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Aromaten


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Aromaten ( aromatische Verbindungen ) sind zyklische organische Verbindungen mit einer bestimmten elektronischen Struktur. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften unterscheiden sich aufgrund dieser spezifischen Bindungsstruktur von den Aliphaten . Zur Unterscheidung zwischen Aromat und Aliphat die Aromatizitätskriterien.

Inhaltsverzeichnis

Aromatizitätskriterien

Historische Definitionen

  • Aromaten sind dem Benzol verwandte Verbindungen mit oft angenehmem aromatischem Geruch . Von diesem typischen "Duft" kommt die Aromat.
Diese Definition ist natürlich zu ungenau (da subjektiv) veraltet (da bei Aromaten mit hohem Molekulargewicht oder stark polaren Substituenten kein Geruch ist).
  • Aromaten sind mehrfach ungesättigte Verbindungen die gegenüber Addition an der Doppelbindung relativ reaktionsträge sind die stattdessen relativ leicht direkt an einer eine Substitution eingehen.
Diese Namensbestimmung die eine experimentelle Unterscheidung war z.B. im 20. Jahrhundert gültig schon die Struktur- und Bindungsverhältnisse geklärt waren. Heute in der Regel eine allgemeinere Definition über elektronische Struktur bevorzugt. Die angegebenen Eigenschaften - Substitution statt Addition - sind natürlich dennoch und sehr wichtige Merkmale.
  • Das Bindungssystem der Aromaten zeigt eine besondere die z.B. durch den Vergleich der Hydrierungsenthalpie Resonanzenergie bestimmt werden kann.
  • Die Resonanzfrequenz der Wasserstoffatome im Kernresonanzexperiment ist charakteristisch (kleine oder gar negative physikalische Eigenschaft!).

Definition der Aromaten

Notwendige aber nicht hinreichende Voraussetzungen für Aromaten:
  • Ein zyklisches Molekül d.h. es hat mindestens einen Ring in vielen Fällen ein Benzolring ist.
  • Ein vollständig über den Ring konjugiertes Doppelbindungs -System.
    Das sind entweder
    • mehrere Doppelbindungen die bei Kohlenwasserstoffen jeweils durch genau Einfachbindung getrennt sind (Im Sonderfall der Arine auch eine Dreifachbindung auftreten.) oder
    • eine oder mehrere Doppelbindungen die durch positiv oder negativ geladene oder durch Heteroatome getrennt sind.
Gleichbedeutend und kürzer lautet diese Bedingung:

Ein Aromat liegt dann vor wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

  • Das Doppelbindungssystem ist planar; in Ausnahmefällen sind Abweichungen von der Ebene gestattet.
  • Die Zahl der delokalisierten Elektronen muss der Hückel-Regel genügen d.h. im konjugierten Elektronensystem müssen oder 6 oder 10 oder 14... Elektronen
Die Hückel-Regel wird meist durch die Formel (4n + 2) π-Elektronen (n = 1 2 3...) delokalisiert über alle Ringatome Systems wiedergegeben.

Die Grundstruktur vieler aromatischer Verbindungen ist Benzol C 6 H 6 . Das Benzol wird daher als einer einfachsten aromatischen Kohlenwasserstoffe angesehen - insbesondere da die besonderen aromatischer Verbindungen am Benzol und dessen Derivaten entdeckt wurde. Benzol ist gegenüber einem hypothetischen (d.h. nicht herstellbaren) Cyclohexatrien mit lokalisierten stabiler und damit weniger reaktiv.

Da laut Hückel-Regel auch ein planares konjugiertes System mit 2π-Elektronen als Aromat gilt auch Cyclopropenium-Salze Aromaten:

Dieses Molkül ist deutlich kleiner als Benzol da hier n = 0 ist beim Benzol n = 1 ist.

