Mis on aromaatsed süsivesinikud (areenid)? Benseen, PAH ja omadused

Saa ülevaade aromaatsetest süsivesinikest (areenid): benseen, PAH, struktuur, omadused, terviseriskid ja heteroareenid. Selge ja põhjalik juhend.

Aromaatsed süsivesinikud ehk areenid on süsivesinike rõngaste ühendid. Nendes ühendites esinevad rõngas vaheldumisi kaksik‑ ja ühekordsed sidemed süsinikuaatomite vahel, moodustades stabiilse delokaliseeritud elektronpilve. Paljudel aromaatsel ühendel on terav või magus lõhn — sellest tulenebgi nimetus "aromaatne". Kuuest süsinikuaatomist koosnevat rõngast aromaatsetes ühendites nimetatakse benseeniringiks, mis on lihtsaim ja klassikaline näide — benseeni järgi nimetatuna. Aromaatsed süsivesinikud jagunevad üldiselt monotsüklilisteks (MAH) ja polütsüklilisteks (PAH).

Mõned mitte‑benseenipõhised ühendid, mida nimetatakse heteroareenideks ja mis järgivad Hückeli reeglit, on samuti aromaatsed. Nendes aatomiraamistikus on vähemalt üks süsiniku aatom asendatud teiste elementidega, näiteks hapniku, lämmastiku või väävli aatomiga — tuntud näited on furaan, püridiin ja tiofeen.

Struktuur ja aromaatsuse põhialused

Aromaatsus tuleneb elektronide delokaliseerumisest rõnga kohal — pi‑elektronid jagunevad üle kogu tsükli, mis annab ühendile tavaliselt suurema stabiilsuse kui analoogne avatud ahela ühend. Selle elektronide arv ja konjugatsioon peab vastama Hückeli reeglile (4n + 2 π‑elektroni), et rõngas oleks aromaatne. Aromaatse rõnga geomeetria on tavaliselt planaarne või peaaegu planaarne.

Füüsikalised omadused

• Enamik areene on hüdrofoobsed, lahustuvad hästi orgaanilistes lahustites, kuid mitte vees.
• Paljudel on iseloomulik, tihti terav või magus lõhn.
• Polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud (PAH) kipuvad olema tahkestaolised ja madalama lahustuvusega vees kui lihtsamad monotsüklilised areenid.

Keemilised omadused ja reaktsioonid

Aromaatilised rõngad osalevad peamiselt elektrofiilses asendamises (nt nitreerimine, sulfoneerimine, halogeenimine), kus säilib rõnga aromaatsus. Teised võimalikud reaktsioonid hõlmavad erütseeritust (hydrogenatsiooni) — täielikuks küllastumiseks peab hapnik või katalüsaator murdma aromaatse delokaliseerimise — ning erinevaid lisareaktsioone, oksüdatsiooniid ja radikaalprotsesse.

Tüübid ja näited

• Monotsüklilised areenid — benseen, toluen, ksüleenid jt (MAH).
• Polütsüklilised areenid — naftaleen, antratseen, fenantrseen ja mitmed suuremad PAH‑ühendid (näiteks benzo[a]püreeni); need koosnevad omavahel liitunud mitu aromaatset rõngast.
• Heteroareenid — püridiin, furaan, tiofeen jpt, kus on vähemalt üks mitte‑süsiniku aatom.

Tervise‑ ja keskkonnamõjud

Paljud areenid, eriti mõned PAH‑ühendid, on tuntud toksiliste ja kantserogeensete omaduste poolest (näiteks benzo[a]püreeni puhul). PAH‑e tekib ebatäiusliku põlemise tulemusel — kütuste, puidu, sigarettide, tööstusprotsesside ja liiklusheitmete kaudu. Nad on keskkonnas püsivad, võivad akumuleeruda mullas ja setetes ning sattuda toiduahelasse.

Kasutusvaldkonnad ja ohutus

Aromaatseid ühendeid kasutatakse laialdaselt keemiatööstuses: lahustitena (nt benseen, toluen), keemilisteks lähteaineteks plastide, värvainete, pestitsiidide ja ravimite tootmisel. Samas nõuavad paljud neist tugevamat kontrolli ja ohutusmeetmeid, sest paljud monomereid või kõrvalprodukte peetakse ohtlikeks.

Ohutussoovitused labori‑ ja tööstusolukorras:

• Väldi sissehingamist ja nahakontakti — kasuta sobivaid respiraatoreid, kinnast ja kaitseprille.
• Kasutada hästi ventileeritud ruume või kappe.
• Jälgida tööstuse ja keskkonnaalaseid juhiseid PAH‑ide emissiooni ja eemaldamise kohta.

