Prepararea reacțiilor arenelor. Chimie organică: Arenas

Auto

Benzenul și omologii săi cei mai apropiați sunt lichide incolore cu un miros specific. Hidrocarburile aromatice sunt mai ușoare decât apa și nu se dizolvă în ea, dar sunt ușor solubile în solvenți organici - alcool, eter, acetonă.

Benzenul și omologii săi sunt ei înșiși buni solvenți pentru multe substanțe organice. Toate arenele ard cu o flacără fumurie datorită conținutului ridicat de carbon din moleculele lor.

Proprietățile fizice ale unor arene sunt prezentate în tabel.

Masă. Proprietățile fizice ale unor arene

Benzen – fierbere scăzută ( tbalot= 80,1°C), lichid incolor, insolubil în apă

Atenţie! Benzen – otravă, afectează rinichii, modifică formula sanguină (cu expunere prelungită), poate perturba structura cromozomilor.

Majoritatea hidrocarburilor aromatice pun viața în pericol și sunt toxice.

Prepararea arenelor (benzen și omologii săi)

In laborator

1. Fuziunea sărurilor de acid benzoic cu alcalii solide

C6H5-COONa + NaOH t → C6H6 + Na2CO3

benzoat de sodiu

2. Reacția Wurtz-Fitting: (aici G este halogen)

C 6H 5 -G + 2N / A + R-G →C 6 H 5 - R + 2 N / AG

CU 6 H5-Cl + 2Na + CH3-Cl → C6H5-CH3 + 2NaCl

În industrie

• izolat din petrol și cărbune prin distilare și reformare fracționată;
• din gudronul de cărbune și gazul cuptorului de cocs

1. Dehidrociclizarea alcanilor cu mai mult de 6 atomi de carbon:

C6H14 t , kat→C6H6 + 4H2

2. Trimerizarea acetilenei(doar pentru benzen) – r. Zelinsky:

3С 2 H 2 600°C, act. cărbune→C6H6

3. Dehidrogenare ciclohexan și omologii săi:

Academicianul sovietic Nikolai Dmitrievich Zelinsky a stabilit că benzenul se formează din ciclohexan (dehidrogenarea cicloalcanilor

C6H12 t, kat→C6H6 + 3H2

C6H11-CH3 t , kat→C6H5-CH3 + 3H2

metilciclohexantoluen

4. Alchilarea benzenului(prepararea omologilor benzenului) – r Friedel-Crafts.

C6H6 + C2H5-CI t, ACI3→C6H5-C2H5 + HCI

cloretan etilbenzen

Proprietățile chimice ale arenelor

eu. REACȚII DE OXIDARE

1. Arderea (flacără de fum):

2C6H6 + 15O2 t→12CO2 + 6H2O + Q

2. În condiții normale, benzenul nu decolorează apa cu brom și soluție apoasă permanganat de potasiu

3. Omologii benzenului sunt oxidați de permanganat de potasiu (permanganat de potasiu decolorat):

A) într-un mediu acid la acid benzoic

Când omologii benzenului sunt expuși la permanganat de potasiu și la alți agenți oxidanți puternici, lanțurile laterale sunt oxidate. Indiferent cât de complexă este lanțul substituentului, acesta este distrus, cu excepția atomului de carbon a, care este oxidat într-o grupare carboxil.

Omologii benzenului cu un lanț lateral dau acid benzoic:

Omologuri care conțin două lanțuri laterale dau acizi dibazici:

5C 6 H 5 -C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 +28H 2 O

5C 6 H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 +14H 2 O

Simplificat :

C6H5-CH3+3O KMnO4→C6H5COOH + H2O

B) în săruri neutre și ușor alcaline până la acid benzoic

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO K + K OH + 2MnO2 + H2O

II. REACȚII SUPLIMENTARE (mai greu decât alchenele)

1. Halogenare

C6H6+3CI2 h ν → C6H6CI6 (hexaclorociclohexan - hexacloran)

2. Hidrogenarea

C6H6 + 3H2 t , PtsauNi→C6H12 (ciclohexan)

3. Polimerizare

III. REACȚII DE SUBSTITUȚIE – mecanism ionic (mai usor decat alcanii)

b) omologi de benzen la iradiere sau încălzire

Proprietățile chimice ale radicalilor alchil sunt similare cu alcanii. Atomii de hidrogen din ei sunt înlocuiți cu halogen printr-un mecanism de radicali liberi. Prin urmare, în absența unui catalizator, la încălzire sau la iradiere UV, are loc o reacție de substituție radicală în lanțul lateral. Influența inelului benzenic asupra substituenților alchil duce la faptul că Atomul de hidrogen este întotdeauna înlocuit la atomul de carbon legat direct de inelul benzenic (a-atomul de carbon).

