Jump to content

Ароматическое соединение

2D-модель молекулы бензола. Углеродное «кольцо» делает бензол «ароматическим».

Ароматические соединения или арены обычно относятся к органическим соединениям , «химия которых типична для бензола » и «циклически сопряженным». [1] Слово «ароматический» происходит от прошлого группирования молекул на основе запаха, до того, как были поняты их общие химические свойства. Существующее определение ароматических соединений не имеет никакого отношения к их запаху. Ароматические соединения теперь определяются как циклические соединения, удовлетворяющие правилу Хюккеля .Ароматические соединения обладают следующими общими свойствами:

Арены обычно делятся на две категории - бензоиды, которые содержат производное бензола и следуют модели бензольного кольца, и небензоиды, которые содержат другие ароматические циклические производные. Ароматические соединения обычно используются в органическом синтезе и участвуют во многих типах реакций, сопровождающихся как добавлением, так и удалением, а также насыщением и деароматизацией.

Гетероарены

[ редактировать ]

Гетероарены — ароматические соединения, в которых по крайней мере одна метиновая или виниленовая (-C= или -CH=CH-) группа заменена гетероатомом : кислородом , азотом или серой . [3] Примерами небензольных соединений с ароматическими свойствами являются фуран , гетероциклическое соединение с пятичленным кольцом, включающим один атом кислорода, и пиридин , гетероциклическое соединение с шестичленным кольцом, содержащим один атом азота. Углеводороды без ароматического кольца называются алифатическими . Примерно половина соединений, известных к 2000 году, в той или иной степени описываются как ароматические. [4]

Поток электронов через p-орбитали гетероциклического фурана [5]
Линейная структура связи гетероцикла пиридина [5]
Линейная структура связей гетероцикла фурана [5]

Приложения

[ редактировать ]

Ароматические соединения широко распространены в природе и промышленности. Ключевые промышленные ароматические углеводороды — бензол, толуол , ксилол, называемый БТХ. Многие биомолекулы имеют фенильные группы, в том числе так называемые ароматические аминокислоты .

Модель бензольного кольца

[ редактировать ]
Линейная структура связи бензола [5]
Поток электронов через p-орбитали, показывающий ароматическую природу бензола [5]

Бензол , C 6 H 6 , является наименее сложным ароматическим углеводородом, и он был первым, который был определен как таковой. [6] Его связывающая природа была впервые независимо признана Джозефом Лошмидтом и Августом Кекуле в 19 веке. [6] Каждый атом углерода в гексагональном цикле имеет четыре общих электрона. Один электрон образует сигма-связь с атомом водорода, а другой используется для ковалентной связи с каждым из двух соседних атомов углерода. В результате остается шесть электронов, поровну распределенных по кольцу на делокализованных пи-молекулярных орбиталях размером с само кольцо. [5] Это представляет собой эквивалентную природу шести углерод-углеродных связей, все из которых имеют порядок 1,5. Эту эквивалентность можно объяснить и резонансными формами . [5] Электроны визуализируются плавающими над и под кольцом, а создаваемые ими электромагнитные поля удерживают кольцо плоским. [5]

Символ круга, обозначающий ароматичность, был введен сэром Робертом Робинсоном и его учеником Джеймсом Армитом в 1925 году и популяризирован, начиная с 1959 года, благодаря учебнику Моррисона и Бойда по органической химии. [7] Правильное использование символа является спорным: некоторые публикации используют его для любой циклической системы π, в то время как другие используют его только для тех систем π, которые подчиняются правилу Хюккеля . Некоторые утверждают, что для того, чтобы соответствовать первоначально задуманному предложению Робинсона, использование символа круга должно быть ограничено моноциклическими 6 π-электронными системами. [8] Таким образом, символ круга для шестицентровой шестиэлектронной связи можно сравнить с символом Y для трехцентровой двухэлектронной связи . [8]

Бензол и производные бензола

[ редактировать ]
Номенклатура замещения бензола [5]

