ALKANY. SZEREG HOMOLOGICZNY n-ALKANÓW

Z gazu ziemnego i ropy naftowej wyodrębniono wiele innych związków gazowych, ciekłych i stałych, których budowa i właściwości chemiczne podobne są do budowy i właściwości metanu. Nazywane są węglo­wodorami nasyconymi lub, zgodnie z nazewnictwem systematycznym, alkanami. Podstawowe dane fizykochemiczne, wzory oraz nazwy wybranych alkanów znajdują się w tabeli  poniżej:

Nazwa

Wzór sumaryczny

Wzór strukturalny uproszczony

Temp.

topnienia

[°C]

Temp. wrzenia [°C]

Metan

CH4

CH4

-182

-162

Etan

C2H6

CH3-CH3

-183

-89

Propan

C3H8

CH3-CH2- CH3

-187

-42

Butan

C4H10

CH3-CH2-CH2- CH3

-138

0,5

Pentan

CsH12

CH3-(CH2)3-CH3

-130

36

Heksan

C6H14

CH3- (CH2)4-CH3

-94

69

Heptan

C7H16

CH3 -(CH2)5-CH3

-90

98

Oktan

C8H18

CH3-(CH2)6 CH3

-57

125

Nonan

C9H20

CH3-(CH,)7 CH3

-54

150

Dekan

*~loH22

CH3-(CH2)8-CH3

--30

174

Undekan

CuH24

ĆH3-(CH2)9-CH3

-26

194

Dodekan

Ci2H26

CH3-(CH2)10-CH3

-10

216

Tridekan

Ci3H28

CH3-(CH2)11-CH3

-6

234

Tetradekan

^14"30

CH3-(CH2)12-CH3

6

252

Pentadekan

Cl5H32

CH3-(CH2)13 -CH3

10

270

Ejkozan

C20"42

CH3-(CH2)18-CH3

36

Triakontan

C3oH62

CH3-(CH2)28-CH3

69

Budowa i nazewnictwo n-alkanów

Przeglądając wzory sumaryczne i struktural­ne uproszczonych alkanów łatwo można dostrzec charakterystyczne cechy budowy ich cząsteczek. Szkielet cząsteczki jest łańcuchem złożonym z atomów węgla połączonych wiązaniami pojedynczymi. Każdy ze skrajnych atomów węgla jest połączony z trzema atomami wodoru, a pozostałe - tylko dwoma. Alkany o takiej budowie nazywamy alkanami normalnymi lub w skrócie n-alkanami.

Wzór ogólny n-alkanu można zapisać w postaci H(CH2)n - H. Wynika z niej ogólny wzór sumaryczny n-alkanów.

Drugą cechą łatwą do zauważenia jest fakt, że cząsteczki każdych dwóch kolejnych n-alkanów różnią się o fragment „- CH2 -”.

Grupa związków o podobnej budowie i właściwościach, których cząsteczki róż­nią się o jedną lub więcej grup - CH2 - nosi nazwę szeregu homologicznego.

Poszczególne związki należące do danego szeregu homologicznego nazywamy homologami. Przykładowo etan i propan są najbliższymi homologami metanu, ponieważ ich cząsteczki różnią się od cząsteczki metanu odpowiednio o jedną lub dwie grupy „- CH2 -”. Homologi leżące blisko siebie w szeregu mają zbli­żone właściwości fizyczne i chemiczne, przy czym różnice są tym mniejsze, im więcej atomów węgla zawierają ich cząsteczki.

W tabeli podane są nazwy n-alkanów. Są to nazwy systematyczne, za­twierdzone i zalecane przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stoso­wanej (skrót nazwy angielskiej: IUPAC). Warto podkreślić, że nazwy te oraz nazwy wszystkich innych grup związków organicznych są (pomijając drobne różnice w pisowni) jednakowe we wszystkich językach. Ułatwia to bardzo po­rozumiewanie się ze sobą chemików z różnych krajów.

Konieczność stosowania ujednoliconych nazw związków organicznych, jednoznacznie okreś­lających ich budowę została zrozumiana jeszcze w ubiegłym stuleciu. Pierwsze reguły między­narodowego nazewnictwa systematycznego (nomenklatury) związków organicznych zostały opra­cowane podczas Kongresu Chemików w Genewie w roku 1892 i. z różnymi zmianami i uzupełnie­niami, obowiązują do dziś. Poznając kolejne grupy związków organicznych poznaje się także z ich nazewnictwem systematycznym.

