ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ароматические углеводороды (арены) – вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец. Общая формула гомологического ряда бензола C n H 2 n -6

Простейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол – C 6 H 6 и толуол – C 6 H 5 -CH 3 . Углеводородные радикалы, полученные из аренов носят названия: C 6 H 5 – — фенил (Ph-) и C 6 H 5 -CH 2 — — бензил.

Все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в sp 2 гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует 3σ-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Шесть атомов углерода образуют правильный шестиугольник (σ-скелет молекулы бензола).

Каждый атом углерода имеет одну негибридизованную р-орбиталь, на которой находится один электрон. Шесть р-электронов образуют единое π-электронное облако (ароматическую систему), которое изображают кружочком внутри шестичленного цикла.

Химические свойства аренов

Для бензола и его гомологов характерны реакции замещения, протекающие по электрофильному механизму:

— галогенирование (бензол взаимодействует с хлором и бромом в присутствии катализаторов – безводных AlCl 3 , FeCl 3 , AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 -Cl + HCl

— нитрование (бензол легко реагирует с нитрующей смесью – смесь концентрированных азотной и серной кислот)

— алкилирование алкенами

C 6 H 6 + CH 2 = CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH(CH 3) 2

Реакции присоединения к бензолу приводят к разрушению ароматической системы и протекают только в жестких условиях:

— гидрирование (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— присоединение хлора (протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта – гексахлорциклогексана (гексахлорана) – C 6 H 6 Cl 6)

Физические свойства аренов

Первые члены гомологического ряда бензола – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче воды и в ней практически нерастворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями.

Получение аренов

Основные способы получения бензола и его гомологов:

— дегидроциклизация алканов (катализаторы – Pt, Cr 3 O 2)

— дегидрирование циклоалканов (реакция протекает при нагревании, катализатор – Pt)

— тримеризация ацетилена (реакция протекает при нагревании до 600С, катализатор – активированный уголь)

3HC≡CH → C 6 H 6

— алкилирование бензолов (реакция Фриделя-Крафтса) (катализатор – хлорид алюминия или ортофосфорная кислота)

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПОСОБИЕ-РЕПЕТИТОР ПО ХИМИИ.

Арены. Бензол .

Статья посвящена ароматическим углеводородам (аренам) и самому простому их представителю – бензолу. Материал содержит
теоретическую часть в объеме, необходимом для подготовки к сдаче ЕГЭ, тест и задачи. Приведены также ответы и,

к некоторым задачам, – решения.

И.В.ТРИГУБЧАК

Ароматические углеводороды (арены). Бензол

П л а н 1. Определение, общая форму ла гомологического ряда, строение молекулы (на примере бензола). 2. Физические свойства бензола. 3. Химические свойства бензола: а) реакции замещения (галоге нирование, нитрование, суль фирование, алкилирование); б) реакции присоединения (ги дрирование, хлорирование); в) реакции окисления (горе ние). 4. Получение бензола (в про мышленности – переработкой нефти и угля, дегидрированием циклогексана, ароматизацией гексана, тримеризацией ацетиле на; в лаборатории – сплавлением солей бензойной кислоты со ще лочами).

Арены – это углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Под бензольным кольцом под разумевается кольцевая система атомов углерода с делокализован ными π-электронами. В 1931 г. Э.Хюккель сформулировал пра вило, гласящее, что соединение должно проявлять ароматические свойства, если в его молекуле со держится плоское кольцо с (4n + 2) обобщенными электронами, где n может проявлять значения целых чисел от 1 и далее (правило Хюк келя). Согласно этому правилу системы, содержащие 6, 10, 14 и т.д. обобщенных электронов, явля ются ароматическими. Различают три группы аренов по количеству и взаимному расположению бен зольных колец.

Моноциклические арены.

Изобразите структурные фор мулы бензола, толуола, о-ксилола, кумола. Назовите эти вещества по систематической номенклатуре.

Полициклические арены с изолированными ядрами.

Изобразите структурные фор мулы дифенила, дифенилметана, стильбена.

