ароматни съединения. Ароматни въглеводороди: основните представители и тяхното използване в националната икономика. Химични свойства на бензола и други ароматни въглеводороди

Припомнете си, че всички органични съединения са разделени на две големи групи:

съединения с отворена верига (алифатен) и
циклични съединения.

Цикличните съединения се характеризират с наличието на така наречените цикли в техните молекули.

Цикълът е затворена верига, тоест верига, която, започвайки от определен връх, завършва в него.

Цикличните съединения от своя страна се разделят на:

Карбоциклични съединения

Карбоциклични съединения- Това са съединения, в чиито молекули има цикли, състоящи се само от въглеродни атоми.

В допълнение към свързването помежду си, въглеродните атоми са свързани и с други атоми (водород, кислород и т.н.), но самият цикъл се състои от въглеродни атоми. Това обстоятелство е отразено в името им (Carboneum на латински - въглерод).

Това са циклични съединения, в циклите на които освен въглеродни атоми има атоми на други елементи (кислород, азот, сяра и др.). И това е отразено и в името им (от гръцки ετερος - „друг“, „различен“).

На фигурата по-горе (вдясно) пиридинът е показан като пример за хетероциклично съединение.

Карбоциклични съединения

Карбоцикличните съединения се делят на алициклични и ароматни.

Алицикличните съединения са един от двата подтипа карбоциклични съединения.

Наричат се така, защото по химични свойства са най-близки до алифатните съединения, въпреки че имат пръстеновидна структура.

Те се различават по броя на въглеродните атоми в цикъла и в зависимост от естеството на връзката между тези атоми могат да бъдат ограничаващи и неограничаващи.

В молекулите на наситените циклични въглеводороди въглеродните атоми са свързани с прости връзки, както в молекулите на наситените въглеводороди с отворена верига, което ги прави сходни по свойства с последните.

Примери за такива съединения са циклопарафините:

Имената на цикличните съединения са изградени като имената на мастни (алифатни) съединения с добавка на представката "цикло".

Вторият подвид на карбоцикличните съединения са ароматните съединения.

Ароматни серииобхваща всички карбоциклични съединения, в чиито молекули има специфично групиране на атоми - бензолов пръстен. Това групиране на атомите определя определени физични и химични свойства на ароматните съединения.

Най-простите от тях са бензол C 6 H 6и неговите хомолози, напр. толуен(метилбензол) C6H5-CH3, етилбензен C6H5-CH2CH3. Общата формула на тези съединения C n H 2n-2.

Характерна особеност на структурата на бензоловия пръстен е три единични и три двойни връзки, редуващи се една с друга. За по-лесно писане, бензоловото ядро е изобразено в опростена форма като шестоъгълник, в който символите ОТи Хпо отношение на пръстена не пишете:

Едновалентен бензенов радикал C 6 H 5 -, образуван от отстраняването на един водороден атом от всеки въглероден атом на бензеновото ядро, се нарича фенил.

Ароматните въглеводороди са известни с множество връзки в страничните вериги, като стирен, както и полиядрени въглеводороди, съдържащи няколко бензолни ядра, напр. нафталини антрацен:

Или опростено:

Получаване на ароматни съединения и тяхното използване.

Ароматните въглеводороди се намират в каменовъглен катран, получен чрез коксуващи въглища. Друг важен източник за тяхното производство е петролът от някои находища.

Ароматните въглеводороди се получават и чрез каталитична ароматизация на ациклични петролни въглеводороди.

Някои ароматни съединения могат да бъдат изолирани от растителни етерични масла. Използват се за получаване на ароматни вещества.

Ароматните въглеводороди и техните производни се използват широко за производството на пластмаси, синтетични багрила, лекарства и експлозиви, синтетични каучуци и детергенти.

Произход на името.

Бензолът и всички съединения, съдържащи бензеново ядро, са наречени ароматни (в началото на 19 век), тъй като първите изследвани представители на тази серия са ароматни вещества или съединения, изолирани от естествени ароматни вещества. Сега тази серия включва множество съединения, които нямат приятна миризма, но имат комплекс от химични свойства, наречени ароматни свойства.

