Ароматические углеводороды (арены) - углеводороды, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. Состав аренов с одним бензольным кольцом отвечает общей формуле C n H 2n-6 .
В молекуле простейшего арена - бензола (C 6 H 6) - -связи образуют единую делокализованную сопряженную (ароматическую) систему -связей.
Строение молекулы простейшего арена - бензола - может быть передано структурными формулами различных типов:
Изомеры и гомологи
г | бензол |
|||||
метилбензол (толуол) |
||||||
этилбензол |
1,2-диметилбензол (орто -ксилол) |
1,3-диметилбензол (мета -ксилол) |
1,4-диметилбензол (пара -ксилол) |
|||
пропилбензол |
изопропилбензол |
1,2,4-три-метилбензол |
1-метил-2-этилбензол |
1-метил-3-этилбензол |
1-метил-4-этилбензол |
|
и з о м е р ы |
Основой названия замещенного производного бензола является слово "бензол". Атомы в бензольном кольце нумеруются, начиная от старшего заместителя к младшему. Пример: 1-метил-2-этилбензол, а не 1-этил-2-метилбензол. Если заместители одинаковы, то нумерацию проводят по самому краткому пути. Пример: 1,3-диметилбензол, а не 1,5-диметилбензол.
Приставки орто- , мета- , пара- (от греческого ортос - прямой, мета - после, через, между, пара - против, возле, мимо) в названиях органических веществ (сокращенно: о- , м- , п- ) используются для указания взаимного расположения двух заместителей в бензольном кольце.
Физические свойства бензола: бесцветная нерастворимая в воде жидкость со своеобразным запахом, температура плавления 5,4 o С, температура кипения 80,1 o С, плотность 0,88 г/см 3 . Пары бензола ядовиты.
Химические свойства
Бензол не обесцвечивает при обычных условиях бромную воду и раствор перманганата калия.
Получение аренов
Задачи и тесты по теме "Тема 3. "Ароматические углеводороды"."
- Углеводороды. Полимеры - Органические вещества 8–9 класс
Уроков: 7 Заданий: 9 Тестов: 1
- - Человек в мире веществ, материалов и химических реакций 8–9 класс
Уроков: 2 Заданий: 6 Тестов: 1
- Классификация веществ - Классы неорганических веществ 8–9 класс
Уроков: 2 Заданий: 9 Тестов: 1
- Кристаллические решётки - Строение вещества 8–9 класс
Уроков: 1 Заданий: 9 Тестов: 1
- Состав растворов - Растворы 8–9 класс
Уроков: 3 Заданий: 8 Тестов: 1
Изучив тему, Вы должны: усвоить понятия ароматические углеводороды, ароматическая связь, знать общую формулу аренов, номенклатурные правила, типы реакций замещения (галогенирование в присутствии катализатора, нитрование), присоединения (галогенирование на свету, гидрирование).
Проверьте, умеете ли Вы производить расчеты по уравнениям реакций и выводить молекулярные формулы веществ по массовым долям элементов, находит выход продукта реакции и решать задачи с учетом массовой доли примеси.
Пример 1. Углеводород, плотность паров которого по водороду равна 15, содержит 80 % углерода. Найдите его молекулярную формулу.
Ответ: C 2 H 6
Пример 2. Из 7,8 г бензола получено 8,61 г нитробензола. Определите выход продукта реакции.
Ответ: 70%
Пример 3. Технический карбид кальция массой 20 г обработали избытком воды. Какой объем ацетилена получили, если массовая доля примесей техническом карбиде составляла 20 %.
Ответ: 5,6 л
Убедившись, что все необходимое усвоено, переходите к выполнению заданий к теме. Желаем успехов.
Рекомендованная литература:
- О. С. Габриелян и др. Химия 10 кл. М., Дрофа, 2002;
- Л. С. Гузей, Р. П. Суровцева, Г. Г. Лысова. Химия 11 кл. Дрофа, 1999.
- Г. Г. Лысова. Опорные конспекты и тесты по органической химии. М., ООО "Глик плюс", 1999.
Арены или ароматические (бензоидные) углеводороды – это соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные кольца) с замкнутой системой сопряженных связей.
Ароматический характер аренов объясняется электронным строением бензольного кольца.
Критерии ароматичности . На основании изучения циклических сопряженных систем установлено, что соединение ароматично, если оно подчиняется правилу Хюккеля :Повышенной термодинамической стабильностью (ароматичностью) обладают только такие моноциклические сопряженные системы (полиены), которые имеют плоское строение и содержат в замкнутой цепи сопряжения 4n + 2 -электронов (где n – целое число: 0, 1, 2, 3 и т.д). Циклы, содержащие 4n -электронов, антиароматичны (дестабилизированы).
Условиям ароматичности полностью соответствует молекула бензола С 6 Н 6 , в системе сопряжения которой участвуют 6 -электронов – ароматический секстет (по формуле 4n + 2 при n = 1). Ароматические циклы значительно устойчивее сопряженных ациклических аналогов с тем же числом π-электронов, т.е. бензол более стабилен, чем CH 2 =CH–CH=CH–CH=CH 2 (гексатриен-1,3,5).
Номенклатура . Широко используются тривиальные названия (толуол, ксилол, кумол и т.п.). Систематические названия гомологов бензола строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова бензол (корень): С 6 Н 5 СH 3 – метилбензол (толуол), С 6 Н 5 С 2 H 5 – этилбензол, С 6 Н 5 СH(CH 3) 2 – изопропилбензол (кумол). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которы-ми они связаны. Нумерацию кольца проводят так, чтобы номера радикалов были наименьшими.
Для дизамещенных бензолов RC 6 H 4 R используется также другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками: орто- (о-) заместители у соседних атомов углерода кольца, т.е. в положении 1,2-; мета- (м-) заместители через один атом углерода (1,3-); пара- (п-) заместители на противоположных сторонах (1,4-).
Изомерия . В ряду гомологов бензола проявляется структурная изомерия: 1) положения заместителей для ди-, три- и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п-ксилолы); 2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3-х атомов углерода (C 6 H 5 -CH 2 CH 2 CH 3 – н-пропилбензол и C 6 H 5 -CH(CH 3) 2 – изопропилбензол или кумол); 3) изомерия заместителей R, начиная с R = С 2 Н 5 , (например, молекуляр-ной формуле С 8 Н 10 соответствуют 4 изомера: о-, м-, п-ксилолы СH 3 С 6 Н 4 СH 3 и этилбензол С 6 Н 5 С 2 H 5); 4) межклассовая изомерия с непредельными соединениями (например, формулу С 6 Н 6 кроме бензола
имеют соединения СН 2 =СН–С≡С–СН=СН 2 , СН≡С–СН=СН–СН=СН 2 и т.п., а также ненасыщенные циклы). Пространственная изомерия относительно бензольного кольца в замещенных аренах отсутствует.
Правило Хюккеля:
Ароматическими являются молекулы, подчиняющиеся правилу Хюккеля: ароматической является плоская моноциклическая сопряженная система, содержащая (4n + 2)π-электронов (где n = 0,1,2…).
Механизм электрофильного замещения :
1-я стадия: образование п-комплекса. В этом случае образуется слабая связь между п-электронным облаком бензольного кольца и электрофильным реагентом с дефицитом электронной плотности при сохранении ароматического секстета. Электрофильный реагент располагается обычно перпендикулярно плоскости кольца вдоль его оси симметрии. Эта стадия протекает быстро и не влияет на скорость реакции. Существование п-комплекса доказывается методом УФ-спетроскопии...
2-я стадия: образование б-комплекса . Эта стадия медленная и практически не обратимая. Образуется ковалентная б-связь между электрофилом и атомом углерода бензольного кольца, при этом атом углерода переходит изspІ в spі-валентное состояние с нарушением ароматического секстета и образованием циклогексадиенильного катиона (иона бензоления). Катион бензоления вместе с противоионом образуют ионное соединение, хорошо проводящее электрический ток. В ионе бензоления все атомы углерода расположены в одной плоскости, а заместители уspі-гибридизованного атома углерода перпендикулярно ей.
3-я и 4-я стадии: образование второго п-комплекса и ароматизация. б-комплекс может превращаться в новый мало устойчивый п-комплекс, который под воздействием основания, обычно противоиона, депротонируется.
ТЕМА 20. Ароматические углеводороды ряда бензола.
Гомологический ряд. Общая формула. Номенклатура. Изомерия.
Природные источники и методы получения: из алифатических, алициклических и ароматических соединений. Реакции Вюрца-Фиттига и Фриделя-Крафтса.
Физические свойства бензола и его гомологов.
Химические свойства. Реакции электрофильного замещения: галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование и ацилирование. Реакции присое-динения водорода, галогенов, озона. Окисление бензола. Реакции гомологов бензола с участием боковой цепи: галогенирование, нитрование, окисление, дегидрирование.
Гомологический ряд. Общая формула.
Первым и наиболее важным представителем моноциклических ароматических углеводородов (аренов) является бензол С 6 Н 6 .
Отсюда общее название гомологического ряда ароматических углеводородов - ряд бензола.
Общая формула гомологического ряда бензола: С п Н 2п-6 .
Номенклатура аренов.
Для наименования аренов часто используются тривиальные названия: бензол, толуол, стирол, кумол и т.д.
По международной заместительной номенклатуре арены рассматриваются как производные бензола, в которых положение заместителей указывается цифрами, при этом номера атомов углеродов, у которых расположены заместители должны быть наименьшими:
метилбензол этилбензол изопропилбензол
(толуол) (кумол)
винилбензол этинилбензол
(стирол) (фенилацетилен)
В случае двух одинаковых заместителей вместо цифр можно пользоваться приставками: 1,2- (орто-), 1,3- (мета-), 1,4- (пара-):
1,2-диметилбензол 1,3-диметилбензол 1,4-диметилбензол
(орто-ксилол) (мета-ксилол) (пара-ксилол)
Арены (ароматические углеводороды) - соединения, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колей - циклических групп атомов углерода со специфическим характером связей.
Бензол - молекулярная формула С 6 Н 6 . Впервые была предложена А. Кекуле:
Строение аренов.
Все 6 атомов углерода находятся в sp 2 -гибридизации . Каждый атом углерода образует 2 σ -связи с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода, которые находятся в одной плоскости. Углы составляют 120°. Т.е. все атомы углерода лежат в одной плоскости и образуют шестигранник. У каждого атома есть негибридная р -обиталь, на которой находится неспаренный электрон. Эта орбиталь перпендикулярна плоскости, и поэтому π -электронное облако «размазано» по всем атомам углерода:
Все связи равноценны. Энергия сопряжения - количество энергии, которую надо затратить, чтобы разрушить ароматическую систему.
Именно это обуславливает специфические свойства бензола - проявление ароматичности. Это явление было открыто Хюккелем, и называется правилом Хюккеля.
Изомерия аренов.
Арены можно разделить на 2 группы:
- производные бензола:
- конденсированные арены:
Общая формула аренов - С n H 2 n -6 .
Для аренов характерна структурная изомерия, которая объясняется взаимным расположением заместителей в кольце. Если в кольце находится 2 заместителя, то они могут находиться в 3-х различных положениях - орто (о-), мета (м-), пара (п-):
Если от бензола «отобрать» один протон, то образуется радикал - C 6 H 5 , которое носит название арильного радикала. Простейшие:
Называют арены словом «бензол» с указанием заместителей в кольце и их положения:
Физические свойства аренов.
Первые члены ряда - жидкости без цвета с характерным запахом. Они хорошо растворяются в органических растворителях, но нерастворимы в воде. Бензол токсичен, но имеет приятный запах. Вызывает головную боль и головокружения, при вдыхании больших количеств паров можно потерять сознание. Раздражает слизистую оболочку и глаза.
Получение аренов.
1. Из алифатических углеводородов с помощью «ароматизации» предельных углеводородов, входящих в состав нефти. При пропускании над платиной или оксидом хрома наблюдается дигидроциклизация:
2. Дегидрирование циклоалканов:
3. Из ацетилена (тримеризация) при пропускании над раскаленным углем при 600°С:
4. Реакция Фриделя - Крафтса в присутствии хлорида алюминия :
5. Сплавление солей ароматических кислот с щелочью:
Химические свойства аренов.
Реакции замещения аренов.
Ядро аренов обладает подвижной π -системой, на которую действуют электрофильные реагенты. Для аренов характерно электрофильное замещение, которое можно представить так:
Электрофильная частица притягивается к π -системе кольца, затем образуется прочная связь между реагентом Х и одним из атомов углерода, при этом единство кольца нарушается. Для восстановления ароматичности выбрасывается протон, а 2 электрона С-Н переходят в π-систему кольца.
1. Галогенирование происходит в присутствии катализаторов - безводных хлоридов и бромидов алюминия , железа :
2. Нитрование аренов. Бензол очень медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой при сильном нагревании. Но если добавить серную кислоту , то реакция протекает очень легко:
3. Сульфирование протекает под воздействием 100% - серной кислоты - олеума:
4. Алкилирование алкенами . В результате происходит удлинение цепи, реакция протекает в присутствии катализатора - хлорида алюминия:
Реакции присоединения аренов.
1. Гидрирование (при катализаторах) аренов:
2. Радикальное галогенирование при взаимодействии паров бензола и сильного УФ-излучения. В результате образуется твердый продукт - С 6 H 6 Cl 6 :
3. Окисление кислородом воздуха. Реакция протекает при оксиде ванадия (V) и 400°С:
Гомологи бензола имеют ряд отличий - на их продукты я изначальный заместитель в кольце:
Замещение в кольце возможно только в присутствие катализатора (хлорида железа и алюминия), замещение протекает в орто- и пара- положения по отношению к алкильному радикалу:
Если действуют сильные окислители (перманганат калия), то цепь алкильная разрушается и образуется бензойная кислота:
Дополнительные материалы по теме: Арены. Свойства аренов.
Химия 7,8,9,10,11 класс, ЕГЭ, ГИА |
|
Основная информация по курсу химии для обучения и подготовки в экзаменам, ГВЭ, ЕГЭ, ОГЭ, ГИА | |
Бензол
Простейшим представителем аренов является бензол. Рассмотрим подробнее его свойства.
Физические свойства
Бензол представляет собой прозрачную бесцветную легколетучую жидкость с характерным запахом (именно по причине сильного запаха ароматические соединения получили свое название). Температура плавления 5,5°С, кипения - 80°С. Не смешивается с водой, но хорошо смешивается с большинством органических растворителей. Является растворителем для неполярных органических веществ. Горит коптящим пламенем (неполное сгорание) с образованием, кроме углекислого газа и воды, значительного количества сажи. Ядовит и как жидкость, и в виде паров при вдыхании.
Получение бензола
1. В промышленности бензол получают риформингом нефти, который по сути представляет собой дегидрогенизацию алканов нефти с образованием циклического скелета. В «чистом» виде основная реакция риформинга - это дегидрогенизация гексана:
Кроме того, бензол является одним из летучих продуктов коксования. Коксование - это нагревание каменного угля до 1000°С без доступа воздуха. При этом получается также много других ценных реагентов для органического синтеза и используемый в металлургии кокс. Также бензол можно получить тримеризацией ацетилена над активированным углем при 100°С.
