En chimie organique, les composés aromatiques sont des molécules cycliques au sein desquelles les atomes qui composent le cycle partagent des électrons délocalisés. Le benzène C₆H₆ en est l'exemple le plus connu. Le terme aromatique a été introduit par le chimise allemand August von Hofmann en raison de l'odeur forte de certains dérivés du benzène. Il est resté mais on sait aujourd'hui que l'odeur de ces composés n'a aucun lien avec leur caractère aromatique.

Benzène et dérivés

Revenons au benzène. Les atomes de carbone du benzène occupent les sommets d'un hexagone et chacun d'entre eux entretient une liaison covalente avec ses deux voisins ainsi qu'une troisième avec un atome d'hydrogène. Ces douze atomes sont dans un même plan. Ce qui fait la spécificité du benzène, c'est que chaque atome de carbone met en plus en commun avec les autres son quatrième électron de valence. Ces électrons occupent une orbitale pi étendue à tout le cycle.

Un post spécifique est consacré aux laisoons délocalisées et à la notion de mésomérie.

Remarque : Dans la figure qui précède, les deux représentations de droite sont dites topologiques. Dans ce type de représentation, les intersections et les extrémités des segments sont occupées par un atome de carbone. Les atomes d’hydrogène qui leur sont directement connectés ne sont pas figurés. Le cercle à l’intérieur du polygone indique qu’il y a une liaison pi délocalisée. La mise en commun de cette orbitale pi conduit à une diminution de l'énergie électronique des électrons, ce qui confère une grande stabilité à la molécule.

Le benzène a de nombreux dérivés qui sont également aromatiques. Nous avons déjà parlé des alkylbenzènes omme le toluène ou le styrène obtenus par alkylation du benzène. Le phénol C₆H₅OH est un énol aromatique, tout comme la plupart des dérivés phénolés comme l'acide salicylique (composant primaire de l'aspirine), le paracétamol HO-C₆H₄-NH-C(=O)CH₃ ou certaines molécules que l'on trouve dans le cannabis.

Parmi les amines aromatiques monocycliques, on peut citer l'aniline (C₆H₅-NH₂), la phénylalanine (un acide aminé de formule C₉H₁₁NO₂) ou la dopamine (C₈H₁₁NO₂). La dopamine est un neurotransmetteur associé à la notion de prise de risque. C'est une phényléthylamine (nom UICPA 4-(2-aminoéthyl benzène-1,2-diol). Elle est constituée d'un cycle benzène porteur de deux groupes -OH (diol) et d'un groupe éthylamine -CH₂-CH₂NH₂.

Nota : la phénylalanine est composée d'un cycle benzène associé par substitution à un acide 2-aminopropanoïque (aussi appelé alanine, formule CH₃-CHNH₂-COOH). C'est un précurseur de la dopamine.

Il existe de nombreux dérivés de la phényléthylamine par substitution de l'un de atomes d'hydrogène. Lorsqu'ils sont absorbés par l'organisme, les dérivés de phényléthylamine prennent la place de la dopamine à la surface fes neurones dopaminergiques (neurones qui réagissent à la dopamine en tant que neurotransmetteur). L'activité de ces neurones s'accroit. Ils libèrent à leur tour de nouvelles molécules de dopamine dans les synapses, ce qui entraine une sensation de plaisir et une stimulation de l'activité mentale. Les propriétés des phényléthylamines sont utilisées en pharmacie (bronchodilatateurs, antidépresseurs). Certaines ont des propriétés hallucinogènes (comme la mescaline porteuse de trois groupes -O-CH₃ sur les atomes de carbone 3,4 et 5 du cycle benzène), d'autres sont utilisées ou excitants (amphétamines). On trouve des dérivés de la phényléthylamine comme le café et le chocolat.

Autres exemples de dérivés de monocycle aromatique : le nitrobenzène C₆H₅-NO₂ et le chlorobenzène C₆H₅-Cl qui sont des produits chimiques très utilisés (le chlorobenzène intervient dans la composition de nombreux pesticides).

Règles de Hückel

Le chimiste allemand Erich Hückel a établi les règles qui caractérisent le caractère aromatique (l'aromaticité) d'une molécule :

• Il faut qu'elle soit cyclique et plane.
• Il faut que tous les atomes du cycle aient une orbitale p perpendiculaire au plan de la molécule.
• Il faut que ces orbitales se recouvrent pour former une orbitale commune.
• Il faut que le nombre d'électrons occupant cette orbitale commune soit égal à 4xn + 2, n pouvant être égal à 1, 2, 3, 4...