Характеристики на свойствата и структурата на ароматните въглеводороди.

Ароматните свойства на бензола и неговите хомолози, определени от особеността на неговата структура, се изразяват в относителната стабилност на бензоловия пръстен, въпреки ненаситеността на бензола в състава.

По този начин, за разлика от ненаситените съединения с етиленови двойни връзки, бензенът е устойчив на окислители. Например, подобно на наситените въглеводороди, той не обезцветява калиевия перманганат. Реакциите на присъединяване за бензол не са типични. Напротив, той, подобно на други ароматни съединения, се характеризира с реакции на заместване на водородни атоми в бензеновия пръстен.

От казаното следва, че формулата на бензола с редуващи се единични и двойни връзки не изразява точно естеството на връзките между въглеродните атоми в бензеновото ядро.

Съгласно тази формула трябва да има три локализирани пи връзки в бензола, т.е. три двойки пи електрони, всеки от които е фиксиран между два въглеродни атома. Ако обозначим тези pi-електрони с точки, тогава структурата може да бъде представена с диаграма:

Опитът обаче показва, че в бензоловия пръстен няма обикновени двойни връзки, редуващи се с единични, и че всички връзки между ОТ-атомите са еквивалентни.

Тази еквивалентност се обяснява по следния начин.

Всеки от въглеродните атоми в бензоловия пръстен е в състояние sp 2-хибридизация и изразходва три валентни електрона за образуване на сигма връзки с два съседни въглеродни атома и един водороден атом.

В този случай всичките шест въглеродни атома и всички сигма връзки S-Sи S-Nлежат в една и съща равнина:

Облак от четвъртия валентен електрон на всеки от въглеродните атоми (т.е. облак Р-електрон, който не участва в хибридизацията) има формата на обем осем ("дъмбел") и е ориентиран перпендикулярно на равнината на бензоловия пръстен.

Всеки от тези Р-електронните облаци се припокриват над и под равнината на пръстена с Р-електронни облаци от два съседни въглеродни атома.

плътност на облаците пи-електроните в бензола са равномерно разпределени между всички връзки S-S. С други думи, шест пи-електроните се обобщават от всички въглеродни атоми на пръстена и образуват един пръстеновиден облак ( ароматен електронен секстет).

Поради тази причина в структурните формули вместо общоприетия символ за бензеновото ядро с редуващи се двойни и единични връзки се използва шестоъгълник с кръг вътре:

Съединенията със затворена верига се наричат хетероциклични, включващи не само въглеродни атоми, но и атоми на други елементи.

На снимката пиридинможе да се разглежда като бензол, в който групата -CHзаместен с азотен атом.

е най-многобройният клас съединения. Те включват много витамини, пигменти, антибиотици, повечето алкалоиди, някои аминокиселини и т.н.

Наричат се елементи, които участват заедно с въглеродните атоми в образуването на цикъл хетероатоми. Най-често срещаните и изследвани хетероциклични съединения на кислород, сяра и азот.

В състава на хетеромолекула може да има или един хетероатом, или по-голям брой:

Хетероциклите могат да съдържат три, четири, пет, шест или повече атома. Подобно на карбоцикличните съединения, пет- и шестчленните хетероцикли са най-стабилни.

Наличието на хетероатом води до нарушаване на равномерното разпределение на електронната плътност в цикъла. Това определя способността на хетероцикличните съединения да реагират както с електрофилни, така и с нуклеофилни реагенти (т.е. да бъдат едновременно донор и акцептор на електронна двойка), а също и относително лесно да се подлагат на разкъсване на пръстена.

Арени(ароматни въглеводороди) - съединения, чиито молекули съдържат един или повече бензолови пръстени - циклични групи от въглеродни атоми със специфична природа на връзките.

Бензен - молекулярна формула C6H6. За първи път е предложено от А. Кекуле:

Структура на арената.

