Ароматни HC (арени)– това са въглеводороди, чиито молекули съдържат един или повече бензенови пръстени.

Примери за ароматни въглеводороди:

Арени от бензеновата серия (моноциклични арени)

Обща формула:C n H 2n-6, n≥6

Най-простият представител на ароматните въглеводороди е бензенът, неговата емпирична формула е C 6 H 6.

Електронна структура на молекулата на бензена

Общата формула на моноцикличните арени C n H 2 n -6 показва, че те са ненаситени съединения.

През 1856 г. немският химик А.Ф. Кекуле предложи циклична формула за бензен с конюгирани връзки (редуват се единични и двойни връзки) - циклохексатриен-1,3,5:

Тази структура на молекулата на бензена не обяснява много от свойствата на бензена:

• Бензенът се характеризира с реакции на заместване, а не с реакции на добавяне, характерни за ненаситените съединения. Реакциите на добавяне са възможни, но са по-трудни, отколкото за ;
• бензенът не влиза в реакции, които са качествени реакции на ненаситени въглеводороди (с бромна вода и разтвор на KMnO 4).

По-късни изследвания на електронна дифракция показват, че всички връзки между въглеродните атоми в молекулата на бензена имат една и съща дължина от 0,140 nm (средната стойност между дължината на единична C-C връзка от 0,154 nm и двойна C=C връзка от 0,134 nm). Ъгълът между връзките при всеки въглероден атом е 120°. Молекулата е правилен плосък шестоъгълник.

Съвременната теория за обяснение на структурата на молекулата C 6 H 6 използва идеята за хибридизация на атомни орбитали.

Въглеродните атоми в бензена са в състояние на sp 2 хибридизация. Всеки атом "C" образува три σ връзки (две с въглеродни атоми и една с водороден атом). Всички σ връзки са в една и съща равнина:

Всеки въглероден атом има един р-електрон, който не участва в хибридизацията. Нехибридизираните р-орбитали на въглеродните атоми са в равнината, перпендикулярна на равнинатаσ-връзки. Всеки p-облак се припокрива с два съседни p-облака и в резултат на това се образува единична спрегната π-система (помнете ефекта на конюгиране на p-електрони в молекулата на 1,3-бутадиен, разгледан в темата „Диенови въглеводороди“ ”):

Комбинацията от шест σ-връзки с една π-система се нарича ароматна връзка.

Нарича се пръстен от шест въглеродни атома, свързани с ароматна връзка бензенов пръстенили бензенов пръстен.

В съответствие със модерни идеиотносно електронната структура на бензена, молекулата C 6 H 6 е изобразена по следния начин:

Физични свойства на бензена

Бензолът при нормални условия е безцветна течност; t o pl = 5,5 o C; да кипна. = 80°С; има характерна миризма; не се смесва с вода, добър разтворител, силно токсичен.

Химични свойства на бензола

Ароматната връзка определя химичните свойства на бензена и другите ароматни въглеводороди.

6π-електронната система е по-стабилна от обикновените двуелектронни π-връзки. Следователно реакциите на присъединяване са по-малко типични за ароматните въглеводороди, отколкото за ненаситените въглеводороди. Най-характерните реакции за арен са реакциите на заместване.

аз. Реакции на заместване

1.Халогениране

2. Нитриране

Реакцията се провежда със смес от киселини (нитруваща смес):

3.Сулфониране

4.Алкилиране (заместване на атома "H" с алкилова група) - Реакции на Фридел-Крафтс, се образуват бензенови хомолози:

Вместо халоалкани могат да се използват алкени (в присъствието на катализатор - AlCl 3 или неорганична киселина):

II. Реакции на присъединяване

1.Хидрогениране

2.Добавяне на хлор

III.Окислителни реакции

1. Изгаряне

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. Непълно окисляване (KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 инча кисела среда). Бензеновият пръстен е устойчив на окислители. Не възниква реакция.

