Ароматические углеводороды (методический материал)

Структурным родоначальником аренов служит бензол С₆Н₆.

Строение бензола.

Бензол впервые был выведен из продуктов переработки каменного угля в 1825г. В 1865г. немецкий ученый Ф.А. Кекуле впервые высказал предположение, что атомы углерода в молекуле бензола замкнуты в цикл.

Но эта формула не объясняет отсутствия склонности к реакциям присоединения, бензол не обесцвечивает бромную воду и перманганат калия, а с галогенами происходят реакции замещения.

По современным представлениям молекула бензола – правильный шестиугольник, в котором атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации с валентными в 120⁰, образуя s-скелет.

Каждый атом углерода в молекуле бензола имеет одну негибридизированную p_z-орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. При их перекрывании образуется единое p-электронное облако.

В результате все связи между атомами углерода в бензоле выровнены. Такое электронное строение объясняет высокую устойчивость бензола.

Номенклатура. Изомерия.

Бензол принимается за родоначальную структуру. Заместители обозначаются с указанием их местоположения в бензольном ядре.

Радикал С₆Н₅ – фенил.

Физические свойства.

Первые члены гомологического ряда бензола – бесцветные жидкости со специфическим запахом, легче воды, нерастворимы в воде, хорошо растворяются в органических растворителях, сами являются хорошими растворителями. Горят сильно коптящим пламенем.

Способы получения.

Основным источником бензола и его гомологов служит каменноугольный деготь, образующийся при коксовании угля – нагревание угля до 1000⁰С-1200⁰С.

Получение из алифатических углеводородов реакцией дегидроциклизации при t=300⁰С и катализаторе Pt или оксиды хрома, молибдена, вольфрама.

Весь материал - в документе.

Ароматические углеводороды (арены).

Структурным родоначальником аренов служит бензол С₆Н₆.

Строение бензола

Бензол впервые был выведен из продуктов переработки каменного угля в 1825г. В 1865г. немецкий ученый Ф.А. Кекуле впервые высказал предположение, что атомы углерода в молекуле бензола замкнуты в цикл.

Но эта формула не объясняет отсутствия склонности к реакциям присоединения, бензол не обесцвечивает бромную воду и перманганат калия, а с галогенами происходят реакции замещения.

По современным представлениям молекула бензола – правильный шестиугольник, в котором атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации с валентными в 120⁰, образуя -скелет.

Каждый атом углерода в молекуле бензола имеет одну негибридизированную p_z-орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскости молекулы. При их перекрывании образуется единое -электронное облако.

современное изображение бензола

В результате все связи между атомами углерода в бензоле выровнены. Такое электронное строение объясняет высокую устойчивость бензола.

Номенклатура. Изомерия

Бензол принимается за родоначальную структуру. Заместители обозначаются с указанием их местоположения в бензольном ядре.

СН₃



С₂Н₅

/

1,3-диметилбензол

СН₃

/

СН₃

/

1,4-диметилбензол

1,3-диметилбензол

(

СН₃





СН₃

\

СН₃

СН₃



этилбензол

метилбензол

(толуол)

о-ксилол

м-ксилол

п-ксилол

Радикал С₆Н₅ – фенил.

Физические свойства

Первые члены гомологического ряда бензола – бесцветные жидкости со специфическим запахом, легче воды, нерастворимы в воде, хорошо растворяются в органических растворителях, сами являются хорошими растворителями. Горят сильно коптящим пламенем.

Способы получения

1. Основным источником бензола и его гомологов служит каменноугольный деготь, образующийся при коксовании угля – нагревание угля до 1000⁰С-1200⁰С.

2. Получение из алифатических углеводородов реакцией дегидроциклизации при t=300⁰С и катализаторе Pt или оксиды хрома, молибдена, вольфрама.

СН₃СН₂ СН₂ СН₂ СН₂ СН₃ 

бензол

- 4Н₂

гексан

1. Получение из ацетилена (реакция тримеризации)

600⁰

С₂Н₂ 

бензол

активированный уголь

1. Получение из алициклических углеводородов

Pt, Pd, 300⁰C

бензол

- 3H₂

циклогексан

Химические свойства

Арены склонны к реакциям замещения.

1. Галогенирование

FeCl₃, 25⁰C

+ Cl₂ + HCl

Cl



Н



бензол

хлорбензол

2. Нитрование

NO₂



нитробензол

бензол

Н



H₂SO₄, 50⁰C

+ HNO₃ +H₂O

конц

Смесь HNO₃ (конц) и H₂SO₄ (конц) называется нитрующей смесью.

3. Сульфирование дымящей серной кислотой, т.е. раствором SO₃ в H₂SO₄ (конц)

Н



SO₃H



H₂SO₄, 25⁰C

+ SO₃

бензолсульфокислота

бензол

Эта реакция обратима. При нагревании с водой происходит десульфирование

t

+ H₂O + H₂SO₄

SO₃Н



бензол

бензолсульфокислота

4. Алкилирование (реакция Фриделя – Крафтеа, 1877г.). По этой реакции получают гомологи бензола.

Н



толуол

СH₃



AlCl₃

+ CH₃Cl + HCl

бензол

метилхлорид

Реакции окисления и восстановления

1. Окисление. Арены устойчивы к окислению, на них не действуют даже сильные окислители (HNO₃, KMnO₄).

2. Восстановление. Происходит в жестких условиях.

Ni, Pt

бензол

+ 3Н₂

циклогексан

Реакции в боковой цепи

Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом.

ССl₂



СНСl₂



СН₂Сl



Cl₂ h

-HCl

Cl₂ h

-HCl

СН₃



толуол

1-фенил-1-хлорэтан

этилбензол

СН₂СН₃



-HCl

Cl₂ h

фенилтрихлорметан

фенилдихлорметан

фенилхлорметан

-HCl

Cl₂ h

СНСlСН₃



Боковые цепи подвергаются окислению (HNO₃, KMnO₄)

O

∕∕

С

\

 OH

бензойная кислота

-HCl

[O]

СН₃



толуол

Замещение в бензольном кольце происходит легче так: бромная вода обесцвечивается.

Br

\

СН₃



СН₃



Br

∕

FeBr₃

+ 3Br₂

2.4.6 трибромтолуол



Br

Отдельные представители

Бензол – бесцветная жидкость с характерным запахом. Нерастворим в воде, токсичен. Из бензола получают стирол, фенол, анилин, галогензамещенные арены, красители, фармацевтические препараты.

Толуол – бесцветная жидкость, нерастворим в воде. Используется как сырье для получения красителей, взрывчатых веществ (тринитротолуол – тротил).

Нафталин – бесцветные пластинки (t_пл=+80⁰С), легко возгоняется, нерастворим в воде, растворим в органических растворителях. Широко применяется в производстве красителей.