Ароматические углеводороды. Бензол: структурная формула, свойства, получение. Применение бензола и его гомологов.

План ответа:

1. Определение.
2. Общая формула, гомологический ряд.
3. Строение.
4. Изомерия и номенклатура.
5. Получение.
6. Физические свойства.
7. Химические свойства.
8. Применение.

Ароматические углеводороды – это органические вещества с общей формулой С_nH_2n-6, в молекуле которого имеется бензольное кольцо или ядро.

Простейший и самый важный представитель ароматических углеводородов – бензол С₆ Н₆.

              СН

НС                СН

 

НС                 СН

 

             СН

 

Гомологический ряд бензола.

                СН₃                                  СН₂─ СН₃                      СН₂─ СН₂─ СН₃

                  │                                        │                                      │

 

  

 

        метилбензол                        этилбензол                   пропилбензол

         (толуол)   

Строение.

Согласно современным представлениям, в молекуле бен­зола у каждого атома углерода один s- и два р-электронных облака гибридизованы (sp²-гибридизация), а одно р-электронное облако негибридное. Все три гибридных электронных облака, перекрываясь, образуют а-связи, которые находятся в одной плоскости. Два из них перекрываются друг с другом, а третье — с s-электронным облаком атома водорода. В ре­зультате образуются три сигма-связи. Негибридные р-электронные облака атомов угле­рода расположены перпендикулярно плоскости направления σ-связей. Эти облака тоже перекрываются друг с другом. Перекрывание всех электронных облаков на одном рисунке показать трудно, поэтому рассмотрим последовательно два рисунка.

В цикле молекулы бензола нет трех отдельных двойных связей. Если символы углеродных атомов в цикле молекулы бензола пронумеровать по направлению движения часовой стрелки, то видно, что негибридное р-электронное облако первого атома углерода перекрывается с негибридными р-электронными облаками второго и шестого атомов углерода, а р-электронное об­лако второго атома углерода перекрывается с негибрид­ными р-электронными облаками первого и третьего атомов углерода. Перекрывание негибридных облаков происходит вкруговую. Образуется единое Пи-электронное кольцо(ароматическое ядро).

        Изомерия и номенклатура.

Если в молекуле бензола атомы водорода замещены несколькими радикалами, то образуются орто-, мета- и пара-производные бензола. Для наименования таких веществ атомы углерода в формулах нумеруют, а обозначения орто, мета и пара пишут сокращенно:

         СН₃                                             СН₃                                      СН₃

          │₁                                          │₁                                      │₁

                                 

НС                 С²-СН₃    НС                   СН       НС                        СН

              

                                                                                                

НС                СН             НС                     С³-СН₃ НС                        СН

         

          СН                                         СН                                         С⁴

                                                                                                             │

                                                                                                             СН₃

     

  1,2-диметилбензол           1,3- диметилбензол          1,4-диметилбензол

     (о-ксилил)                           (м-ксилол)                         (п-ксилол)

 Известны ароматические соединения, в боковых цепях ко­торых имеются радикалы непредельных углеводородов. Простейшим представителем таких углеводородов является винилбензол, или стирол.

Получение.

Важнейшими источниками ароматических углеводородов являются каменноугольная смола и газы, образующиеся при коксовании (пиролизе) углей и перегонке нефти.

1. Советский ученый Н. Д. Зелинский доказал, что бензол образуется из циклогексана, выделяемого из неко­торых сортов нефти:

 

                 СН₂                                                                            СН

Н₂С                  СН₂                                         НС                  СН             

                                          Pt илиPd, 300ºC                                                 

                                                       →                                                          +3Н₂↑

Н₂С                  СН₂                                          НС                  СН

 

                СН₂                                                                           СН

                                                                                              бензол

 

Так как в нефти содержится также производное цикло­гексана — метилциклогексан, то из него при этих же усло­виях образуется метилбензол (толуол):

 

                 СН─СН₃                                                                  С─СН₃

Н₂С                     СН₂                                              НС                  СН             

                                          Pt илиPd, 300ºC                                                

                                                       →                                                         +3Н₂↑

Н₂С                  СН₂                                          НС                  СН

 