Всичките 6 въглеродни атома са вътре sp 2-хибридизация. Всеки въглероден атом образува 2 σ -връзки с два съседни въглеродни атома и един водороден атом, които са в една и съща равнина. Ъглите са 120°. Тези. всички въглеродни атоми лежат в една и съща равнина и образуват шестоъгълник. Всеки атом има нехибриден Р-хабитат, върху който има несдвоен електрон. Тази орбитала е перпендикулярна на равнината и следователно π - електронният облак е "размазан" върху всички въглеродни атоми:

Всички връзки са равни. Енергия на конюгиране - количеството енергия, което трябва да се изразходва за унищожаване на ароматната система.

Това е, което определя специфичните свойства на бензола - проявата на ароматност. Това явление е открито от Хюкел и се нарича правило на Хюкел.

Изомерия на арените.

Аренимогат да бъдат разделени на 2 групи:

производни на бензол:

кондензирани арени:

Общата формула за арените е ОТнХ 2 н -6 .

Арените се характеризират със структурна изомерия, която се обяснява с взаимното подреждане на заместителите в пръстена. Ако в пръстена има 2 заместителя, те могат да бъдат в 3 различни позиции - орто (o-), мета (m-), пара (p-):

Ако един протон се „отнеме“ от бензола, тогава се образува радикал - ° С 6 Х 5, който се нарича арилов радикал. протозои:

Арените се наричат думата "бензен", което показва заместителите в пръстена и техните позиции:

Физични свойства на арените.

Първите членове на серията са безцветни течности с характерна миризма. Те се разтварят добре в органични разтворители, но са неразтворими във вода. Бензолът е токсичен, но има приятна миризма. Предизвиква главоболие и световъртеж, вдишването на големи количества пари може да причини загуба на съзнание. Дразни лигавиците и очите.

Получаване на арени.

1. От алифатни въглеводороди с помощта на "ароматизация" на наситени въглеводороди, които са част от маслото. При преминаване върху платина или хромов оксид се наблюдава дихидроциклизация:

2. Дехидрогениране на циклоалкани:

3. От ацетилен (тримеризация) при преминаване върху горещи въглища при 600°C:

4. Реакция на Фридел-Крафтсв присъствието на алуминиев хлорид:

5. Сливане на соли на ароматни киселини с алкали:

Химични свойства на арените.

Реакции на заместване на арен.

Ядрото на арените има мобилен π - система, която се влияе от електрофилни реагенти. Арените се характеризират с електрофилно заместване, което може да бъде представено по следния начин:

Електрофилната частица се привлича π - пръстенна система, тогава между реагента се образува силна връзка хи един от въглеродните атоми, докато единството на пръстена е нарушено. За възстановяване на ароматността се изхвърля протон и 2 електрона S-Nпреминете към π-системата на пръстена.

1. Халогенирането протича в присъствието на катализатори - безводни хлориди и бромиди на алуминий, желязо:

2. Нитриране на арени. Бензенът реагира много бавно с концентрирана азотна киселина при силно нагряване. Но ако добавите сярна киселина, тогава реакцията протича много лесно:

3. Сулфонирането протича под въздействието на 100% - сярна киселина - олеум:

4. Алкилиране с алкени. В резултат на това веригата се удължава, реакцията протича в присъствието на катализатор - алуминиев хлорид.

АРОМАТИЧНИ ВЪглеводороди (АРени)

Типични представители на ароматните въглеводороди са производните на бензола, т.е. такива карбоциклични съединения, в молекулите на които има специална циклична група от шест въглеродни атома, наречена бензен или ароматен пръстен.
Общата формула на ароматните въглеводороди е CnH2n-6.

Структурата на бензола

За да проучите структурата на бензола, трябва да гледате анимационния филм "Структурата на бензола" (Това видео е достъпно само на CD-ROM). Текстът, придружаващ този филм, е преместен изцяло в този подраздел и следва по-долу.

