Најважније из лекције
Арени: Угљоводоници са бензеновим прстеном; општа формула моноцикличних арена је \( C_n H_{2n-6} \).
Структура бензена: Планаран шестоугао, сви C атоми су \( sp^2 \)-хибридизовани (\( 120^\circ \)), са 6 делокализованих \( \pi \)-електрона који граде стабилан кружни облак. Представља се као резонанциони хибрид.
Хикелово правило: Прстен је ароматичан ако је цикличан, планаран, потпуно конјугован и садржи \( 4n + 2 \) делокализованих \( \pi \)-електрона (\( n = 0, 1, 2 \dots \)).
Номенклатура и групе: Називи се изводе као деривати бензена (толуен, стирен, ксилени). Арил-групе су фенил (\( -C_6H_5 \)) и бензил (\( -CH_2C_6H_5 \)).
Изомерија: За дисупституисане прстенове користе се положаји: орто- (1,2-), мета- (1,3-) и пара- (1,4-).
Структура бензена: Планаран шестоугао, сви C атоми су \( sp^2 \)-хибридизовани (\( 120^\circ \)), са 6 делокализованих \( \pi \)-електрона који граде стабилан кружни облак. Представља се као резонанциони хибрид.
Хикелово правило: Прстен је ароматичан ако је цикличан, планаран, потпуно конјугован и садржи \( 4n + 2 \) делокализованих \( \pi \)-електрона (\( n = 0, 1, 2 \dots \)).
Номенклатура и групе: Називи се изводе као деривати бензена (толуен, стирен, ксилени). Арил-групе су фенил (\( -C_6H_5 \)) и бензил (\( -CH_2C_6H_5 \)).
Изомерија: За дисупституисане прстенове користе се положаји: орто- (1,2-), мета- (1,3-) и пара- (1,4-).
Ароматични угљоводоници (арени) су посебна група угљоводоника специфичних физичких и хемијских особина који у својим молекулима садрже један или више бензенових прстенова. Састоје се искључиво од атома угљеника и водоника.
\[ C_n H_{2n-6} \quad (n \ge 6) \]
Општа молекулска формула за моноцикличне арене (хомологи низ бензена)
Сва ароматична једињења садрже ароматични прстен, али нису сва арени. На пример, фенол (\( C_6H_5OH \)) и нитробензен (\( C_6H_5NO_2 \)) јесу ароматична једињења, али нису арени јер поред C и H садрже и друге елементе (O, N).
Одредити молекулску формулу арена који има 7 атома угљеника.
Применом опште формуле \( C_n H_{2n-6} \) за \( n = 7 \):
\[ C_7 H_{2 \cdot 7 - 6} = C_7 H_{14 - 6} = C_7 H_8 \]
То је молекулска формула метилбензена (толуена).
Бензен (\( C_6H_6 \)) је најједноставнији арен. Његов молекул је планаран, правилног шестоугаоног облика.
Сви C атоми у бензену су \( sp^2 \)-хибридизовани, а углови између веза износе \( 120^\circ \). Шест \( 2p \)-орбитала се бочно преклапа и ствара јединствен делокализовани \( \pi \)-електронски облак (са 6 \( \pi \)-електрона) изнад и испод равни прстена.
Бензен се не може верно описати само једном Кекулеовом формулом, већ се представља као резонанциони хибрид две еквивалентне резонанционе структуре, или шестоуглом са уписаним кругом који означава делокализоване електроне.
Услови ароматичности и Хикелово правило (\( 4n + 2 \)):
- Молекул мора бити цикличан и планаран.
- Сви атоми у прстену морају бити \( sp^2 \)-хибридизовани (потпуно конјугован систем).
- Укупан број делокализованих \( \pi \)-електрона мора одговарати формули \( 4n + 2 \), где је \( n \) цео број (\( n = 0, 1, 2, 3 \dots \)).
Примена Хикеловог правила:
- Бензен: има 6 \( \pi \)-електрона \( \Rightarrow 4n + 2 = 6 \Rightarrow 4n = 4 \Rightarrow n = 1 \) (цео број) \( \rightarrow \) јесте ароматичан.
- Циклобутадиен: има 4 \( \pi \)-електрона \( \Rightarrow 4n + 2 = 4 \Rightarrow 4n = 2 \Rightarrow n = 0{,}5 \) (није цео број) \( \rightarrow \) није ароматичан.
Колико резонанциона енергија доприноси стабилности бензена у односу на хипотетички 1,3,5-циклохексатриен?
