بنزن

بنزن از معروفترین و شاید جالب‌ترین هیدروکربنها است که در ساختمان آن ، شش اتم کربن و شش اتم هیدروژن بصورت حلقه‌ای کنار هم قرار گرفته‌اند و پیوندهای غیر مستقر л در داخل این حلقه بصورت دایره‌ای نشان داده می‌شوند. بنزن جزو ترکیبات آروماتیک می‌باشد. آروماتیک‌ها ، دسته وسیعی از ترکیبات را تشکیل می‌دهند که شامل بنزن و ترکیباتی می‌باشند که از نظر رفتار شیمیایی مشابه بنزن می‌باشند (برخی از این مواد ، حتی بظاهر شباهتی به بنزن ندارند).

فرمول مولکولی

با بررسی‌های اولیه و اندازه گیری وزن مولکولی معلوم شده است که بنزن از شش اتم کربن و شش اتم هیدروژن تشکیل شده است و به فرمول می‌باشد. ولی سالیان سال ، طول کشید تا آرایش واقعی اتمها و ساختمان بنزن معلوم گردد.

ساختمان بنزن

ساختمان بنزن توسط دانشمند آلمانی ، ککوله (Kekule) در عالم رویا (!) کشف شد. مولکولهای زیادی با فرمول موجود می‌باشند، اما خصوصیات آنها با همدیگر متفاوت می‌باشد و بیشتر از همه ، بنزن متفاوت می‌باشد.

بنزن سه نوع مشتق دو استخلافی ایجاد می‌کند، یعنی سه نوع مشتق دو استخلافی اورتو ، متا ، و پارا ایجاد می‌نماید. اما اگر پیوندهای л ساختمان بنزن ، مستقر در نظر گرفته شوند، مشتق 1 و 2 بنزن ، بایستی به‌صورت دو فرم باشد، ولی بیشتر از یک فرمول نیست.

ککوله برای اینکه یکی بودن این دو ایزومر را توجیه نماید، مولکول بنزن را دینامیک در نظر گرفت و پیشنهاد کرد که دو حالت در تعادل متحرکند. در واقع برای اولین بار ، ککوله ایده الکترونهای غیر مستقر را مطرح نمود که بعدها به "پدیده توتومتری" موسوم گردید. همچنین بررسیهای دقیق نشان داده است که طول پیوندهای کربن _ کربن در بنزن با هم برابر است و برابر 1.39 آنگستروم می‌باشد که چیزی بین پیوند ساده و پیوند دوگانه کربن _ کربن می‌باشد که خود تاییدی بر غیر مستقر بودن پیوندهای л (پی) در حلقه بنزن می‌باشد.

گرمای هیدروژن‌دار شدن بنزن و پایداری حلقه بنزن

مطالعات تجربی بیشتر ، نشان داده است که از هیدروژن‌دار شدن 1 ، 3 _سیکلو هگزا دی ان)) ، فقط 55.4 کیلو کالری بر مول ، انرژی ، آزاد می‌شود که در حدود 1.8 کیلو کالری کمتر از مقدار پیش‌بینی شده می‌باشد. این مقدار انرژی که در موقع تشکیل ماده آزاد می‌گردد، به مزدوج بودن پیوندهای л نسبت داده می‌شود.

اگر بنزن را بصورت سیکلو هگزا تری ان (سه پیوند л مستقر) در نظر بگیریم، موقع هیدروژن‌دار شدن بایستی به مقدار 3x28،6=85،8 کیلو کالری بر مول انرژی آزاد نماید. تجربه نشان می‌دهد که از واکنش هیدروژن‌دار شدن حلقه بنزن ، فقط 49.8 کیلوکالری بر مول انرژی آزاد می‌شود که به مقدار 36 کیلوکالری بر مول کمتر از مقدار پیش‌بینی شده می‌باشد.

این مقدار انرژی که در موقع تشکیل حلقه آزاد می‌گردد، "انرژی رزونانس حلقه بنزن" نامیده می‌شود. بعلت همین آزادسازی انرژی می‌باشد که بنزن پایداری نسبی بیشتری دارد و تمایلی برای انجام واکنشهای افزایشی از خود نشان نمی‌دهد.

خصلت آروماتیکی

ویژگی‌های مهم ترکیبات آروماتیک به قرار زیر می‌باشند:

1. گرمای هیدروژن‌دار شدن و گرمای سوختن آنها پایین است.
   
   
2. برای انجام واکنشهای افزایشی تمایل زیادی نشان نمی‌دهند.
   
   
3. در واکنشهای جانشینی الکترون‌خواهی شرکت می‌کنند.
   
   

این خصلتها ، تفاوت بسیار زیاد ترکیبات آلکن و ترکیبات آروماتیک را نشان می‌دهند.

انرژی رزونانس حلقه بنزن

بعلت پخش الکترونهای л در بنزن ، 36.1 کیلو کالری بر مول ، انرژی آزاد می‌شود و بنزن به پایداری نسبی بیشتری می‌رسد. نتایج تجربی حاصل از واکنشهای هیدروژن‌دار شدن هیدروکربنهای جوش خورده دو حلقه‌ای و سه حلقه‌ای و … نشان می‌دهد که هرچه تعداد الکترونهای بیشتری در رزونانس شرکت کرده باشند، انرژی آزادشده ، بیشتر و پایداری نسبی نیز بیشتر خواهدبود.