Производные бензола имеют от одного до шести заместителей, присоединенных к центральному бензольному ядру. Примерами соединений бензола всего с одним заместителем являются фенол , несущий гидроксильную группу, и толуол с метильной группой. Когда в кольце присутствует более одного заместителя, их пространственное соотношение становится важным, для чего модели аренового замещения орто , мета и пара . разрабатываются [9] При реакции с образованием более сложных производных бензола заместители в бензольном кольце можно охарактеризовать как активированные или дезактивированные , которые являются электронодонорными и электроноакцепторными соответственно. [9] Активаторы известны как орто-пара-директора, а деактиваторы — как мета-директора. [9] В ходе реакции заместители будут добавляться в орто-, пара- или мета-положениях, в зависимости от направленности текущих заместителей, с образованием более сложных производных бензола, часто с несколькими изомерами. Поток электронов, приводящий к повторной ароматизации, является ключевым моментом в обеспечении стабильности таких продуктов. [9]

Например, три изомера существуют для крезола , потому что метильная группа и гидроксильная группа (обе орто-пара-директора) могут быть расположены рядом друг с другом ( орто ), на одну позицию удалены друг от друга ( мета ) или на две позиции удалены друг от друга. ( пункт ). [10] Учитывая, что как метильная, так и гидроксильная группы являются направляющими орто-пара, обычно предпочтение отдается орто- и пара-изомерам. [10] Ксиленол помимо гидроксильной группы имеет две метильные группы, и для этой структуры существует 6 изомеров. [ нужна ссылка ]

Ареновые кольца могут стабилизировать заряды, как это видно, например, в феноле (C 6 H 5 –OH), который является кислым по гидроксилу (OH), как заряд кислорода (алкоксид –O ) частично делокализован в бензольное кольцо.

Небензильные арены

[ редактировать ]

Хотя бензильные арены широко распространены, небензильные соединения также чрезвычайно важны. Любое соединение, содержащее циклическую часть, которая соответствует правилу Хюккеля и не является производным бензола, может считаться небензильным ароматическим соединением. [5]

Моноциклические арены

[ редактировать ]

Из аннуленов большего размера, чем бензол, [12]аннулен и [14]аннулен являются слабоароматическим соединениями, а [18]аннулен, циклооктадеканонен , является ароматическим, хотя напряжение внутри структуры вызывает небольшое отклонение от точно плоской структуры, необходимой для ароматической классификации. [11] Другим примером небензильного моноциклического арена является циклопропенил (катион циклопропения), который удовлетворяет правилу Хюккеля с n, равным 0. [12] Обратите внимание, что только катионная форма этого циклического пропенила является ароматической, поскольку нейтральность этого соединения нарушает либо правило октета, либо правило Хюккеля . [12]

Другие небензильные моноциклические арены включают вышеупомянутые гетероарены, которые могут заменять атомы углерода другими гетероатомами, такими как N, O или S. [5] Типичными примерами являются шестичленный пиррол и пятичленный пиридин , оба из которых имеют замещенный азот. [13]

Полициклические ароматические углеводороды

[ редактировать ]
Гексабензокоронен — крупный полициклический ароматический углеводород.

Полициклические ароматические углеводороды , также известные как полиядерные ароматические соединения (ПАУ), представляют собой ароматические углеводороды, которые состоят из конденсированных ароматических колец и не содержат гетероатомов и не несут заместителей . [14] Нафталин является простейшим примером ПАУ. ПАУ встречаются в месторождениях нефти , угля и смолы и образуются как побочные продукты сжигания топлива (ископаемого топлива или биомассы). [15] Как загрязнители они вызывают беспокойство, поскольку некоторые соединения были идентифицированы как канцерогенные , мутагенные и тератогенные . [16] [17] [18] [19] ПАУ также содержатся в приготовленных продуктах. [15] Исследования показали, что высокие уровни ПАУ обнаруживаются, например, в мясе, приготовленном при высоких температурах, например, на гриле или барбекю, а также в копченой рыбе. [15] [16] Они также являются хорошими молекулами-кандидатами на роль основы для самых ранних форм жизни . [20] В графене мотив ПАУ распространен на большие двумерные листы. [21]

Ароматические кольцевые системы участвуют во многих органических реакциях.

