Најважније из лекције
Полициклични арени: Садрже два или више бензенових прстенова; могу бити са изолованим (бифенил) или кондензованим прстеновима (нафтален, антрацен, фенантрен).
Нафтален (\(\text{C}_{10}\text{H}_8\)): Два кондензована прстена; еквивалентни положаји су \(\alpha\) (1, 4, 5, 8) и \(\beta\) (2, 3, 6, 7). Подлеже \(\text{S}_\text{E}\text{Ar}\) реакцијама градећи претежно \(\alpha\)-деривате.
Изомерија трицикличних арена: Антрацен (линеаран) и фенантрен (угаони) су конституциони изомери са формулом \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\). Редуковани фенантрен је скелетна основа стероида.
ПАХ и канцерогеност: Виши полициклични арени (пирен, бензо(\(a\))пирен) настају непотпуним сагоревањем угљоводоника; метаболички производи бензо(\(a\))пирена се везују за ДНК и делују изразито мутагено и канцерогено.
Ефекти супституената: Активатори (\(-\text{OH}\), \(-\text{R}\)) убрзавају електрофилну ароматичну супституцију и усмеравају у орто/пара положаје; дезактиватори (\(-\text{NO}_2\)) успоравају реакцију и усмеравају у мета положај.
Нафтален (\(\text{C}_{10}\text{H}_8\)): Два кондензована прстена; еквивалентни положаји су \(\alpha\) (1, 4, 5, 8) и \(\beta\) (2, 3, 6, 7). Подлеже \(\text{S}_\text{E}\text{Ar}\) реакцијама градећи претежно \(\alpha\)-деривате.
Изомерија трицикличних арена: Антрацен (линеаран) и фенантрен (угаони) су конституциони изомери са формулом \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\). Редуковани фенантрен је скелетна основа стероида.
ПАХ и канцерогеност: Виши полициклични арени (пирен, бензо(\(a\))пирен) настају непотпуним сагоревањем угљоводоника; метаболички производи бензо(\(a\))пирена се везују за ДНК и делују изразито мутагено и канцерогено.
Ефекти супституената: Активатори (\(-\text{OH}\), \(-\text{R}\)) убрзавају електрофилну ароматичну супституцију и усмеравају у орто/пара положаје; дезактиватори (\(-\text{NO}_2\)) успоравају реакцију и усмеравају у мета положај.
Полициклични арени су ароматични угљоводоници који у својој структури садрже два или више бензенових прстенова.
Кондензовани прстенови су ароматични прстенови који међусобно деле два или више заједничких угљеникових атома.
Ако су прстенови повезани простом (једноструком) везом без заједничких угљеникових атома, говоримо о изолованим прстеновима (нпр. бифенил).
- Бифенил: два бензенова прстена повезана C–C везом (нема заједничких атома C).
- Нафтален: два бензенова прстена спојена тако да деле 2 заједничка атома C (кондензовани систем).
Одредити да ли је нафтален полицикличан арен са кондензованим прстеновима.
Да, нафтален се састоји од два бензенова прстена која деле два заједничка угљеникова атома, па представља полицикличан арен са кондензованим прстеновима.
Нафтален (\(\text{C}_{10}\text{H}_8\)) је најједноставнији полициклични арен са кондензованим прстеновима.
За обележавање положаја у моносупституисаним дериватима нафталена користе се арапски бројеви (1 до 8) или грчка слова:
- \(\alpha\)-положаји: атоми C на позицијама 1, 4, 5 и 8 (положаји ближе кондензованом споју).
- \(\beta\)-положаји: атоми C на позицијама 2, 3, 6 и 7.
Једињење са метил-групом на положају 1 назива се 1-метилнафтален или \(\alpha\)-метилнафтален, док се на положају 2 назива 2-метилнафтален или \(\beta\)-метилнафтален.
Нафтален је на собној температури бела кристална супстанца карактеристичног мириса која лако сублимује. Традиционално се користио као средство против мољаца (нафталин), али се због токсичности све чешће замењује 1,4-дихлорбензеном.