Nazwy n-alkanów mają wyjątkowe znaczenie, ponieważ są podstawą na­zewnictwa innych grup związków organicznych. Cztery pierwsze człony sze­regu homologicznego n-alkanów noszą nazwy zwyczajowe: metan, etan, pro­pan i butan. Nazwy dalszych homologów tworzy się dodając do rdzenia określa­jącego liczbę atomów węgla w cząsteczce (wywodzącego się z liczebników grec­kich i łacińskich) końcówkę -an, charakterystyczną dla alkanów. Na przykład węglowodór nasycony o pięciu atomach węgla w cząsteczce nosi nazwę pentan (gr. penta - pięć), o sześciu atomach węgla - heksan (gr. heksa - sześć) itd.

Przyjrzyjmy się teraz bliżej budowie cząsteczek n-alkanów. Jak wspom­niano, wszystkie wiązania w ich cząsteczkach są wiązaniami pojedynczymi. W przypadku atomu węgla związanego z czterema innymi atomami wiązaniami pojedynczymi, wiązania te skierowane są ku narożom czworościanu foremnego - mówi się wtedy o tetraedrycznym układzie wiązań lub, używając skrótu myślowego, o tetraedrycznym atomie węgla. Układ taki występuje także w czą­steczkach n-alkanów. Z punktu widzenia budowy elektronowej, wiązania pojedyncze węgiel-węgiel w cząsteczkach alkanów są dwuelektronowymi wiązaniami kowalen­cyjnymi, spolaryzowanymi tylko w znikomym stopniu lub w ogóle nie spo­laryzowanymi (np. w cząsteczce etanu).

Ważną cechą wiązania pojedynczego C-C (a także innych wiązań pojedyn­czych) jest to, że połączone nim atomy mogą obracać się względem siebie tak, jakby wiązanie było osią obrotu. Zjawisko obrotu atomów węgla wokół wiązań C-C wywiera ważny wpływ na właściwości alkanów i innych związków organicznych. Dzięki niemu cząste­czki o dłuższych łańcuchach węglowych mogą przyjmować różne kształty, po­nieważ ich łańcuch może być rozmaicie wygięty.

Właściwości fizyczne i chemiczne n-alkanów

Cztery pierwsze alkany są w warunkach normalnych gazami. Heptan, heksan i dalsze homologi aż do pentadekanu (C15H32), heksadekan i heptadekan (C16H34 i C17H36) topią się w temperaturze pokojowej, a dalsze homologi są ciałami stałymi.

Zarówno temperatury wrzenia jak i topnienia alkanów (w przypadku temperatur topnienia poczynając od pro­panu) rosną ze wzrostem liczby atomów węgla w cząsteczce, przy czym róż­nice między kolejnymi homologami są tym mniejsze, im więcej atomów węgla zawierają ich cząsteczki. Prawidłowości te, zwłaszcza dotyczące temperatur wrzenia, są obserwowane we wszystkich innych szeregach homologicznych.

Podstawowe właściwości chemiczne n-alkanów są bardzo zbliżone do właś­ciwości metanu. Podobnie jak metan, alkany są związkami biernymi chemi­cznie. Wiązania pojedyncze węgiel-węgiel i węgiel-wodór są bardzo trwałe i ulegają rozerwaniu tylko w wyniku działania bardzo reaktywnych odczyn­ników, na przykład tlenu lub fluorowców i po dostarczeniu energii niezbędnej do zapoczątkowania reakcji.

Reakcje alkanów z tlenem to przede wszystkim reakcje spalania. W obec­ności dostatecznej ilości tlenu alkany spalają się do dwutlenku węgla i wody. W przypadku niedomiaru tlenu produktami spalania są tlenek węgla lub sadza. Heksan jest związkiem łatwo palnym, natomiast zapalić olej parafinowy i parafinę jest znacznie trudniej. Przyczyną tego jest wysoka temperatura wrzenia wyższych alkanów wchodzących w skład oleju parafinowego i parafiny. Reakcja spalania zachodzi szybko tylko w fazie gazowej, czyli na przykład w mieszaninie par alkanu z powietrzem. Aby więc całkowicie spalić, na przykład parafinę, należy ją wstępnie ogrzać do odpo­wiednio wysokiej temperatury. Temu celowi służy właśnie knot świecy, dzięki któremu parafina, z której świeca jest wykonana, topi się, a następnie paruje i spala w warunkach zapewniających dobry dostęp tlenu. Mimo to spalanie parafiny zazwyczaj nie jest całkowite, co przejawia się „kopceniem" świecy.