Полициклические арены с конденсированными ядрами.

Изобразите структурные фор мулы нафталина, антрацена.

Общая формула моноциклических аренов ряда бензола – С6Н2n–6, где n ≥ 6. Простейший представитель – бензол (С6Н6). Предложенная в 1865 г. немецким химиком
Ф.А.Кекуле циклическая формула бензола с сопряженными связями (циклогексатриен-1,3,5) не объясняла многие свойства бензола.
Для бензола характерны реакции замещения, а не реакции присоединения, как для непредельных углеводородов. Реакции присоединения возможны, но протекают
они труднее, чем у алкенов.
Бензол не вступает в реакции, являющиеся качественными на непредельные углеводороды (с бромной водой и раствором перманганата калия).
Проведенные позже исследования показали, что все связи между атомами углерода в молекуле бензола имеют одинаковую длину – 0,140 нм (среднее значение между длиной простой связи С–С 0,154 нм и двойной связи С=С 0,134 нм). Угол между связями у каждого атома углерода равен 120 °. Молекула бензола представляет собой правильный плоский шестиугольник.
Современная теория строения молекулы бензола базируется на представлении о гибридизации орбиталей атома углерода. Согласно этой теории, атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации. Каждый атом углерода образует три σ-связи (две с атомами углерода и одну – с атомом водорода). Все σ-связи находятся в одной плоскости. У каждого атома углерода остается еще по одному р-электрону, не участвующему в гибридизации. Негибридизированные р-орбитали атомов углерода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-связей. Каждое р-облако перекрывается с двумя соседними р-облаками, в результате чего образуется единая сопряженная π-система. Единое π-электронное облако расположено над и под бензольным кольцом, причем р-электроны не связаны с каким-либо атомом углерода и могут перемещаться относительно них в том или ином направлении. Полная симметричность бензольного ядра, обусловленная сопряжением, придает ему особую устойчивость.
Таким образом, наряду с формулой Кекуле используется формула бензола, где обобщенное электронное облако изображают замкнутой линией внутри кольца.
Изобразите формулу Кекуле и формулу, показывающую сопряженную π-систему.

Радикал, образованный от бензола, имеет тривиальное название фенил.
Изобразите его структурную формулу.

Физические свойства

При обычных условиях бензол представляет собой бесцветную жидкость с температурой плавления 5,5 °С, температурой кипения 80 °С; имеет характерный запах; легче воды и с ней не смешивается; хороший органический растворитель; токсичен.

Химические свойства

Химические свойства бензола и его гомологов определяются спецификой ароматической связи. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения (для бензола они протекают тяжелее, чем для его гомологов).

Галогенирование.
Напишите реакцию хлорирования бензола.

Нитрование.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с азотной кислотой.

Сульфирование.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с серной кислотой.

Алкилирование (реакция Фри деля–Крафтса).

Напишите реак ции получения этилбензола при взаимодействии бензола с хлор этаном и с этиленом.

Cистема из 6 π-электронов является более устойчивой, чем 2π-электронная, поэтому реакции присоединения для аренов менее характерны, чем для алкенов; они возможны, но при более жестких условиях.

Гидрирование.

Напишите реакцию гидрирования бензола до циклогексана.

Присоединение хлора.

Напишите реакцию хлорирования бензола до гексахлорана.

Реакции окисления для бензола возможна только в виде горения, т.к. к действию окислителей бензольное кольцо устойчиво.
Напишите реакцию горения бензола. Объясните, почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем.

Получение аренов

Арены (ароматические углеводороды) - соединения, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колей - циклических групп атомов углерода со специфическим характером связей.

Бензол - молекулярная формула С 6 Н 6 . Впервые была предложена А. Кекуле:

Строение аренов.