Колико постоји различитих монохлор-деривата нафталена? Написати њихове називе.
Постоје 2 изомера, јер нафтален има само две врсте нееквивалентних положаја (\(\alpha\) и \(\beta\)):
1) 1-хлорнафтален (\(\alpha\)-хлорнафтален)
2) 2-хлорнафтален (\(\beta\)-хлорнафтален).
1) 1-хлорнафтален (\(\alpha\)-хлорнафтален)
2) 2-хлорнафтален (\(\beta\)-хлорнафтален).
Антрацен и фенантрен су арени чији се молекули састоје од три кондензована бензенова прстена. Имају исту молекулску формулу \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\), што значи да су они конституциони изомери.
Антрацен: прстенови су спојени линеарно. Назив потиче од грчке речи за угаљ. Користи се као сировина у производњи синтетичких боја.
Фенантрен: прстенови су спојени под углом (ангуларно). Потпуно или делимично хидрогенизован фенантренски систем чини структурну основу скелета свих стероида (холестерол, полни хормони, жучне киселине).
Која је заједничка молекулска формула антрацена и фенантрена и у каквом су они односу?
Оба једињења имају формулу \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\). Имају различит редослед везивања атома (линеаран наспрам ангуларног), па представљају конституционе изомере.
Полициклични ароматични угљоводоници (ПАХ / енг. PAH) представљају групу постојаних органских загађивача који садрже више спојених ароматичних прстенова.
Примери значајних представника:
- Пирен: садржи 4 збијена кондензована прстена (\(\text{C}_{16}\text{H}_{10}\)).
- Бенз(\(a\))антрацен: садржи 4 прстена (\(\text{C}_{18}\text{H}_{12}\)) – није изомер са пиреном због различитог броја атома!
- Бензо(\(a\))пирен: систем од 5 кондензованих прстенова (\(\text{C}_{20}\text{H}_{12}\)).
ПАХ су доказани загађивачи животне средине и изразито канцерогене супстанце. Настају непотпуним сагоревањем органских материја (издувни гасови возила, дим цигарета, чађ, термолектране, као и дим приликом припреме хране на роштиљу).
Механизам дејства: У организму (јетри), бензо(\(a\))пирен се метаболички трансформише у реактивни оксидовани дериват (епоксид/диол-епоксид) који се ковалентно везује за молекул ДНК, омета процес репликације ћелије и изазива мутације које воде ка канцерозном процесу.
Да ли су пирен и бенз(\(a\))антрацен структурни изомери? Обраложити.
Нису. Иако оба имају по 4 бензенова прстена, имају различите молекулске формуле: пирен је \(\text{C}_{16}\text{H}_{10}\), а бенз(\(a\))антрацен је \(\text{C}_{18}\text{H}_{12}\). Једињења са различитом молекулском формулом не могу бити изомери.
Полициклични арени подлежу реакцијама електрофилне ароматичне супституције (\(\text{S}_\text{E}\text{Ar}\)) слично бензену (нитровање, халогеновање, сулфоновање).
При нитровању нафталена смешом \(\text{HNO}_3/\text{H}_2\text{SO}_4\) долази до супституције и настаје смеша \(\alpha\)- и \(\beta\)-нитронафталена, при чему је \(\alpha\)-изомер доминантан производ због веће стабилности интермедијера.
Утицај супституената на бензенов прстен:
| Тип супституента | Дејство на прстен | Усмеравање новог супституента | Пример |
|---|---|---|---|
| Активатори (\(-\text{OH}\), алкил групе \(-\text{R}\)) | Повећавају електронску густину; реакција тече брже и лакше него код бензена. | орто- (\(o-\)) и пара- (\(p-\)) положај | Толуен даје смешу o- и p-нитротолуена; фенол се изузетно лако тринитрира у 2,4,6-тринитрофенол. |
| Дезактиватори (\(-\text{NO}_2\)) | Смањују електронску густину; прстен је мање реактиван, потребни су оштрији услови. | мета- (\(m-\)) положај | Нитровањем нитробензена добија се 1,3-динитробензен (m-динитробензен). |
Који производ настаје нитровањем нитробензена смешом концентроване азотне и сумпорне киселине?