Получаване на бензен

В индустрията:

1) преработка на нефт и въглища;

2) дехидрогениране на циклохексан:

3) дехидроциклизиране (ароматизиране) на хексан:

В лабораторията:

Сливане на соли на бензоена киселина с:

Изомерия и номенклатура на бензенови хомолози

Всеки хомолог на бензена има странична верига, т.е. алкилови радикали, свързани с бензенов пръстен. Първият бензенов хомолог е бензенов пръстен, свързан с метилов радикал:

Толуенът няма изомери, тъй като всички позиции в бензеновия пръстен са еквивалентни.

За следващите хомолози на бензена е възможен един вид изомерия - изомерия на страничната верига, която може да бъде два вида:

1) изомерия на броя и структурата на заместителите;

2) изомерия на позицията на заместителите.

Физични свойства на толуола

Толуен- безцветна течност с характерна миризма, неразтворима във вода, разтворима в органични разтворители. Толуенът е по-малко токсичен от бензена.

Химични свойства на толуола

аз. Реакции на заместване

1. Реакции, включващи бензеновия пръстен

Метилбензенът влиза във всички реакции на заместване, в които участва бензен, и в същото време проявява по-висока реактивност, реакциите протичат с по-висока скорост.

Метиловият радикал, съдържащ се в молекулата на толуола, е заместител от този вид, следователно в резултат на реакции на заместване в бензеновия пръстен се получават орто- и пара-производни на толуен или, в случай на излишък на реагента, трипроизводни от общата формула:

а) халогениране

При допълнително хлориране могат да се получат дихлорометилбензен и трихлорометилбензен:

II. Реакции на присъединяване

Хидрогениране

III.Окислителни реакции

1.Изгаряне
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

2. Непълно окисляване

За разлика от бензена, неговите хомолози се окисляват от определени окислители; в този случай страничната верига е подложена на окисление, в случая на толуен - метиловата група. Леките окислители като MnO 2 го окисляват до алдехидна група, по-силните окислители (KMnO 4) причиняват допълнително окисление до киселина:

Всеки хомолог на бензен с една странична верига се окислява от силен окислител като KMnO4 в бензоена киселина, т.е. страничната верига се разкъсва с окисляване на отцепената част до CO 2; Например:

Ако има няколко странични вериги, всяка от тях се окислява до карбоксилна група и в резултат се образуват многоосновни киселини, например:

Получаване на толуен:

В индустрията:

1) преработка на нефт и въглища;

2) дехидрогениране на метилциклохексан:

3) дехидроциклизиране на хептан:

В лабораторията:

1) Алкилиране на Фридел-Крафтс;

2) Реакция на Wurtz-Fittig(реакция на натрий със смес от халобензен и халоалкан).

Ароматни въглеводороди- съединения на въглерод и водород, чиято молекула съдържа бензенов пръстен. Най-важните представители на ароматните въглеводороди са бензенът и неговите хомолози - продукти от заместването на един или повече водородни атоми в бензенова молекула с въглеводородни остатъци.

Структурата на молекулата на бензена

Първото ароматно съединение, бензен, е открито през 1825 г. от М. Фарадей. Установена е неговата молекулна формула - C6H6. Ако сравним неговия състав със състава на наситен въглеводород, съдържащ същия брой въглеродни атоми - хексан (C 6 H 14), тогава можем да видим, че бензенът съдържа осем по-малко водородни атома. Както е известно, появата на множество връзки и цикли води до намаляване на броя на водородните атоми във въглеводородна молекула. През 1865 г. Ф. Кекуле предлага структурната му формула като циклохексантриен-1,3,5.

По този начин молекула, съответстваща на формулата на Кекуле, съдържа двойни връзки, следователно бензенът трябва да бъде ненаситен, т.е. лесно да претърпява реакции на добавяне: хидрогениране, бромиране, хидратация и др.

Данните от множество експерименти обаче показват, че бензенът претърпява присъединителни реакции само при тежки условия(при високи температури и осветление), устойчиви на окисление. Най-характерните реакции за него са реакциите на заместванеСледователно бензенът е по-близък по характер до наситените въглеводороди.