                СН₂                                                                           СН

                                                                                           толуол

2. При этих же условиях н-гексан превращается в бензол:

 

                 СН₂                                        СН

              /                                           

        Н₂С       СН₃ Pt,300º НС                  СН             

            │                       →                                        +3Н₂

       Н₂С         СН₃                                             

                    /                    НС                  СН

                  СН₂

                                                                   CН

 

                                                                      бензол

 

3. Если пропускать ацетилен при 450—500 °С над активиро­ванным углем, то он также превращается в бензол:

         500ºС

3 С₂Н₂ → С₆Н₆

Этот метод в 1927 г. применял Н. Д. Зелинский.

Физические свойства.

Бензол — бесцветная, нераствори­мая в воде жидкость со своеобразным запахом. Его тем­пература кипения 80,1 °С. При охлаждении он легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С. Температуры кипения ароматических угле­водородов закономерно повышаются с увеличением их отно­сительных молекулярных масс.

Химические свойства.

Ядро бензола обладает большой прочностью. Этим и объясняется склонность ароматических углеводородов к реакциям замещения.

I.Реакции замещения.

1.  В присутствии катализатора— солей железа (III)—бензол вступает в реакцию замещения с галогенами:

С_бН₆+Вг₂ →C₆H₅Br +НВг
бензол        бромбензол

Аналогично бензол реагирует и с хлором.

2. К реакциям замещения относится также взаимодействие бензола с азотной кислотой:

                   Н₂SO₄

С₆Н₆ + HONO₂ → С₆Н₅NО₂ + Н₂О

                           нитробензол

Серная кислота в этой реакции играет роль катали­затора и водоотнимающего средства.

Еще легче в реакции замещения вступают гомологи бензола. Например, метилбензол (толуол) C₆H₅—СН₃ под­вергается нитрованию значительно легче, чем бензол:                                     

  СН₃                                                  CH₃

    |                                                      │

   С                                                     C                        

/                                    

 НС СН                       ON₂─C                 C─ NO₂

|    | + 3НО-NO₂→                                              +3H₂О

 НС СН

/                                   HC                 CH

    СН

                                                                C─ NO₂ 

метилбензол                             1-метил-2,4,6-тринитробензол

 

 

II. Реакции окисления.

1.  Бензол очень стоек к окислению. В отличие от него ароматические углеводороды с боковыми цепями окисляются относительно легко. При действии энергичных окислителей (КМnО₄) на гомологи бензола окислению подвергаются только боковые цепи.

                                   

 

 

                                                О

                                               //

С₆Н₅—СН₃ + 3[О]→ С₆Н₅—С  + Н₂0

                                              

                                               ОН

                                          бензойная кислота

2. Бензол и его гомологи на воздухе горят коптящим пламенем:

    2С₆Н₆ +15О₂ → 12СО₂ + 6Н₂О

 

III.Реакции присоединения.

 1. Под действием солнечного света или ультрафиолетовых лучей бензол вступает в реакции присоединения. Так, например, бензол на свету присоединяет хлор, и образуется гексахлорциклогексан (гексахлоран):

              СН                                     CCl

                                                          

НС                    СН      ClC                  CCl

                                 +3Cl₂→

НС                 СН        ClC                 CCl

   

               СН                                     CCL

 

2. Бензол способен также гидрироваться (при нагревании и действии катализатора):

 

              СН                                     CН₂

                                                          

НС                 СН      Н₂C                  CН2

                                 +3Н₂→

НС                 СН        Н₂C                 CН₂

   

               СН                                     CН₂

 

      бензол                          циклогексан

 

Применение бензола, его гомоло­гов и их соединений.

 Используется для получение: пластмасс, кра­сителей, лекарств, анилина, саха­рина, взрывчатых веществ, раство­рителей, бутадиенстирольного кау­чука, средств для борьбы с вредными насекомыми и болез­нями растений, волокон  лавсана.