Все 6 атомов углерода находятся в sp 2 -гибридизации . Каждый атом углерода образует 2 σ -связи с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода, которые находятся в одной плоскости. Углы составляют 120°. Т.е. все атомы углерода лежат в одной плоскости и образуют шестигранник. У каждого атома есть негибридная р -обиталь, на которой находится неспаренный электрон. Эта орбиталь перпендикулярна плоскости, и поэтому π -электронное облако «размазано» по всем атомам углерода:

Все связи равноценны. Энергия сопряжения - количество энергии, которую надо затратить, чтобы разрушить ароматическую систему.

Именно это обуславливает специфические свойства бензола - проявление ароматичности. Это явление было открыто Хюккелем, и называется правилом Хюккеля.

Изомерия аренов.

Арены можно разделить на 2 группы:

• производные бензола:

• конденсированные арены:

Общая формула аренов - С n H 2 n -6 .

Для аренов характерна структурная изомерия, которая объясняется взаимным расположением заместителей в кольце. Если в кольце находится 2 заместителя, то они могут находиться в 3-х различных положениях - орто (о-), мета (м-), пара (п-):

Если от бензола «отобрать» один протон, то образуется радикал - C 6 H 5 , которое носит название арильного радикала. Простейшие:

Называют арены словом «бензол» с указанием заместителей в кольце и их положения:

Физические свойства аренов.

Первые члены ряда - жидкости без цвета с характерным запахом. Они хорошо растворяются в органических растворителях, но нерастворимы в воде. Бензол токсичен, но имеет приятный запах. Вызывает головную боль и головокружения, при вдыхании больших количеств паров можно потерять сознание. Раздражает слизистую оболочку и глаза.

Получение аренов.

1. Из алифатических углеводородов с помощью «ароматизации» предельных углеводородов, входящих в состав нефти. При пропускании над платиной или оксидом хрома наблюдается дигидроциклизация:

2. Дегидрирование циклоалканов:

3. Из ацетилена (тримеризация) при пропускании над раскаленным углем при 600°С:

4. Реакция Фриделя - Крафтса в присутствии хлорида алюминия :

5. Сплавление солей ароматических кислот с щелочью:

Химические свойства аренов.

Реакции замещения аренов.

Ядро аренов обладает подвижной π -системой, на которую действуют электрофильные реагенты. Для аренов характерно электрофильное замещение, которое можно представить так:

Электрофильная частица притягивается к π -системе кольца, затем образуется прочная связь между реагентом Х и одним из атомов углерода, при этом единство кольца нарушается. Для восстановления ароматичности выбрасывается протон, а 2 электрона С-Н переходят в π-систему кольца.

1. Галогенирование происходит в присутствии катализаторов - безводных хлоридов и бромидов алюминия , железа :

2. Нитрование аренов. Бензол очень медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой при сильном нагревании. Но если добавить серную кислоту , то реакция протекает очень легко:

3. Сульфирование протекает под воздействием 100% - серной кислоты - олеума:

4. Алкилирование алкенами . В результате происходит удлинение цепи, реакция протекает в присутствии катализатора - хлорида алюминия.

Понятие «бензольное кольцо» сразу требует расшифровки. Для этого необходимо хотя бы коротко рассмотреть строение молекулы бензола. Первая структура бензола была предложена в 1865 г. немецким ученым А. Кекуле:

К наиболее важным ароматическим углеводородам относятся бензол С 6 Н 6 и его гомологи: толуол С 6 Н 5 СН з, ксилол С 6 Н 4 (СН з) 2 и др.; нафталин C 10 H 8 , антрацен С 14 Н 10 и их производные.

Атомы углерода в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя обычно его рисуют вытянутым.

Окончательно строение молекулы бензола подтверждено реакцией образования его из ацетилена. В структурной формуле изображается по три одинарных и три двойных чередующихся углерод-углеродных связей. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны, и они обладают свойствами, не похожими на свойства ни одинарных, ни двойных связей. Эти особенности объясняются электронным строением молекулы бензола.

Электронное строение бензола

Каждый атом углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя σ-связями. В результате образуется плоский шестиугольник: все шесть атомов углерода и все σ-связи С-С и С-Н лежат в одной плоскости. Электронное облако четвертого электрона (р-электрона), не участвующего в гибридизации, имеет форму гантели и ориентировано перпендикулярно к плоскости бензольного кольца. Такие р-электронные облака соседних атомов углерода перекрываются над и под плоскостью кольца.