Palność nie jest cechą charakterystyczną wyłącznie dla alkanów, ponieważ palne są prawie wszystkie związki organiczne. Spalanie alkanów ma jednak ogromne znaczenie gospodarcze - gaz ziemny oraz prawie wszystkie paliwa silnikowe są mieszaninami alkanów i innych węglowodorów.

Najważniejszą reakcją alkanów z chemicznego punktu widzenia jest pod­stawienie jednego lub kilku atomów wodoru atomami fluorowców, przede wszystkim chloru i bromu. Etan reaguje z chlorem dając chloroetan W cząsteczce etanu wszystkie atomy wodoru są równocenne - powstaje więc tylko jeden produkt monochlorowania (związek zawierający jeden atom chloru w cząsteczce). Sytuacja zmienia się w przypadku propanu. Jego czą­steczka składa się z trzech atomów węgla, z których dwa połączone są z trzema tomami wodoru każdy, a jeden z dwoma atomami wodoru. Analizując wzór strukturalny cząsteczki propanu, a jeszcze lepiej - jej model, łatwo dojść do wniosku, że wszystkie atomy wodoru grup -CH3 są równocenne a ich położenie względem reszty cząsteczki jest takie same. Podobnie równocenne są oba atomy wodoru grupy -CH2. Porównanie położenia w cząsteczce jednego z atomów wodoru grup -CH3 i jednego z atomów wodoru grupy -CH2 wykazuje natomiast, że ich „otoczenia" są odmienne. Można powiedzieć obrazowo, że każdy z nich inaczej „widzi" resztę cząsteczki. O takich atomach mówimy, że są nierównocenne. Nierównocenność atomów wodoru przejawia się tym, że różnią się one po­między sobą reaktywnością, a ich podstawienie prowadzi do różnych produktów.

W przypadku propanu mamy dwie nierownocenne grupy atomów wodoru, czyli w reakcji z chlorem mogą powstać dwa produkty.

Oba chloropropany mają ten sam wzór sumaryczny - C3H7C1, ale różnią się istotnie właściwościami fizycznymi i chemicznymi Związki, które mają ten sam wzór sumaryczny, a różnią się budową cząsteczek nazywamy izomerami. W przypadku chloropropanów szkielet wę­glowy ich cząsteczek jest ten sam - różne jest natomiast położenie atomu chloru, który może być związany albo ze środkowym atomem, albo z jednym ze skrajnych atomów węgla w łańcuchu. Taki typ izomerii nazywamy izomerią położenia podstawnika (izomerią podstawienia) ponieważ izomery różnią się miedzy sobą właśnie położeniem podstawnika (w tym przypadku - atomu chloru). Jest ona jednym z przykładów izomerii konstytucyjnej (dawniej nazywanej strukturalną). Izomery konstytucyjne różnią się konstytucją, czyli kolejnością i sposobem powiązania atomów w cząsteczce.

Różnica między chloropropanami uwidocznia się także w ich nazwach. Liczba podana przed nazwą oznacza numer atomu węgla, z którym związany jest atom chloru. Atomy węgla w łańcuchu numeruje się kolejno, zaczynając od końca, bliżej którego znajduje się atom fluorowca. Obecność innych niż chlor fluorowców zaznacza się w nazwie przedrostkami fluoro-, bromo- i jodo-.

Powstawanie izomerycznych monochloropochodnych w reakcji chlorowania alkanów o trzech lub większej liczbie atomów węgla w cząsteczkach jest przykładem procesu wielokierunkowego tj. takiego, w którym dany substrat organiczny może być przekształcony działaniem określonego odczynnika w dwa lub więcej różnych produktów. Reakcje składające się na taki proces noszą nazwę reakcji równoległych lub konkurencyjnych, ponieważ przebiegają równocześnie obok siebie w tej samej mieszaninie reakcyjnej. Jeśli jedna z reakcji równoległych jest dominująca nosi ona nazwę reakcji głównej, a pozostałe -reakcji ubocznych. Reakcje uboczne oraz omówione poprzednio reakcje następcze obniżają wydajność głów­nego produktu syntezy, toteż należy tak dobierać warunki prowadzenia reakcji (np. rozpuszczalnik, temperaturę, ciśnienie i katalizator), aby udział tych reakcji był jak najmniejszy.

