Gli idrocarburi aromatici sono una importante classe di composti organici ciclici che hanno il loro principale esponente, spesso alla base delle altre molecole della categoria, nel benzene.
Il benzene è un idrocarburo ciclico con formula chimicha C6H6. Nonostante all’apparenza abbia la formula del composto ipotetico cicloesatriene, cioè una molecola ciclica con tre doppi legami, risulta essere molto più stabile. Il motivo è che i doppi legami, che ricordiamo essere delle condivisioni di elettroni tra due atomi, sono come distribuiti tra tutti e sei i legami tra gli atomi di carbonio. Questo rende la molecola stabile e con legami tutti lunghi uguali, a metà strada tra un singolo e un doppio legame.
La struttura si può disegnare con due forme limite di risonanza equivalenti, in realtà nessuna rappresentante davvero la situazione della molecola:
Infatti, spesso il benzene è rappresentato così, per dare meglio l’idea della distribuzione dei doppi legami (il primo a intuirlo fu il chimico Kekulé, basandosi su ricerche di Laurent):
Il termine “aromatico”, inizialmente dato per via dell’odore intenso del benzene e di altre molecole simili, è stato mantenuto ma gli è stato dato un significato particolare, e si estende non solo agli idrocarburi, ma a qualsiasi composto con determinate caratteristiche. Affinché un composto ciclico (non necessariamente un idrocarburo, può avere anche altri atomi oltre a C e H) possa dirsi aromatico deve soddisfare queste condizioni (regola di Hückel):
- Avere struttura planare
- Avere tutti gli atomi di carbonio ibridati sp2
- Avere un numero di elettroni π delocalizzati pari a 4n + 2, con n intero ≥0
Composti aromatici sono ad esempio anelli alla base di molecole biologiche, come pirimidina, piridina (DNA), imidazolo (proteine) e pirrolo (vitamina B12 ed emoglobina). Altri sono potenti solventi utilizzati in applicazioni industriali.
Proprietà fisiche
Gli idrocarburi aromatici si distinguono per una stabilità molto maggiore rispetto agli ipotetici composti corrispondenti non aromatici (ad esempio il teorico cicloesatriene per il benzene). Per questo hanno punti di ebollizione (e di fusione) un po’ più alti rispetto a quanto ci si aspetterebbe osservando solo la formula bruta.
Proprietà chimiche
Come già accennato, gli idrocarburi aromatici (e in genere i composti con caratteristiche di aromaticità) hanno una certa stabilità, per cui le reazioni principali a cui sono soggetti non sono quelle di addizione (come per alcheni e alchini), ma quelle di sostituzione (come negli alcani), che fanno in modo che i tre doppi legami (ricordiamolo, delocalizzati) rimangano tali.
Tra le reazioni più comuni, che per comodità e importanza vedremo sul benzene, ricordiamo:
- Sostituzione elettrofila: il benzene, come gli alcani, può andare incontro alla sostituzione di uno o più idrogeni con alogeni e numerosi gruppi funzionali.
- Idrogenazione: se sottoposto ad alte temperature e pressione elevata, e con il nickel come catalizzatore, i doppi legami possono essere rotti e si può ottenere cicloesano e relativi derivati. A differenza degli alcheni, l’idrogenazione dei composti aromatici richiede molta energia:
