ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Бензол(циклохексатриен - 1,3,5) - органично вещество, най-простият представител на редица ароматни въглеводороди.

Формула - C 6 H 6 (структурна формула - фиг. 1). Молекулна маса – 78, 11.

Ориз. 1. Структурни и пространствени формули на бензола.

Всичките шест въглеродни атома в молекулата на бензола са в sp 2 хибридно състояние. Всеки въглероден атом образува 3σ връзки с два други въглеродни атома и един водороден атом, лежащи в същата равнина. Шест въглеродни атома образуват правилен шестоъгълник (σ-скелет на бензоловата молекула). Всеки въглероден атом има една нехибридизирана р-орбитала, която съдържа един електрон. Шест p-електрона образуват един π-електронен облак (ароматна система), който е изобразен като кръг в шестчленен цикъл. Въглеводородният радикал, получен от бензол, се нарича C 6 H 5 - - фенил (Ph-).

Химични свойства на бензола

Бензенът се характеризира с реакции на заместване, протичащи по електрофилния механизъм:

- халогениране (бензенът взаимодейства с хлор и бром в присъствието на катализатори - безводен AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6H 5 -Cl + HCl;

- нитриране (бензолът лесно реагира с нитрираща смес - смес от концентрирана азотна и сярна киселини)

- алкилиране с алкени

C 6 H 6 + CH 2 \u003d CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH (CH 3) 2;

Реакциите на присъединяване към бензол водят до разрушаване ароматна системаи продължете само при тежки условия:

- хидрогениране (реакцията протича при нагряване, катализаторът е Pt)

- добавяне на хлор (възниква под действието на UV лъчение с образуване на твърд продукт - хексахлорциклохексан (хексахлоран) - C 6 H 6 Cl 6)

Като всеки органично съединениебензолът влиза в реакция на горене с образуване на въглероден диоксид и вода като реакционни продукти (гори с сажди пламък):

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Физични свойства на бензола

Бензолът е безцветна течност, но има специфична остра миризма. Образува азеотропна смес с вода, смесва се добре с етери, бензин и различни органични разтворители. Точка на кипене - 80.1C, точка на топене - 5.5C. Токсичен, канцерогенен (т.е. допринася за развитието на рак).

Получаване и използване на бензол

Основните методи за получаване на бензол:

— дехидроциклизация на хексан (катализатори - Pt, Cr 3 O 2)

CH3-(CH2)4-CH3 → C6H6 + 4H2;

- дехидрогениране на циклохексан (реакцията протича при нагряване, катализаторът е Pt)

C6H12 → C6H6 + 4H2;

– тримеризация на ацетилен (реакцията протича при нагряване до 600С, катализаторът е активен въглен)

3HC≡CH → C6H6.

Бензенът служи като суровина за производството на хомолози (етилбензол, кумол), циклохексан, нитробензен, хлорбензол и други вещества. Преди това бензолът се използваше като добавка към бензина за увеличаване на октановото му число, но сега, поради високата му токсичност, съдържанието на бензол в горивото е строго регулирано. Понякога бензолът се използва като разтворител.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение

Запишете уравненията, с които можете да извършите следните трансформации: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Решение

За получаване на ацетилен от метан се използва следната реакция:

2CH4 → C2H2 + 3H2 (t = 1400°С).

Получаването на бензол от ацетилен е възможно чрез реакцията на тримеризация на ацетилена, която се случва при нагряване (t = 600C) и в присъствието на активен въглен:

3C 2 H 2 → C 6 H 6 .

Реакцията на хлориране на бензол за получаване на хлоробензен като продукт се извършва в присъствието на железен (III) хлорид:

C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

ПРИМЕР 2

Упражнение

Към 39 g бензен в присъствието на железен (III) хлорид се прибавя 1 mol бромна вода. Какво количество от веществото и колко грама от какви продукти е довело това?

Решение

Нека напишем уравнението за реакцията на бромиране на бензол в присъствието на железен (III) хлорид:

C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr.