1) C6H5-CH3 + CI2 h ν → C6H5-CH2-CI + HCI

c) omologi de benzen în prezenţa unui catalizator

C6H5-CH3 + CI2 AlCl 3 → (amestec orta, pereche de derivați) +HCl

2. Nitrare (cu acid azotic)

C6H6 + HO-NO2 t, H2S04→C6H5-NO2 + H2O

nitrobenzen - miros migdale!

2,4,6-trinitrotoluen (tol, TNT)

Aplicarea benzenului și a omologilor săi

Benzen C6H6 este un solvent bun. Benzenul ca aditiv îmbunătățește calitatea combustibilului. Servește ca materie primă pentru producerea multor compuși organici aromatici - nitrobenzen C 6 H 5 NO 2 (solvent din care se obține anilina), clorbenzen C 6 H 5 Cl, fenol C 6 H 5 OH, stiren etc.

Toluen C 6 H 5 –CH 3 – solvent, utilizat la producerea coloranților, medicinali și explozivi (TNT (TNT), sau 2,4,6-trinitrotoluen TNT).

Xilenii C6H4(CH3)2. Xilenul tehnic este un amestec de trei izomeri ( orto-, meta- Și pereche-xilen) – folosit ca solvent și produs inițial pentru sinteza multor compuși organici.

Izopropilbenzen C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 este folosit pentru a produce fenol și acetonă.

Derivați clorurati ai benzenului folosit pentru protectia plantelor. Astfel, produsul înlocuirii atomilor de H din benzen cu atomi de clor este hexaclorbenzenul C 6 Cl 6 - un fungicid; este folosit pentru tratarea uscată a semințelor de grâu și secară împotriva scoicii. Produsul adăugării clorului la benzen este hexaclorciclohexan (hexacloran) C 6 H 6 Cl 6 - un insecticid; este folosit pentru combaterea insectelor dăunătoare. Substantele mentionate sunt clasificate drept pesticide - chimicale lupta împotriva microorganismelor, plantelor și animalelor.

Stiren C 6 H 5 – CH = CH 2 polimerizează foarte uşor, formând polistiren, iar la copolimerizarea cu butadienă, cauciucuri stiren-butadienă.

EXPERIENȚE VIDEO

Chimia este o știință foarte fascinantă. Ea studiază toate substanțele care există în natură și există un număr mare de ele. Ele sunt împărțite în anorganice și organice. În acest articol ne vom uita la hidrocarburile aromatice, care aparțin celui din urmă grup.

Ce este?

Acestea sunt substanțe organice care conțin unul sau mai multe nuclee de benzen - structuri stabile de șase atomi de carbon conectați într-un poligon. Acești compuși chimici au un miros specific, așa cum se poate înțelege din numele lor. Hidrocarburile din acest grup sunt clasificate ca ciclice, spre deosebire de alcani, alchine etc.

Hidrocarburi aromatice. Benzen

Acesta este cel mai simplu compus chimic din acest grup de substanțe. Moleculele sale conțin șase atomi de carbon și aceeași cantitate de hidrogen. Toate celelalte hidrocarburi aromatice sunt derivați ai benzenului și pot fi obținute folosindu-l. În condiții normale, această substanță este în stare lichidă, este incoloră, are un miros dulce specific și nu se dizolvă în apă. Începe să fiarbă la o temperatură de +80 de grade Celsius și îngheață la +5.

Proprietățile chimice ale benzenului și ale altor hidrocarburi aromatice

Primul lucru la care trebuie să acordați atenție este halogenarea și nitrarea.

Reacții de substituție

Prima dintre acestea este halogenarea. În acest caz, pentru ca reacția chimică să aibă loc, este necesar să se folosească un catalizator și anume triclorura de fier. Astfel, dacă adăugăm clor (Cl 2) la benzen (C 6 H 6), obținem clorbenzen (C 6 H 5 Cl) și acid clorhidric (HCl), care este eliberat sub formă de gaz limpede cu miros înțepător. Adică, ca rezultat al acestei reacții, un atom de hidrogen este înlocuit cu un atom de clor. Același lucru se poate întâmpla atunci când în benzen se adaugă alți halogeni (iod, brom etc.). A doua reacție de substituție, nitrarea, urmează un principiu similar. Aici, o soluție concentrată de acid sulfuric acționează ca catalizator. Pentru a realiza acest tip de reacție chimică, este necesar să se adauge acid azotat (HNO 3 ), de asemenea concentrat, la benzen, rezultând formarea nitrobenzenului (C 6 H 5 NO 2) și apă. În acest caz, atomul de hidrogen este înlocuit cu un grup format dintr-un atom de azot și doi atomi de oxigen.

Reacții de adaos

Acesta este al doilea tip de interacțiuni chimice în care sunt capabile să intre hidrocarburile aromatice. De asemenea, există în două tipuri: halogenare și hidrogenare. Prima apare numai în prezența energiei solare, care acționează ca un catalizator. Pentru a efectua această reacție, în benzen trebuie adăugat și clor, dar în cantități mai mari decât pentru înlocuire. Trebuie să existe trei clori pe moleculă de benzen. Ca rezultat, obținem hexaclorciclohexan (C 6 H 6 Cl 6), adică se vor adăuga și șase clor la atomii existenți.