Опитвайки се да обяснят тези несъответствия, много учени предложиха различни варианти за структурата на бензена. Структурата на молекулата на бензена беше окончателно потвърдена от реакцията на нейното образуване от ацетилен. В действителност въглерод-въглеродните връзки в бензена са еквивалентни и техните свойства не са подобни на тези на единичните или двойните връзки.

Понастоящем бензенът се обозначава или с формулата на Кекуле, или с шестоъгълник, в който е изобразен кръг.

И така, какво е специално за структурата на бензена?

Въз основа на данни от изследвания и изчисления беше направен изводът, че всичките шест въглеродни атома са в състояние на sp 2 хибридизация и лежат в една и съща равнина. Нехибридизираните р-орбитали на въглеродните атоми, които изграждат двойните връзки (формула на Кекуле), са перпендикулярни на равнината на пръстена и успоредни един на друг.

Те се припокриват, образувайки единна π-система. По този начин системата от редуващи се двойни връзки, изобразена във формулата на Кекуле, е циклична система от спрегнати, припокриващи се π връзки. Тази система се състои от две тороидални (подобни на поничка) области с електронна плътност, разположени от двете страни на бензеновия пръстен. Следователно е по-логично бензенът да се изобрази като правилен шестоъгълник с кръг в центъра (π-система), отколкото като циклохексантриен-1,3,5.

Американският учен Л. Полинг предложи да се представи бензенът под формата на две гранични структури, които се различават по разпределението на електронната плътност и постоянно се трансформират една в друга:

Измерванията на дължината на връзката потвърждават това предположение. Установено е, че всички C-C връзки в бензена имат еднаква дължина (0,139 nm). Те са малко по-къси от единичните C-C връзки (0,154 nm) и по-дълги от двойните връзки (0,132 nm).

Има и съединения, чиито молекули съдържат няколко циклични структури, например:

Изомерия и номенклатура на ароматните въглеводороди

За бензенови хомолозихарактерна е изомерията на позицията на няколко заместителя. Най-простият хомолог на бензена е толуен(метилбензен) - няма такива изомери; следният хомолог е представен като четири изомера:

Основата на името на ароматен въглеводород с малки заместители е думата бензен. Атомите в ароматния пръстен са номерирани, започвайки от старши заместник до младши:

Ако заместителите са еднакви, тогава номерирането се извършва по най-краткия път: например вещество:

наречен 1,3-диметилбензен, а не 1,5-диметилбензен.

Според старата номенклатура позиции 2 и 6 се наричат ​​ортопозиции, 4 - парапозиции, 3 и 5 - метапозиции.

Физични свойства на ароматните въглеводороди

Бензол и неговите най-прости хомолози при нормални условия - много токсични течностис характерна неприятна миризма. Те се разтварят слабо във вода, но добре в органични разтворители.

Химични свойства на ароматните въглеводороди

Реакции на заместване.Ароматните въглеводороди претърпяват реакции на заместване.

1. Бромиране.При взаимодействие с бром в присъствието на катализатор, железен (III) бромид, един от водородните атоми в бензеновия пръстен може да бъде заменен с бромен атом:

2. Нитриране на бензен и неговите хомолози. Когато ароматен въглеводород взаимодейства с азотна киселина в присъствието на сярна киселина (смес от сярна и азотна киселина се нарича нитрираща смес), водородният атом се заменя с нитро група - NO 2:

Чрез редукция на нитробензен получаваме анилин- вещество, което се използва за получаване на анилинови багрила:

Тази реакция е кръстена на руския химик Зинин.

Реакции на присъединяване.Ароматните съединения могат също да претърпят реакции на присъединяване към бензеновия пръстен. В този случай се образува циклохексан и неговите производни.