Због делокализације \( \pi \)-електрона бензен је за \( 152 \text{ kJ mol}^{-1} \) стабилнији од хипотетичког цикличког триена са локализованим везама.
По IUPAC номенклатури, основа назива је бензен, а испред се додају називи супституената. Многи моносупституисани деривати имају широко прихваћене тривијалне називе:
| Системски назив (IUPAC) | Тривијални назив | Формула |
|---|---|---|
| Метилбензен | Толуен | \( C_6H_5-CH_3 \) |
| Винилбензен (етенилбензен) | Стирен | \( C_6H_5-CH=CH_2 \) |
| (1-Метилетил)бензен | Изопропилбензен (кумен) | \( C_6H_5-CH(CH_3)_2 \) |
| Пропилбензен | - | \( C_6H_5-CH_2CH_2CH_3 \) |
Арил-групе (\( \text{Ar}- \)) су ароматичне радикалске групе настале одузимањем атома водоника директно са ароматичног прстена.
- Фенил-група (\( C_6H_5- \)): настаје одузимањем једног H атома из молекула бензена.
- Бензил-група (\( C_6H_5CH_2- \)): фенилметил-група (H је одузет из метил-групе толуена).
Која је разлика између фенил-групе и бензил-групе?
Фенил-група има формулу \( -C_6H_5 \) и везује се директно преко C атома из прстена. Бензил-група има формулу \( -CH_2-C_6H_5 \) и садржи метиленску групу преко које се везује за остатак молекула.
Дисупституисани деривати бензена (\( C_6H_4X_2 \) или \( C_6H_4XY \)) јављају се у облику три конституциона (положајна) изомера. Међусобни положаји супституената означавају се бројевима или префиксима:
- орто- (\( o- \)): супституенти су на суседним угљениковим атомима (1,2-положај).
- мета- (\( m- \)): супституенти се налазе на 1,3-положају.
- пара- (\( p- \)): супституенти се налазе на супротним C атомима (1,4-положај).
Изомери диметилбензена (ксилена, \( C_8H_{10} \)):
- 1,2-диметилбензен = o-диметилбензен (o-ксилен)
- 1,3-диметилбензен = m-диметилбензен (m-ксилен)
- 1,4-диметилбензен = p-диметилбензен (p-ксилен)
Како се назива једињење у којем су метил-група и хлор везани у положајима 1 и 3 на бензеновом прстену?
Системски назив је 1-хлор-3-метилбензен (или 3-хлортолуен), а према положају то је m-хлортолуен (мета-хлортолуен).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Колико \( \pi \)-електрона учествује у конјугованом систему молекула бензена и која је хибридизација угљеникових атома у његовом прстену?
У конјугованом систему молекула бензена учествује 6 \( \pi \)-електрона (по један из \( 2p \)-орбитале сваког од шест C атома). Свих шест C атома су у \( sp^2 \)-хибридизацији, што чини молекул планарним са угловима веза од \( 120^\circ \).
Задатак 2 (средњи): Циклични планарни угљоводоник нафтален има конјугован систем са 10 \( \pi \)-електрона. Користећи Хикелово правило, одредити да ли је овај систем ароматичан.
Примењујемо Хикелово правило:
\[ 4n + 2 = 10 \]
\[ 4n = 8 \]
\[ n = 2 \]
Пошто је \( n \) цео број (\( n = 2 \)), једињење испуњава Хикелово правило и јесте ароматично.
Задатак 3 (средњи): Написати називе за сва три положајна изомера дибромодеривата бензена формуле \( C_6H_4Br_2 \) користећи IUPAC нумерацију и ознаке o-, m- и p-.
Три изомера су:
- 1,2-дибромбензен (или o-дибромбензен)
- 1,3-дибромбензен (или m-дибромбензен)
- 1,4-дибромбензен (или p-дибромбензен)
Задатак 4 (тежак): Написати све структурне (конституционе) изомере арена分子ске формуле \( C_8H_{10} \) и навести њихове IUPAC и тривијалне називе.
Молекулској формули \( C_8H_{10} \) одговара укупно 4 изомерна арена:
- Етилбензен (\( C_6H_5-CH_2CH_3 \)) - моносупституисани дериват са етил-групом.
- 1,2-диметилбензен (o-ксилен) - дисупституисани дериват са метил-групама у 1,2-положају.
- 1,3-диметилбензен (m-ксилен) - дисупституисани дериват са метил-групама у 1,3-положају.
- 1,4-диметилбензен (p-ксилен) - дисупституисани дериват са метил-групама у 1,4-положају.