„През 1825 г. английският изследовател Майкъл Фарадей, по време на термичното разлагане на мазнината, изолира миризливо вещество с молекулярна формула C6H6. Това съединение, което сега се нарича бензен, е най-простият ароматен въглеводород.
Общата структурна формула за бензол, предложена през 1865 г. от немския учен Кекуле, е цикъл с редуващи се двойни и единични връзки между въглеродните атоми:

Въпреки това, физически, химични, както и квантово-механични изследвания са установили, че в молекулата на бензола няма обикновени двойни и единични връзки въглерод-въглерод. Всички тези връзки в него са равни, еквивалентни, т.е. са, така да се каже, междинни връзки "една и половина", характерни само за ароматното ядро на бензол. Освен това се оказа, че в молекулата на бензола всички въглеродни и водородни атоми лежат в една и съща равнина, а въглеродните атоми са разположени във върховете на правилен шестоъгълник със същата дължина на връзката между тях, равна на 0,139 nm, и всички ъгли на свързване са 120 °. Това подреждане на въглеродния скелет се дължи на факта, че всички въглеродни атоми в бензоловия пръстен имат еднаква електронна плътност и са в състояние на sp2 хибридизация. Това означава, че всеки въглероден атом има една s и две p орбитали хибридизирани, а една p орбитала е нехибридна. Три хибридни орбитали се припокриват: две от тях с еднакви орбитали на два съседни въглеродни атома, а третата с s-орбитала на водородния атом. Подобни припокривания на съответните орбитали се наблюдават за всички въглеродни атоми на бензоловия пръстен, което води до образуването на дванадесет s-връзки, разположени в една и съща равнина.
Четвъртата нехибридна р-орбитала на въглеродните атоми с форма на гира е разположена перпендикулярно на равнината на посоката на s-връзките. Състои се от две еднакви дяла, едната от които лежи над, а другата под посочената равнина. Всяка p орбитала е заета от един електрон. Р-орбиталата на един въглероден атом се припокрива с р-орбитала на съседния въглероден атом, което води, както в случая на етилена, до сдвояване на електрони и образуване на допълнителна р-връзка. Въпреки това, в случая на бензол, припокриването не се ограничава само до две орбитали, както при етилена: p-орбиталата на всеки въглероден атом се припокрива еднакво с p-орбиталите на двата съседни въглеродни атома. В резултат на това се образуват два непрекъснати електронни облака под формата на тори, единият от които лежи над, а другият под равнината на атомите (торът е пространствена фигура, която има формата на поничка или спасителен кръг). С други думи, шест p-електрона, взаимодействащи един с друг, образуват един единствен p-електронен облак, който е изобразен с кръг в шестчленен цикъл:

От теоретична гледна точка само тези циклични съединения, които имат планарна структура и съдържат (4n + 2) p-електрони в затворена система на конюгиране, където n е цяло число, могат да се нарекат ароматни съединения. Дадените критерии за ароматност, известни като правилата на Хюкел, са напълно изпълнени от бензола. Неговият брой от шест p-електрона е числото на Хюкел за n=1, поради което шестте p-електрона на молекулата на бензола се наричат ароматен секстет."
Пример за ароматни системи с 10 и 14 p-електрони са представители на полиядрени ароматни съединения -
нафталин и
антрацен.

изомерия

Теорията на структурата позволява съществуването само на едно съединение с формула бензен (C6H6), както и само на един най-близък хомолог - толуен (C7H8). Въпреки това, следващите хомолози може вече да съществуват като няколко изомера. Изомерията се дължи на изомерията на въглеродния скелет на съществуващите радикали и тяхното взаимно положение в бензоловия пръстен. Позицията на два заместителя се обозначава с помощта на префикси: орто- (o-), ако са разположени върху съседни въглеродни атоми (позиция 1, 2-), мета- (m-) за разделени с един въглероден атом (1, 3- ) и пара- (p-) за тези срещу други (1, 4-).
Например за диметилбензол (ксилол):

орто-ксилол (1,2-диметилбензен)

мета-ксилол (1,3-диметилбензен)

пара-ксилол (1,4-диметилбензен)

Касова бележка

Известни са следните методи за производство на ароматни въглеводороди.

1) Каталитична дехидроциклизация на алкани, т.е. елиминиране на водорода с едновременна циклизация (методът на B.A. Kazansky и A.F. Plate). Реакцията се провежда при повишена температура, като се използва катализатор като хромов оксид.