Нитро-група (\(-\text{NO}_2\)) је дезактиватор бензеновог прстена и усмерава наредни супституент у мета-положај. Према томе, главни производ је 1,3-динитробензен (m-динитробензен).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је основна структурна разлика између молекула бифенила и молекула нафталена?
Оба молекула садрже по два бензенова прстена, али бифенил има изоловане прстенове повезане простом C–C везом без заједничких угљеникових атома, док нафтален има кондензоване прстенове који деле два заједничка угљеникова атома.
Задатак 2 (средњи): Идентификујте једињења А и Б на основу следећих података:
Оба једињења имају три кондензована бензенова прстена и исту молекулску формулу \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\). Једињење А има линеарно повезане прстенове и користи се у индустрији синтетичких боја, док једињење Б има угаони распоред прстенова и његов редуковани скелет представља основу структуре стероида.
Оба једињења имају три кондензована бензенова прстена и исту молекулску формулу \(\text{C}_{14}\text{H}_{10}\). Једињење А има линеарно повезане прстенове и користи се у индустрији синтетичких боја, док једињење Б има угаони распоред прстенова и његов редуковани скелет представља основу структуре стероида.
Једињење А је антрацен.
Једињење Б је фенантрен.
Они су међусобно конституциони изомери.
Једињење Б је фенантрен.
Они су међусобно конституциони изомери.
Задатак 3 (средњи): Зашто се при нитровању фенола концентрованом азотном киселином лако добија 2,4,6-тринитрофенол, док нитровање нитробензена даје само моносупституцију у мета-положају и захтева знатно оштрије услове?
Хидроксилна група (\(-\text{OH}\)) у фенолу је снажан активатор ароматичног прстена - повећава електронску густину и активира орто- и пара- положаје, омогућавајући вишеструку брзу супституцију.
Насупрот томе, нитро-група (\(-\text{NO}_2\)) снажно дезактивира прстен (одвлачи електронску густину), чинећи га знатно мање реактивним за електрофилни напад, при чему преосталу реактивност усмерава искључиво у мета-положај.
Насупрот томе, нитро-група (\(-\text{NO}_2\)) снажно дезактивира прстен (одвлачи електронску густину), чинећи га знатно мање реактивним за електрофилни напад, при чему преосталу реактивност усмерава искључиво у мета-положај.
Задатак 4 (тежак): Израчунајте масу \(\alpha\)-нитронафталена (\(M = 173\text{ g/mol}\)) која се добија нитровањем \(12,8\text{ g}\) нафталена (\(M = 128\text{ g/mol}\)), уколико укупан принос реакције нитровања износи \(90\%\), а масени удео \(\alpha\)-изомера у смеши насталих мононитро-производа износи \(84\%\).
1. Количина полазног нафталена:
\[ n(\text{нафталена}) = \frac{m}{M} = \frac{12,8\text{ g}}{128\text{ g/mol}} = 0,1\text{ mol} \]
2. Теоријска маса нитронафталена (однос 1 : 1):
\[ n_{\text{теор}}(\text{нитронафталена}) = 0,1\text{ mol} \]
\[ m_{\text{теор}}(\text{нитронафталена}) = 0,1\text{ mol} \cdot 173\text{ g/mol} = 17,3\text{ g} \]
3. Стварно добијена маса смеше изомера уз принос од 90%:
\[ m_{\text{стварно}}(\text{смеше}) = 17,3\text{ g} \cdot 0,90 = 15,57\text{ g} \]
4. Маса издвојеног \(\alpha\)-изомера (масени удео 84%):
\[ m(\alpha\text{-нитронафталена}) = 15,57\text{ g} \cdot 0,84 \approx 13,08\text{ g} \]
Одговор: Маса добијеног \(\alpha\)-нитронафталена износи приближно \(13,08\text{ g}\).