Hidrogenarea are loc numai în prezența nichelului. Pentru a face acest lucru, trebuie să amestecați benzen și hidrogen (H2). Proporțiile sunt aceleași ca în reacția anterioară. Ca rezultat, se formează ciclohexan (C6H12). Toate celelalte hidrocarburi aromatice pot suferi și ele acest tip de reacție. Ele apar după același principiu ca și în cazul benzenului, doar cu formarea unor substanțe mai complexe.

Obținerea de substanțe chimice din acest grup

Să începem la fel cu benzenul. Poate fi obținut folosind un reactiv precum acetilena (C2H2). Dintre cele trei molecule ale unei substanţe date aflate sub influenţă temperatură ridicată iar catalizatorul produce o moleculă a compusului chimic dorit.

De asemenea, benzenul și unele alte hidrocarburi aromatice pot fi extrase din gudronul de cărbune, care se formează în timpul producției de cocs metalurgic. Cele obținute în acest mod includ toluen, o-xilen, m-xilen, fenantren, naftalenă, antracen, fluoren, crisen, difenil și altele. În plus, substanțele din acest grup sunt adesea extrase din produse petroliere.

Cum arată diferiții compuși chimici din această clasă?

Stirenul este un lichid incolor cu miros plăcut, ușor solubil în apă, punctul de fierbere este de +145 grade Celsius. Naftalina este o substanță cristalină, de asemenea ușor solubilă în apă, se topește la o temperatură de +80 de grade și fierbe la +217. In conditii normale, antracenul se prezinta si sub forma de cristale, dar nu mai incolor, ci de culoare galbena. Această substanță este insolubilă fie în apă, fie în solvenți organici. Punct de topire - +216 grade Celsius, punctul de fierbere - +342. Fenantrenul apare ca cristale strălucitoare care se dizolvă doar în solvenți organici. Punct de topire - +101 grade, punctul de fierbere - +340 grade. Fluorenul, după cum sugerează și numele, este capabil de fluorescență. Acestea, ca multe alte substanțe din acest grup, sunt cristale incolore, insolubile în apă. Punct de topire - +116, punctul de fierbere - +294.

Aplicații ale hidrocarburilor aromatice

Benzenul este folosit ca materie primă în producția de coloranți. De asemenea, este utilizat în producția de explozibili, pesticide și unele medicamente. Stirenul este utilizat la producerea polistirenului (spumă) prin polimerizarea materiei prime. Acesta din urmă este utilizat pe scară largă în construcții: ca material izolator termic și fonic și izolator electric. Naftalina, ca și benzenul, este implicată în producția de pesticide, coloranți și medicamente. În plus, este folosit în industria chimică pentru a produce mulți compuși organici. Antracenul este folosit și la fabricarea coloranților. Fluorenul joacă rolul unui stabilizator polimeric. Fenantrenul, ca și substanța anterioară și multe alte hidrocarburi aromatice, este unul dintre componentele coloranților. Toluenul este utilizat pe scară largă în industria chimică pentru extracția substanțelor organice, precum și pentru producerea de explozivi.

Caracteristicile și utilizarea substanțelor produse cu hidrocarburi aromatice

Acestea includ în primul rând produsele luate în considerare reactii chimice benzen Clorobenzenul, de exemplu, este un solvent organic, folosit și în producția de fenol, pesticide și substanțe organice. Nitrobenzenul este o componentă a lustruirii metalelor, este folosit la fabricarea unor coloranți și arome și poate acționa ca solvent și agent oxidant. Hexaclorociclohexanul este folosit ca otravă pentru combaterea insectelor dăunătoare și în industria chimică. Ciclohexanul este utilizat în producția de vopsele și lacuri, în producerea multor compuși organici și în industria farmaceutică.

Concluzie

După citirea acestui articol, putem concluziona că toate hidrocarburile aromatice au aceeași structură chimică, ceea ce le permite să fie combinate într-o singură clasă de compuși. În plus, lor fizice și proprietăți chimice sunt de asemenea destul de asemănătoare. Aspect, punctele de fierbere și de topire ale tuturor substanțelor chimice din acest grup nu sunt foarte diferite. Multe hidrocarburi aromatice își găsesc utilizarea în aceleași industrii. Substanțele care pot fi obținute prin reacții de halogenare, nitrare și hidrogenare au, de asemenea, proprietăți similare și sunt utilizate în scopuri similare.

Hidrocarburile aromatice, numite și arene, sunt reprezentate de substanțe organice. Moleculele lor conțin unul sau mai mulți nuclei de benzen (inele). Benzenul, numit și benzen, este primul membru al seriei omoloage de arene. Proprietățile chimice, structura moleculei și tipurile de legături chimice din molecula sa au o serie de caracteristici. Le vom analiza în articolul nostru și, de asemenea, ne vom familiariza cu alți compuși incluși în grupul de hidrocarburi aromatice.

