Anneau aromatique

Hydrocarbure aromatique

Un hydrocarbure aromatique, « composé aromatique », « aromatique » ou « arène[1] », contient un système cyclique respectant la règle d'aromaticité de Hückel. Le plus souvent, les cycles sont du type du benzène avec 6 atomes de carbone formant un hexagone et six électrons délocalisés sur le cycle. La représentation de ce système est un cycle hexagonal avec trois doubles liaisons alternées avec trois liaisons simples. Les six liaisons sont d'une longueur identique et sont situées entre la simple et la double liaison.

Ce modèle a été développé par Friedrich August Kekulé von Stradonitz pour le benzène et consiste en deux formes en résonance, lesquelles correspondent aux liaisons doubles et simples changeant de positions. Une autre représentation est celle de la liaison π au-dessus ou sous l'anneau. Ce modèle représente plus correctement la position de la densité d'électron dans l'anneau aromatique.

Si le cycle contient un atome autre que du carbone, on parle d'hétérocycle aromatique. Les hydrocarbures possédant au moins 10 atomes de carbone ont pour propriété un haut indice d'octane.

En tant qu'hydrocarbures insaturés (présence de doubles liaisons), ils se prêtent facilement à des transformations diverses (par réactions chimiques interposées) donnant naissance à des espèces chimiques nouvelles, surtout dans le domaine des matières plastiques.

Sommaire

Définition théorique

Un hydrocarbure est dit aromatique quand il satisfait aux conditions suivantes :

  1. présence d'un composé cyclique avec des liaisons π conjuguées ;
  2. chaque atome du cycle comporte une orbitale p ;
  3. orbitales p se recouvrent, la molécule étant plane au niveau de ce composé cyclique ;
  4. la délocalisation des électrons π entraîne une diminution de l'énergie.

Si les trois premiers critères sont satisfaits, mais que la délocalisation entraînerait une augmentation de l'énergie, l'hydrocarbure est dit antiaromatique.

En pratique, le 4e critère est traduit par la règle de Hückel : la délocalisation entraîne une diminution de l'énergie de la molécule (et donc, une stabilisation de cette dernière) si le nombre d'électrons π est égal à 4n+2 , où n est un entier positif ou nul. À l'inverse, les composés antiaromatiques (lorsque la délocalisation des électrons entraîne une augmentation de l'énergie, et donc une perte de stabilité) possèdent 4n électrons π. Cette règle est valable pour les composés relativement simples, possédant au plus quelques cycles, au-delà, il faudra avoir recours à d'autres méthodes, semi-empiriques ou faisant appel à la mécanique quantique.

En présence d'un composé cyclique avec des liaisons π conjuguées dont la délocalisation des électrons π entraîne une énergie similaire, on est en présence d'un hydrocarbure non-aromatique, soit aliphatique.

Le plus simple des hydrocarbures aromatiques est le benzène C6H6.

Énergie de stabilisation

Nom Energie de stabilisation
Benzène 37,9
Furane 16
Pyrrole 16
Thiophène 17
Pyridine 2,26
Naphtalène 71
Indole 48
Quinoléine 55
Anthracène 104
Carbazole 83
Acridine 107

Familles d'aromatiques

Les composés du benzène

Les hétérocycles aromatiques

Les hétérocycles sont une classe de composés dans lesquels un atome ou plus d'un composé cyclique est remplacé par un atome hétérogène comme l'oxygène, l'azote, le phosphore, le soufre, etc. Les hétérocycles les plus courants contiennent de l'azote ou de l'oxygène. Voici quelques exemples d'hétérocycles aromatiques:

Les aromatiques polycycliques

Dans les alkylbenzènes, on a le toluène [C6H5-CH3]. Quelques arènes importants sont appelés HAP, hydrocarbure aromatique polycyclique (PAH en anglais). Ils sont composés de 4 à 7 cycles. Un HAP connu est le benzopyrène, il est très cancérigène. Ils forment une vaste famille de composés aux propriétés similaires.

Les HAPs existent à l'état naturel dans le pétrole brut : les hydrocarbures pétrogéniques. Ils se caractérisent par une forte proportion d'hydrocarbures aromatiques ramifiés, c'est-à-dire, substitués par des groupements alkyles. La pyrolyse et la combustion incomplète de matières organiques, comme l’incinération des déchets, la combustion du bois, du charbon, le fonctionnement des moteurs à essence ou des moteurs diesels produisent aussi des HAPs : les hydrocarbures pyrogéniques. La combustion des cigarettes produit des HAPs et contribue à la présence d'HAPs dans le milieu intérieur. Ces HAPs, liés à l'activité humaine, sont peu ramifiés et ce sont surtout eux qui sont présents dans notre environnement, généralement sous forme de mélanges plus ou moins complexes.

La présence de HAPs dans l'environnement est préoccupante, essentiellement à cause de leurs propriétés cancérigènes. C'est le cas tout particulièrement le cas du benzopyrène, du benzoanthracène, du benzofluoranthène, de l'indéno pyrène et du benzopérylène.

La plupart des HAPs sont assez résistants à la biodégradation. Cette dégradation se fait dans les couches superficielles du sol, grâce notamment à l'action de certaines bactéries. La majorité des HAPs présents dans les eaux de surface ont une origine atmosphérique et, pour la plupart, sont adsorbés sur les sédiments.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques pourraient être présents dans les poussières interstellaires. Ces molécules sont très résistantes aux conditions hostiles existant dans le milieu interstellaire et présentent des spectres en accord avec les raies observées dans les poussières interstellaires, notamment aux longueurs d'onde de 6,2, 7,7, 8,3, 11,3 et 12,8 µm. Formées d'une vingtaine à quelques centaines d'atomes, ces molécules nettement plus grandes que les autres molécules détectées dans le milieu interstellaire.

En 1994, Moreels proposa la présence de phénanthrène dans la comète de Halley pour expliquer la raie à 3,28 µm, raie aussi observée dans plusieurs autres comètes (Bockelée-Morvan et al., 1995).

D'après Achim Tappe (Centre d'Astophysique de Harvard) les HAPs peuvent survivre à l'explosion d'une supernova, soit à environ 8 millions de dégrés Celsius.

Notes

  1. Définition IUPAC : Gold Book Link

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