl⁺, NO₂⁺, SO₃
KatalyzátorLátka, která urychlí reakci a sama se nespotřebuje.

Mechanismus elektrofilní substituce

Katalyzátor vytvoří silný elektrofil (např. FeCl₃ z Cl₂ udělá Cl⁺).
Elektrofil se naváže na jeden uhlík jádra – aromatický oblak se na chvíli přeruší.
Ze stejného uhlíku odejde H⁺.
Aromatický systém se obnoví – kruh je zase stabilní, jen s novou skupinou.
ReakceČinidlo + katalyzátorProdukt
chloraceCl₂ + FeCl₃chlorbenzen C₆H₅Cl
nitraceHNO₃ + H₂SO₄ (nitrační směs)nitrobenzen C₆H₅NO₂
sulfonaceH₂SO₄ (SO₃)kyselina benzensulfonová
alkylacehalogenalkan + AlCl₃alkylbenzen (např. toluen)
Proč se benzen chloruje s FeCl₃, ale ne za světla jako methan?
Za světla vznikají radikály, které by vedly k adici a rozbily aromatický systém (na hexachlorcyklohexan). FeCl₃ vytvoří elektrofil Cl⁺, který dá substituci a jádro zachová – chlorbenzen.

Kam půjde druhá skupina

Skupina na jádřeŘídí doPříklady
I. třídyortho a para–CH₃, –OH, –NH₂, –Cl
II. třídymeta–NO₂, –COOH, –SO₃H, –CHO
Nitruješ nitrobenzen. Kam se naváže druhá skupina NO₂?
Skupina –NO₂ je II. třídy → řídí do polohy meta. Vznikne hlavně 1,3-dinitrobenzen.
Nitruješ toluen. Kam půjde skupina NO₂?
–CH₃ je I. třídy → ortho a para. Postupnou nitrací až na tři skupiny vznikne 2,4,6-trinitrotoluen – TNT.

Roztřiď skupiny podle toho, kam řídí další substituci.

Polohy a názvy

  • ortho = 1,2; meta = 1,3; para = 1,4
  • toluen = methylbenzen, xylen = dimethylbenzen, styren = vinylbenzen
  • naftalen – dvě spojená jádra
✗Benzen ochotně odbarví bromovou vodu jako alkeny.
✓Benzen bromovou vodu neodbarví – adice by zničila aromatický systém.

Delokalizace dává benzenu velkou stabilitu. S bromem reaguje až za katalyzátoru (FeBr₃), a to substitucí.

Elektrofilní substituce: vznik elektrofilu (katalyzátor) → navázání → odchod H⁺ → obnovení aromaticity. –CH₃, –OH, –NH₂, halogeny řídí do o/p, –NO₂, –COOH, –SO₃H do meta.
🧷Alkeny, alkadieny a alkyny🍺Halogenderiváty, alkoholy a fenoly