1. Хидрогениране.Каталитичното хидрогениране на бензена става при повече висока температураотколкото хидрогениране на алкени:

2. Хлориране.Реакцията възниква при осветяване с ултравиолетова светлина и е свободен радикал:

Химични свойства на ароматните въглеводороди - резюме

Бензенови хомолози

Съставът на техните молекули съответства на формулата ° Снз2n-6. Най-близките хомолози на бензена са:

Всички хомолози на бензола след толуола имат изомери. Изомерията може да бъде свързана както с броя и структурата на заместителя (1, 2), така и с позицията на заместителя в бензеновия пръстен (2, 3, 4). Съединения с обща формула ° С 8 з 10 :

Съгласно старата номенклатура, използвана за обозначаване на относителното местоположение на два еднакви или различни заместителя върху бензеновия пръстен, се използват префиксите орто-(съкратено o-) - заместителите са разположени на съседни въглеродни атоми, мета-(m-) - през един въглероден атом и чифт-(n-) - заместители един срещу друг.

Първите членове на хомоложната серия на бензена са течности със специфична миризма. Те са по-леки от водата. Те са добри разтворители. Хомолозите на бензена претърпяват реакции на заместване:

бромиране:

нитриране:

Толуенът се окислява от перманганат при нагряване:

Справочен материал за полагане на теста:

Менделеевата таблица

Таблица за разтворимост

Настройка на експеримента и текст- Доцент доктор. Павел Беспалов.

Изучаване физични свойствабензен

Бензолът е безцветна, силно подвижна течност с характерна миризма. Да видим дали бензенът се разтваря във вода, алкохол и етер. Налейте малко бензен в три епруветки и добавете вода в първата епруветка, алкохол във втората и етер в третата. Бензолът е силно разтворим в алкохол и етер. Бензолът е слабо разтворим във вода и изплува нагоре като по-лека течност. В 100 ml вода се разтварят само 0,08 g бензен. Бензолът е добър разтворител. Смесете малко бензен с рициново масло. При разбъркване маслото се разтваря в бензен. Да видим как бензенът замръзва. Спускаме две епруветки в чаша със смес от лед и вода: едната пълна с дестилирана вода, другата с бензол. След известно време бензенът започва да кристализира. Бензолът замръзва и се превръща в бяла кристална маса. Точка на замръзване на бензена +5,5 ° C. Водата в съседната епруветка остава течна. Когато епруветката се извади от охлаждащата смес, бензенът се стопява и отново става течен.

Оборудване:епруветки, кристализатор, стойка за епруветки.

Мерки за безопасност.

Бромиране на бензен

Изсипете 4 ml бензен в колбата и добавете малко бром. Затворете колбата със запушалка с изходна тръба за газ. За да абсорбираме парите на брома, поставяме тръба от калциев хлорид с активен въглен между щепсела и тръбата за изпускане на газ. Поставете края на изходната тръба за газ в чаша вода. Бензолът разтваря брома, но реакцията не протича. Добавете малко метално желязо към сместа. Реакцията започва. Желязото и бромът образуват железен (III) бромид, който катализира реакцията. Продуктите на реакцията са бромобензен и бромоводород.

C6H6+бр 2 = C6H5бр+ Нбр

След като реакцията приключи, изсипете сместа от колбата във вода. Бромбензенът потъва на дъното на чашата, тъй като, за разлика от бензена, бромбензенът е тежка течност. Нека докажем, че в резултат на реакцията, освен бромобензен, се образува и бромоводород. За да направите това, добавете син лакмус към воден разтвор на бромоводород. Променя цвета си - става розов. Това означава, че в разтвора се е образувала киселина. Добавете малко разтвор на сребърен нитрат към втората част от разтвора - образува се жълтеникава утайка от сребърен бромид.

нбр + AgNO 3 = AgBr ↓ + HNO 3

В присъствието на катализатор железен бромид бензенът реагира с бром, за да образува бромобензен и бромоводород. Типът реакция е реакция на заместване.

Натриевият карбонат във воден разтвор реагира с брома, образувайки безцветни реакционни продукти: в резултат на това кафявият цвят на брома изчезва.

2Na 2 CO 3 + H 2 O + Br 2 = 2NaHCO 3 + NaBr + NaBrO

Оборудване:

Мерки за безопасност.