Cum se stabilește formula structurală a arenelor

În 1865, omul de știință german F. Kekule a propus un model spațial al celei mai simple arene - benzenul. Arăta ca un hexagon plat, la vârfurile căruia se aflau atomi de carbon, care erau legați între ei prin trei legături simple și duble, alternând între ele. Cu toate acestea, proprietățile chimice identificate experimental ale arenelor nu corespundeau cu formula propusă de F. Kekule. De exemplu, benzenul nu a decolorat o soluție de permanganat de potasiu și apă cu brom, ceea ce a indicat absența legăturilor pi în moleculele de arenă. Care este structura reală a benzenului? Hidrocarburile aromatice nu au nici legături simple, nici duble. S-a stabilit experimental că acești compuși conțin un tip echivalent de legătură chimică între atomii de carbon, numită unu și jumătate sau aromatică. De aceea nu intră în reacții de oxidare cu soluții de KMnO4 și Br2. Formula generală a arenelor este derivată - CnH2n-6. Toate proprietățile specifice ale compușilor aromatici pot fi explicate prin structura lor electronică, pe care o vom studia în continuare.

Formula electronica

Folosind benzenul ca exemplu, vom stabili modul în care atomii de carbon sunt conectați între ei. S-a dovedit că toți cei șase atomi de carbon sunt sub formă de hibridizare sp2. Carbonul este legat de un atom de hidrogen și doi atomi de carbon vecini prin trei legături sigma. Aceasta este ceea ce creează forma plată, hexagonală a moleculei. Cu toate acestea, fiecare atom de carbon are încă o particulă încărcată negativ care nu este implicată în hibridizare. Norul său de electroni are forma unei gantere și se află deasupra și sub planul unui hexagon numit inel de benzen. Apoi, toate cele șase gantere se suprapun și formează o legătură aromatică comună (una și jumătate). Ea este cea care determină toate fizice și caracteristici chimice substante. Aceasta este structura electronică a arenelor.

Ce este benzenul?

Cunoașterea primului reprezentant al acestei clase, benzenul, vă va ajuta să înțelegeți mai bine caracteristicile hidrocarburilor aromatice. Un lichid ușor mobil, inflamabil, incolor, cu un miros deosebit, insolubil în apă, este benzenul. Atât compusul în sine, cât și vaporii săi sunt toxici. Conform formulei generale a arenelor, compoziția cantitativă și calitativă a moleculei de substanță poate fi exprimată sub următoarea formă: C6H6. Ca și în cazul altor hidrocarburi aromatice - toluen, antracen sau naftalenă, reacțiile de ardere și înlocuirea atomilor de hidrogen din ciclul benzenic vor fi tipice pentru benzen. O caracteristică a oxidării severe a tuturor compușilor aromatici este o flacără foarte fumoasă. Un amestec de vapori de benzen și aer este exploziv, astfel încât toate experimentele cu substanța în laborator sunt efectuate numai într-o hotă. Benzenul, ca și alte substanțe aromatice, nu adaugă nici apă, nici halogenuri de hidrogen. De asemenea, nu decolorează soluția de permanganat de potasiu și apa cu brom. Omologii benzenului, cum ar fi toluenul sau cumenul, pot fi oxidați în acest caz, nu inelul benzenic în sine suferă reacția, ci doar radicalul.

Proprietățile chimice ale arenelor

Ce reacții sunt capabile de compuși care conțin inele benzenice și o legătură de una și jumătate între atomii de carbon? Acestea sunt, în primul rând, reacții de substituție, care apar mult mai ușor în ele decât în ​​alcani. Să ne imaginăm o înregistrare a reacției catalitice dintre benzen și brom cu participarea bromurii ferice, care duce la formarea bromobenzenului, un lichid incolor insolubil în apă:

C6H6+ Br2→ C6H5Br +HBr

Dacă clorura de aluminiu este utilizată ca catalizator în proces, este posibil să se realizeze înlocuirea completă a tuturor atomilor de hidrogen din molecula de benzen. În acest caz, se formează hexaclorbenzen, din care cristale incolore sunt folosite în metodele de protecție a semințelor plantelor cultivate și în procesele de prelucrare a lemnului pentru a prelungi durata de valabilitate a acestuia. Pentru mai mult caracteristici complete arenov să adăugăm câteva fapte. Pentru ca compușii aromatici să atașeze alte substanțe, cum ar fi clorul, sunt necesare condiții speciale. În cazul nostru, aceasta va fi iradierea cu ultraviolete a amestecului de reacție. Produsul de reacție va fi hexaclorociclohexan sau, așa cum se mai numește, hexacloran. Acest lucru este cunoscut în agricultură produs - un insecticid folosit pentru combaterea insectelor dăunătoare.

Cum și de ce se obține nitrobenzenul?