مباحث مرتبط با عنوان

• انرژی گرمایی
• ایزومری
• پیوند پی
• مشتقات بنزن
• واکنش افزایشی
• واکنش جانشینی
• واکنشهای بنزن
• هیدروکربن
• هیدروکربنهای آروماتیک

 

هیدروکربنهای آروماتیک

بنزن

آروماتیک‌ها ، دسته وسیعی از ترکیبات را تشکیل می‌دهند که شامل بنزن و ترکیباتی باشند که از نظر رفتار شیمیایی مشابه بنزن می‌باشند. برخی از این مواد ، حتی به‌ظاهر شباهتی به بنزن ندارند. برخلاف آلکنها و آلکینها ، بنزن و سایر ترکیبات آروماتیک ، تمایلی برای انجام واکنشهای افزایش از خود نشان نمی‌دهند، ولی در واکنشهای جانشینی شرکت می‌کنند که یکی از صفات شاخص این دسته از مواد می‌باشد. اگر گروههای عاملی روی حلقه قرار بگیرند، بر واکنش پذیری حلقه اثر خواهند گذاشت. واکنش پذیری عوامل متصل به حلقه نیز بوسیله بخش آروماتیک تحت‌تاثیر قرار می‌گیرد.

خصلت آروماتیکی و قاعده 4n+2 هوکل (Huckel)

افزون بر بنزن و ترکیبات هم خانواده آن مثل نفتالین و آنتراسین و... ، مواد دیگری نیز وجود دارند که به‌ظاهر هیچ شباهتی به بنزن ندارند، ولی رفتاری مشابه بنزن دارند و به‌عبارت ساده‌تر ، آروماتیک هستند. از ویژگیهای این مواد می‌توان به نکات زیر اشاره نمود:

1. گرمای هیدروژن دار شدن و گرمای سوختن آنها پایین است.
2. برای انجام واکنشهای افزایشی ، تمایل زیادی نشان نمی‌دهند
3. در واکنشهای جانشینی الکترونخواهی شرکت می‌کنند.
   
   

بررسی‌های تجربی مثل مطالعه خواص فیزیکی و انرژی هیدروژن‌دار شدن سیستمها با تعداد الکترونهای π مختلف به این نتایج منجر شده است که:

آنیلین

1. مولکولهایی آروماتیک هستند و خصلت آروماتیکی از خود نشان می دهند که تعداد الکترونهای سیستم π آنها ، 2 و 4 و 6و 10و... باشد. این ضرورت ، قاعده هوکل یا 4n+2 نامیده می‌شود. سپس ترکیباتی که برای آنها n=0, 1 , 2 ,… می‌باشد، آروماتیک خواهند بود.
   
   
2. مولکول باید ساختمان مسطح داشته باشد. تمام ترکیباتی که این دو شرط اساسی در آنها رعات شده باشد، زوایای پیوندی در آنها طبیعی ، همپوشانی اوربیتالهای π مناسب و غیر مستقر شدن الکترونها بخوبی میسر باشد، پایداری مولکول بیشتر خواهد بود.

یک مثال

واکنش 3- کلرو سیکلوپروپن با SbCl₅ ، ماده پایداری به فرمول C₃H₃SbCl₆ ایجاد می‌کند که در حلالهای دی‌اکسید گوگرد مایع بخوبی حل نشده ، ولی در حلالهای غیرقطبی نامحلول است. مطالعه طیفNMR این ماده ، سه پروتون هم‌ارزش را به نمایش می‌گذارد. این نتایج ، با تشکیل کاتیون سیکلوپروپن که کوچکترین مولکول آروماتیک می‌باشد، مطابقت دارد.

ترکیبهای آروماتیک ، هتروآروماتیک و انرژی رزونانس

نتایج تجربی حاصل از واکنشهای هیدروژن دار شدن هیدروکربنهای جوش خورده دو حلقه‌ای و سه حلقه‌ای و... نشان می‌دهد که هر چه تعداد الکترونهای بیشتری در رزونانس شرکت کرده باشند، انرزژی آزاد شده بیشتر و پایداری نسبی نیز بیشتر خواهد بود.

فنل

نامگذاری مشتقات بنزن و ترکیبات آروماتیک جوش خورده

برخی از مشتقات بنزن ، نام مخصوص به خود دارند، مثلا هیدروکسی بنزن را فنل (C₆H₅OH) ، متوکسی بنزن را آنیزول (C₆H₅OCH₃)، متیل بنزن را تولوئن (C6H5CH3) ، ایزوپروپیل بنزن را کیومن و آمینوبنزن را آنیلین می‌گویند.

برای نامگذاری خیلی از مشتقات بنزن ، نام گروه یا استخلاف به صورت پیشوند بر کلمه بنزن افزوده می‌شود. مثلا فلوئورو بنزن ، ترسیوبوتیل بنزن ، نیتروبنزن ، سیکلوپروپیل بنزن نمونه هایی از این نوع هستند. جهت نامگذاری مشتقات دو استخلافی بنزن. لازم است که محل استخلافها از پیشوند اورتو ، متا یا پارا استفاده شود؛ به عنوان مثال ، اورتو دی‌متیل بنزن ، متا دی‌متیل بنزن ، پارا دی‌متیل بنزن.

در مواردیکه دو استخلاف متفاوت روی حلقه بنزن قرار گرفته باشد و هیچکدام از گروهها نام ویژه ای به مولکول نداده باشند، پس از ذکر موقعیت گروهها با پیشوند اورتو و... ، نام گروهها را ذکر نموده ، در پایان ، کلمه بنزن بر آنها افزوده می‌شود. اگر وجود یک گروه ، نام ویژه ای به مولکول بدهد، در آن صورت مولکول به عنوان مشتق آن ترکیب ویژه محسوب می‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان

• آلکانها
• آلکنها
• آلکینها
• بنزن
• پیوند پی
• شیمی آلی
• هیدروکربنها
• هیدروکربن‌های آروماتیک چند هسته‌ای