2. В лаборатории бензол, разумеется, не получают, но теоретически методы его синтеза есть (они используются для получения его производных). И промышленные, и лабораторные методы отражены на приведенной ниже схеме.
Схема методов получения бензола
Промышленные методы.
Химические свойства бензола
Химические свойства бензола определяются, безусловно, его p-системой. Так же, как и в случае алкенов, она может быть атакована электрофильной частицей. Однако в случае ароматических соединений результат такой атаки будет совершенно иным. Высокая стабильность p-системы приводит к тому, что в конце реакции она, как правило, восстанавливается и результатом реакции является не присоединение (которое бы разрушило
p-систему), а электрофильное замещение. Рассмотрим подробнее его механизм.
На первой стадии атака молекулы АВ, содержащей электрофильный центр А, приводит к образованию крайне нестабильного p-комплекса (стадия 1). При этом ароматическая система не нарушена. Далее образуется ковалентная связь одного из атомов кольца с частицей А (стадия 2). При этом, во-первых, разрывается связь А-В, а во-вторых, разрушается p-система. Образовавшаяся нестабильная положительно заряженная молекула называется s-комплексом. Как уже было сказано, восстановление p-системы энергетически весьма выгодно, и это приводит к разрыву либо связи С-А (и тогда молекула возвращается в исходное состояние), либо связи С-Н (стадия 3). В последнем случае реакция заканчивается, и получается продукт замещения водорода на А.
Большинство реакций ароматических соединений имеют именно такой механизм (электрофильное замещение, сокращенно S E). Рассмотрим некоторые из них.
1. Галогенирование. Происходит только в присутствии катализаторов - кислот Льюиса (см. «Теория Льюиса»). Задача катализатора - поляризация молекулы галогена для образования хорошего электрофильного центра:
| АlСl 3 +Сl 2 «Сl + [АlСl 4 ] - Образовавшаяся частица имеет электрофильный атом хлора, и
происходит реакция:
К Нитрование. Осуществляется смесью азотной и серной кислот (нитрующей смесью). В нитрующей смеси происходит реакция:
HNO 3 +H 2 SO 4 «NO + 2 +Н 2 O
В образовавшемся гидросульфате нитрония есть мощный электрофильный центр - ион нитрония NO + 2 . Соответственно проходит реакция, общее уравнение которой:
3. Сульфирование. В концентрированной серной кислоте есть равновесие:
2H 2 SO 4 «SO 3 H + - +Н 2 O
В молекуле в правой части равновесия есть сильный электрофил SO 3 H + , который вступает в реакцию с бензолом. Результирующая реакция:
Алкилирование по Фриделю-Крафтсу. При взаимодействии бензола с алкилхлоридами или алкенами в присутствии кислот Льюиса (обычно галогенидов алюминия) получаются алкилзамещенные бензолы. В случае алкилгалогенидов первая стадия процесса:
RСl+АlСl 3 «R + [АlСl 4 ] - На второй стадии электрофильная частица R + атакует p-систему:
В случае алкенов кислота Льюиса поляризует двойную связь алкена, и на углероде опять-таки образуется электрофильный центр:
К неэлектрофильным реакциям относятся:
1. Гидрирование бензола. Эта реакция идет с разрушением p-системы и требует жестких условий (высокое давление, температура, катализатор - платиновые металлы):
2. Радикальное хлорирование. В отсутствие кислот Льюиса и при жестком ультрафиолетовом облучении бензол может реагировать с хлором по радикальному механизму. При этом разрушается p-система и образуется продукт присоединения хлора - твердое вещество гексахлоран, которое раньше использовалось в качестве инсектицида:
Гомологи бензола
Номенклатура и изомерия аренов
Все арены условно можно разделить на два ряда. Первый ряд - производные бензола (толуол, дифенил): второй ряд - конденсированные (полиядерные) арены (нафталин, антрацен).