Să continuăm revizuirea proprietăților chimice ale arenelor. Prin utilizarea acizilor azotic și sulfat concentrați (amestec de nitrare) într-o singură reacție, se poate obține din benzen un produs important pentru sinteza organică - nitrobenzenul. Acest lichid are o culoare galben pal, un aspect uleios și are un miros de migdale. Este insolubil în apă, dar este adesea folosit ca solvent pentru multe substanțe organice: lacuri, grăsimi etc. Nitrobenzenul este un produs cu tonaj mare, deoarece este folosit ca materie primă pentru producerea anilinei. Această substanță este atât de importantă pentru industria chimică, încât merită să ne gândim mai detaliat asupra ei. Celebrul chimist rus N.N. În 1842, Zinin a obținut anilină din nitrobenzen prin reacție de reducere cu sulfură de amoniu. În condițiile moderne, metoda contactului a devenit larg răspândită, în care un amestec de vapori de hidrogen și nitrobenzen este trecut la o temperatură de 300 °C peste un catalizator. Amina aromatică rezultată este utilizată ulterior pentru producerea de explozivi, coloranți, medicamente.

Din ce se extrag hidrocarburile aromatice?

Cea mai promițătoare este producția de arene din produsul cărbunelui cocsificabil și în timpul rafinării petrolului. Cicloparafinele conținute în gudronul de cărbune sunt hidrogenate peste un catalizator la temperaturi de până la 300 °C, produsul de reacție este benzenul. Dehidrogenarea alcanilor duce, de asemenea, la formarea de hidrocarburi aromatice. Folosind reacția Zelinsky-Kazansky, benzenul este obținut din etină prin trecerea acestuia printr-un tub cu cărbune activ încălzit la 600 °C. Prepararea arenelor, de exemplu toluenul, se realizează folosind reacția Friedel-Crafts. Metilbenzenul (toluenul) poate fi produs și folosind heptan. Tipurile de arene obținute sunt utilizate ca solvenți și aditivi la combustibilul pentru motoare, în producția de coloranți cu anilină și pesticide.

Naftalină

În anii 50-70 ai secolului trecut, unul dintre mijloacele preferate de protecție a produselor din blană și lână de molii în viața de zi cu zi a fost naftalina. Odată cu utilizarea prelungită, hainele au căpătat un miros caracteristic, foarte persistent. Cu toate acestea, mai importantă este utilizarea naftalinei ca materie primă pentru sinteza medicamente, coloranți, explozivi. Principalele metode de producere a acestuia se bazează pe prelucrarea produselor de distilare a petrolului și a deșeurilor de producție de etilenă - rășină de piroliză. Substanța, spre deosebire de benzen, conține două nuclee de benzen, astfel încât reacțiile de nitrare și halogenare au loc mai rapid în ea. Continuând să dăm exemple de arene, ne vom concentra pe o altă hidrocarbură aromatică importantă pentru industrie - vinilbenzenul.

Stiren

Industria modernă a materialelor de construcție este imposibilă fără materiale polimerice: ușor de prelucrat, durabil și rezistent la uzură. Polimerii derivați din vinilbenzen, cum ar fi spuma de polistiren, materialele plastice SAN și ABS, sunt utilizați în producția de plafoane suspendate, pardoseli, izolarea peretelui. Stirenul este obținut din etilbenzen sub formă de lichid incolor, inflamabil, cu un miros deosebit. Ulterior, este supus polimerizării și se extrage o masă solidă sticloasă - polistiren. Acesta servește ca produs de pornire în producția materialelor de construcție menționate mai sus. Vinilbenzenul este folosit ca solvent, folosit împreună cu butadiena în reacția de polimerizare care duce la sinteza cauciucurilor stiren-butadienă.

Nomenclatura compușilor aromatici

Numele arenelor de către clasificare internationala Denumirea IUPAC include desemnarea substituentului, la care se adaugă cuvântul „benzen”. De exemplu, C6H5CH3 este metilbenzen, C6H5C2H3 este vinilbenzen. Acești compuși au, de asemenea, nume banale, de exemplu, primul compus se numește toluen, al doilea - stiren. Arenele pot conține doi substituenți, de exemplu doi radicali metil. Sunt capabili să unească ciclul de carbon în trei poziții: la 1 și 2 atomi de carbon, apoi vorbesc despre poziția orto a substituenților. Dacă radicalii sunt localizați la 1 și 3 particule de carbon, atunci despre care vorbim despre poziția meta a substituenților, la 1 și 4 atomi de carbon - aceasta este substituție para. Omologii superiori ai benzenului pot fi reprezentați ca derivați ai hidrocarburilor saturate, în moleculele cărora un atom de hidrogen este înlocuit cu un radical fenil C6H5-. De exemplu, un compus cu formula C6H5C6H13 ar fi numit „fenilhexan”.

În articolul nostru, am studiat proprietățile chimice ale arenelor și, de asemenea, le-am caracterizat proprietățile și aplicațiile industriale.

