Арены

Ароматические соединения – это органические соединения, которые в составе содержат бензольные кольца.

Гомологический ряд ароматических углеводородов имеет общую формулу C_nH_2n-6. Если в общую формулу подставить значения относительных атомных масс, то относительная молекулярная масса аренов будет 14n – 6.

К наиболее важным ароматическим соединениям относятся бензол – С₆Н₆ Структурную формулу бензола можно изобразить несколькими способами: в первом случае мы видим наличие трёх двойных связей, во втором – наличие бензольного кольца.

Как видно, молекула бензола имеет 12 σ-связей, а также в молекуле сформирована шестиэлектронная π-система, охватывающая все атомы углерода. Все атомы водорода и углерода в молекуле бензола лежат в одной плоскости, угол связи между атомами 120⁰. Доказано, что в молекуле бензола нет двойных и одинарных связей, длины всех С – С-связей раны 0,140 нм. Каждый атом углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp²-гибридизации, он связан с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода σ-связями. Поэтому молекула бензола имеет вид плоского шестиугольника, где все атомы лежат в одной плоскости.

Рассмотрим номенклатуру аренов. Для названия этого класса соединений часто используют тривиальные названия. По международной номенклатуре арены рассматривают как производные бензола, где положение заместителей указывается цифрами, при чём номера атомов углерода, от которых отходят заместители, должны получить наименьшие номера. Для дизамещённых аренов используют приставки орто (о), мета (м), пара (п).

Назовём следующие арены: первый арен называется метилбензол, или толуол, второй арен называется этилбензол, третий называется изопропилбензол, или кумол.

Рассмотрим арены, содержащие заместители с кратными связями: первый арен называется винилбензол, или стирол, второй – этинилбензол, или фенилацетилен.

Если в аренах два одинаковых заместителя, то вместо цифр можно использовать приставки: положение 1,2 называется «орто», положение 1,3 – «мета», а положение 1,4 – «пара». Поэтому следующие гомологи бензола можно назвать так:

Если в аренах два различных заместителя, то нумерацию определяет младший заместитель.

Рассмотрим более сложные примеры, где арен содержит три заместителя. Первый арен называется 1,2,3-триметилбензол, второй – 1,2,4-триметилбензол, а третий – 1,3,5-триметилбензол.

Для аренов характерна изомерия, связанная со строением радикалов, их составом и положением.

Рассмотрим изомерию, связанную со строением боковых цепей. Так, изомерами между собой являются пропилбензол, или кумол, и изопропилбензол.

Если это изомерия, связанная с числом атомов углерода в заместителях, то изомерами между собой будут пропилбензол, 1-метил-2-этилбензол и 1,2,3-триметилбензол, которые содержат в сумме по 3 атома углерода в заместителях.

Рассмотрим изомерию, связанную с положением заместителей в цикле. Такими изомерами между собой будут 1,2-диметилбензол, 1,3-диметилбензол и 1,4-диметилбензол.

Бензол и его ближайшие гомологи являются бесцветными жидкостями со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, но растворяются в органических растворителях: спирте, эфире, ацетоне. Бензол и его гомологи являются хорошими растворителями. Большинство ароматических соединений являются токсичными веществами.

Например, бензол – бесцветная жидкость с характерным запахом, кристаллизуется при 5,5 ⁰C и кипит при 80,1 ⁰C. Бензол является токсичным веществом, опасны и его пары.

Для бензола и его гомологов характерны реакции замещения. Так, при хлорировании бензола в присутствии катализатора FeCl₃ образуется хлорбензол. Данные реакции идут легче, чем у алканов.

К реакциям замещения относится и реакция бензола с азотной кислотой. Роль катализатора здесь выполняет серная кислота. Так, в реакции бензола с азотной кислотой в присутствии серной кислоты образуется нитробензол, имеющий запах миндаля.

В реакции метилбензола – толуола – с азотной кислотой образуется 2,4,6-тринитротолуол, тол или тротил.

По химическим свойствам алкильные радикалы, которые есть у гомологов бензола, подобны алканам. Поэтому в отсутствии катализатора или при действии УФ-облучения идёт радикальная реакция замещения в боковой цепи. Причём атом водорода замещается у того атома углерода, который непосредственно связан с бензольным кольцом.

Таким образом, в реакциях замещения сохраняется ароматическая структура молекулы.

В реакции бензола с этиленом в кислой среде образуется этилбензол; в реакции бензола с хлорметаном в присутствии катализатора образуется толуол и хлороводород:

C₆H₆ + CH₂ = CH₂ → C₆H₅ – CH₂ – CH₃

C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅ – CH₃ + HCl.

В более жёстких условиях бензол и его гомологи вступают в реакции присоединения, при этом наблюдается потеря ароматической структуры.

Так, бензол присоединяет водород в присутствии катализатора Ni, при этом образуется циклогексан.

В реакции бензола с хлором в присутствии света также идёт реакция присоединения, при этом образуется гексахлорциклогексан – гексахлоран:

C₆H₆ + 3Cl₂ → C₆H₆Cl₆.

Гомологи бензола, имеющие заместители с кратными связями, вступают в реакции полимеризации. Так, при полимеризации стирола образуется полистирол.

Кроме того, стирол обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия.

Бензол сгорает на воздухе с образованием коптящего пламени.

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂↑ + 6H₂O

Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки. А его гомологи окисляются перманганатом калия, то есть обесцвечивают раствор марганцовки.

Так, при действии на гомологи бензола сильными окислителями, образуется бензойная кислота, не смотря на то, какой была цепь заместителя.

Если гомолог содержит две боковые цепи, то образуются двухосновные кислоты.

Рассмотрим способы получения ароматических углеводородов. Самый первый способ получения бензола в промышленности основан на перегонке каменноугольной смолы.

Бензол и его гомологи в основном получают при термических и каталитических превращениях некоторых продуктов перегонки нефти, из каменноугольной смолы и коксового газа.

Так, бензол и его гомологи можно получить дегидрированием гексана и его гомологов. Из гексана получают циклогексан, а из него – бензол.

C₆H₁₄

Дегидрированием метилциклогексана можно получить толуол:

C₆H₁₁ – CH₃ → C₆H₅ – CH₃ + 3H₂↑.

Бензол также можно получить пропусканием ацетилена через нагретый активированный уголь. Эта реакция называется реакцией Зелинского.

В лаборатории бензол и его гомологи можно получить сплавлением солей бензойной кислоты с твёрдыми щелочами. Так, при сплавлении бензоата натрия с гидроксидом натрия образуется бензол и карбонат натрия:

C₆H₅COONa + NaOH → C₆H₆ + Na₂CO₃.

Гомологи бензола можно получить по реакции Вюрца-Фиттинга. Суть реакции заключается в действии натрия на галогенпроизводные. Так, в реакции хлорбензола и хлорметана с натрием образуется метилбензол и хлорид натрия:

C₆H₅Cl + 2Na + CH₃Cl → C₆H₅ – CH₃ + 2NaCl.

Гомологи бензола получают также по реакции Фриделя-Крафтса. Эта реакция алкилирования бензола. Так, в реакции бензола с хлорэтаном образуется этилбензол и хлороводород.