Idrocarburi aromatici: struttura del benzene, aromaticità e regola di Hückel, nomenclatura, sostituzione elettrofila aromatica (nitrazione, solfonazione, alchilazione), effetti orto/meta/para dei sostituenti

Struttura e aromaticità

Il benzene ($C_6H_6$) ha sei carboni ibridati $sp^2$ e una nuvola $\pi$ delocalizzata sopra e sotto l’anello. La delocalizzazione rende la molecola particolarmente stabile. Secondo la regola di Hückel, un sistema ciclico è aromatico se possiede $N_{\pi}=4n+2$ elettroni $\pi$, con $n$ intero non negativo; nel benzene $N_{\pi}=6$ con $n=1$.

Nomenclatura e orientamento

Con un solo sostituente si usa il nome del sostituente seguito da “benzene”: il metilbenzene è il toluene. Rispetto alla posizione 1, le posizioni 1,2 sono orto, 1,3 meta e 1,4 para. I sostituenti attivanti ($-CH_3$, $-OH$, $-NH_2$) orientano orto/para; quelli disattivanti ($-NO_2$, $-COOH$) orientano meta.

Sostituzione elettrofila aromatica

Il benzene preferisce la sostituzione elettrofila aromatica (SEAr) perché conserva l’aromaticità. Dopo la formazione dell’elettrofilo $E^+$, si forma un intermedio instabile; poi si perde $H^+$ e si ripristina l’anello. La nitrazione forma nitrobenzene e acqua; la solfonazione introduce $-SO_3H$; l’alchilazione introduce un gruppo alchilico. Esempi documentati:

• nitrazione con $HNO_3$ e $H_2SO_4$;
• solfonazione con $SO_3$ e $H_2SO_4$;
• alchilazione di Friedel-Crafts con $CH_3Cl$ e $AlCl_3$.