Le benzène répond à tous ces critères pour une valeur de n égale à 1. Le cyclohexane C₆H₁₂ par contre n'y répond pas. Le cyclohexane est dit alicyclique. Sa molécule n'est pas plane.

Monocycles aromatiques

La règle de Hückel pourrait laisser penser que les composés aromatiques monocycliques comportent automatiquement six atomes de carbone. Il n'en est rien. Il existe des composés aromatiques hétérocycliques à cinq atomes, comme le furane C₄H₄O, le thiophène C₄H₄S, le pyrrole C₄H₅N ou l'imidazole C₃H₄N₂.

Le cycle du pyrrole C₄H₄NH (aussi appelée azole) est composé de 4 atomes de carbone et un atome d'azote. L'azote compte 5 électrons dans sa bande de valence. Il entretient une liaison covalente avec ses deux atomes de carbone voisins et une avec un atome d'hydrogène. Les deux électrons restant participent à la liaison délocalisée, ce qui permet de satisfaire à la règle de Hückel si l'on tient compte es 4 électrons apportés par les atomes de carbone.

Intéressons nous maintenant au furane et au thiophène. Comme dans le cas du pyrrole, 4 électrons sont apportés à la liaison délocalisée par les atomes de carbone. L'oxygène tout comme le soufre est bivalent, il entretient une liaison covalente sigma avec ses deux atomes de carbone voisins. Il lui reste plusieurs doublets disponibles et il peut en confier un à la liaison délocalisée.

On peut expliquer facilement l'aromaticité de l'imidazole à partir de celle du pyrrole en considérant que l'on remplace l'un des noeuds carbone + hydrogène du cycle pyrrole par un simple atome d'azote. Deux des électrons de la bande de valence de l'azote sont engagés dans des liaisons covalentes avec les atomes de carbone voisins, un troisième contribue à la liaison délocalisée et il reste un doublet non lié dont nous verrons plus loin qu'il confère à l'imidazole un caractère basique.

L'oxazole C₃H₃NO comporte quant à lui 3 atomes de carbone, un atome d'oxygène et un atome d'azote dans son cycle. Même logique pour le thiazole C₃H₃NS avec un atome de soufre en lieu et place de l'atome d'oxygène. Dans le triazole C₂H₃N₃, le cycle est composé de deux atomes de carbone et de trois atomes d'azote dont un est relié à un atome d'hydrogène.

Il existe également des hétrocycles aromatiques monocycliques à six atomes. La pyridine C₅H₅N et la pyrimidine C₄H₄N₂ en sont des exemples. Dans les deux cas, un atome d'azote remplace un groupe carbone + hydrogène.

Hydrocarbures aromatiques polycycliques

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des composés comportant plusieurs groupes phényl condensés. Beaucoup sont considérés comme écotoxiques. Le naphtalène C₁₀H₈ (la naphtaline de nos grands-mères) en est le représentant le plus simple. Il est constitué est constitué de deux molécules de benzéne accolées. La liaison délocalisée du naphtalène comporte 10 électrons (n = 2). L'anthracène C₁₄H₁₀ en comporte 3, le tétracène C₁₈H₁₂ en comporte 4 et le pentacène C₂₂H₁₄ en comporte 5. Dans ces trois exemples, les groupes phényl sont disposés en ligne. D'autres sonfiguration sont possibles. Dans le cas du pyrène C₁₆H₁₀, les groupes phényl forment deux rangées de deux accolées l'une à l'autre. Dans la molécule de benzopyrène C₂₀H₁₂, ce sont 5 molécules de benzène qui sont accolées (une rangée de 3, une rangée de 2). Seuls les 18 atomes de carbone périphériques du benzopyrène participent à la liaison délocalisée (n = 4).

p>Le biphényle C₁₂H₁₀ (phénylbenzène) n'est pas à proprement parler un HAP, même s'il est composé de deux cycles benzène. Il résulte de la substitution d'un groupe phényl -C₆H₅ à l'un des atomes d'hydrogène du benzène. Le 2,2-diphénylpropane C₁₅H₁₆ est quant à lui composé de deux groupes phényl rattaché au carbone central d'une chaîne propane. Le bisphénol, très utilisé jusqu'à une date récente et aujourd'hui interdit en raison de ses propriétés de perturbateur endocrinien en est un dérivé.