При ароматическом замещении один заместитель в ареновом кольце, обычно водород, заменяется другим реагентом. [5] Двумя основными типами являются электрофильное ароматическое замещение , когда активным реагентом является электрофил, и нуклеофильное ароматическое замещение , когда реагент является нуклеофилом. При радикально-нуклеофильном ароматическом замещении активным реагентом является радикал . [22] [23]

Примером электрофильного ароматического замещения является нитрование салициловой кислоты , при котором к гидроксидному заместителю присоединяется пара-нитрогруппа:

Нитрование салициловой кислоты
Ароматическое нуклеофильное замещение
Aromatic nucleophilic substitution

Нуклеофильное ароматическое замещение включает замещение уходящей группы , например галогенида , в ароматическом кольце . Ароматические кольца обычно нуклеофильны, но в присутствии электроноакцепторных групп ароматические соединения подвергаются нуклеофильному замещению. Механистически эта реакция отличается от обычной реакции S N 2 , поскольку протекает при тригональном атоме углерода (sp 2 гибридизация ). [24]

гидрирование

[ редактировать ]

Гидрирование аренов создает насыщенные кольца. Соединение 1-нафтол полностью восстанавливается до смеси декалин -ола изомеров . [25]

гидрирование 1-нафтола

Соединение резорцин , гидрированное никелем Ренея в присутствии водного гидроксида натрия, образует енолят , который алкилируется метилиодидом до 2-метил-1,3-циклогександиона: [26]

Гидрирование резорцина

Деароматизация

[ редактировать ]

В реакциях деароматизации ароматичность реагента теряется. В этом отношении деароматизация связана с гидрированием. Классический подход — сокращение по Берчу . Методика используется в синтезе. [27]

