هیدروکربن های آروماتیک | به زبان ساده

مقدمه‌ای بر هیدروکربن های آروماتیک

هیدروکربن‌های آروماتیکی که فاقد حلقه بنزنی باشند را با نام «هترو‌آرن‌ها» (Heteroarenes) می‌شناسند. تمامی این هترو‌آرن‌ها از «قانون هوکل» (Huckel's Rule) پیروی می‌کنند. بر اساس این قانون، تعداد الکترون‌های پیوند پای (الکترون پای) در یک حلقه تک‌عضوی برابر با $$4 n +2$$ خواهد بود و n، عددی مثبت و غیر صفر است.

خواص هیدروکربن های آروماتیک

فیلم آموزش آنیلین و کاربردهای صنعتی در فرادرس

کلیک کنید

• این ترکیبات از خود، آروماتیسیته (پایداری ناشی از رزونانس) نشان می‌دهند.
• نسبت اتم‌های کربن به هیدروژن، در این نوع از مولکول‌ها بالا است.
• به هنگام سوختن هیدروکربن‌های آروماتیکی، شعله‌ای به رنگ زرد و همراه با دوده خواهیم داشت.
• به طور کلی، این ترکیبات در واکنش‌های جانشینی الکترون‌دوست و واکنش‌های جانشینی آروماتیک هسته‌دوست شرکت می‌کنند.

لازم به ذکر است که این نوع از هیدروکربن‌ها می‌توانند به صورت تک‌حلقه‌ای یا چندحلقه‌ای وجود داشته باشند.

واکنش ها در هیدروکربن های آروماتیک

فیلم آموزش واکنش‌های الکترون‌دوستی آروماتیکی در شیمی آلی 2 در فرادرس

کلیک کنید

واکنش های جانشینی آروماتیک

در این واکنش‌ها، به طور معمول یک جانشین (همچون هیدروژن) با جانشین دیگری، جایگزین می‌شود. انواع مختلف واکنش‌های جانشینی آروماتیک شامل موارد زیر است:

• واکنش‌های جانشینی هسته‌دوست آروماتیک
• واکنش‌های جانشینی الکترون‌دوست آروماتیک
• واکنش‌های رادیکالی جانشینی هسته‌دوست آروماتیک

از نمونه‌های این نوع واکنش‌ها می‌توان به نیتروژن‌دار کردن (نیتراسیون) سالیسیلیک اسید اشاره کرد.

واکنش های کوپلینگ (جفت شدن)

• تشکیل پیوند کربن-کربن: در اینصورت، فرآورده‌هایی همچون آرن‌های وینیل، آلکیل و ... به تولید می‌رسند.
• تشکیل پیوند کربن-اکسیژن: در اثر این نوع واکنش‌ها، ترکیبات «آریلوکسی» (Aryloxy) خواهیم داشت.
• تشکیل پیوندهای کربن-نیتروژن: در این نوع از واکنش‌ها، فرآورده‌هایی همچون آنیلین تولید می‌شوند.

نمونه‌ای از این واکنش‌های کوپلینگ را در «آریلاسیون» (Arylation) پرفلوئوروبنزن‌ها می‌توان مشاهده کرد که تصویر آن در زیر آورده شده است:

هیدروژناسیون

کاربردهای هیدروکربن های آروماتیک

• رنگ سبز برگ‌های درخت معروف به کلروفیل، حاوی هیدروکربن‌های آروماتیک است و اهمیت بسیار زیادی در تولید مواد مغذی گیاهان دارد.
• نوکلئیک اسیدها و آمینو اسیدها در بدن انسان، شامل هیدروکربن‌های آروماتیک هستند.
• ماده اصلی در چسب‌های ماکت‌سازی، نوعی هیدروکربن آروماتیک به نام متیل‌بنزن است.
•  از نفتالین به عنوان قرص دفع کننده حشرات در لباس‌ها و سرویس‌های بهداشتی بهره می‌گیرند.
• در سنتز داروها، رنگ‌ها و مواد منفجره، از هیدروکربنی به نام «فنانترن» (Phenanthrene) استفاده می‌شود.
• علاوه بر تمامی کاربردهای بالا، در صنایع پلاستیک و پتروشیمی، به وفور از هیدروکربن‌های آروماتیک کمک می‌گیرند.
• تری نیترو تولوئن (TNT) به عنوان ماده اصلی در ساخت مواد منفجره شناخته می‌شود.