CYKLOALKANY

Nazwy cykloalkanów, tworzy się dodając do nazwy alkany o tej samej liczbie atomów węgla przedrostek cyklo-. Należy zwrócić uwagę na wzory strukturalne cykloalkanów. Można je zapisywać w sposób analogiczny do uproszczonych wzorów strukturalnych alkanów, to znaczy łącząc ze sobą wiązaniami pojedynczymi odpowiednią liczbę grup -CH2. Częściej jednak stosuje się zapis bardziej uproszczony, w którym pierścień cykloalkanu rysuje się w formie odpowiedniego wielokąta foremnego. Wierzchołki tego wielokąta symbolizują grupy -CH2, a jego boki - wiązania C-C. Bardzo interesującym zagadnieniem jest problem budowy przestrzennej pierścieni cyklo­alkanów i jej wpływ na ich właściwości chemiczne.

Gdyby pierścienie cykloalkanów były płaskimi wielokątami foremnymi, to kąty między wiązaniami C-C-C w kolejnych homologach (od cyklopropanu do cykloheptanu) wynosiłyby: 60°, 90°, 108°, 120° i 128°34'. Porównanie z wartością kąta tetra­edrycznego (109°38') prowadzi do wniosku, że dla cyklopropanu i cyklobutanu oraz dla cyklo­heksanu i dalszych homologów występowałyby różnice między tymi kątami, prowadzące do „naprężeń" w cząsteczce i w konsekwencji - jej nietrwałości.

Rozumowanie to (przeprowadzone po raz pierwszy przez wybitnego chemika niemieckiego bayera) jest słuszne tylko częściowo. Rzeczywiście, cyklopropan i cyklobutan są nietrwałe i łatwo ulegają reakcjom prowadzącym do rozerwania pierścienia, cyklopentan zaś jest związkiem bardzo trwałym, o właściwościach zbliżonych do właściwości alkanów. Sprzeczny natomiast z powyższym rozumowaniem jest stwierdzony doświadczalnie fakt bardzo dużej trwałości cykloheksanu i jego dalszych homologów. Pierścień cykloheksanu po prostu nie jest płaski. Istnieją dwa możliwe usytuowania przestrzenne atomów węgla w pierścieniu, w których kąty między wiązaniami C-C-C są tetra­edryczne.

Nie są płaskie także pierścienie cykloalkanów o większej liczbie atomów węgla w cząsteczce. W konsekwencji, cykloalkany poczynając od cyklopentanu mają właściwości podobne do właści­wości alkanów łańcuchowych. Ulegają one na przykład reakcjom podstawienia wodoru atomami chloru lub bromu w obecności światła.

Oprócz cykloalkanów zawierających wyłącznie pierścienie znane są związki zbudowane z pierścienia i połączonych z nim łańcuchów węglowych. Związki takie mają duże znaczenie jako cenne składniki benzyn o wysokiej jakości oraz elementy budowy wielu ważnych związków naturalnych.

Nazwy tych związków tworzy się zgodnie z regułami podanymi dla alkanów rozgałęzionych, przy czym rolę „głównego łańcucha" pełni w tym przypadku zawsze pierścień. Numerację atomów węgla pierścienia rozpoczyna się od atomu związanego z jednym z podstawników i kontynuuje w takim kierunku, aby lokanty pozostałych podstawników były jak najmniejsze.

ALKENY – są to węglowodory, które zawierają wiązanie podwójne węgiel – węgiel. Nieraz używa się pojęcia olefina, jako synonimy, ale zasadniczo zalecaną nazwą jest alken. Alkeny powszechnie występują w przyrodzie, wiele z nich zaś spełnia ważne funkcje biologiczne. Na przykład etylen jest hormonem roślinnym, który wywołuje dojrzewanie owoców, istnienie organizmów żywych byłoby niemożliwe bez takich alkenów jak β-karoten, wiązek który zawiera jedenaście wiązań podwójnych. β-karoten, pomarańczowy barwnik odpowiadający za kolor marchwi, służy jako źródło witaminy A w naszym pożywieniu i uważany jest za czynnik ochrony przeciwko pewnym typom raka.