хептан-500°C® + 4H2 толуен

2) Каталитично дехидрогениране на циклохексан и неговите производни (N.D. Zelinskiy). Като катализатор се използва паладиево черно или платина при 300°C.

циклохексан -300°C, Pd®+ 3H2

3) Циклична тримеризация на ацетилен и неговите хомолози върху активен въглен при 600°C (N.D. Zelinskii).

3НСєСН--600°C®

4) Сливане на соли на ароматни киселини с алкална или натриева вар.

NaOH--t°®+ Na2CO3

5) Алкилиране на самия бензен с халогенни производни (реакция на Фридел-Крафтс) или олефини.

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.
Физичните свойства на някои арени са представени в таблицата.

Таблица. Физически свойства на някои арени

име	Формула	t°.pl., °C	t°.bp., °C	d4 20
Бензол	C6H6		80,1	0,8790
Толуен (метилбензен)	C 6 H 5 CH 3	95,0	110,6	0,8669
Етилбензол	C 6 H 5 C 2 H 5	95,0	136,2	0,8670
Ксилол (диметилбензен)	C6H4 (CH3)2
орто-		25,18	144,41	0,8802
мета-		47,87	139,10	0,8642
двойка-		13,26	138,35	0,8611
Пропилбензол	C 6 H 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20	0,8610
Кумол (изопропилбензен)	C6H5CH(CH3)2	96,0	152,39	0,8618
стирол (винилбензен)	C 6 H 5 CH = CH 2	30,6	145,2	0,9060

Химични свойства

Бензоловото ядро има висока якост, което обяснява склонността на ароматните въглеводороди към реакции на заместване. За разлика от алканите, които също са склонни към реакции на заместване, ароматните въглеводороди се характеризират с висока подвижност на водородните атоми в ядрото, така че реакциите на халогениране, нитриране, сулфониране и др. протичат при много по-меки условия от алканите.

Електрофилно заместване в бензол

Въпреки факта, че бензолът е ненаситено съединение по състав, реакциите на присъединяване не са характерни за него. Типични реакции на бензоловия пръстен са реакции на заместване на водород - по-точно реакции на електрофилно заместване.
Нека разгледаме примери за най-характерните реакции от този тип.

1) Халогениране. Когато бензенът реагира с халоген (в този случай хлор), водородният атом на ядрото се заменя с халоген.

Cl2 -AlCl3® (хлоробензен) + H2O

Реакциите на халогениране се извършват в присъствието на катализатор, който най-често е алуминиев или железен хлорид.

2) Нитриране. Когато нитруваща смес действа върху бензол, водороден атом се заменя с нитрогрупа (нитруващата смес е смес от концентрирана азотна и сярна киселини в съотношение съответно 1: 2).

HNO3 -H2SO4® (нитробензен) + H2O

Сярната киселина в тази реакция играе ролята на катализатор и средство за отстраняване на водата.

3) Сулфониране. Реакцията на сулфониране се извършва с концентрирана сярна киселина или олеум (олеумът е разтвор на серен анхидрид в безводна сярна киселина). По време на реакцията водородният атом се заменя със сулфо група, което води до моносулфонова киселина.

H2SO4 -SO3® (бензенсулфонова киселина) + H2O

4) Алкилиране (реакция на Фридел-Крафтс). При действието на алкилхалогениди върху бензол в присъствието на катализатор (алуминиев хлорид), водородният атом на бензеновия пръстен се заменя с алкил.

R-Cl -AlCl3® (R-въглеводороден радикал) + HCl

Трябва да се отбележи, че реакцията на алкилиране е общ метод за получаване на хомолози на бензен - алкилбензоли.

Нека разгледаме механизма на реакцията на електрофилно заместване в бензоловата серия, като използваме реакцията на хлориране като пример.
Първичната стъпка е генерирането на електрофилна частица. Образува се в резултат на хетеролитично разцепване на ковалентна връзка в халогенна молекула под действието на катализатор и е хлориден катион.

AlCl3 ® Cl+ + AlCl4-

Получените електрофилни видове атакуват бензоловия пръстен, което води до бързо образуване на нестабилен р-комплекс, в който електрофилният вид е привлечен от електронния облак на бензоловия пръстен.

