#Hemija

Lekcija: Aromatični ugljovodonici - benzen

U vreme kada se davalo ime ovoj grupi jedinjenja, sva do tada poznata imala su aromu (miris). Danas se zna da ovde pripadaju i jedinjenja koja miris nemaju. Drugi naziv za aromatične ugljovodonike je areni.

Prvo aromatično jedinjenje i ujedno najjednostavnije - benzen - otkrio je Majkl Faradej 1825.

Majkl

Majkl Faradej (1791-1867) bio je engleski fizičar i hemičar. Bio je zaslužan za mnoga otkrića u ove dve nauke (na primer Faradejev kavez).

Tek 40 godina kasnije, dakle 1865, hemijsku formulu benzena predložio je Fridrih Kekule. Od ranije je bila poznata molekulska formula benzena, po kojoj ovaj molekul u sebi sadrži šest atoma ugljenika i isti broj atoma vodonika. Međutim, vodeći se svojom pretpostavkom da je ugljenik u svim organskim jedinjenjima četvorovalentan, Kekule nikako nije mogao da napiše strukturu benzena linearno, a da mu ne preostane jedan atom vodonika viška. Kekule je kasnije zapisao da je na ideju ciklične strukture došao nakon jednog sna u kome je sanjao zmiju koja grize svoj rep.

jede rep

Na osnovu ovoga, on je dao strukturu benzena sa šestočlanim ugljenikovim prstenom.

Kekule-von-Stradonitz (Small)

Fridrih Kekule (1829-1896) je bio nemački hemičar koji je dao veliki doprinos organskoj hemiji.

Najjednostavniji aromatični ugljovodnik je benzen. On sadrži šest ugljenikovih i šest vodonikovih atoma povezanih u šestočlani prsten, tako da su svi atomi u istoj ravni. Pošto je ugljenik četvorovalentan, struktura benzena se prikazuje sa naizmeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama između atoma ugljenika:

desno

Međutim, ova formula može da se napiše i drugačije:

levo

Pošto su obe ove strukture jednako verovatne, jednostavnije i tačnije je da hemijsku formulu predstavimo sa kružnicom unutar šestougla i to se zove benzenov prsten:

benzenepicture2

U literaturi ćemo pronaći različite predstave ove hemijske formule, a i predstavljanje modelima može biti različito:

modeli benzene

Kada su prisutne dvostruke i trostruke veze u ugljovodoniku, mogu se dokazati upotrebom broma ili kalijum-permanganata i u oba slučaja će doći do obezbojavanja. Benzen ima dvostruke veze, ali do reakcije sa ove dve supstance neće doći. To pokazuje i sledeći ogled koji upoređuje svojstva benzena i cikloheksena.

Benzen reaguje sa bromom tek u prisustvu opiljaka gvožđa (koji su u ovom slučaju katlizator).

benzen i Br

Pošto imamo dva proizvoda, u pitanju je reakcija supstitucije.

Supstitucija je karakteristična za zasićene ugljovodonike. Supstitucijom u molekulu heksana mogu se dobiti tri različita proizvoda:

tri_ishoda

Dok se supstitucijom u molekulu benzena uvek dobija isti proizvod. To dokazuje da su svi atomi ugljenika i vodonika u molekulu benzena povezani na isti način.

react3

Prilikom uspostavljanja kovalentne veze, obrazuju se zajednički elektronski parovi. U molekulu benzena šest elektrona iz dvostrukih veza pripada svim atomima ugljenika (zato se veze između ugljenikovih atoma i predstavljaju kružnicom).

BenzeneHOMO1

Na modelu je plavim i crvenim obeležen elektronski omotač pomenutih šest elektrona. Ovih šest elektrona dodatno (pored jednostrukih veza) povezuje svih šest atoma ugljenika. Dvostruke veze su jače od jednostrukih, tako da je ovaj molekul veoma stabilan. To je razlog zašto benzen podleže reakciji supstitucije (a ne adicije poput drugih nezasićenih ugljovodonika).

Tek pri posebnim uslovima benzen učestvuje i u nekim reakcijama adicije:

dobijanje cikloheksana

Stabilnost molekula benzena može se pokazati sagorevanjem benzena. Kada gori na vazduhu, uočava se čađavi plamen jer se zbog teškog raskidanja veza između ugljenikovih atoma oslobađa velika količina čađi.

To se može prikazati jednačinom (izdvojeni ugljenik je, u stvari, čađ):

chadjavi plamen

Potpuno sagorevanje dešava se u čistom kiseoniku:

potpuno sagorevanje

Pogledajte sledeći ogled koji prikazuje ispitivanje rastvorljivosti biljnog ulja najpre u vodi, a onda i u benzenu. Potom odgovorite na pitanja koja testiraju nova znanja koja ste stekli, ali i neka stara.

Šta je u ovom slučaju rastvarač - benzen ili biljno ulje i zašto?
Koji je tip hemijske veze između atoma u molekulu benzena?
Kada bismo pomešali vodu i benzen da li bi došlo do rastvaranja?
Koja od prikazane tri supstance ima najveću gustinu?
Kakvu smešu čine voda i biljno ulje?
Kako bismo razdvojili smešu biljnog ulja i vode?

Prirodni izvori benzena su šumski požari i erupcije vulkana.

kaovulkan

Benzena ima i u duvanskom dimu, a oslobađa se i prilikom prženja mesa.

Aromatična jedinjenja su ona koja kao funkcionalnu grupu imaju benzenov prsten. Benzenovih prstenova može biti jedan ili više. Za prsten(ove) mogu biti povezani razni atomi ili atomske grupe umesto vodonikovih atoma.

Drugi član homologog niza aromatičnih ugljovodnika je metilbenzen (zove se još i toluen):

toluen

Početkom XX veka benzen se koristio kao rastvarač u industriji, ali i kao losion posle brijanja i sastojak kafe bez kofeina. Kasnije se utvrdilo da je štetan po zdravlje i da dugotrajno izlaganje benzenu može dovesti do leukemije. Zato se benzen u upotrebi zamenio toluenom koji ima slična svojstva, ali je manje štetan po zdravlje.

Benzen se i danas koristi za dobijanje važnih supstanci poput lekova, eksploziva, pesticida, deterdženata...

Aromatični ugljovodonici na sobnoj temperaturi su tečni ili čvrsti, ali neki od njih (poput benzena, toluena i ksilena) se oslobađaju u vazduh kao deo izduvnih gasova iz automobila. Pošto su otrovni (kao i većina aromatičnih ugljovodonika), prilikom određivanja stepena zagađenja vazduha, obavezno se proverava i količina ovih supstanci.

xylene

Na slici su tri ksilena (dimetilbenzena).

Primer jedinjenja koje ima dva benzenova prstena je naftalen (u narodu poznat kao naftalin). Koristio se kao sredstvo protiv moljaca.

Naphthalene