Etylen (eten) i propylen (propen)są to dwa najprostsze alkeny produkowane na skalę przemysłową. Etylen na przykład wykorzystywany jest w syntezach polietylenu, polipropylenu, glikolu etylenowego, kwasu octowego, acetaldehydu oraz wielu innych substancji. Etylen, propylen i buten otrzymuje się przemysłowo przez kraking termiczny naturalnego gazu ziemnego (alkany C1 –C4) i surowego przedgonu przy destylacjo ropy naftowej (alkany C4–C8).

Z powodu obecności w cząsteczce wiązania podwójnego, alken ma mniej atomów wodoru w cząsteczce niż alkan o tej samej liczbie atomów węgla; ogólny wzór CnH2n dla alkenu wobec CnH2n+2 oznacza, że związki te nazywamy związkami nienasyconymi. Etylen na przykład ma wzór C2H4, natomiast etan C2H6. Z definicji każdy pierścień lub podwójne wiązanie w cząsteczce oznacza odjęcie dwóch atomów wodoru z alkanu o wzorze CnH2n+2. Znając tę zależność można, wychodząc ze wzoru cząsteczkowego, obliczyć stopień nienasycenia cząsteczki, to znaczy liczbę pierścieni i/lub wiązań podwójnych obecnych w cząsteczce.

Nazwy alkenów tworzy się stosując zestaw reguł podobnych do tych, które poprzednio opracowano dla alkanów, z przyrostkiem –en, zamiast –an, by odróżnić tę rodzinę związków. Proces ten warto podzielić na trzy etapy:

  1. Nazwij macierzysty węglowodór. Znajdź najdłuższy łańcuch węglowy zawierający wiązanie podwójne i nazwij odpowiednio związek, kończąc nazwę przyrostkiem –en.
  2. Ponumeruj atomy węgla w łańcuchu, zaczynając od końca bliższego wiązania podwójnego. Gdy wiązanie podwójne jest równoodległe od obu końców, rozpocznij od końca bliższego pierwszego rozgałęzienia. Zasada ta gwarantuje, że atomy węgla przy podwójnym wiązaniu otrzymują najniższe możliwe numery.
  3. Napisz pełną nazwę, numerując podstawniki, zgodnie z ich pozycją w łańcuchu i wyliczając je w porządku alfabetycznym. Wskaż pozycję wiązania podwójnego, wymieniając numer pierwszego atomu węgla alkenu. Gdy występuje więcej wiązań podwójnych, wskaż pozycję każdego z nich i użyj przyrostka –dien, -trien.

Cykloalkeny nazywane są podobnie, ale ponieważ nie ma tam końca łańcucha od którego należałoby zacząć numerację, rozpoczyna się numerowanie tak, by wiązanie podwójne było między C1 i C2 i aby pierwszy podstawnik miał jak najniższy numer. Zauważmy, że nie trzeba zaznaczać położenia wiązania podwójnego, gdyż zawsze znajduje się ono miedzy C1 i C2. Z przyczyn historycznych nazwy kilku alkenów, które nie zgadzają się z powyższymi regułami, są mocno zakorzenione. N przykład alken wywodzący się z etanu powinien mieć nazwę eten, ale nazwa etylen była używana tak długo, że została dopuszczona do użytku.

Nazwy niektórych alkenów: nazwa systematyczna (nazwa zwyczajowa)

  • Eten (etylen)
  • Propen (propylen)
  • 2-metylopropen (izobutylen)
  • 2-metylo-1,3-butadien (izopren)

Reakcje alkenów:

Elektrofilowa addycja HX do alkenów jest reakcją ogólną, która pozwala na otrzymanie różnorodnych produktów. Gdy HX reaguje z niesymetrycznie podstawionym alkenem, reakcja przewiduje, że H przyłączy się do atomu węgla o mniejszej liczbie podstawników alkilowych, a grupa X przyłączy się do atomu węgla o większej liczbie podstawników alkilowych.