هیدروکربن های آروماتیک پلی سیکلیک (چندحلقه‌ای)

فیلم آموزش آروماتیک‌ و ویژگی‌های شیمیایی در فرادرس

کلیک کنید

مطالعات نشان داده‌اند که مقادیر زیادی از این هیدروکربن‌ها در غذاهای پخته شده وجود دارند. غذاهای گریل شده، تنوری یا پخته شده در دماهای بالا شامل این موارد می‌شوند.

نحوه نمایش ترکیبات آروماتیک

هر یک از کربن‌های موجود در رئوس این شش‌ضلعی با اتم دیگری (هیدروژن) پیوند دارند. شکل‌های مختلف نمایش یک حلقه بنزنی در زیر نشان داده شده‌اند.

به خاطر داشته باشید که اگر ترکیبی به صورت شش‌ضلعی نشان داده شده اما فاقد سه پیوند دوگانه یا یک حلقه باشد، این ترکیب، آروماتیک نیست بلکه یک سیکلوهگزان است.

بررسی ساختارهای مختلف در آروماتیک ها

در ادامه، به بررسی ساختارهای مختلف ارائه شده برای هیدروکربن های آروماتیک همچون ساختار ککوله و رزونانس می‌پردازیم و در این رابطه، قانون هوکل را نیز بیان می‌کنیم.

ساختار ککوله

رزونانس

ویژگی دیگر ساختار رزونانس این است که ساختار اصلی،‌ بسیار پایدارتر از آن‌ چیزی است که ما با رسم یک خط (معادل با دو الکترون) نشان می‌دهیم. این پایداری بیشتر که همراه با کاهش انرژی است، دلیل دیگری بر واکنش‌پذیری کم بنزن و سایر ترکیبات آروماتیک به شمار می‌آید.

قانون هوکل

زمانی که برای اولین بار، نظریه رزونانس برای درک ساختار بنزن به کار گرفته شد، ویژگی اصلی آن، هیبرید رزونانسی ساختار حلقه شامل تغییر متناوب پیوندهای یگانه و دوگانه بود. این اتفاق، به سرعت سبب مطالعه ترکیباتی همچون «سیکلوبوتادیِن» (Cyclobutadien) و «سیکلواکتاتترااِن» (Cyclooctaterraen) شد. چنین ترکیباتی نیز شامل ساختارهای حلقوی با پیوندهای متناوب یگانه و دوگانه بودند.

سیکلواکتاتتراان، پایداری بیشتر و مقاومت در برابر واکنش‌های افزایشی را (مشخصه ترکیبات آروماتیک) از خود نشان نداد. به طور مثال، این ترکیب به راحتی با برم در واکنش شرکت می‌کرد. سیکلوبوتادین به شدت ناپایدار است و دو مولکول از این ماده، به سرعت حتی در دماهای بسیار پایین با یکدیگر واکنش می‌دهند. در نتیجه، به طور قطع این مولکول، رفتاری همچون یک مولکول آروماتیک نخواهد داشت و به همین دلیل به آن «ضد آروماتیک» (Antiaromatic) می‌گویند.

با توجه به مطالبی که گفته شد، به نظر می‌رسد که در آروماتیک‌ها، چیزی به غیر از جابجایی تناوبی پیوندهای یگانه و دوگانه وجود دارد. بعد از توسعه مدل‌های مختلف، دانشمندان به الگویی رسیدند که بیان می‌کرد تنها زمانی مشخصه‌هایی از آروماتیک خواهیم داشت که حلقه‌ای از الکترون‌های پای داشته باشیم که تعداد آن‌ها برابر با عدد $$4n + 2$$ باشد که در آن، $$n$$ یک عدد صحیح است. این قانون را به عنوان «قانون هوکل» (Hückel's Rule) می‌شناسند.

این قانون را می‌توانیم در خصوص ترکیبات شناخته شده‌ بررسی کنیم. بنزن، ۶ الکترون پای دارد. در حقیقت، در هر پیوند پای بنزن، ۲ الکترون خواهیم داشت. اگر در قانون هوکل، عدد n را برابر با ۱ در نظر بگیریم، این تعداد الکترون در این قانون صدق خواهد کرد. سیکلواکتاتتراان تعداد ۸ الکترون پای دارد. به ازای این عدد، هیچ عدد صحیحی برای n وجود ندارد که در قانون هوکل صدق کند. همچنین، سیکلوبوتادین نیز ۴ الکترون پای دارد و در این قانون جای نمی‌گیرد. البته، مثال‌های بسیار دیگری نیز وجود دارند که در این قانون صدق می‌کنند.