Продуктите на реакцията са бромобензен и бромоводород. Моларна масабензол, изчислен с помощта на таблицата химични елементи DI. Менделеев - 78 g/mol. Намерете количеството бензолово вещество:

n(C6H6) = m(C6H6) / M(C6H6);

n(C6H6) = 39/78 = 0,5 mol.

Според условието на задачата бензенът реагира с 1 mol бром. Следователно бензолът е в недостиг и ще бъдат направени допълнителни изчисления за бензола. Според уравнението на реакцията n (C 6 H 6): n (C 6 H 5 Br) : n (HBr) \u003d 1: 1: 1, следователно n (C 6 H 6) = n (C 6 H 5 Br) \u003d: n(HBr) = 0,5 mol. Тогава масите на бромобензол и бромоводород ще бъдат равни:

m(C6H5Br) = n(C6H5Br)×M(C6H5Br);

m(HBr) = n(HBr)×M(HBr).

Моларни маси на бромобензен и бромоводород, изчислени с помощта на таблицата на химичните елементи на D.I. Менделеев - съответно 157 и 81 g/mol.

m(C6H5Br) = 0,5 × 157 = 78,5 g;

m(HBr) = 0,5 х 81 = 40,5 g.

Отговор

Продуктите на реакцията са бромобензен и бромоводород. Масите на бромобензола и бромоводорода са съответно 78,5 и 40,5 g.

Арени (ароматни въглеводороди) – това са ненаситени (ненаситени) циклични въглеводороди, чиито молекули съдържат стабилни циклични групиатоми (бензолни ядра) със затворена система от спрегнати връзки.

Обща формула: C n H 2n–6за n ≥ 6.

Химични свойстваарени

Арени- ненаситени въглеводороди, чиито молекули съдържат три двойни връзки и цикъл. Но поради ефекта на конюгиране, свойствата на арените се различават от тези на другите ненаситени въглеводороди.

Ароматните въглеводороди се характеризират с реакции:

присъединяване,
заместване,
окисление (за хомолози на бензол).

Ароматната система на бензола е устойчива на окислители. Въпреки това, хомолозите на бензола се окисляват от действието на калиев перманганат и други окислители.

1. Реакции на добавяне

Бензенът добавя хлор в светлината и водород, когато се нагрява в присъствието на катализатор.

1.1. хидрогениране

Бензенът добавя водород при нагряване и под налягане в присъствието на метални катализатори (Ni, Pt и др.).

При хидрогениране на бензол се получава циклохексан:

Хидрогенирането на хомолози дава циклоалканови производни. Когато толуенът се нагрява с водород под налягане и в присъствието на катализатор, се образува метилциклохексан:

1.2. Хлориране на арени

Продължава добавянето на хлор към бензол по радикален механизъм при висока температура, под въздействието на ултравиолетова радиация.

Хлорирането на бензола в присъствието на светлина произвежда 1,2,3,4,5,6-хексахлорциклохексан (хексахлоран).

Хексахлоран е пестицид, използван за борба с вредни насекоми. Понастоящем употребата на хексахлоран е забранена.

Хомолозите на бензола не добавят хлор. Ако хомологът на бензола реагира с хлор или бром изложени на светлина или висока температура (300°C), тогава има заместване на водородни атоми на страничния алкилов заместител, а не на ароматния пръстен.

2. Реакции на заместване

2.1. Халогениране

Бензолът и неговите хомолози влизат в реакции на заместване с халогени (хлор, бром) в присъствието на катализатори (AlCl 3 , FeBr 3) .

При взаимодействие с хлор върху катализатора AlCl 3 се образува хлоробензен:

Ароматните въглеводороди взаимодействат с брома при нагряване и в присъствието на катализатор - FeBr 3 . Металното желязо може да се използва и като катализатор.

Бромът реагира с желязо, за да образува железен (III) бромид, който катализира бромирането на бензол:

Мета-хлоротолуен се образува в малки количества.

При взаимодействието на хомолозите на бензола с халогени на светлина или при висока температура(300 o C), водородът се замества не в бензоловия пръстен, а в страничния въглеводороден радикал.

