5) Aromatické uhlovodíky – areny

a) vysvětlení struktury benzenového jádra, homologická řada arenů

Areny jsou cyklické uhlovodíky formálně s konjugovaným systémem dvojných vazeb. Ve skutečnosti ovšem dochází v rovinných molekulách arenů k delokalizaci -elektronů z těchto vazeb a vytvoření -elektronového sextetu (v případě šestičetného kruhu) – elektronová hustota je rovnoměrně rozmístěna v prstenci nad a pod rovinou, tvořenou cyklem uhlíkových atomů. Tato delokalizace, při níž zaniká charakter dvojných vazeb (nenasycenost sloučenin), je příčinou specifických chemických vlastností aromatických sloučenin (tzv. aromatický charakter).
Delokalizací elektronů vzniká molekula, která je energeticky chudší než molekula s konjugovaným systémem vazeb, je tedy i stabilnější. Popsaný energetický rozdíl se nazývá delokalizační energie, např. u benzenu činí 151 kJ/mol (ve srovnání s teoretickým 1,3,5-cyklohexatrienem)
Délky vazeb mezi kterýmikoli dvěma sousedními C atomy jsou v molekulách benzenu stejné a činí 139 pm, což je méně než u jednoduché vazby C–C (154 pm), ale více než u dvojné vazby C=C (134 pm)

Vzorec benzenu může být zapisován dvěma způsoby – obvykle jako šestiúhelník uhlíkových atomů se třemi dvojnými vazbami v konjugovaných polohách – tzv. Kekuleho vzorec (viz obr. dvou mezních rezonančních struktur) – který ovšem nevyjadřuje skutečnou strukturu molekuly. Druhou možností je zjednodušené zobrazení aromatického cyklu pomocí kružnice, vepsané do šestiúhelníku, která znázorňuje -elektronový sextet.
Důkazem odlišné stavby molekuly aromatických sloučenin jsou jejich odlišné chemické vlastnosti oproti nenasyceným sloučeninám: např. benzen nepodléhá oxidaci roztokem manganistanu draselného ani adici bromu (neodbarví se bromová voda).
Mezi aromatické sloučeniny patří vedle benzenu i některé další uhlovodíky, u nichž se potom projevuje aromatický charakter. Obecně jde o cyklické sloučeniny s rovinnou molekulou a počtem -elektronů v kruhu 4n+2 (n=0,1,…)
Aromatické uhlovodíky s více jádry, jejichž kruhy mají společnou dvojici C atomů (např. naftalen, anthracen, fenanthren) se nazývají kondenzované.
Homologická řada arenů obecného vzorce CnH2n-6 – areny odvozené od benzenu (dále toluen, ethylbenzen, xyleny, atd. – splňují daný vzorec). Obdobně lze popsat homologické řady od dalších arenů.
Fyzikální vlastnosti arenů : benzen a jeho homology (toluen, xylen) jsou kapaliny, vícejaderné kondenzované areny jsou pevné látky. Areny jsou látky nepolární, jsou tedy nerozpustné ve vodě a rozpustné v polárních rozpouštědlech, naopak často jsou samy výbornými nepolárními rozpouštědly. Hoří čadivým plamenem, většinou jsou jedovaté, karcinogenní.

b) chemické vlastnosti arenů, reakce arenů – halogenace, alkylace, acylace, sulfonace, nitrace,…

I) elektrofilní (aromatická) substituce SE
Je to charakteristická reakce pro areny
Má velký význam v organické syntéze – vznikají tak aromatické deriváty, hlavně nitrosloučeniny a sulfonové kyseliny

Mechanismus : - elektrofilní částice E+ je přitahována působením elektrostatických sil k -elektronům aromatického kruhu molekuly arenu a vzniká tzv. -komplex
- elektrofilní částice se orientuje na konkrétní uhlíkový atom cyklu, vzniká zde vazba, dočasně zaniká aromatický charakter molekuly, vzniká tzv. -komplex
- vodíkový atom, vázaný doposud na uhlíkovém atomu cyklu je následně odštěpen působením báze, samozřejmě jako proton, zbylý elektron vykompenzuje kladný náboj molekuly – aromatický charakter se tedy obnoví (sextet -elektronů), původní elektrofilní částice je nyní vázána na cyklus -vazbou

Příklady :
1) nitrace – zavedení skupiny –NO2
Činidlo : tzv. nitrační směs – HNO3 a H2SO4 , jako katalyzátor působí H2SO4
Vlastním nitračním činidlem je nitroniový kation NO2+, který má jako každý kation elektrofilní charakter a vzniká reakcí obou kyselin v nitrační směsi
HNO3 + H2SO4  NO2+ + HSO4- + H2O

2) sulfonace – zavedení skupiny –SO3H
Činidlo : konc. H2SO4, také oleum nebo SO3
Reakce, včetně působení činidla zároveň jako katalyzátoru, je obdobná jako nitrace. Elektrofilem je zde sulfoniový kation SO3H+
2 H2SO4  SO3H+ + HSO4- + H2O

3) halogenace
Nejčastěji chlorace, bromace, naopak fluorace se prakticky neuskutečňuje
Činidlo : Cl2, Br2, I2
Katalyzátory : Lewisovské kyseliny (FeCl3, FeBr3), funkce spočívá v heterolytickém štěpení vazby v molekule halogenu působením uvedených látek za vzniku komplexní sloučeniny a halogenidového kationtu, který následně reaguje s arenem jako elektrofilní činidlo