به هنگام بررسی قانون هوکل باید اطمینان حاصل کنیم که حلقه موجود در ترکیب (پیوندهای یگانه و دوگانه)، کامل شده باشد. اگر یک کربن هیبرید شده $$sp ^ 3$$ در حلقه داشته باشیم، شرایط آروماتیکی نخواهیم داشت و نیازی به بررسی قانون هوکل نیست. به مثال زیر توجه کنید:

راه دیگری که به بررسی این موضوع بپردازیم، نگاه کردن به اوربیتال‌های $$p$$ و ترکیب آن‌ها برای تشکیل پیوند پای است. اگر این اوربیتال‌های $$p$$، با یکدیگر ترکیب شوند تا حلقه‌ای پیوسته را همچون بنزن بسازند، می‌توانیم به قانون هوکل برای بررسی تعداد الکترون‌های $$p$$ رجوع کنیم. اگر حلقه اوربیتال‌های $$p$$ توسط یک گروه $$CH _ 2$$ شکسته شوند و پیوند $$p$$ نداشته باشیم، به ترکیب مورد نظر نمی‌توان خاصیت آروماتیکی نسبت داد و نیازی به بررسی قانون هوکل نیست.

اوربیتال‌های  $$p$$ که حلقه پیوسته را تشکیل می‌دهند ممکن است به همراه اتم‌هایی به غیر از کربن باشند. دو نمونه‌ از این ترکیبات، «فوران» (Furan) و «پیرول» (Pyrrole) خواهند بود که در آن‌ها،‌۲ الکترون از ۶ الکترون، حاصل الکترون‌های ناپیوندی بر روی اکسیژن هستند.

حلقه‌های آروماتیک

در ابتدای متن، به طور کلی به ترکیبات آروماتیک و حلقه‌های آروماتیکی پرداختیم اما در این بخش، بررسی دقیق‌تری را در این خصوص ارائه خواهیم داد. حلقه‌ای که شامل چرخه‌ای از الکترون‌های پای باشد را آروماتیک می‌نامند.

فیلم آموزش استریوشیمی و شیمی‌فضایی در فرادرس

کلیک کنید

1. حلقه به صورت «مسطح» (Planar) است.
2. حلقه از قانون هوکل پیروی می‌کند.

این‌که حلقه به صورت مسطح باشد یا خیر نیازمند در نظر گرفتن عوامل متعددی است. مثال زیر را در مورد مولکول آنولن در نظر بگیرید. اگر این ترکیب که از قانون هوکل پیروی می‌کند، مسطح بود، اتم هیدروژن در کربن ۲ و ۷ که در داخل حلقه قرار دارند، باید به یک میزان فضا اشغال می‌کردند که به طور فیزیکی غیرممکن است. برای این‌که این اتم‌ها در داخل حلقه قرار بگیرند، به حلقه نیرو وارد خواهد شد تا از حالت مسطح خارج شود و درنتیجه، این ترکیب، آروماتیک نخواهد بود.

اگر فرض می‌کردیم آرایش آنولن به گونه‌ای بود که تمامی پیوندهای دوگانه آن مشابه با ترکیب زیر بودند، حلقه به صورت مسطح و در نتیجه، آروماتیک بود.

حلقه ضد آروماتیک

حلقه‌ای که فاقد الکترون‌های پای باشد، بسیار ناپایدار خواهد بود. ترکیبی که مولکول‌های آن شامل حلقه‌هایی از این نوع باشند، موسوم به ترکیبات ضد آروماتیک هستند. این نوع از حلقه‌ها، دو ویژگی اصلی دارند:

1. حلقه به صورت «مسطح» (Planar) است.
2. اگر به کمک ساختار لوویس متوجه شویم که حلقه شامل الکترون‌های پای است، تعداد الکترون‌ها در حلقه (چرخه) برابر با $$4n$$ خواهد بود.

مکانیسم جانشینی آروماتیک الکترون دوست

در این بخش می‌خواهیم واکنش‌های مخصوص به آروماتیک‌ها یعنی واکنش‌های جانشینی آروماتیکی را بررسی کنیم. مهم‌ترین مشخصه‌های این نوع از واکنش‌ها، پایداری حلقه آروماتیکی است. در ابتدا، این چنین واکنش‌هایی توسط الکترون‌دوست‌های قوی (اسید لوویس) نظیر $$H _ 2S O _ 4$$، $$AlCl_3$$ و $$FeCl_3$$ کاتالیز خواهند شد. در ادامه نیز با توجه به این‌که واکنش‌های افزایشی سبب ایجاد ناپیوستگی در حلقه اوربیتال p و از بین رفتن پایداری آروماتیک می‌شوند، واکنش‌های جانشینی خواهیم داشت.