Изследване на съотношението на бензен към бромна вода и разтвор на калиев перманганат

Нека добавим малко бромна вода към бензена. Разклатете сместа. От бромната вода бромът преминава в горния слой бензен и го оцветява. Разтворимостта на брома в бензена е по-голяма от разтворимостта на брома във вода. При тези условия бромът не реагира с бензена. Изсипете разтвор на калиев перманганат във втората епруветка с бензен. Тук също не забелязваме изтичане химическа реакция. Бензолът не дава реакции, характерни за ненаситените въглеводороди. Бензолът не добавя бром и не се окислява от разтвор на калиев перманганат.

Оборудване:епруветки, поставка за епруветки.

Мерки за безопасност.Внимавайте да не попадне бензен върху кожата ви. Спазвайте правилата за работа със запалими течности.

Нитриране на бензен

Бензенът може да претърпи реакция на заместване с азотна киселина. Да приготвим нитриращата смес. За да направите това, смесете 8 ml концентрирана сярна киселина с пет милилитра концентрирана азотна киселина. Сярна киселинанеобходими за абсорбиране на водата, освободена по време на реакцията. Охладете сместа (с лед) и добавете 4 ml бензен към нея. Затворете колбата с обратен хладник. Нека загреем сместа на водна баня ( топла вода). За по-добро смесване на течностите разклащайте колбата от време на време. След десет минути изсипете получената смес в чаша вода. Неутрализирайте киселината с разтвор на натриев карбонат. На дъното на чашата се събра тежка жълтеникава течност — нитробензен.

C6H6+HNO 3 = C6H5НЕ 2 + H 2О

Продуктите от реакцията на бензен с азотна киселина са нитробензен и вода.

Оборудване:облодънна колба, епруветки, тръба за изпускане на газ, фуния, статив.

Мерки за безопасност.Внимавайте да не попадне бензен върху кожата ви. Спазвайте правилата за работа със запалими течности. Експериментът се провежда под тракция.

Концепцията за "бензенов пръстен" веднага изисква декодиране. За да направите това, е необходимо поне накратко да разгледате структурата на молекулата на бензена. Първата структура на бензена е предложена през 1865 г. от немския учен А. Кекуле:

Най-важните ароматни въглеводороди включват бензен C 6 H 6 и неговите хомолози: толуен C 6 H 5 CH 3, ксилен C 6 H 4 (CH 3) 2 и др.; нафталин C 10 H 8, антрацен C 14 H 10 и техните производни.

Въглеродните атоми в молекулата на бензена образуват правилен плосък шестоъгълник, въпреки че обикновено се рисува като удължен.

Структурата на молекулата на бензена беше окончателно потвърдена от реакцията на нейното образуване от ацетилен. Структурната формула изобразява три единични и три двойни редуващи се въглерод-въглерод връзки. Но такова изображение не предава истинската структура на молекулата. В действителност въглерод-въглеродните връзки в бензена са еквивалентни и имат свойства, които не приличат на тези на единичните или двойните връзки. Тези функции са обяснени електронна структурабензенови молекули.

Електронна структура на бензена

Всеки въглероден атом в бензеновата молекула е в състояние на sp 2 хибридизация. Той е свързан с два съседни въглеродни атома и водороден атом чрез три σ връзки. Резултатът е плосък шестоъгълник: всичките шест въглеродни атома и всички σ - S-S връзкии C-H лежат в една и съща равнина. Електронният облак на четвъртия електрон (р-електрон), който не участва в хибридизацията, има формата на дъмбел и е ориентиран перпендикулярно на равнината на бензеновия пръстен. Такива р-електронни облаци от съседни въглеродни атоми се припокриват над и под равнината на пръстена.

В резултат на това шест р-електрона образуват общ електронен облак и единичен химическа връзказа всички въглеродни атоми. Две области на голямата електронна равнина са разположени от двете страни на равнината на σ връзка.