Analüüs ja regulatsioon

PAH‑e ja teisi areene mõõdetakse gaasikromatograafia, mass­spektromeetria ja teiste analüütiliste meetoditega. Paljudel riikidel on norme ja piirväärtusi õhus, vees ja toidus sisalduvate PAH‑ide osas, et vähendada inimeste kokkupuute riske.

Kokkuvõtteks: aromaatsed süsivesinikud on keemiliselt eripärased ja laialt kasutatavad ühendid, mille unikaalne delokaliseeritud elektronstruktuur annab neile stabiilsuse ja iseloomuliku keemia. Samas vajavad mõned neist, eriti polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud, tähelepanu ohutuse ja keskkonnakaitse seisukohalt.

Benseeni rõngaste mudel

Benseen, C₆ H₆ , on lihtsaim aromaatne süsivesinik ja seda tunnistati esimeseks aromaatseks süsivesinikuiks, mille sidemete olemust tunnistas esimesena Kekulé 19. sajandil. Igal süsinikuaatomil on kuusnurkses tsüklis neli elektroni, mida saab jagada. Üks läheb vesiniku aatomile ja kumbki üks kahele naabersüsinikule. Seega jääb üks elektron jagamiseks ühega kahest naabersüsinikuaatomist, mistõttu benseeni molekul on joonistatud vaheldumisi üksik- ja kaksiksidemetega ümber kuusnurga.

Struktuuri on kujutatud ka ringisiseselt ringina, et näidata kuut elektroni, mis hõljuvad delokaliseeritud molekulaarorbitaalides, mis on sama suured kui ring ise. See kujutab ka kuue süsinik-süsiniku sideme ekvivalentset olemust, millest igaüks on ~1,5. Elektronid on kujutatud nii, et nad hõljuvad rõnga kohal ja all, kusjuures nende tekitatud elektromagnetilised väljad hoiavad rõngast lamedana.

Üldised omadused:

1. Näita aromaatsust.
2. Süsiniku ja vesiniku suhe on kõrge.
3. Need põlevad kõrge süsinikuvedrusisalduse tõttu tahmakas-kollase leegiga.
4. Nad läbivad asendusreaktsioone.

Aromaatsuse ringi sümboli võtsid 1925. aastal kasutusele Sir Robert Robinson ja tema õpilane James Armit ning seda populariseeriti alates 1959. aastast Morrison & Boydi orgaanilise keemia õpikus. Sümboli õige kasutamine on vaieldav; mõnes väljaandes kasutatakse seda kõikide tsükliliste pi-süsteemide kirjeldamiseks, teistes aga ainult nende pi-süsteemide kirjeldamiseks, mis järgivad Hückeli reeglit.

Benseen

Aromaatsete ühendite tüübid

Peaaegu kõik aromaatsed ühendid on süsinikuühendid, kuid need ei pea olema süsivesinikud.

Heterotsüklilised

Heterotsüklilistes aromaatides on üks või mitu aatomit aromaatses ringis muu element kui süsinik. Näidetena võib tuua püridiini, pürasiini, imidasooli, pürasooli, oksasooli ja tiofeeni.

Polütsüklilised tooted

Polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud on molekulid, millel on kaks või enam lihtsat aromaatset rõngast, mis on kokku sulandunud, jagades omavahel kaks naaberaheliku süsiniku aatomit. Näited on naftaleen, antratseen ja fenantreen.

Asendatud aromaatsed ained

Paljud keemilised ühendid on aromaatsed rõngad, millele on lisatud muid asju. Näidetena võib tuua trinitrotolueen (TNT), atsetüülsalitsüülhape (aspiriin), paratsetamool ja DNA nukleotiidid.

Nathlalene'il on kaks rõngast.

Küsimused ja vastused

K: Mis on aromaatne süsivesinik?

K: Kuidas nimetatakse aromaatsetes ühendites esinevat kuue süsinikuaatomiga rõngast?

K: Mis vahe on monotsüklilistel (MAH) ja polütsüklilistel (PAH) aromaatsetel süsivesinikel?

K: Miks nimetatakse aromaatseid süsivesinikke "aromaatseteks"?

K: Mis on heteroareenid ja mille poolest erinevad nad benseenipõhistest aromaatsetest ühenditest?

Küsimus: Milline on lihtsaim võimalik süsivesinikerõngas?

K: Millised on kaks tüüpi aromaatseid süsivesinikke?

Otsing