Например, при хлориране на етилбензен:

2.2. Нитриране

Бензолът реагира с концентриран азотна киселинао в присъствието на концентрирана сярна киселина (нитрираща смес).

В този случай се образува нитробензол:

Толуенът реагира с концентрирана азотна киселина в присъствието на концентрирана сярна киселина.

В продуктите на реакцията ние посочваме едно от двете относно-нитротолуен:

или П-нитротолуен:

Нитрирането на толуен може да продължи и със заместването на три водородни атома. В този случай се образува 2,4,6-тринитротолуен (тротил, тол):

2.3. Алкилиране на ароматни въглеводороди

Арените взаимодействат с халоалкани в присъствието на катализатори (AlCl 3, FeBr 3 и др.), за да образуват бензенови хомолози.

Ароматните въглеводороди взаимодействат с алкени в присъствието на алуминиев хлорид, железен (III) бромид, фосфорна киселинаи т.н.

Алкилирането с алкохоли протича в присъствието на концентрирана сярна киселина.

2.4. Сулфониране на ароматни въглеводороди

Бензенът реагира при нагряване с концентрирана сярна киселина или разтвор на SO 3 в сярна киселина (олеум), за да образува бензенсулфонова киселина:

3. Окисление на арени

Бензенът е устойчив дори на силни окислители. Но хомолозите на бензола се окисляват под действието на силни окислители. Бензолът и неговите хомолози изгарят.

3.1. Пълно окисление - изгаряне

Изгарянето на бензола и неговите хомолози произвежда въглероден диоксид и вода. Реакцията на горене на арените е придружена от освобождаване Голям бройтоплина.

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O + Q

Уравнение за изгаряне на арен в общ изглед:

C n H 2n–6 + (3n – 3)/2 O 2 → nCO 2 + (n – 3)H 2 O + В

Когато ароматните въглеводороди изгарят при липса на кислород, може да се образува въглероден окис CO или сажди C.

Бензолът и неговите хомолози горят във въздуха с димящ пламък. Бензолът и неговите хомолози образуват експлозивни смеси с въздух и кислород.

3.2. Оокисляване на хомолози на бензол

Хомолозите на бензола се окисляват лесно от перманганат и калиев бихромат в кисела или неутрална среда при нагряване.

В същото време се случва окисляване на всички връзки при въглеродния атомв съседство с бензоловия пръстен, с изключение на връзката на този въглероден атом към бензоловия пръстен.

Толуенът се окислява калиев перманганат в сярна киселинас образование бензоена киселина:

Ако толуенът е окислен в неутрален разтвор при нагряване, тогава се образува сол на бензоена киселина - калиев бензоат:

Значи толуен обезцветява подкиселен разтвор на калиев перманганатпри нагряване.

По-дългите радикали се окисляват до бензоена киселина и карбоксилна киселина:

Когато пропилбензолът се окисли, се образуват бензоена и оцетна киселини:

Изопропилбензенът се окислява от калиев перманганат в кисела среда до бензоена киселина и въглероден диоксид:

4. Ориентиращо действие на заместители в бензоловия пръстен

Ако в бензеновия пръстен има заместители, не само алкилови, но и съдържащи други атоми (хидроксил, аминогрупа, нитро група и т.н.), тогава реакциите на заместване на водородните атоми в ароматната система протичат по строго определен начин, в в съответствие с природата влияние на заместителя върху ароматната π-система.

Видове заместители на бензоловия пръстен

Заместители от първи вид	Заместители от втори вид
орто- и двойка- позиция	*По-нататъшното заместване се извършва главно в мета- позиция*
Донор на електрони, увеличете електронната плътност в бензоловия пръстен	Извличането на електрони намалява електронната плътност в конюгираната система.
алкилови заместители: CH 3 -, C 2 H 5 -и т.н.; хидроксил, амин: –OH, –NH2; халогени: –Cl, –Br	нитро група: – NO 2 , – SO 3 Н; карбонил - СНО; карбоксил: - COOH, нитрил: - C≡ Н; – CF3

Физически свойства

Бензолът и неговите най-близки хомолози са безцветни течности със специфична миризма. Ароматните въглеводороди са по-леки от водата и не се разтварят в нея, но лесно се разтварят в органични разтворители - алкохол, етер, ацетон.