Reaktionen von Aromaten

Additionsreaktionen am Aromatenkern sind nur schwer zu Überwiegend herrschen Substitutionsreaktionen vor z.B.
  • Elektrophile aromatische Substitution (z.B. Sulfonierung Nitrierung)
  • Nukleophile aromatische Substitution (selten)

Für die Zweitsubstitution am Aromaten gelten spezielle Regeln die von den vorhandenen Substituenden abhängig sind.

Einteilung der Aromaten

Kriterien

Es gibt eine gewaltige Zahl (mehrere Millionen sind bekannt) verschiedenster aromatischer Verbindungen . Sie können nach verschiedenen Kriterien in Gruppen eingeteilt werden:

  • Wie alle chemische Verbindungen bei denen zwischen organisch (enthält Kohlenstoffatome ) und anorganisch unterschieden wird können auch die Aromaten in organisch und anorganisch unterteilt werden. Ein anorganischer Aromat ist z.B. das Borazol B 3 N 3 H 6 das sich formal vom Benzol C 6 H 6 ableiten lässt indem man die Kohlenstoffatome abwechselnd durch Stickstoffatome oder Boratome ersetzt.
  • Ringsysteme die nur aus Kohlenstoffatomen bestehen nennt Carbocyclen . Benzol C 6 H 6 und Naphthalin C 10 H 8 gehören demnach zu den Carbocyclen. Heteroaromaten dagegen wie alle Heterocyclen im Ringsystem selbst andere Atome wie Stickstoff z.B. im Aromaten Pyridin C 5 H 5 N. (Pyridin leitet sich formal vom Benzol indem eine C-H -Atomgruppe durch N ersetzt
  • Carbocyclische Aromaten (=mit Kohlenstoffatom-Aromatengerüst) können in (aromatische) Kohlenwasserstoffe und substituierte Aromaten unterteilt werden (entsprechend Einteilung der organischen Verbindungen). Benzol C 6 H 6 und Toluol C 6 H 5 -CH 3 sind Kohlenwasserstoffe Phenol C 6 H 5 -OH und Trinitrotoluol TNT C 6 H 2 (NO 2 ) 3 (CH 3 ) sind daraus durch Substitution abgeleitete Verbindungen.
  • Es weitere Einteilung erfolgt nach der Zahl der aromatischen Zyklen : Die einfachste aromatische Verbindung das Benzol aus genau einem Ring . Naphthalin C 10 H 8 ist ein Bicyclus es enthält zwei Ringe.
  • Aromaten mit mehreren Ringen können eingeteilt werden solche bei denen die Ringe gemeinsame Atome haben (kondensierte oder annelierte Ringe) wie Naphthalin C 10 H 8 oder solche mit separaten (isolierten) Ringen Biphenyl C 6 H 5 -C 6 H 5 .
  • Eine weitere Einteilung kann nach der Zahl der Ringatome des aromatischen Systems erfolgen. Typisch sind Ringatome etwa beim Benzol C 6 H 6 . Um einen geschlossenen Ring zu bilden mindestens drei Atome nötig und dementsprechend existieren mit drei vier fünf - etwa beim 5 H 5 - Cyclopentadien-Anion sieben oder mehr Atomen.
  • Nach der Ladung des aromatischen Systems z.B. das Cyclopentadien-Anion einfach negativ geladen.

Beispiele aromatischer Verbindungen

Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe mit genau einem Benzolkern
Kohlenwasserstoffe mit mehreren Ringen
  • Naphthalin C 10 H 8 (2 Ringe; zwei mal Sechsring)
  • Azulen C 10 H 8 (2 Ringe; Fünf-/Siebenring )
  • Anthracen C 14 H 10 (3 Ringe)

Vom Benzol durch Substitution abgeleitete Derivate


Heteroaromaten

  • Furan C 4 H 4 O (Fünfring mit Sauerstoffatom)
  • Thiophen C 4 H 4 S (Fünfring mit Schwefelatom)
  • Pyridin C 5 H 5 N (Sechsring mit Stickstoffatom)

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