Les composés aromatiques comprennent une classe d’hydrocarbures qui comprend un cycle de carbone insaturé à six membres dans lequel les électrons de valence de la liaison pi sont complètement délocalisés ou conjugués. Ces composés sont stables et abondants sous forme naturelle et synthétique. Le plus simple des composés aromatiques est le benzène (C6H6), un cancérigène inflammable, mais un produit chimique important sur le plan industriel. Le nom aromatique est basé sur les arômes puissants de bon nombre des plus grands composés aromatiques. Les diamants et le graphite, bien qu’ils ne soient pas considérés comme des composés aromatiques, démontrent un partage d’électrons délocalisé sur de très longues distances atomiques.
La liaison covalente carbone-carbone, base de la chimie organique, partage deux électrons entre deux atomes de carbone adjacents en une simple liaison, ou quatre électrons entre deux carbones en une double liaison. Un système conjugué a une série de liaisons simples et doubles alternées qui peuvent être représentées par deux ou plusieurs structures de Lewis. La conjugaison ou la résonance se produit lorsqu’il existe des orbitales p ou des orbitales d dans des composés de poids moléculaire plus élevé, dans lesquelles répartir les électrons de valence disponibles. La conjugaison peut se produire dans des configurations linéaires, ramifiées ou cycliques entre des liaisons d’atomes de carbone, d’oxygène ou d’azote.
L’aromaticité se produit lorsque les électrons de la chaîne carbonée sont encore plus délocalisés en formant un cycle à six carbones avec l’équivalent de trois chacun de liaisons simples et doubles alternées. Si le benzène se comportait comme une molécule avec trois doubles liaisons, les chimistes s’attendraient à ce que les doubles liaisons de la molécule soient plus courtes que les liaisons simples, mais les longueurs des liaisons carbone du benzène sont toutes égales et coplanaires. Le benzène et d’autres composés aromatiques ne subissent pas de réactions d’addition comme le font les alcènes. Les alcènes ajoutent des groupes sur leurs doubles liaisons, tandis que les composés aromatiques substituent un atome d’hydrogène à un groupe.
L’énergie libérée lorsque le cyclohexène est hydrogéné en cyclohexadiène en ajoutant de l’hydrogène à la double liaison est de 28.6 kcal par mole. L’hydrogénation du cyclohexadiène avec deux doubles liaisons libère 55.4 kcal/mole ou 27.7 kcal par mole de H2. Le benzène libère 49.8 kcal par mole ou 16.6 kcal par mole de H2 lors de l’hydrogénation complète. La valeur remarquablement basse est une mesure de la stabilité de la structure aromatique.
Les chimistes expliquent la morphologie planaire du benzène, les longueurs de liaisons carbonées égales et la faible énergie de ses doubles liaisons en concluant que les orbitales 2p sont réparties sur les six atomes de carbone. Les orbitales pi délocalisées sont visualisées comme formant un tore au-dessus et au-dessous du plan de l’anneau du squelette carboné. Cette configuration explique toutes ses caractéristiques et prend en charge le concept d’orbitales pi partagées dans d’autres systèmes conjugués.
Les composés aromatiques exercent souvent une pression de vapeur et de nombreuses molécules gazeuses sont détectables par le nez humain. L’écorce de cannelle, les feuilles de gaulthérie et les gousses de vanille contiennent tous des composés aromatiques que les humains peuvent sentir. La synthèse de ces composés ou de composés similaires est également à la base de l’arôme artificiel des aliments.
Certains composés aromatiques très intéressants sont constitués de structures polycycliques partageant un ou plusieurs côtés du cycle carboné à six chaînons avec un cycle carboné adjacent. Le naphtalène (C10H8) a deux cycles benzéniques joints; trois anneaux reliés linéairement sont appelés anthracène (C14H10), tandis que six anneaux benzéniques dans un cercle, avec un niveau très élevé de délocalisation des électrons, sont appelés hexhélicène (C26H16). Avec l’augmentation du nombre de cycles, le rapport hydrogène/carbone diminue, le matériau devient plus stable, plus dur et le point de fusion augmente. Lorsque le rapport approche de zéro, le composé est essentiellement une autre forme de carbone. Le graphite est constitué de feuilles de structures annulaires délocalisées avec des atomes de carbone hybridés sp2 et les diamants sont hybridés sp3 dans des structures tridimensionnelles interconnectées en forme de cage, toutes dues à l’aromaticité.