ORENES

Hidrocarburi aromatice (arene) – hidrocarburi ciclice, unite prin conceptul de aromaticitate, care determină caracteristici comune în structură și proprietăți chimice.

Clasificare

Pe baza numărului de inele benzenice din moleculă, arenele sunt împărțite în la:

mononucleare

multi-core

Nomenclatură și izomerie

Strămoșul structural al hidrocarburilor din seria benzenului este benzen C6H6 din care derivă denumirile sistematice ale omologilor.

Pentru compușii monociclici, se păstrează următoarele denumiri nesistematice (triviale):

Poziția substituenților este indicată cu cele mai mici numere (direcția numerotării nu contează),

iar pentru compușii disubstituiți puteți folosi notația orto, meta, pereche.

Dacă există trei substituenți în inel, ei ar trebui să primească cele mai mici numere, adică rândul „1,2,4” are un avantaj față de „1,3,4”.

1,2-dimetil-4-etilbenzen (denumire corectă) 3,4-dimetil-1-etilbenzen (denumire incorectă)

Izomeria arenelor monosubstituite se datorează structurii scheletului de carbon al substituentului în omologii benzenului di- și polisubstituit, se adaugă izomerie suplimentară, cauzată de aranjarea diferită a substituenților în nucleu.

Izomeria hidrocarburilor aromatice cu compoziția C 9 H 12:

Proprietăți fizice

Punctele de fierbere și de topire ale arenelor sunt mai mari decât cele ale alcanilor, alchenelor, alchinelor, sunt ușor polari, insolubile în apă și foarte solubile în solvenți organici nepolari. Arenele sunt lichide sau solide care au mirosuri specifice. Benzenii și multe arene condensate sunt toxice, unele dintre ele prezintă proprietăți cancerigene. Produșii intermediari ai oxidării arenelor condensate în organism sunt epoxizii, care fie provoacă în mod direct cancer, fie sunt precursori ai agenților cancerigeni.

Obținerea de arene

Multe hidrocarburi aromatice au importante semnificație practicăși sunt produse la scară industrială largă. Rând metode industriale bazată pe prelucrarea cărbunelui și petrolului.

Uleiul este format în principal din hidrocarburi alifatice și aliciclice pentru a transforma hidrocarburile alifatice sau aciclice în cele aromatice, au fost dezvoltate metode de aromatizare a uleiului, a căror bază chimică a fost dezvoltată de N.D. Zelinsky, B.A. Kazansky.

1. Ciclizare și dehidrogenare:

2. Hidrodesmetilarea:

3. Omologii benzenului sunt preparați prin alchilare sau acilare urmată de reducerea grupării carbonil.

a) alchilare Friedel-Crafts:

b) Acilare Friedel-Crafts:

4. Prepararea bifenilului prin reacția Wurtz-Fitting:

5. Prepararea difenilmetanului prin reacția Friedel-Crafts:

Structură și proprietăți chimice.

Criterii de aromatitate:

Pe baza calculelor teoretice și a studiilor experimentale ale sistemelor conjugate ciclice, s-a constatat că un compus este aromatic dacă are:

• σ-schelet ciclic plat;
• Un sistem de electroni π închis conjugat, care acoperă toți atomii inelului și care conține 4n + 2, unde n = 0, 1, 2, 3 etc. Această formulare este cunoscută ca regula lui Hückel.

Criteriile de aromaticitate permit să se distingă sistemele aromatice conjugate de toate celelalte. Benzenul conține un sextet de electroni π și urmează regula lui Hückel la n = 1.

Ce dă aromaticitatea: În ciuda grad înalt

nesaturați, compușii aromatici sunt rezistenți la agenții oxidanți și la temperatură, sunt mai predispuși să sufere reacții de substituție decât reacții de adiție. Acești compuși au stabilitate termodinamică crescută, care este asigurată de energia mare de conjugare a sistemului inelar aromatic (150 kJ/mol, prin urmare, arenele intră de preferință în reacții de substituție, în urma cărora păstrează aromaticitatea);

Mecanismul reacțiilor de substituție electrofilă în ciclul aromatic:

Densitatea electronică a sistemului π-conjugat al inelului benzenic este o țintă convenabilă pentru atacul de către reactivii electrofili.

De obicei, reactivii electrofili sunt generați în timpul unei reacții folosind catalizatori și condiții adecvate.

E – Y → E δ + – Y δ - → E + + Y - Formarea unui complex π. Atacul inițial de către electrofil al norului de electroni π al inelului duce la coordonarea reactivului cu sistemul π și la formarea unui complex de tip donor-acceptor numitπ-complex.

Sistemul de aromă nu este perturbat: Formarea complexului σ. Etapa limitativă, în care electrofilul formează o legătură covalentă cu un atom de carbon datorită a doi electroni ai sistemului π al inelului, care este însoțită de tranziția acestui atom de carbon de la sp 2 - V sp 3 -

stare hibridă și perturbare aromatică, molecula se transformă într-un carbocation.