Бензолът и неговите хомолози сами по себе си са добри разтворители за мнозина органична материя. Всички арени горят с опушен пламък поради високото съдържание на въглерод в техните молекули.

Физичните свойства на някои арени са представени в таблицата.

Таблица. Физически свойства на някои арени

име	Формула	t°.pl., °C	t°.bp., °C
Бензол	C6H6	5,5	80,1
Толуен (метилбензен)	C 6 H 5 CH 3	95,0	110,6
Етилбензол	C 6 H 5 C 2 H 5	95,0	136,2
Ксилол (диметилбензен)	C6H4 (CH3)2
орто-		25,18	144,41
мета-		47,87	139,10
двойка-		13,26	138,35
Пропилбензол	C 6 H 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Кумол (изопропилбензен)	C6H5CH(CH3)2	96,0	152,39
стирол (винилбензен)	C 6 H 5 CH = CH 2	30,6	145,2

Бензол - ниско кипящ ( Tкип= 80,1°C), безцветна течност, неразтворима във вода

Внимание! Бензол - отрова, действа върху бъбреците, променя формулата на кръвта (при продължителна експозиция), може да наруши структурата на хромозомите.

Повечето ароматни въглеводороди са животозастрашаващи и токсични.

Получаване на арени (бензол и неговите хомолози)

В лабораторията

1. Сливане на соли на бензоена киселина с твърди основи

C6H5-COONa + NaOH t → C6H6 + Na2CO3

натриев бензоат

2. Реакция на Wurtz-Fitting: (тук G е халоген)

От 6Х 5 -G+2на + Р-G →° С 6 Х 5 - Р + 2 наг

ОТ 6 H 5 -Cl + 2Na + CH 3 -Cl → C 6 H 5 -CH 3 + 2NaCl

В индустрията

изолиран от нефт и въглища чрез фракционна дестилация, реформинг;
от каменовъглен катран и коксов газ

1. Дехидроциклизация на алканис повече от 6 въглеродни атома:

C6H14 T , кат→C6H6 + 4H2

2. Тримеризация на ацетилен(само за бензол) – Р. Зелински:

3С 2 H2 600°° С, Закон. въглища→C6H6

3. Дехидрогениранециклохексан и неговите хомолози:

Съветският академик Николай Дмитриевич Зелински установи, че бензолът се образува от циклохексан (дехидрогениране на циклоалкани

C6H12 т, кат→C6H6 + 3H2

C6H11-CH3 T , кат→C6H5-CH3 + 3H2

метилциклохексанетолуен

4. Алкилиране на бензол(получаване на хомолози на бензола) – r Friedel-Crafts.

C6H6 + C2H5-Cl t, AlCl3→C6H5-C2H5 + HCl

хлороетан етилбензол

Химични свойства на арените

аз. РЕАКЦИИ НА ОКИСЛЕНИЕ

1. Изгаряне (опушен пламък):

2C6H6 + 15O2 T→12CO2 + 6H2O + Q

2. Бензенът при нормални условия не обезцветява бромната вода и воден разтворкалиев перманганат

3. Хомолозите на бензола се окисляват от калиев перманганат (обезцветяване на калиев перманганат):

А) в кисела среда до бензоена киселина

Под действието на калиев перманганат и други силни окислители върху хомолозите на бензола, страничните вериги се окисляват. Колкото и сложна да е веригата на заместителя, тя се разрушава, с изключение на а-въглеродния атом, който се окислява до карбоксилна група.