Hétérocycles aromatiques polycycliques

Composés aromatiques hétérobicycliques

L'indole C₈H₆NH est un benzopyrrole, un cycle benzénique accolé à un pyrrole (n = 2). L'indole est un composant de l'indigo. La sérotonine C₁₀H₁₂N₂O est un dérivé de l'indole (une indolamine). Le cycle benzène de la sérotonine porte un groupe -OH et le cycle pyrrole un éthyloamine -CH₂-CH₂NH₂. La sérotonine est un neurotransmetteur.

Le benzofurane C₈H₆O et le benzothiophène C₈H₆S ont la même structure (un hétércycle à 5 atomes accolé à un cycle benzénique. La purine C₅H₄N₄ est composée d'un cycle pyrimidine accolé à un imidazole.

La quinoléine C₉H₇N est un hétérobicycle composé de deux cycles à 6 atomes accolés (un cycle benzène et un cycle pyridine). La quinazoline C₈H₆N₂ est quant à elle composée d'un cycle benzène accolé à un cycle pyrimidine. La quinoxaline est un isomère de la quinoxaline (benzène-pyrazine).

La ptéridine C₆H₄N₄ est composée d'un cycle pyrazine fusionné à un cycle pyrimidine. Citons également la benzodioxine C₈H₆O₂C avec un cycle benzène associé à un cycle dioxine.

Nota : les hétérocycles azotés font l'objet d'un post spécifique.

Composés aromatiques hétérotricycliques

Le carbazole C₁₂H₉N est un dibenzopyrrole, il est composé d'un pyrrole flanqué de deux cycles benzène. Le dibenzo-furane C₁₂H₈O est formé sur le même principe (un furane flanqué de deux benzènes). L'halogénation donne des polychlorodibenzo-furanes (PCDF) dont le tétrachlorodibenzo-furane C₁₂H₄OCl₄. Ce sont des sous-produits non désirés de réactions chimiques. Ce sont des polluants très stables qui s'accumulent dans la chaîne alimentaire.

La dibenzodioxine C₁₂H₈O₂ est composée d'un cycle dioxine flanqué de deux cycles benzène. Par halogénation elle donne des polychlorodibenzo-p-dioxines, dont la tristement célèbre tétrachlorodibenzo-p-dioxine C₁₂H₄O₂Cl₄ (TCDD), la dioxine de Seveso. Hypertoxique, cancérigène, elle est à l'origine de la catastrophe de Seveso en 1976. C'est l'un des composants de l'Agent Orange, un défoliant utilisé lors des bombardements au Vietnam.

La phénazine C₁₂H₈N₂ est une dibenzopirazine.

Basicité

Certains hétérocycles aromatiques sont de bases de Lewis. C'est le cas de l'imidazole. Comme on l'a vu, la contribution des deux atomes d'azote à l'aromaticité du cycle n'est pas la même. Rappelons que la bande de valence de l'azote comporte 3 électrons célibataires et un doublet. L'azote porteur de la liaison avec l'atome d'hydrogène engage ses trois électrons célibataires dans les liaisons sigma avec ses voisins dans le cycle et avec l'hydrogène. Le doublet d'électrons resrant est absorbé par la liaison délocalisée. L'autre atome d'azote engage deux de ses électrons célibataires dans des liaisons sigma avec ses voisins et le troisième dans la liaison délocalisée. Il conserve donc un doublet d'électrons non liants, ce qui confère à l'imidazole son caractère de base de Lewis.

Intéressons-nous maintenant à la pyridine ou à la pyrimidine. Dans les deux cas, chaque atome d'azote du cycle engage deux électrons célibataires dans les liaisons sigma avec ses voisins et le troisième dans la liaison délocalisée. Il lui reste donc un doublet non liant, ce qui explique la basicité de ces composés.

Les dérivés de l'imidazole et de la pyrimidine (comme la purine) sont également des bases de Lewis.