В результате шесть р-электронов образуют общее электронное облако и единую химическую связь для всех атомов углерода. Две области большой электронной плоскости расположены по обе стороны плоскости σ-связей.

p-Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами углерода. В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,14 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет простых и двойных связей. Молекула бензола - устойчивый шестичленный цикл из одинаковых СН-групп, лежащих в одной плоскости. Все связи между атомами углерода в бензоле равноценны, чем и обусловлены характерные свойства бензольного ядра. Наиболее точно это отражает структурная формула бензола в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (I). (Окружность символизирует равноценность связей между атомами углерода.) Однако часто пользуются и формулой Кекуле с указанием двойных связей (II):

Бензольное ядро обладает определенной совокупностью свойств, которую принято называть ароматичностью.

Гомологический ряд, изомерия, номенклатура

Условно арены можно разделить на два ряда. К первому относят производные бензола (например, толуол или дифенил), ко второму - конденсированные (полиядерные) арены (простейший из них - нафталин):

Гомологический ряд бензола имеет общую формулу С n Н 2 n -6 . Гомологи можно рассматривать как производные бензола, в котором один или несколько атомов водорода замещены различными углеводородными радикалами. Например, С 6 Н 5 -СН 3 - метилбензол или толуол, С 6 Н 4 (СН 3) 2 - диметилбензол или ксилол, С 6 Н 5 -С 2 Н 5 - этилбензол и т.д.

Так как в бензоле все углеродные атомы равноценны, то у первого его гомолога - толуола - изомеры отсутствуют. У второго гомолога - диметилбензола - имеются три изомера, отличающиеся взаимным расположением метильных групп (заместителей). Это орто- (сокращенно о-), или 1,2-изомер, в нем заместители находятся у соседних атомов углерода. Если заместители разделены одним атомом углерода, то это мета- (сокращенно м-) или 1,3-изомер, а если они разделены двумя атомами углерода, то это пара- (сокращенно п-) или 1,4-изомер. В названиях заместители обозначаются буквами (о-, м-, п-) или цифра­ми.

Физические свойства

Первые члены гомологического ряда бензола - бесцветные жидкости со специфическим запахом. Плотность их меньше 1 (легче воды). В воде нерастворимы. Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Химические свойства

Ароматичность определяет химические свойства бензола и его гомологов. Шестиэлектронная π-система является более устойчивой, чем обычные двухэлектронные π-связи. Поэтому реакции присоединения менее характерны для ароматических углеводородов, чем для непредельных углеводородов. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения. Таким образом, ароматические углеводороды по своим химическим свойствам занимают промежуточное положение между предельными и непредельными углеводородами.

I. Реакции замещения

1. Галогенирование (с Cl 2 , Вr 2)

2. Нитрование

3. Сульфирование

4. Алкилирование (образуются гомологи бензола) - реакции Фриделя-Крафтса

Алкилирование бензола происходит также при его взаимодействии с алкенами:

Дегидрированием этилбензола получают стирол (винилбензол):

II. Реакции присоединения

1. Гидрирование

2. Хлорирование

III. Реакции окисления

1. Горение

2С 6 Н 6 + 15O 2 → 12СO 2 + 6Н 2 O

2. Окисление под действием КМnO 4 , К 2 Сr 2 O 7 , HNO 3 и др.

Не происходит химической реакции (сходство с алканами).

Свойства гомологов бензола

В гомологах бензола различают ядро и боковую цепь (алкильные радикалы). По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам; влияние бензольного ядра на них проявляется в том, что в реакциях замещения всегда участвуют атомы водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным ядром, а также в более легкой окисляемости С-Н связей.

