Арены
Карточка контроля знаний (скачать PDF 168КБ)
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Общая формула: СnH2n-6 при n ≥ 6 , где n – количество атомов углерода.
Номенклатура: Широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол и др.). Систематические названия строятся из названия углеводородного радикала и слова бензол
Например:
С6Н6 - бензол
С6Н5 – СН3 метилбензол (толуол)
С6Н5 – С2Н5 этилбензол
Если радикалов два или более, то их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Нумерация кольца проводится так, чтобы номера радикалов были наименьшими.
Например:
Для дизамещенных бензолов используется так же и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывается перед тривиальным названием соединения приставками:
орто (о-) - заместители у соседних атомов углерода. т.е. положение 1;2.
мета (м-) - заместители через один атом углерода, т.е. положение 1;3.
пара (п-) - заместители на противоположных сторонах кольца, т.е положение 1;4.
Распространенная структурная формула бензола, предложенная в 1865 году немецким ученым Кекуле, представляет собой цикл с чередующимися двойными и одинарными связями между углеродными атомами:
Однако физическими, химическими, а также квантово-механическими исследованиями установлено, что в молекуле бензола нет обычных двойных и одинарных углерод–углеродных связей. Все эти связи в нем равноценны, эквивалентны, т.е. являются как бы промежуточными "полуторными " связями, характерными только для бензольного ароматического ядра. Оказалось, кроме того, что в молекуле бензола все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости, причем атомы углерода находятся в вершинах правильного шестиугольника с одинаковой длиной связи между ними, равной 0,139 нм, и все валентные углы равны 120°.
Изомерия аренов:
Теория строения допускает существование только одного соединения с формулой бензола (C6H6), а также только одного ближайшего гомолога – толуола или метилбензола (C7H8). Однако последующие гомологи могут уже существовать в виде нескольких изомеров.
Для аренов характерна структурная изомерия:
а) Положение заместителей для ди-, три- и тетра- замещенных бензолов. Например, для диметилбензола (о-, м- и п- ксилолы).
б) Углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее трех атомов углерода:
Физические свойства аренов:
Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне. При этом сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ.
Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом. Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.
Химические свойства аренов:
1) Реакции замещения
а) Галогенирование (FeCl3 или AlCl3)
С6Н6 + Cl2 → HCl + С6Н5Cl хлорбензол
б) Нитрование (H2SO4конц.)
С6Н6 + HNO3 → H2O + С6Н5NO2 нитробензол
в) Сульфирование
С6Н6 + H2SO4конц. → Н2О + С6Н5SO3H бензолсульфокислота
г) Алкилирование (реакция Фриделя-Крафтса) (AlCl3)
С6Н6 + RГал → С6Н5R + НГал
2) Реакции присоединения:
а) Гидрирование (Ni, t0C). Бензол гидрируется с образованием циклогексана, а производные бензола дают производные циклогексана.
б) Галогенирование (УФ). На солнечном свету под воздействием ультрафиолетового излучения бензол присоединяет хлор и бром с образованием гексагалогенидов, которые при нагревании теряют три молекулы галогеноводорода и приводят к тригалогенбензолам.
3) Окисление. Перманганат калия, азотная кислота, пероксид водорода в обычных условиях на бензол не действуют. При действии же окислителей на гомологи бензола ближайший к ядру атом углерода боковой цепи окисляется до карбоксильной группы и дает ароматическую кислоту.
С6Н5СН3 + 2KMnO4 → С6Н5COOK + KOH + 2MnO2 + H2O
С6Н5С2Н5 + 4KMnO4 → С6Н5COOK + KOH + 4MnO2 + 2H2O + K2CO3
Получение аренов:
1) Каталитическая дегидроциклизация алканов, т.е. отщепление водорода с одновременной циклизацией (способ Б.А. Казанского и А.Ф. Платэ). Реакция осуществляется при повышенной температуре с использованием катализатора, например оксида хрома.
С6Н14 → С6Н6 + 4Н2
С7Н16 → С6Н5 – СН3 + 4Н2
2) Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных (Н.Д.Зелинский). В качестве катализатора используется палладиевая чернь или платина при 3000C.
3) Циклическая тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 6000C (Н.Д.Зелинский).
3С2Н2 → С6Н6 бензол
4) Сплавление солей ароматических кислот со щелочью или натронной известью.
С6Н5 – СООН + NaOH → С6Н6 + Na2CO3
5) Алкилирование собственно бензола галогенопроизводными (реакция Фриделя-Крафтса) или олефинами.
С6Н6 + С2Н5Cl → С6Н5 – С2Н5 + HCl
С6Н6 + СН2=CH2 → С6Н5 – С2Н5
Применение аренов:
Ароматические углеводороды являются важным сырьем для производства различных синтетических материалов, красителей, физиологически активных веществ. Так, бензол – продукт для получения красителей, медикаментов, средств защиты растений и др. Толуол используется как сырье в производстве взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов, а также в качестве растворителя. Винилбензол (стирол) применяется для получения полимерного материала – полистирола.