Хомолозите на бензола с една странична верига дават бензоена киселина:

Хомолозите, съдържащи две странични вериги, дават двуосновни киселини:

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

Опростено :

C6H5-CH3 + 3O KMnO4→C6H5COOH + H2O

Б) в неутрални и слабо алкални до соли на бензоена киселина

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO K + K OH + 2MnO 2 + H 2 O

II. РЕАКЦИИ НА ДОБИВАНЕ (по-твърд от алкените)

1. Халогениране

C6H6 + 3Cl2 з ν → C 6 H 6 Cl 6 (хексахлорциклохексан - хексахлоран)

2. Хидрогениране

C6H6 + 3H2 T , тилиNi→C6H12 (циклохексан)

3. Полимеризация

III. РЕАКЦИИ НА ЗАМЕСТВАНЕ – йонен механизъм (по-лек от алканите)

1. Халогениране -

а ) бензол

C6H6 + Cl2 AlCl 3 → C6H5-Cl + HCl (хлоробензен)

C6H6 + 6Cl2 t,AlCl3→C6Cl6 + 6HCl( хексахлорбензол)

C6H6 + Br2 t,FeCl3→ C6H5-Br + HBr( бромбензен)

б) хомолози на бензол при облъчване или нагряване

По химични свойства алкиловите радикали са подобни на алканите. Водородните атоми в тях се заменят с халогени чрез свободен радикален механизъм. Следователно, в отсъствието на катализатор, нагряването или UV облъчването води до реакция на радикално заместване в страничната верига. Влиянието на бензоловия пръстен върху алкиловите заместители води до факта, че водородният атом винаги се замества при въглеродния атом, директно свързан с бензоловия пръстен (а-въглероден атом).

1) C6H5-CH3 + Cl2 з ν → C6H5-CH2-Cl + HCl

в) хомолози на бензол в присъствието на катализатор

C6H5-CH3 + Cl2 AlCl 3 → (смес от орта, двойка производни) +HCl

2. Нитриране (с азотна киселина)

C 6 H 6 + HO-NO 2 t, H2SO4→C6H5-NO2 + H2O

нитробензол - миризма бадем!

C6H5-CH3 + 3HO-NO2 t, H2SO4→ ОТ H3-C6H2 (NO2)3 + 3H2O

2,4,6-тринитротолуен (тол, тротил)

Използването на бензол и неговите хомолози

Бензол C6H6 е добър разтворител. Бензолът като добавка подобрява качеството на моторното гориво. Той служи като суровина за производството на много ароматни органични съединения - нитробензен C 6 H 5 NO 2 (разтворител, от него се получава анилин), хлоробензен C 6 H 5 Cl, фенол C 6 H 5 OH, стирен и др.

толуен C 6 H 5 -CH 3 - разтворител, използван при производството на багрила, лекарства и експлозиви (тротил (тол) или 2,4,6-тринитротолуен TNT).

ксилен C6H4 (CH3)2. Техническият ксилен е смес от три изомера ( орто-, мета- и двойка-ксилони) - се използва като разтворител и изходен продукт за синтеза на много органични съединения.

Изопропилбензол C 6 H 5 -CH (CH 3) 2 служи за получаване на фенол и ацетон.

Хлорни производни на бензолизползвани за растителна защита. По този начин продуктът от заместване на Н атоми в бензол с хлорни атоми е хексахлоробензен C 6 Cl 6 - фунгицид; използва се за суха семена на пшеница и ръж срещу твърда смута. Продуктът от добавянето на хлор към бензол е хексахлорциклохексан (хексахлоран) C 6 H 6 Cl 6 - инсектицид; използва се за борба с вредни насекоми. Тези вещества се отнасят до пестициди - химически средства за борба с микроорганизми, растения и животни.

стирол C 6 H 5 - CH \u003d CH 2 полимеризира много лесно, образувайки полистирол и кополимеризирайки с бутадиен - стирол-бутадиенови каучуци.

ВИДЕО ИЗПИТВАНЕ

Представяме на вашето внимание видео урок на тема "Химични свойства на бензола". Използвайки това видео, можете да получите представа за химичните свойства на бензола, както и за тежките условия, които са необходими за реакцията на бензола с други вещества.