ALKINY – to węglowodory, które zawierają wiązanie podwójne węgiel – węgiel. Acetylen H - C ≡ C – H, najprostszy alkin, był kiedyś powszechnie stosowany w  przemyśle jako materiał wyjściowy do produkcji acetaldehydu, kwasu octowego, chlorku winylu i innych wielkotonażowych chemikaliów, ale obecnie powszechniejsze są bardziej wydajne metody, w których używa się etylenu jako materiału wyjściowego. Niemniej acetylen nadal używany jest do produkcji polimerów akrylowych i otrzymuje się go przez wysokotemperaturowy rozkład (pirolizę) metanu. Metoda ta nie jest przydatna w pracy laboratoryjnej. Wiele naturalnie występujących alkinów wyizolowano z roślin.

Do alkinów stosuje się ogólne zasady nazewnictwa węglowodorów. Przyrostek –in lub –yn używany jest w celu oznaczenia alkinu, a miejsce potrójnego wiązania wskazane jest przez numer pierwszego alkinowego atomu węgla w łańcuchu. Numerowanie głównego łańcucha rozpoczyna się od końca bliższego wiązania potrójnego, tak by to wiązanie otrzymało możliwie najmniejszy numer.

Alkiny można otrzymać przez eliminację HX z halogenkami alkinów w sposób bardzo podobny jak alkeny. Traktowanie 1,2-dihalogenku nadmiarem silnej zasady, takiej jak KOH lun NaNH2, powoduje dwukrotną eliminację HX i utworzenie alkinu. Niezbędne dihalogenki można z kolei łatwo otrzymać przez addycję Br2 lub Cl2 do akenów. Zatem cała sekwencja halogenowania/dehydrohalogenowania stwarza doskonałą metodę przejścia od alkenów do alkinów.

Alkiny nie przyłączają wody tak łatwo jak alkeny z powodu swej mniejszej reaktywności. Jednakże obecności katalizatora  - siarczanu rtęci, addycja wody zachodzi łatwo. Alkiny łatwo redukują się do alkanów przez przyłączenie H2 na katalizatorze metalicznym. Reakcja zachodzi stopniowo przez pośredni alken, w rezultacie alkiny ulegają redukcji nieco chętniej niż alkeny. Najbardziej uderzającą różnicą we właściwościach chemicznych alkinów i alkenów jest fakt, że terminalne alkiny są słabymi kwasami.

WĘGLOWODORY AROMATYCZNE dzielą się na jednopierścieniowe i o pierścieniach skondensowanych. W początkowym okresie rozwoju chemii organicznej określenia związki aromatyczne używano dla określenia grupy substancji o charakterystycznym zapachu. Przykładami takich związków były: aldehyd benzoesowy (benzaldehyd) wyizolowany z wiśni, brzoskwiń i migdałów, toluen, i benzen (jeden z produktów suchej destylacji węgla). Wkrótce jednak okazało się, że substancje aromatyczne różnią się znacznie od innych związków chemicznych przede wszystkim swoimi właściwościami chemicznymi. Obecnie pod pojęciem związek aromatyczny rozumie się przede wszystkim benzen C6H6 i inne związki strukturalnie pokrewne. Wiele związków aromatycznych wyizolowanych z materiału naturalnego ma charakter częściowo aromatyczny, co oznacza, że ma w swojej strukturze fragmenty aromatyczne. Oprócz benzenu, benzaldehydu i toluenu, takie związki chemiczne jak hormon estron,  oraz znany środek uśmierzający ból, jak morfina, zawierają w swojej strukturze pierścienie aromatyczne. Benzen jest związkiem rakotwórczym, powodującym zanikanie szpiku kostnego, co w konsekwencji długotrwałego kontaktu z benzenem prowadzi do białaczki. Z tego powodu korzystanie z benzenu jako rozpuszczalnika organicznego powinno być prowadzone z konieczną ostrożnością i uwagą.

Podstawowe węglowodory aromatyczne wyzyskuje się głównie z dwóch zasobów, takich jak zasoby węgla kamiennego, a także z ropy naftowej. Złożona mieszanina, jaką stanowi węgiel kamienny, składa się w większości z grupy zbliżonych do benzenu pierścieni aromatycznych związanych ze sobą. Podczas ogrzewania węgla kamiennego w warunkach beztlenowych do wysokiej temperatury ok 1000°C, ma miejsce reakcja polegająca na termicznej separacji związków budujących węgiel kamienny, co prowadzi do uzyskania mieszanki gazowych, dających się oddestylować związków, nazywanych fachowo smołą pogazową. W procesie destylacji frakcyjnej mieszanki lotnych składników uzyskuje się takie związki aromatyczne jak: benzen, toluen, ksylen, naftalen i wiele innych składników. W przypadku ropy naftowej różniącej się od węgla kamiennego swoją złożonością (głównie z mieszanki alkanów), można zastosować proces reformingu, podczas którego można uzyskać także związki aromatyczne. Ma to miejsce wówczas gdy  alkany stanowiące składniki ropy naftowej są poddawane wysokiemu ciśnieniu w obecności katalizatora  w temp. ok. 500°C.