Stabilizarea complexului σ. Se realizează prin abstracția unui proton din complexul σ folosind o bază. În acest caz, datorită celor doi electroni ai ruperii legăturii covalente C–H, sistemul π închis al inelului este restaurat, adică. molecula revine la starea aromatică:

Efectul substituenților asupra reactivității și orientării substituției electrofile π- Substituenții de pe inelul benzenic perturbă uniformitatea distribuției

• nor de electroni al inelului și influențează astfel reactivitatea inelului. Substituenții donatori de electroni (D) măresc densitatea de electroni a inelului și cresc rata de substituție electrofilă se numesc astfel de substituenți
• Substituenții atrăgătoare de electroni (A) reduc densitatea de electroni a inelului și reduc viteza de reacție, numită decontaminant.

HIDROCARBURI AROMATICE

Pentru compușii aromatici, sau arene, se referă grup mare compuși ale căror molecule conțin o grupare ciclică stabilă (inel benzenic), care are proprietăți fizice și chimice speciale.

Acești compuși includ în principal benzen și numeroșii săi derivați.

Termenul „aromatic” a fost folosit pentru prima dată pentru a se referi la produsele naturale care aveau un miros aromat. Deoarece printre acești compuși erau mulți care includeau inele benzenice, termenul „aromatic” a început să fie aplicat oricăror compuși (inclusiv cei cu miros neplăcut) care conțineau un inel benzenic.

Benzenul, structura sa electronică

Pe baza formulei benzenului C6H6, se poate presupune că benzenul este un compus foarte nesaturat, similar, de exemplu, cu acetilena.

Cu toate acestea, proprietățile chimice ale benzenului nu susțin această presupunere.

Astfel, în condiții normale, benzenul nu dă reacții caracteristice hidrocarburilor nesaturate: nu intră în reacții de adiție cu halogenuri de hidrogen și nu decolorează soluția de permanganat de potasiu. În același timp, benzenul suferă reacții de substituție similare cu hidrocarburile saturate.

Aceste fapte indică faptul că benzenul este parțial similar cu hidrocarburile saturate și parțial nesaturate și, în același timp, diferit de ambele.

Prin urmare, pentru o lungă perioadă de timp, au avut loc discuții aprinse între oamenii de știință cu privire la structura benzenului.

Conform conceptelor moderne, molecula de benzen are structura unui hexagon plat, ale cărui laturi sunt egale între ele și se ridică la 0,140 nm. Această distanță este valoarea medie între 0,154 nm (lungimea legăturii simple) și 0,134 nm (lungimea legăturii duble). Nu numai atomii de carbon, ci și cei șase atomi de hidrogen asociați cu ei se află în același plan. Unghiurile formate de legăturile H - C - C și C - C - C sunt egale cu 120 °.

Atomii de carbon din benzen sunt în hibridizare sp 2, adică. Din cei patru orbitali ai atomului de carbon, doar trei sunt hibridizați (unul 2s- și doi 2 p-), care participă la formarea legăturilor σ între atomii de carbon. Al patrulea 2 p-orbital se suprapune cu cei 2 p-orbitali ai doi atomi de carbon vecini (pe dreapta și pe stânga), șase electroni π delocalizați situati în orbitali în formă de gantere, ale căror axe sunt perpendiculare pe planul lui. inelul benzen, formează un singur sistem electronic închis, stabil.

Ca rezultat al formării unui sistem electronic închis de către toți cei șase atomi de carbon, are loc „alinierea” legăturilor simple și duble, adică. moleculei de benzen îi lipsesc legăturile clasice duble și simple.

Distribuția uniformă a densității electronilor π între toți atomii de carbon este motivul pentru stabilitatea ridicată a moleculei de benzen. Pentru a sublinia uniformitatea densității electronilor π în molecula de benzen, ei recurg la următoarea formulă:

Nomenclatura și izomeria hidrocarburilor aromatice din seria benzenului

Formula generală a seriei omoloage de benzen este C n H 2 n -6. Primul omolog al benzenului este metilbenzenul sau toluen,

C7H8

nu are izomeri de poziție, ca toți ceilalți derivați monosubstituiți. Al doilea omolog al lui C8H10 poate exista în patru forme izomerice: etilbenzen C6H5-C2H5 și trei dimetilbenzeni, sau xilen, SbH4(CH3)2(orto-, meta- perecheŞi

-xilen sau 1,2-, 1,3- și 1,4-dimetilbenzeni): Radicalul (reziduul) benzenului C 6 H 5 se numește fenil ; numele radicalilor omologilor benzenului sunt derivate din numele hidrocarburilor corespunzătoare prin adăugarea unui sufix la rădăcină -il(tolil, xilil etc.) și notate cu litere (o-, m-, p-) sau numere poziția lanțurilor laterale. Denumirea generală a tuturor radicalilor aromatici Arils asemănător cu numele

La denumirea derivaților benzeni mai complexe, din ordinele de numerotare posibile, alegeți-o pe cea în care suma cifrelor numerelor substituente este cea mai mică.

De exemplu, structura dimetil etil benzen

ar trebui să fie numit 1,4-dimetil-2-etilbenzen (suma cifrelor este 7), nu 1,4-dimetil-6-etilbenzen (suma cifrelor este 11).

Numele omologilor superiori ai benzenului sunt adesea derivate nu din numele inelului aromatic, ci din numele lanțului lateral, adică sunt considerați derivați ai alcanilor:

Proprietățile fizice ale hidrocarburilor aromatice din seria benzenului

Membrii inferiori ai seriei omoloage de benzen sunt lichide incolore cu un miros caracteristic.

Densitatea și indicele lor de refracție sunt mult mai mari decât cele ale alcanilor și alchenelor. Punctul de topire este, de asemenea, vizibil mai mare. Datorită conținutului ridicat de carbon, toți compușii aromatici ard cu o flacără foarte fumurie. Toate hidrocarburile aromatice sunt insolubile în apă și foarte solubile în majoritatea solvenților organici: multe dintre ele sunt ușor distilate cu abur.

Proprietățile chimice ale hidrocarburilor aromatice din seria benzenului

Pentru hidrocarburile aromatice, cele mai tipice reacții sunt substituirea hidrogenului în ciclul aromatic. Hidrocarburile aromatice suferă reacții de adiție cu mare dificultate în condiții dure. O caracteristică distinctivă a benzenului este rezistența sa semnificativă la agenții oxidanți.

Reacții de adaos

Adaos de hidrogen

În unele cazuri rare, benzenul este capabil de reacții de adiție. Hidrogenarea, adică adăugarea de hidrogen, are loc sub acțiunea hidrogenului în condiții dure în prezența catalizatorilor (Ni, Pt, Pd). În acest caz, o moleculă de benzen atașează trei molecule de hidrogen pentru a forma ciclohexan:

Adăugarea de halogeni

Dacă o soluție de clor în benzen este expusă la lumina soarelui sau la raze ultraviolete, are loc adăugarea de radicali a trei molecule de halogen pentru a forma un amestec complex de stereoizomeri hexaclorociclohexan:

Benzenul este chiar mai rezistent la agenții oxidanți decât hidrocarburile saturate. Nu este oxidat de acid azotic diluat, soluție de KMnO 4 etc. Omologii benzenului se oxidează mult mai ușor. Dar chiar și în ei, inelul benzenic este relativ mai rezistent la acțiunea agenților oxidanți decât radicalii de hidrocarburi asociați cu acesta. Există o regulă: orice omolog de benzen cu un lanț lateral este oxidat la un acid monobazic (benzoic):

Omologii benzenului cu lanțuri laterale multiple de orice complexitate sunt oxidați pentru a forma acizi aromatici polibazici:

Reacții de substituție

1. Halogenare

În condiții normale, hidrocarburile aromatice practic nu reacţionează cu halogenii; benzenul nu decolorează apa cu brom, dar în prezența catalizatorilor (FeCl 3, FeBr 3, AlCl 3) într-un mediu anhidru, clorul și bromul reacţionează energic cu benzenul la temperatura camerei:

Reacția de nitrare

Pentru reacție se folosește acid azotic concentrat, adesea amestecat cu acid sulfuric concentrat (catalizator):

În benzenul nesubstituit, reactivitatea tuturor celor șase atomi de carbon în reacțiile de substituție este aceeași; substituenții se pot atașa la orice atom de carbon. Dacă există deja un substituent în ciclul benzenic, atunci sub influența acestuia starea nucleului se schimbă, iar poziția în care intră orice substituent nou depinde de natura primului substituent. Rezultă de aici că fiecare substituent din inelul benzenic prezintă o anumită influență de direcție (orientare) și contribuie la introducerea de noi substituenți numai în poziții specifice lui.

În funcție de influența lor direcțională, diferiți substituenți sunt împărțiți în două grupuri:

a) substituenți de primul fel:

Ei direcționează orice substituent nou în poziții orto și para față de ei înșiși. În același timp, aproape toate reduc stabilitatea grupării aromatice și facilitează atât reacțiile de substituție, cât și reacțiile inelului benzenic:

b) substituenți de al doilea fel:

Ei direcționează orice nou substitut către o meta-poziție în raport cu ei înșiși. Ele măresc stabilitatea grupării aromatice și complică reacțiile de substituție:

Astfel, caracterul aromatic al benzenului (și al altor arene) se exprimă prin faptul că acest compus, fiind nesaturat în compoziție, se manifestă ca un compus saturat într-o serie de reacții chimice se caracterizează prin stabilitate chimică și dificultate de adăugare; reactii. Doar în condiții speciale (catalizatori, iradiere) benzenul se comportă ca și cum molecula sa ar avea trei legături duble.