тема:ароматни въглеводороди

Урок:Химични свойства на бензола

Ориз. 1. Молекула на бензол

Разбиването на р-електронния облак в молекулата на бензола е трудно. Следователно бензолът влиза в химична реакциямного по-малко активни от ненаситените съединения.

За да може бензолът да влезе в химични реакции, са необходими доста тежки условия: повишена температура и в много случаи катализатор. При повечето реакции стабилният бензенов пръстен се запазва.

1. Бромиране.

Необходим е катализатор (желязо(III) или алуминиев бромид) и дори малки количества вода не трябва да влизат. Ролята на катализатора е, че бромната молекула се привлича от един от бромните атоми към атома на желязото. В резултат на това се поляризира - двойка електрони на връзката преминават към бромния атом, свързан с желязо:

Br+…. Br-FeBr 3 .

Br+ е силен електрофил. Той се привлича от шестелектронния облак на бензоловия пръстен и го разбива, образувайки ковалентна връзкас въглероден атом:

Бромният анион може да се присъедини към получения катион. Но намаляването на ароматната система на бензоловия пръстен е енергийно по-благоприятно от добавянето на бромен анион. Следователно, молекулата преминава в стабилно състояние чрез изхвърляне на водороден йон:

Всички реакции на електрофилно заместване в бензоловия пръстен протичат по подобен механизъм.

2. Нитриране

Бензолът и неговите хомолози реагират със смес от концентрирана сярна и азотна киселини (нитрираща смес). В нитриращата смес, в равновесие, има нитрониев йон NO 2 +, който е електрофил:

3. Сулфониране.

Бензен и други арени, когато се нагряват, реагират с концентрирана сярна киселина или олеум - разтвор на SO 3 в сярна киселина:

4 . Алкилиране на Фридел-Крафтс

5. Алкилиране с алкени

Тези реакции са енергийно неблагоприятни, следователно те протичат само при нагряване или облъчване.

1. Хидрогениране.

При нагряване, при повишено налягане и в присъствието на Ni, Pt или Pd катализатор, бензолът и други арени добавят водород, за да образуват циклохексан:

2. Хлориране на бензол.

Под действието на ултравиолетовото лъчение бензенът добавя хлор. Ако колба от кварцово стъкло с разтвор на хлор в бензол бъде изложена на слънчева светлина, разтворът бързо ще се обезцвети, хлорът ще се комбинира с бензол, за да образува 1,2,3,4,5,6-хексахлорциклохексан, който е известен като хексахлоран(използван преди като инсектицид):

3. изгаряне на бензол.

За разлика от алканите, пламъкът на бензол и други ароматни въглеводороди е ярък и опушен.

Обобщаване на урока

В този урок изучавахте темата "Химически свойства на бензола". Използвайки този материал, вие успяхте да получите представа за химичните свойства на бензола, както и за тежките условия, които са необходими за реакцията на бензола с други вещества.

Библиография

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основи обща химия. 10 клас: учебник за образователни институции: основно ниво / G. E. Rudzitis, F.G. Фелдман. - 14-то издание. - М.: Образование, 2012.

2. Химия. 10 клас. Ниво на профил: проучвания. за общо образование институции / В.В. Еремин, Н.Е. Кузменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 клас. Профилно ниво: учебник. за общо образование институции / В.В. Еремин, Н.Е. Кузменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник със задачи по химия за постъпващи в университети. - 4-то изд. - М.: РИА "Нова вълна": Издател Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашна работа

1. No 13, 14 (стр. 62) Рудзитис Г.Е., Фелдман Ф.Г. Химия: Органична химия. 10 клас: учебник за образователни институции: основно ниво / G. E. Rudzitis, F.G. Фелдман. - 14-то издание. - М.: Образование, 2012.

2. Защо ароматните съединения се различават по химични свойства както от наситените, така и от ненаситените въглеводороди?

3. Напишете уравненията за реакциите на горене на етилбензол и ксилен.