P-комплекс

С други думи, p-комплексът е просто електростатично взаимодействие между електрофила и р-електронния облак на ароматното ядро.
След това настъпва преходът на p-комплекса към s-комплекса, чието образуване е най-важният етап от реакцията. Електрофилната частица "улавя" два електрона от секстета на s-електрона и образува s-връзка с един от въглеродните атоми на бензоловия пръстен.

s-комплекс

S-комплексът е катион без ароматна структура, с четири p-електрона, делокализирани (с други думи, разпределени) в сферата на влияние на ядрата на пет въглеродни атома. Шестият въглероден атом променя хибридното състояние на своята електронна обвивка от sp2- на sp3-, напуска равнината на пръстена и придобива тетраедрична симетрия. И двата заместителя - водородните и хлорните атоми са разположени в равнина, перпендикулярна на равнината на пръстена.
На последния етап на реакцията протонът се отделя от s-комплекса и ароматната система се възстановява, тъй като двойката електрони, липсващи от ароматния секстет, се връщат в бензеновото ядро.

Отцепеният протон се свързва с алуминиевия тетрахлорид анион, за да образува хлороводород и регенерира алуминиев хлорид.

H+ + AlCl4- ® HCl + AlCl3

Поради тази регенерация на алуминиевия хлорид е необходимо много малко (каталитично) количество от него, за да започне реакцията.
Въпреки склонността на бензола към реакции на заместване, той също влиза в реакции на присъединяване при тежки условия.

1) Хидрогениране. Добавянето на водород се извършва само в присъствието на катализатори и при повишени температури. Бензенът се хидрогенира, за да се образува циклохексан, а бензоловите производни дават производни на циклохексан.

3H2 -t°,p,Ni® (циклохексан)

2) На слънчева светлина, под въздействието на ултравиолетово лъчение, бензенът добавя хлор и бром, за да образува хексахалиди, които при нагряване губят три молекули халогеноводород и водят до трихалогенбензоли.

3Cl2-hn®

хексахлорциклохексан

сим-трихлоробензен

3) Окисление. Бензеновото ядро е по-устойчиво на окисляване от алканите. Дори калиев перманганат, азотна киселина, водороден прекис не действат върху бензол при нормални условия. Под действието на окислители върху хомолози на бензола въглеродният атом на страничната верига, най-близо до ядрото, се окислява до карбоксилна група и дава ароматна киселина.

2KMnO4 ® (калиева сол на бензоената киселина) + 2MnO2 + KOH + H2O

4KMnO4 ® + K2CO3 + 4MnO2 + 2H2O + KOH

Във всички случаи, както се вижда, независимо от дължината на страничната верига, се образува бензоена киселина.
Ако има няколко заместителя в бензоловия пръстен, всички съществуващи вериги могат да бъдат окислени последователно. Тази реакция се използва за определяне на структурата на ароматните въглеводороди.

-[O]® (терефталова киселина)

Правила за ориентация в бензоловото ядро

Подобно на самия бензол, хомолозите на бензола също претърпяват реакции на електрофилно заместване. Въпреки това, съществена характеристика на тези реакции е, че нови заместители влизат в бензоловия пръстен на определени позиции спрямо съществуващите заместители. С други думи, всеки заместител на бензеновото ядро има определен насочващ (или ориентиращ) ефект. Моделите, които определят посоката на реакциите на заместване в бензеновото ядро, се наричат правила за ориентация.
Всички заместители са разделени на две групи според естеството на тяхното ориентиращо действие.
Заместителите от първия вид (или орто-пара-ориентанти) са атоми или групи от атоми, способни да даряват електрони (донор на електрони). Те включват въглеводородни радикали, -OH и -NH2 групи и халогени. Изброените заместители (с изключение на халогените) повишават активността на бензеновия пръстен. Заместителите от първия вид ориентират новия заместител предимно в орто и пара позиции.

