Ароматическими углеводородами (аренами) называются соединения карбоциклического ряда, молекулы которых содержат устойчивую циклическую группировку - бензольное кольцо (ядро), которое проявляет особые физические и химические свойства. К аренам относится самый простой представитель бензол (бензен) $C_6H_6$, его гомологи и производные (галогенопроизводные, сульфо-, нитро- т.д.) и соединения с несколькими бензольными ядрами (нафталин, антрацен, трифенилметан т.д.).
Арены
Бензол был первым арененом, с которым познакомилась человек. Брутто-формула бензола $C_6H_6$, определена М. Фарадеем 1825 после выделения этого вещества из светильного газа (продукта пиролиза китового жира). Э. Мичерлих 1853 присвоил ему название "бензин" (от бензойной кислоты, из которой он был добыт при нагревании), но Ю. Либих дал ему современное название - бензол (от нем. ol - масло). Со временем количество соединений, которые были по составу и химическим свойствам подобные бензолу, неуклонно росло. Большинство таких соединений имели приятный аромат, что дало основание А. Кскуле (1860 г.) назвать их "ароматическими".
Установление строения бензола. Формула Кекуле
Большая роль в установлении строения бензола принадлежит А. Кекулсу, который 1865 предложил для него формулу шестичленного цикла с тремя двойными связями. Но такая формула не объясняла, почему не существует двух изомеров, например 1,2-диметилбснзола с различным положением метильных групп по двойной связи, если исходить из предложенной структуры с изолированными двойными связями. Как установил В. Кернер, такие 1,2-дизамещенные гомологи бензола представляют собой одно соединение, что опровергает мнение о конкретной локализации двойной связи:
Рисунок 1.
Для объяснения отсутствия фиксированных ненасыщенных связей в молекуле бензола Кекуле 1872 выдвинул идею об осцилляции, или переходе, двойных связей. Такое объяснение указывает на равноценность атомов углерода в молекуле бензола, поскольку каждый из них соединен со смежными атомами углерода простым и двойным связями, быстро меняются местами (осциллируют).
Несимметричные 1,2-дизамещенные производные бензола, согласно формуле Кекуле, должны были существовать в виде двух различных изомеров - I и II:
Рисунок 2.
Реально, однако, всегда существует лишь один орто-изомер. Для того чтобы устранить это несоответствие, Кекуле предположил, что двойные связи в 1,3,5-циклогексатриене непрерывно перемещаются, и оба изомера быстро превращаются друг в друга (теория «осцилляции валентности»):
Рисунок 3.
Идея Кекуле об осцилляции ненасыщенных связей в свое время была подтверждена результатами озонирования 1,2-диметилбензола (о ксилола):
Рисунок 4.
Например, изомер А должен образовывать глиоксаль и диацетил в соотношении 2: 1, а изомер Б - глиоксаль и метилглиоксаля в соотношении 1: 2. Реально при озонировании 1,2-диметилбензолу образовывались все три продукта с соотношением метилглиоксаля: глиоксаль: диацетил 3: 2: 1, что бы свидетельствовало в пользу существования в исходной смеси равных количеств структур А и Б. Как выяснилось позже, структур бензола типа А и Б не существует, а результаты озонирования 1,2-диметилбензола свидетельствуют лишь о равноценности всех шести атомов углерода в бензольном ядре.
Другие формулы бензола
Кроме структур Кекуле для бензола были предложены несколько десятков формул, из которых заслуживает внимания: структура Д.Дюара, призматические А. Ладенбурга, диагональная А. Клауса, центристская Г. Армстронга - А. Байера, бензваленовая Е.Хюккеля;
Рисунок 5.
Следует отметить, что за последние годы соединения типа структур Дьюара, Ладенбурга, Хюккеля синтезированные в действительности в виде валентных изомеров бензола. Так, при УФ-облучении бензола в зависимости от длины волны образуются бензвален (структура Хюккеля) или бицикло[2.2.0]-гсксадиен-2,5 (структура Дьюара), которая при дальнейшем облучении превращается в призман (структура Ладенбурга):
Рисунок 6.
Приведенные валентные изомеры бензола отличаются друг от друга количеством $\pi$-связей и их расположением, не имеют плоского строения, неустойчивы при нагревании легко изомеризуются к исходному бензолу.
Из доэлектронных представлений о строении бензола ближайшее к современному объяснению был И.Тиле (1899 г.). Он использовал для этого теорию "частичных" валентностей. Согласно этой теории в ненасыщенных соединениях каждый атом углерода имеет частичную свободную валентность И в бензольном ядре они "уходят" у одинарной связи друг с другом, что выравнивает разницу между простыми и двойными связями.
Последующее изучение бензола
В конце XIX - начале XX века появились многочисленные научные работы по химии ароматических соединений. Однако невыясненным остался главный вопрос - о взаимосвязи строения бензола и его химических свойств. Несмотря на существование трех двойных связей, в отличие от алкенов, бензол трудно вступает в реакции присоединения и лучше в реакции замещения. Так, бензол не присоединяет галогенов, кроме хлора, воду, серную кислоту. Он устойчив к воздействию окислителей, и не обесцвечивает раствор $KMnO_4$. Бензол проявляет большую термическую устойчивость, чем алифатические триены, и выдерживает нагрев до 900$^\circ$ С. Кроме того, существование бензольного кольца в молекуле существеннее, чем алкильные или алкенильных остатки, влияет на другие функциональные группы. Например, под влиянием бензольного ядра фенолы проявляют большую кислотность, чем алифатические спирты, а ароматические амины -слабые основы сравнению с алифатическими аминами. Объяснение этих и других фактов стало возможным только после того, как была установлено строение бензола с привлечением квантово-механических подходов.