Bases azotées et nucléotides Les bases azotées sont des molécules organiques dérivées de la pyrimidine et de la purine. Elles jouent un rôle essentiel dans la chimie du vivant. Associées à un pentose, le ribose C5H10O5 ou le désoxyribose C5H10O4, elles constituent ce que l'on appelle un nucléoside. Ajoutez-y un à trois groupes phosphate et vous aurez un nucléotide. L'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique) sont des chaînes de nucléotides. Il y a 5 bases azotées dites canoniques : l'adénine (A) et la guanine (G) sont des dérivés de a purine. La cytosine (C), la thymine (T) et l'uracile (U) sont des dérivés de la pyrimidine. L'ADN est formé à partir des bases A, C, T et G et l'ARN des bases A, C, G et U. Dans la double hélice de l'ADN, cytosine et guanine sont reliées par des ponts hydrogène ainsi qu'adénine et thymine (une purine avec une pyrimidine). L'ADP (adénosine diphosphate) et l'ATP (adénosine triphosphate) sont quant à eux des nucléotides jouant un rôle clef dans le métabolisme des êtres vivants. Ce sont des dérivés de l'adénine. Les bases nucléiques font l'objet d'un post spécifique.

Réactivité des composés aromatiques

La liaison délocalisée constitutive de l'aromaticité est très stable. Elle est donc difficile à éliminer, que ce soit par ouverture du cycle, oxydation ou addition. Par contre, la présence d'un nuage riche en électrons étendu à tout le cycle les amène à réagir facilement avec les composés électrophiles. La réaction caractéristique des composés aromatiques est la substitution électrophile aromatique (SEA ou SEA_R).

Nota : nous ne nous intéressons ici qu'aux réactions qui interviennent directement sur le sycle aromatique.

Réactions de substitution

La substitution électrophile aromatique conduit au remplacement d'un atome d'hydrogène rattaché au cycle aromatique par un composé (ou un atome) électrophile. Elle requiert la plupart du temps la présence d'un catalyseur.

L'halogénation aromatique est l'exemple le plus facile à comprendre de SEA, tant le caractère électrophile des halogènes est affirmé. Les polychlorodibenzo-furanes et les polychlorodibenzo-p-dioxines sont des produits non désirés de ce type de réaction.

Les réactions de Friedel-Crafts sont des réactions de substitution électrophiles aromatiques au cours desquelles un cycle aromatique est alkylé (substitution d'un groupe alkyle à un atome d'hydrogène) ou acylé (substitution d'un groupe acyle -C(=O)-R à un atome d'hydrogène). Le toluène C₆H₅-CH₃ (méthylbenzène) ou le styrène C₆H₅-CH=CH₂ (phényléthylène) sont des dérivés alkylés du benzène (le styrène est le monomère du polystyrène). L'acétophénone C₆H₅-C(=O)-CH₃ est un dérivé acylé du benzène.

La nitration aromatique est une autre forme de substitution électrophile aromatique. Elle consiste en la substitution d'un groupe -NO₂ à un atome d'hydrogène du cycle aromatique. Le trinitrotoluène C₇H₅(NO₂)₃ est un dérivé polysubstitué du toluène. C'est un explosif puissant pus connu sous le nom de TNT.

Dans le cas de la sulfonation aromatique, c'est un groupe acide sulfonique -S(=O)₂OH qui se substritue à un atome d'hydrogène. C'est ainsi par exempple que le benzène chauffé dans de l'acide sulfurique concentré donne de l'acide benzènesulfonique C₆H₅-S(=O)₂OH.

La substitution nucléophile aromatique (SNA ou SNA_R) est plus difficile à réaliser. Elle passe souvent par l'intermédiaire d'un dérivé déjà substitué, un halogénure d'aryle par exemple. Il s'agit d'un mécanisme d'addition-élimination : addition du nucléophile Nu^- puis élimination d'un ion halogénure.

Nota : un groupe aryle est un groupe composé d'un cycle aromatique dont un atome d'hydrogène est remplacé par une liaison avec une mlécule ou un atome.

Différence de réactivité des composés aromatiques

Les composés aromatiques présentent des différences notables dans leur réactivité chimique. Différences en terme de propension à réagir dans l'absolu (le pyrrole est plus sensible aux SEA que la pyridine) ou différence dans la position des sites substituables dans le cycle. Tous les atomes du cycle benzénique sont substituables alors que seuls les sites méta de la pyridine le sont. On donne à ce phénomène le nom de régiosélectivité.

Nota : dans un hétérocyle à six sommets et un hétéroatome, les atomes de carbone voisins de l'hétéroatome sont en position ortho, l'atome de carbone à l'opposé est en position para et les deux autres sont en position méta.