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

Примери за ароматни въглеводороди:

Бензолови арени (моноциклични арени)

Обща формула:C n H 2n-6 , n≥6

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

Електронната структура на молекулата на бензола

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

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

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

за бензола са характерни реакции на заместване, а не реакции на присъединяване, характерни за ненаситени съединения. Възможни са реакции на добавяне, но те са по-трудни, отколкото за;
бензенът не влиза в реакции, които са качествени реакции към ненаситени въглеводороди (с бромна вода и разтвор на KMnO 4).

По-късни изследвания с електронна дифракция показаха, че всички връзки между въглеродните атоми в бензоловата молекула имат еднаква дължина от 0,140 nm (средната стойност между дължината на обикновена C-C връзки 0,154 nm и C=C двойна връзка 0,134 nm). Ъгълът между връзките при всеки въглероден атом е 120°. Молекулата е правилен плосък шестоъгълник.

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

Въглеродните атоми в бензола са в състояние на sp 2 хибридизация. Всеки "С" атом 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 p-орбитали на въглеродните атоми са в равнина, перпендикулярна на равнината на σ-връзките. Всеки p-облак се припокрива с два съседни p-облака и в резултат се образува единична конюгирана π-система (припомнете си ефекта от конюгирането на p-електроните в молекулата 1,3-бутадиен, разгледан в темата „Диен 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 бензолов пръстен,или бензолово ядро.

В съответствие със съвременни идеиотносно електронна структурабензен, молекулата C 6 H 6 е изобразена, както следва:

Физични свойства на бензола

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

Химични свойства на бензола

Ароматната връзка определя химичните свойства на бензола и други ароматни въглеводороди.

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

аз. Реакции на заместване

1. Халогениране

2. Нитриране

Реакцията се провежда със смес от и киселини (нитрираща смес):

3. Сулфониране

4. Алкилиране (замяна на "Н" атома с алкилова група) - Реакции на Фридел-Крафтссе образуват хомолози на бензола:

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

II. Реакции на добавяне

1. Хидрогениране

2. Добавяне на хлор

III.Реакции на окисление

1. Изгаряне

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. Непълно окисление (KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 в кисела среда). Бензоловият пръстен е устойчив на окислители. Реакцията не настъпва.

Получаване на бензол

В индустрията:

1) преработка на нефт и въглища;

2) дехидрогениране на циклохексан:

3) дехидроциклизация (ароматизация) на хексан:

В лабораторията:

Сливане на соли на бензоената киселина с:

Изомерия и номенклатура на хомолозите на бензола

Всеки хомолог на бензол има странична верига, т.е. алкилови радикали, прикрепени към бензеновия пръстен. Първият хомолог на бензола е бензолово ядро, свързано с метилов радикал:

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

За последващи хомолози на бензола е възможен един вид изомерия - изомерия на страничната верига, която може да бъде от два вида:

1) изомерия на броя и структурата на заместителите;

2) изомерия на позицията на заместителите.

Физични свойства на толуена

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

Химични свойства на толуена

аз. Реакции на заместване

1. Реакции, включващи бензоловия пръстен

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

Метиловият радикал, съдържащ се в молекулата на толуена, е заместител на рода, следователно в резултат на реакции на заместване в бензеновото ядро се получават орто- и пара-производни на толуен или, с излишък от реагента, три производни от общата формула:

а) халогениране

При по-нататъшно хлориране могат да се получат дихлорометилбензен и трихлорометилбензол:

II. Реакции на добавяне

хидрогениране

III.Реакции на окисление

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

2. Непълно окисление

За разлика от бензола, неговите хомолози се окисляват от някои окислители; в този случай страничната верига претърпява окисление, в случай на толуен - метиловата група. Меките окислители като MnO 2 го окисляват до алдехидна група, по-силните окислители (KMnO 4) причиняват по-нататъшно окисление до киселина:

Всеки хомолог на бензол с една странична верига се окислява от силен окислител като KMnO4 до бензоена киселина, т.е. има прекъсване на страничната верига с окисляване на нейната отцепена част до CO 2; например: