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Als Aromaten bezeichnet man eine Klasse von zyklischen Verbindungen in der organischen Chemie. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften stark von den restlichen organischen Verbindungen, den Aliphaten. Charakteristisch für Aromaten sind delokalisierte Doppelbindungen in einer zyklischen Kohlenwasserstoff Verbindung. Der bekannteste Aromat ist das Benzol (IUPAC: Benzen). Es besteht aus sechs Kohlenstoffatomen die in einem Kreis (zyklisch) miteinander verbunden sind. An jedes C-Atom ist jeweils ein Wasserstoffatom gebunden.

Aufgrund der Vierbindigkeit von Kohlenstoff kann diese Verbindung nur existieren, wenn zwischen den Kohlenstoffatomen alternierend Einfach- und Doppelbindungen vorkommen. Diese Vorhersage lässt zwei Zustände zu:

Abb. 1: Links: Benzolring; Rechts: Theoretisch mögliche Anordnung der Doppelbindungen in einem Benzol Molekül

Tatsächlich existiert Benzol weder in der einen noch in der anderen Konformation. Die Elektronen der Doppelbindung liegen in einer Elektronenwolke die keine eindeutige Bestimmung bezüglich der Lokalität der Doppelbindungen zulässt. Man sagt auch, die Doppelbindungen sind delokalisiert. Die mittlere Bindungslänge zwischen zwei Kohlenstoffatomen in einem Aromatenring beträgt 0,139 nm und liegt damit zwischen der Länge einer Einfach- und einer Doppelbindung beim Kohlenstoff. Die Anordnung von kovalent gebundenen Kohlenstoffatomen zu einem Aromatenring ergibt gewöhnlich ein sehr günstiges Energieniveau und gibt so den Aromaten reaktionsträge Eigenschaften.

Aromatische Kohlenwasserstoffe

Aromatische Kohlenwasserstoffe, oder auch Arene genannt, sind Aromaten die nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen aufgebaut sind. Fügt man einen Methylrest an einen Benzolring ergibt sich Toloul (IUPAC: Methylbenzen).

Abb. 2: Chemische Struktur von Toluol

Fügt man zwei Methylreste an einen Benzolring, ergibt sich Xylol (IUPAC: Dimethylbenzen). Die Methylreste können in drei verschiedenen Konformationen an den Benzolring gebunden werden. Para-Xylol (die Methylgruppen stehen sich gegenüber), Meta-Xylol (zwischen den beiden C-Atomen, an die die Methylreste gebunden sind, liegt ein weiteres C-Atom) und Ortho-Xylol (die beiden Methylgruppen sind an direkt benachbarte Kohlenstoffatome gebunden). Benzol, Toloul und Xylol werde oft auch als BTX-Aromaten bezeichnet. Man fasst sie zusammen weil sie die technisch bedeutendsten Aromaten sind.

Substituiert man an einen Benzolring eine Carboxylgruppe ergibt sich Benzoesäure (IUPAC: Carboxybenzen). Benzoesäure ist nur ein Beispiel für viele Derivate des Benzols, die man durch Substitution erreichen kann. Aromaten neigen generell eher zu Substitutionsreaktionen als zu Additionsrektionen.

Abb. 3: Benzoesäure; Links: Strukturformel; Rechts: Raumfüllendes Kugelmodell

Polyzyklische bzw. mehrkernige Aromaten

Benzol ist ein so genannter einkerniger Aromat. Besteht ein Aromat aus zwei oder mehr Ringen spricht man von mehrkernigen bzw. polyzyklischen Aromaten. Ein einfacher mehrkerniger Aromat ist das Naphthalin.

Abb. 4: Naphthalin

Im Gegensatz zu Benzol besitzt Naphthalin nicht drei, sonder fünf delokalisierte Doppelbindungen. Dabei ist zu beachten, dass sich die Delokalisierung über das ganze Molekül streckt. Anthracen ist ein Beispiel für einen dreikernigen Aromaten, der gegenüber dem Naphthalin noch einen weiteren fünfer Ring besitzt. In dem dreikernigen System befinden sich sieben delokalisierte Doppelbindungen.

Naphthalin und Anthracen sind Mehrkernige Aromaten, in denen sich zwei Ringe jeweils eine Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindung teilen. Man sagt die Ringe sind kondensiert oder anneliert. Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, dass die Ringe getrennt voneinander liegen (isoliert). Das Diphenyl (auch Biphenyl) trennt seine Ringe durch eine Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindung (Ring-Ring System).

Abb. 5: Diphenyl; Links: 3D Ansicht in der die Elektronenwolken gut zu erkennen sind; Rechts: Strukturformel von Diphenyl

Fügt man einen weiteren Penylrest an das Diphenyl erhält man eine dreikernige aromatische Verbindung mit dem Name 1,3-Triphenyl. Das Präfix 1,3 steht dabei für die Nummern der beiden C-Atome, an denen die Phenylreste gebunden sind.
Sind die Ringe über Ketten von einem oder mehreren Atomen verbunden spricht man von einem Ring-Kette-Ring System. Sind zum Beispiel zwei der vier Wasserstoffatome des Methans durch Penylreste substituiert (ersetzt) ergeben sich zwei Benzolringe die über ein Kohlenstoff Atom verbunden sind. Die Namensgebung erfolg jedoch nach der Ansticht, dass es sich um ein Methanmolekül mit zwei Penylresten als Substituenten handelt. Dies führt zu der Bezeichnung Diphenylmethan.

Bei den bis jetzt betrachteten Ringsystemen handelte es sich ausschließlich um identische Ringsysteme. Das heißt, dass alle Ringe aus der gleichen Anzahl von Kohlenstoffatomen bestehen. Ist dies nicht der Fall, spricht man von nichtidentischen Ringsystemen. Ein einfaches Beispiel für eine nichtidentisches Ringsystem ist das Inden. Es besteht aus einem sechser und einem fünfer Ring und besitzt somit vier delokalisierte Doppelbindungen. Ein weiteres zweikerniges nichtidentisches Ringsystem stellt das Azulen dar. Es besteht aus einem siebener und einem fünfer Ring mit fünf delokalisierten Doppelbindungen.

Abb. 6: Beispiel für ein zweikerniges, nichtidentisches, aromatisches Ringsystem: Azulen

Schließlich ist Fluoren noch als Beispiel für ein dreikerniges nichtidentisches Ringsystem zu nennen. Es besteht aus zwei sechser Ringen und einem fünfer Ring (der sich zwischen den beiden sechser Ringen befindet). Dies führt zu sechs delokalisierten Doppelbindungen.

Abb. 7: Strukturmodell von Fluoren

Heterozyklische Aromaten

Die oben genannten Kategorien für aromatische Verbindungen lassen bereits eine große Vielfalt an verschieden Verbindungen zu. Dies ist jedoch noch nicht alles. Bis jetzt haben wir nur aromatische Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff betrachtet, die so genannten carbozyklischen Aromaten. Berücksichtigt man, dass eine oder mehrere Ring-Kohlenstoffatome durch Fremdatome (Heteroatome) ersetzt sein können, ergibt sich eine sehr große Zahl an verschiedenen Aromatenverbindungen. Befindet sich in einem Aromaten ein Ring mit einem Fremdatom, wird er als heterozyklisch bezeichnet. Die wichtigsten Heteroatome sind Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Schwefel (S) und Phosphor (P).
Ersetzt man eines der Kohlenstoffatome von Benzol durch Stickstoff ergibt sich eine heterozyklische Verbindung mit der Bezeichnung Pyridin.

Abb. 8: Verschiedene Darstellungen des Pyridinrings

Pyridin hat drei delokalisierte Doppelbindungen. Bindet an den Stickstoff ein Wasserstoffatom ergibt dies Pyrrol mit nur zwei Doppelbindungen.

Abb. 9: Verschiedene Darstellungen des Pyrrolrings

Furan und Thiophen sind jeweils Beispiele für fünfer Heterozyklen mit einem Fremdatom. Bei Furan ist es Sauerstoff bei Thiophen Schwefel. Kommen zwei oder mehr Heteroatome in einem Aromaten vor, kann die Bezeichnung des Stoffes von der Positionierung im Ring abhängen. Für das Ersetzen von zwei Kohlenstoffatomen durch zwei Stickstoffatome in einem Benzolring ergeben sich drei verschiedene heterozyklische Aromaten: Pyrazin (Stickstoffatome stehen sich gegenüber), Pyrimidin (zwischen den beiden Stickstoffatomen liegt ein Kohlenstoffatom) und Pyridazin (die beiden Stickstoffatome liegen nebeneinander).

Abb. 10: Von links nach rechts: Pyrazin, Pyrimidin und Pyridazin