Aromaticité

Prenons le cas du pyrrole. Chaque atome de carbone apporte un électron à la liaison délocalisée alors que l'atome d'azote en apporte deux. Si l'on considère (en première approximation) que les 6 électrons de la liaison délocalisée sont également répartis sur le cycle, chaque atome de carbone va être environné par une charge positive excédentaire +1/5 tandis que l'atome d'azote aura en déficit de charge égal à -4/5. Cette particularité renforce l'attrait du pyrrole pour les composés électrophiles. On dit de manière imagée qu'il est plus aromatique que la pyridine, par exemple. Plus aromatique également que le furane. Le furane partage la même configuration électronique de la liaison délocalisée, l'oxygène apportant un doublet à celle-ci, mais le caractère très électronégatif de l'oxygène compense en partie ce déséquilibre et réduit l'effet qui peut en résulter.

Régiosélectivité

Nous avons parlé de régiosélectivité au sujet de la pyridine. La pyridine est un cycle à 6 sommets comme le benzène mais la présence d'un atome d'azote contrarie la symétrie d'ordre 6 de celui-ci. L'atome d'azote possède en effet un doublet non liant qui n'est engagé dans aucune liaison alors que tous les électrons de la bande de valence des atomes de carbone sont occupés. Cette rupture de la symétrie induit une différence d'attractivité des atomes de carbone pour les composés électrophiles et nucléophiles en fonction de leur position par rapport à l'atome d'azote. La nitration de la pyridine, par exemple, se fait exclusivement en position méta (3-nitropyridine). C'est une réaction à faible rendement (comme il a été dit plus haut, la pyridine est faiblement aromatique). La substitution par un groue amine (donc nucléophile) se fait par contre en position ortho ou para : 2-aminopyridine ou 4-aminopyridine. Pour avoir plus de détails sur la notion de régiosélectivité, se reporter au post sur la mésomérie.

Remarque : la présence d'un groupe fonctionnel rattaché au cycle peut également avoir un effet inductif. Cet effet est toujours plus faible que les éventuels effets dûs à la mésomérie.

La régiosélectivité n'est pas un phénomène propre aux cycles comportant un hétéroatome. La présence d'une chaîne latérale induit également une rupture dans la symétrie du cycle et peut favoriser l'apparition de sites privilégiés pour les réactiions de substitution. Le procédé de Kolbe est une réaction de carboxylation du phénol C₆H₅OH. Il produit de l'acide salicylique C₆H₄(OH)(COOH) dans lequel le groupe carboxyle est en position ortho par rapport au groupe hydroxyle. L'acide salicylique est un précurseur de l'aspirine (acide acétylsalicylique). La nitration du phénol se fait par contre majoritairement en position para, tout comme l'halogénation.

Basicité

La basicité, évoquée plus haut, induit également une différence de réactivité entre les différents composés aromatiques dans la mesure où elle ouvre la voie à des réactions acide-base. La pyridine (encore elle) nous en donne un exemple. En présence d'acide chlorhydrique, il se forme du chlorhydrate de pyridinium. Même type de réaction avec l'imidazole qui forme du chlorhydrate d'imidazolium en présence d'acide chlorhydrique.

Acidité

Le pyrrole n'est pas une base de Lewis mais c'est un acide faible : l'atome d'hydrogène relié à l'atome d'azote peut s'en détacher sous la forme d'un proton H⁺. En présence d'une base forte, comme l'hydrure de sodium NaH ou l'amidure de sodium NaNH₂, il libère l'atome d'hydrogène attaché à l'atome d'azote et forme un sel [Na⁺,C4H4N^-]. Ce sel est très nucléophile et facilement attaqué par un composé électrophile :

C'est une des manières d'obtenir du méthylpyrrole C₄H₄N-CH₃.

L'imidazole présente quant à lui les deux caractères, acidité et basicité.

Réactions conduisant à la perte de l'aromaticité

Comme nous l'avons souligné plus haut, la liaison pi délocalisée est très stable. Il est cependant possible de l'éliminer. L'hydrogénation est le procédé le plus direct : on peut transformer par exemple du benzène en cyclohexane C₆H₁₂. L'aromaticité peut également être perdue lors d'une réaction d'oxydation. Le cyclohexadienone C₆H₆O par exemple est un exemple de cycle benzène oxydé. C'est un diène (deux liaisons doubles) et une cétone. La cytosinne, une base nucléique dérivée de la pyrimidine, a également perdu le caractère aromatique de la pyrimidine. Son nom IUCPA est 1H-4-aminopyrimidin-2-one : un atome d'hydrogène en 1, une fonction cétone en 2 et un groupe amine en 4. C'est également un diène (deux liaisons doubles).