P-електронният облак причинява намаляване на разстоянието между въглеродните атоми. В молекулата на бензена те са еднакви и равни на 0,14 nm. В случай на единична и двойна връзка, тези разстояния биха били съответно 0,154 и 0,134 nm. Това означава, че в молекулата на бензена няма единични или двойни връзки. Молекулата на бензена е стабилен шестчленен цикъл от еднакви СН групи, разположени в една и съща равнина. Всички връзки между въглеродните атоми в бензена са еквивалентни, което определя характерните свойства на бензеновия пръстен. Това най-точно отразява структурна формулабензен под формата на правилен шестоъгълник с кръг вътре (I). (Кръгът символизира еквивалентността на връзките между въглеродните атоми.) Често се използва обаче и формулата на Кекуле, показваща двойни връзки (II):

Бензеновият пръстен има определен набор от свойства, които обикновено се наричат ​​ароматност.

Хомоложни редове, изомерия, номенклатура

Условно арените могат да бъдат разделени на два реда. Първият включва бензенови производни (например толуен или бифенил), вторият включва кондензирани (многоядрени) арени (най-простият от тях е нафталин):

Хомоложната серия на бензена има обща формула CnH2n-6. Хомолозите могат да се разглеждат като бензенови производни, в които един или повече водородни атоми са заменени с различни въглеводородни радикали. Например C 6 H 5 -CH 3 - метилбензен или толуен, C 6 H 4 (CH 3) 2 - диметилбензен или ксилен, C 6 H 5 -C 2 H 5 - етилбензен и др.

Тъй като всички въглеродни атоми в бензена са еквивалентни, първият му хомолог, толуенът, няма изомери. Вторият хомолог, диметилбензен, има три изомера, които се различават относителна позицияметилови групи (заместители). Това е орто- (съкратено о-) или 1,2-изомер, в който заместителите са разположени върху съседни въглеродни атоми. Ако заместителите са разделени от един въглероден атом, тогава това е мета- (съкратено m-) или 1,3-изомер, а ако са разделени от два въглеродни атома, тогава това е пара- (съкратено p-) или 1,4-изомер. В имената заместителите се обозначават с букви (o-, m-, p-) или цифри.

Физични свойства

Първи членове хомоложни сериибензен - безцветни течности със специфична миризма. Тяхната плътност е по-малка от 1 (по-леки от водата). Неразтворим във вода. Бензолът и неговите хомолози сами по себе си са добри разтворители за много хора органична материя. Арените горят с димящ пламък поради високото съдържание на въглерод в техните молекули.

Химични свойства

Ароматността определя химичните свойства на бензена и неговите хомолози. Системата с шест електрона π е по-стабилна от обикновените двуелектронни π връзки. Следователно реакциите на присъединяване са по-рядко срещани за ароматните въглеводороди, отколкото за ненаситените въглеводороди. Най-характерните реакции за арен са реакциите на заместване. По този начин ароматните въглеводороди в техните химични свойствазаемат междинно положение между наситени и ненаситени въглеводороди.

I. Реакции на заместване

1. Халогениране (с Cl 2, Br 2)

2. Нитриране

3. Сулфониране

4. Алкилиране (образуват се бензенови хомолози) - реакции на Фридел-Крафтс

Алкилиране на бензен също се получава, когато реагира с алкени:

Стирен (винилбензен) се получава чрез дехидрогениране на етилбензен:

II. Реакции на присъединяване

1. Хидрогениране

2. Хлориране

III. Окислителни реакции

1. Изгаряне

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. Окисляване под въздействието на KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, HNO 3 и др.

Не възниква химична реакция (подобно на алканите).

Свойства на хомолозите на бензола

В бензоловите хомолози се разграничават ядро ​​и странична верига (алкилови радикали). Химичните свойства на алкиловите радикали са подобни на алканите; влиянието на бензеновия пръстен върху тях се проявява във факта, че реакциите на заместване винаги включват водородни атоми при въглеродния атом, директно свързан с бензеновия пръстен, както и в по-лесното окисление на С-Н връзките.

Ефектът на електронодонорния алкилов радикал (например -СН3) върху бензеновия пръстен се проявява в увеличаване на ефективните отрицателни заряди на въглеродните атоми в орто и пара позиции; в резултат на това се улеснява заместването на свързани водородни атоми. Следователно хомолозите на бензена могат да образуват тризаместени продукти (а бензенът обикновено образува монозаместени производни).