Związki aromatyczne, w znacznie większym stopniu niż należące do innych klas, otrzymały w ciągu wielu lat wiele nazw zwyczajowych. Tak więc metylobenzen jest nazywany toluenem, hydroksybenzen to fenol, a aminobenzen to anilina. Nazwy jednopodstawionych pochodnych benzenu tworzy się, dodając do podstawowej nazwy benzen jedynie nazwę podstawnika, podobnie jak w przypadku węglowodorów. Tak więc związek o wzorze sumarycznym C6H5Br to bromobenzen, C6H5NO2 to nitrobenzen, a C6H5CH2CH2CH3 to propylobenzen.

Nazwy związków aromatycznych podstawionych grupami alkilowymi, które nazywają się niekiedy arenami, tworzy się odmiennie i zależy to od wielkości i rodzaju grupy alkilowej. Jeśli grupa alkilowa zawiera sześć lub mniej atomów węgla, to nazwę tworzy się podobnie jak w przypadku podstawionych pochodnych benzenu. Jeśli jednak grupa alkilowa jest większa, czyli zawiera więcej aniżeli sześć atomów węgla, to grupę aromatyczna  -fenol traktuje się jak podstawnik i jest to wówczas alkan podstawiony grupą fenylową. Nazwa fenyl oznacza grupę C6H5 w tych przypadkach kiedy pierścień benzenowy traktowany jest jak podstawnik. Nazwy dwupodstawionych pochodnych benzenu tworzy się z wykorzystaniem jednego z przedrostków orto (o), meta (m) lub para (p). Dwupodstawiona pochodna benzenu ma – izomer orto ma dwa podstawniki w pozycjach 1,2 pierścienia benzenowego, analogicznie podstawienie meta oznacza dwa podstawniki w pozycji 1,3 pierścienia, a para w pozycjach 1,4 pierścienia benzenowego. Nazwę pochodnych benzenu podstawionego więcej niż dwoma podstawnikami tworzy się przez wskazanie pozycji podstawienia z wykorzystaniem numerowania poszczególnych atomów węgla w pierścieniu i to w ten sposób, aby indeksy liczbowe były jak najniższe. Podstawniki z kolei wymienia się w porządku alfabetycznym.

Benzen reaguje powoli z bromem Br2 dając produkt substytucji C6H5Br, a nie addycji C6H6Br2. Struktura benzenu jako 1,3,5-cykloheksatrienu tłumaczy dlaczego w reakcji bromowania benzenu powstaje jedynie jeden izomer bromobenzenu, ponieważ wszystkie (sześć) atomy węgla w cząsteczce są ze sobą równoważne. 

Strukturę benzenu opisuje teoria rezonansu, w której cząsteczka benzenu jest hybrydą rezonansową dwóch równocennych struktur:

 Podsumowujące właściwości benzenu i cząsteczek podobnych:

  1. Benzen jest cykliczną cząsteczką o koniugowanym układzie wiązań.
  2. Benzen jest niezwykle trwały.
  3. Cząsteczka benzenu jest płaska o kształcie heksagonalnym (sześciokątnym), wszystkie kąty w pierścieniu są jednakowe (po 120 °), równe są także wszystkie długości wiązań C-C.
  4. Benzen ulega reakcjom substytucji, w czasie których zachowuje układ koniugowanych wiązań w pierścieniu, a nie reakcjom addycji, w czasie których taki układ koniugowanych wiązań uległby zniszczeniu.

Osobna klasa związków to aromatyczne związki policykliczne (wielopierścieniowe). Naftalen, z dwoma pierścieniami benzenowymi połączonymi razem, antracen, fenantren, 1,2-benzopiren, koronen są dobrze znane.

naftalen

antracen

benzopiren

koronen