Рассмотрим гомологический ряд бензола, соединения этого ряда имеют общую формулу С n Н 2 n . 6 . Структурная изомерия в гомологическом ряду бензола обусловлена взаимным расположением заместителей в ядре. Монозамещенные производные бензола Не имеют изомеров положения, так как все атомы в бензольном ядре равноценны,
I Группа С 6 Н 5 называется фенильной. Фенильная и замещенные фенильные группы называются арильными. Ниже показаны некоторые производные бензола:
Схема реакций бензола
Изомеры с двумя заместителями в положениям 1,2; 1,3 и 1,4 называются орто-, мета- и пара-изомерами:
Номенклатура ароматических соединений
Ниже приведены названия некоторых ароматических соединений:
C 6 H 5 NH 3 + Сl - Фениламмоний хлорид (анилиний хлорид)
С б Н 5 СO 2 Н Бензолкарбоновая кислота (бензойная кислота)
C 6 H 5 CO 2 C 2 H 5 Этиловый эфир бензолкарбоновой кислоты (этилбензоат)
C 6 H 5 COCl Бензолкарбонилхлорид (бензоилхлорид)
C 6 H 5 CONH 2 Бензолкарбоксамид (бензамид)
C 6 H 5 CN Бензолкарбонитрил (бензонитрил)
C 6 H 5 CHO Бензолкарбальдегид (бензальдегид)
C 6 H 5 COCH 3 Ацетофенон
C 6 H 5 OH Фенол
C 6 H 5 NH 2 Фениламин (анилин)
C 6 H 5 OCH 3 Метоксибензол (анизол)
Эти названия соответствуют номенклатуре IUPAC. В скобках Указаны традиционные названия, которые по-прежнему широко распространены и вполне допустимы.
Номенклатура аренов
Название производного бензола с двумя или более заместителями в бензольном кольце строится таким образом. Атом углерода бензольного кольца, к которому присоединен заместитель, находящийся ближе других к началу приведенного выше списка, получает номер 1. Далее атомы углерода бензольного кольца нумеруются так, чтобы локант - номер второго заместителя - был наименьшим.
3-гидроксибензолкарбоновая кислота (3-гядроксибензойная кислота)
Карбоксильная группа рассматривается как главная группа, и ей присваивается локант «1». Нумерация кольца строится так, чтобы гидроксильная группа получила меньший («3», а не «5») локант.
2-аминобензолкарб альдегид (2-аминобензальдегид)
Группа -CHO рассматривается как главная. Она получает локант «1». Группа-NH 2 находится в положении «2», а не «6». Кроме того, допустимо название о-аминобензальдегид.
1-бром-2-нитро-4-хлорбензол Эти группы перечисляются в алфавитном порядке.
Получение аренов
Получение из алифатических углеводородов. При пропускании алканов с неразветвленной цепью, имеющих не менее 6 атомов углерода в молекуле, над нагретой платиной или оксидом хрома (III) происходит дегидроциклизация - образование арена с выделением водорода. Например:
2. Дегидрирование циклоалканов. Реакция происходит при пропускании паров циклогексана и его гомологов над нагретой платиной:
|. Получение бензола тримеризацией ацетилена. По способу Н. Д. Зелинского и Б. А. Казанского бензол можно получить, пропуская ацетилен через нагретую до 100°С трубку с активированным углем. Весь процесс можно изобразить схемой:
4. Получение гомологов бензола по реакции Фриделя-Крафтса (см. Химические свойства бензола).
5. Сплавливание солей ароматических кислот со щелочью: C 6 H 6 -COONa+NaOH ®C 6 H 6 +Na 2 CO 3
Применение аренов
Арены применяются как химическое сырье для производства лекарств, пластмасс, красителей, ядохимикатов и многих других органических веществ. Широко используют арены как растворители.
Реакции дегидрирования позволяют использовать углеводороды нефти для получения углеводородов ряда бензола. Они указывают на связь между различными группами углеводородов и на взаимное превращение их друг в друга.
Похожие статьи