Влияние электронодонорного алкильного радикала (например, -СН 3) на бензольное ядро проявляется в повышении эффективных отрицательных зарядов на атомах углерода в орто- и пара-положениях; в результате облегчается замещение связанных с ними атомов водорода. Поэтому гомологи бензола могут образовывать тризамещенные продукты (а бензол обычно образует монозамещенные производные).

Основные источники получения – нефть и продукты сухой перегонки (коксования) каменного угля. Выделение ароматических углеводородов из каменноугольной смолы – наиболее старый и до 50-х годов основной способ их получения. При нагревании выше 1000 ºС без доступа воздуха уголь разлагается с образованием твердых (кокс), жидких (каменноугольная смола, аммиачная вода) и газообразных (коксовые газы) продуктов перегонки.

Кокс – в основном углерод; применяется в металлургии.

Газы коксования – H 2 , CH 4 , CO, CO 2 , N 2 , этиленовые углеводороды.

Каменноугольная смола – содержит большое количество органических соединений различной природы. Выход смолы около 3 %. На первом этапе ее перегоняют на 4 фракции (табл. 11).

Т а б л и ц а 11

Основные фракции каменноугольной смолы

Остаток от перегонки (60 %) называется пеком. Это твердая, размягчающаяся при нагревании масса темного цвета.

Из перечисленных фракций разнообразными приемами выделяются индивидуальные органические соединения.

В некоторых видах нефти содержание ароматических углеводородов достигает 60 %. Тем не менее основное их количество получается из нефти при химической переработке (ароматизации нефти) – пиролизе и каталитическом риформинге, в ходе которого протекают реакции дегидрирования (а) и дегидроциклизации (б):

(а)
;

циклогексан бензол

н-гексан бензол

Синтетический способ получения бензола – тримеризация ацетилена (см. разд. 5.2.5). Гомологи бензола получают алкилированием по методу Фриделя–Крафтса (разд. 6.2.1) или по методу Вюрца–Фиттига:

бромбензол бутилбромид бутилбензол

(Р. Фиттиг в 1864 г. распространил реакцию Ш. Вюрца на ароматические углеводороды для алкирования и ацилирования бензола).

Области использования аренов чрезвычайно разнообразны.

Бензол, толуол, ксилолы – широко применимые органические растворители и основа многотоннажных органических синтезов – красителей, взрывчатых веществ (ТНТ), пластмасс (полистирол, лавсан), лекарств, средств защиты растений и др.

Список литературы

1. Нечаев А.П., Еременко Т.В. Органическая химия: Учеб. для пищ. ин–тов. – М.: Высшая школа, 1985. – 463 с.

2. Нечаев А.П. Органическая химия: Учеб. для сред. спец. учеб. заведений по пищ. спец. – 2–е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1988. – 318 с.

3. Артеменко А.И. Органическая химия: Учеб. для строит. спец. вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1994. – 500 с.

4. Грандберг И.И. Органическая химия: Учеб. пособие для с/х вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1980. – 463 с.

5. Каррер П. Курс органической химии. 2-е изд. – Л.: Госхимиздат, 1962. – 1216 с.

6. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. – М.: Мир, 1968. – Ч. 1. – 592 с.; 1968. – Ч. 2. – 550 с.

7. Кан Р., Дермер О. Введение в химическую номенклатуру. – М.: Химия, 1983. – 224 с.

8. Волков В.А. Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира: Биографический справочник. – М.: Высшая школа, 1991.

9. Краткая химическая энциклопедия. – М.: Сов. энциклопедия, 1961. – Т. 1. – 1262 с.; 1963. – Т. 2. – 1086 с.; 1964. – Т. 3. – 1112 с.; 1965. – Т. 4. – 1182 с.; 1967. – Т. 5. – 1184 с.

10. Чмутов К.В. Хромотография. – М.: Химия, 1978. – 128 с.

11. Азимов А. Мир углерода. – М.: Химия, 1978. – 208 с.

12. Щульпин Г.Б. Эта увлекательная химия. – М.: Химия, 1984. – 184 с.

13. Эммануэль Н.М., Заиков Г.Е. Химия и пища. – М.: Наука, 1986. – 173 с.