Деароматизация бензола путем восстановления Берча. [28]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ «Ароматический» . Золотая книга ИЮПАК . Проверено 6 ноября 2023 г.
  2. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Продвинутая органическая химия: реакции, механизмы и структура (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN  978-0-471-72091-1
  3. ^ ИЮПАК. Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга»). Составлено А.Д. Макнотом и А. Уилкинсоном. Научные публикации Блэквелла, Оксфорд (1997). Онлайн-версия (2019-), созданная С. Дж. Чоком. ISBN 0-9678550-9-8. https://doi.org/10.1351/goldbook.
  4. ^ Балабан Александру Т.; Оничу, Даниэла К.; Катрицки, Алан Р. (1 мая 2004 г.). «Ароматичность как краеугольный камень гетероциклической химии» . Химические обзоры . 104 (5): 2777–2812. дои : 10.1021/cr0306790 . ISSN   0009-2665 . ПМИД   15137807 .
  5. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Кляйн, Дэвид Р. (2017). Органическая химия (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN  9781119444251 .
  6. ^ Jump up to: а б «Бензол | Определение, открытие, структура, свойства и использование | Британника» . www.britanica.com . Проверено 6 ноября 2023 г.
  7. ^ Армит, Джеймс Уилсон; Робинсон, Роберт (1925). «CCXI.—Полиядерные гетероциклические ароматические типы. Часть II. Некоторые ангидрониевые основания» . Дж. Хим. соц., пер . 127 : 1604–1618. дои : 10.1039/CT9252701604 . ISSN   0368-1645 .
  8. ^ Jump up to: а б Дженсен, Уильям Б. (апрель 2009 г.). «Происхождение кругового символа ароматичности» . Журнал химического образования . 86 (4): 423. Бибкод : 2009JChEd..86..423J . дои : 10.1021/ed086p423 . ISSN   0021-9584 .
  9. ^ Jump up to: а б с д «16.5: Объяснение эффектов заместителей» . Химия LibreTexts . 03.05.2015 . Проверено 03 декабря 2023 г.
  10. ^ Jump up to: а б «Крезол — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 03 декабря 2023 г.
  11. ^ «Что на самом деле означает слово «ароматический»?» . Химия LibreTexts . 02.10.2013 . Проверено 6 ноября 2023 г.
  12. ^ Jump up to: а б «Что на самом деле означает слово «ароматический»?» . Химия LibreTexts . 02.10.2013 . Проверено 29 ноября 2023 г.
  13. ^ «4.2: Ковалентные связи» . Химия LibreTexts . 30 июля 2020 г. Проверено 6 ноября 2023 г.
  14. ^ Фетцер, Джон К. (16 апреля 2007 г.). «ХИМИЯ И АНАЛИЗ БОЛЬШИХ ПАУ» . Полициклические ароматические соединения . 27 (2): 143–162. дои : 10.1080/10406630701268255 . ISSN   1040-6638 . S2CID   97930473 .
  15. ^ Jump up to: а б с «Полициклические ароматические углеводороды - появление в пищевых продуктах, воздействие с пищей и влияние на здоровье» (PDF) . Европейская комиссия, Научный комитет по продовольствию. 4 декабря 2002 г. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
  16. ^ Jump up to: а б Ларссон, Бонни К.; Салберг, Грегер П.; Эрикссон, Андерс Т.; Буск, Лейф А. (июль 1983 г.). «Полициклические ароматические углеводороды в продуктах, приготовленных на гриле» . Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 31 (4): 867–873. дои : 10.1021/jf00118a049 . ISSN   0021-8561 . ПМИД   6352775 .
  17. ^ Научное мнение Группы по загрязнителям в пищевой цепи по запросу Европейского Союза.Комиссия по морским биотоксинам в моллюсках – Группа сакситоксинов. Журнал EFSA (2009) 1019, 1-76.
  18. ^ Кейт, Лоуренс Х. (15 марта 2015 г.). «Источник шестнадцати приоритетных загрязнителей ПАУ Агентства по охране окружающей среды США» . Полициклические ароматические соединения . 35 (2–4): 147–160. дои : 10.1080/10406638.2014.892886 . ISSN   1040-6638 .
  19. ^ Томас, Филипп Дж.; Ньюэлл, Эмили Э.; Экклс, Кристин; Холлоуэй, Элисон С.; Идову, Ифеолува; Ся, Чжэ; Хасан, Элизабет; Томи, Грегг; Кенневиль, Шерил (01 февраля 2021 г.). «Совместное воздействие микроэлементов и полициклических ароматических соединений (PAC) влияет на североамериканскую речную выдру (Lontra canadensis) baculum» . Хемосфера . 265 : 128920. doi : 10.1016/j.chemSphere.2020.128920 . ISSN   0045-6535 .
  20. ^ Эренфройнд, Паскаль; Расмуссен, Стин; Кливс, Джеймс; Чен, Ляохай (июнь 2006 г.). «Экспериментальное отслеживание ключевых шагов в происхождении жизни: ароматический мир» . Астробиология . 6 (3): 490–520. Бибкод : 2006AsBio...6..490E . дои : 10.1089/ast.2006.6.490 . ISSN   1531-1074 . ПМИД   16805704 .
  21. ^ Ван, Сяо-Е; Яо, Сюэлинь; Мюллен, Клаус (01 сентября 2019 г.). «Полициклические ароматические углеводороды в эпоху графена» . Наука Китай Химия . 62 (9): 1099–1144. дои : 10.1007/s11426-019-9491-2 . hdl : 21.11116/0000-0004-B547-0 . ISSN   1869-1870 . S2CID   198333072 .
  22. ^ «22.4: Электрофильное ароматическое замещение» . Химия LibreTexts . 26 ноября 2014 г. Проверено 29 ноября 2023 г.
  23. ^ «16.7: Нуклеофильное ароматическое замещение» . Химия LibreTexts . 03.05.2015 . Проверено 29 ноября 2023 г.
  24. ^ Клейден, Джонатан; Гривз, Ник; Уоррен, Стюарт (15 марта 2012 г.). Органическая химия (Второе изд.). Оксфорд, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 514–515. ISBN  978-0-19-927029-3 .
  25. ^ Мейерс, А.И.; Беверунг, Западная Северная Каролина; Голт, Р. «1-Нафтол» . Органические синтезы . 51 :103 ; Сборник томов , т. 6 .
  26. ^ Ноланд, Вэйланд Э.; Бауде, Фредерик Дж. «Этилиндол-2-карбоксилат» . Органические синтезы . 41:56 ; Сборник томов , т. 5 .
  27. ^ Рош, Стефан П.; Порко, Джон А. (26 апреля 2011 г.). «Стратегии деароматизации в синтезе сложных натуральных продуктов» . Angewandte Chemie, международное издание . 50 (18): 4068–4093. дои : 10.1002/anie.201006017 . ISSN   1433-7851 . ПМЦ   4136767 . ПМИД   21506209 .
  28. ^ Чжэн, Чао; Ю, Шу-Ли (24 марта 2021 г.). «Достижения в области каталитической асимметричной деароматизации» . Центральная научная служба ACS . 7 (3): 432–444. doi : 10.1021/acscentsci.0c01651 . ISSN   2374-7943 . ПМЦ   8006174 . ПМИД   33791426 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f2a8c8a0c7132273bbd616b94bf4a911__1721806500
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f2/11/f2a8c8a0c7132273bbd616b94bf4a911.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Aromatic compound - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)