Aromatische Kohlenwasserstoffe

Definition und Eigenschaften

Aromatische Kohlenwasserstoffe (nach IUPAC: Arene, auch benzoide Kohlenwasserstoffe) sind cyclische, planare Kohlenwasserstoffe mit aromatischem System. Wegen ihres delokalisierten π-Elektronensystems sind sie energetisch günstiger als ihre nicht aromatischen Mesomere und dadurch chemisch stabiler. Man unterscheidet monocyclische (mAh) und polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK).

Wie alle reinen Kohlenwasserstoffe sind sie unpolare und lipophile Verbindungen. Die Einteilung der organischen Verbindungen in Aliphaten und Aromaten erfolgt über die Aromatizitätskriterien; Aromaten werden dabei als Gegenstück zu den aliphatischen Verbindungen (durch Negation) definiert.

Der erste entdeckte Aromat war Benzol (C6H6), das 1825 von Michael Faraday im Leuchtgas gefunden wurde. Später fand man Stoffe mit ähnlichen Eigenschaften: Diese formal ungesättigten Verbindungen mit Doppelbindungen gehen trotz Doppelbindungen nur schwer Additionsreaktionen ein.

Wichtige Beispiele

Die Stammverbindung ist Benzol.

Alkylierte Arene (Alkylbenzole) sind z. B.:

• Toluol
• Xylole (o-, m-, p-Xylol)
• Ethylbenzol
• Cumol

Arene mit mehreren Phenylgruppen (Polyarylalkane) sind z. B.:

• Biphenyl
• Diphenylmethan
• Triphenylmethan

Anellierte Arene (PAK) sind z. B.:

• Naphthalin
• Anthracen
• Phenanthren
• Pyren

Hinweis: Die Strukturformeln aromatischer Verbindungen werden meist in nur einer mesomeren Form dargestellt.

Auch Annulene, also cyclische Kohlenwasserstoffe mit konjugierten Doppelbindungen, können Aromatizität aufweisen. Nach Benzol ist [14]-Annulen das kleinste aromatische Annulen; ebenfalls aromatisch sind Annulene mit 18 und 22 Kohlenstoffatomen.

Vorkommen und Gewinnung

Aromatische Kohlenwasserstoffe finden sich im Erdöl, darunter Arene mit Strukturelementen von Indan, Tetrahydronaphthalin, Fluoren, Biphenyl und Acenaphthen sowie Arene mit isoprenoider Struktur. Der überwiegende Teil der technisch wichtigen Verbindungen wird petrochemisch synthetisiert. Bei der Kokerei fallen Aromaten als Nebenprodukt an und finden sich im Steinkohlenteer und Kokereigas.

Wichtige Massenprodukte sind Benzol, Toluol, die Xylole und Ethylbenzol (BTEX-Aromaten). Sie dienen selbst als Rohstoffe für Kunststoffe und andere Massenchemikalien. Wichtige PAK sind Naphthalin und Anthracen, die aus Steinkohlenteer und Erdöl gewonnen werden.

Wichtige Verfahren zur Aromatengewinnung:

• Hydrierung von Pyrolysebenzin: Hydrierung von Diolefinen und Entschwefelung, 40–60 bar, 200–250 °C, Katalysatoren Co, Mo, Ni, Pd, Zugabe von H2, zweistufiges Verfahren.
• Benzoldruckraffination: Hydrierung von Kokereirohbenzol, 20–50 bar, 350 °C, Co/Mo, H2; Schwefelreduzierung unter 0,5 ppm und Entfernung ungesättigter Kohlenwasserstoffe, die die destillative Benzolgewinnung erschweren.
• Houdry-Litol (Dealkylierung): Benzolerzeugung aus Toluol, 50 bar, 600 °C, Co/Mo, H2; Hydrierung von Ungesättigten, hydrocrackende Spaltung von Nichtaromaten sowie Entschwefelung, Dealkylierung und Dehydrierung von Naphthenen führen zu hoher Benzol-Ausbeute.
• Houdry-Dealkylierung (HDA): Benzolerzeugung aus Toluol, 45 bar, max. 750 °C, H2; Benzol-Ausbeute bis zu 99 %.
• Octafining (Isomerisierung): erhöhter Anteil an p-Xylol, 10–30 bar, 425–480 °C, Pt/Zeolith, H2; vergleichbar mit Isomar (UOP), Isoforming (Exxon) und Isarom (IFP).
• Transalkylierung: Herstellung von Benzol und C8-Aromaten aus Toluol, z. B. Arco (2 bar, 480–520 °C, Al2O3/SiO2, Fließbett-Verfahren in der Gasphase), Tatoray (10–50 bar, 350–530 °C, Zeolith, H2, adiabatischer Prozess) und Mobil LTD (46 bar, 260–315 °C, Zeolith, Kontaktstandzeit ca. 1,5 Jahre).

Derivate

Aromatische Kohlenwasserstoffe können mit organischen oder nichtorganischen Substituenten Derivate bilden.