2 + 2H2SO4 ® (о-толуенсулфонова киселина) + (р-толуенсулфонова киселина) + 2H2O

2 + 2Cl2 -AlCl3® (о-хлоротолуен) + (р-хлоротолуен) + 2HCl

Като се има предвид последната реакция, трябва да се отбележи, че при липса на катализатори на светлина или при нагряване (т.е. при същите условия като за алканите), халогенът може да бъде въведен в страничната верига. Механизмът на реакцията на заместване в този случай е радикален.

Cl2-hn® (бензил хлорид) + HCl

Заместителите от втория вид (мета-ориентиращи агенти) са електроноотвличащи групи, способни да изтеглят и приемат електрони от бензеновото ядро. Те включват:
-NO2, -COOH, -CHO, -COR, -SO3H.
Заместителите от втория вид намаляват активността на бензеновия пръстен, те насочват новия заместител към мета позиция.

HNO3 -H2SO4® (m-динитробензен) + H2O

HNO3 -H2SO4® (m-нитробензоена киселина) + H2O

Приложение

Ароматните въглеводороди са важна суровина за производството на различни синтетични материали, багрила и физиологично активни вещества. И така, бензолът е продукт за производство на багрила, лекарства, продукти за растителна защита и др. Толуенът се използва като суровина в производството на експлозиви, фармацевтични продукти, а също и като разтворител. Винилбензен (стирол) се използва за производство на полимерен материал - полистирол.

Ароматните въглеводороди (наричани иначе арени) са органични биосъединения, чиито молекули съдържат един или повече цикъла с шест въглеродни атома. Бензоловият пръстен се характеризира със специални физични и химични свойства. Името "арена" навлиза в органичната и обща химия в края на 18 - началото на 19 век. Те включват вещества, които се състоят от две химични съединения - въглерод и водород и имат приятна миризма (смоли, балсами, етери). С течение на времето името "ароматни въглеводороди" губи значението си, тъй като ароматните вещества се срещат и сред други класове органични вещества, а повечето ароматни съединения имат неприятна или специфична миризма. За първи път бензолът е изолиран от осветителния газ в началото на 19 век. Малко по-късно (1845) А. Ф. Хофман изолира от каменовъглен катран. В днешно време класът на арени (според класификацията на IUPAC) съчетава съединения, на базата на молекули от които имат бензелови ядра. Така че, такива съединения са разделени на едно- и многоядрени арени, както и ароматни въглеводороди с кондензирани ядра.

Моноядрените арени са тези, които съдържат един бензенов пръстен. Структурата на молекулата на бензола, типичен представител на арените, най-често се показва с формулата на Кекуле под формата на цикъл от шест въглеродни атома, които са свързани последователно чрез прости С-С и двойни С=С връзки. Тази структура се потвърждава от данните на съвременния физико-химичен анализ.

Основните идеи на Кекуле за структурата на бензола са следните: 1) бензенът има структурата на шестоъгълен пръстен; 2) има три единични и три двойни връзки в бензеловия пръстен; 3) всичките шест въглеродни атома в бензоловия пръстен са еквивалентни един на друг. Формулата отразява елементния състав на бензола, съотношението на въглеродните и водородните атоми в молекулата, отсъствието на изомери за монозаместени производни на бензол.

Ароматните въглеводороди са доста често срещани в природата. Те са неразделна част от каменовъгления катран, който се получава след суха дестилация на въглища. Арените са част от много разновидности на масло и други природни продукти (смоли, балсами и др.). В процеса на суха дестилация на въглища се получават средно около три процента каменовъглен катран или каменовъглен катран. И редица фракции се получават от каменовъглен катран по време на фракционна дестилация: светло масло (съдържа ксилени, толуен, бензол, тиофен), карболово масло (съдържа крезоли, феноли и нафталин), креозотово масло (съдържа нафталин), (съдържа фенантрен, и други по-високи арени) и терен, който се използва за покриване на пътища и като строителен материал.

Използването на ароматни въглеводороди. Бензолът има специфична миризма и е практически неразтворим във вода. Той е добър разтворител за органични биосъединения. Синтезирано от каменовъглен катран. Бензолът е ценна суровина за производството на багрила, лекарства, експлозиви, хербициди, инсектициди и др.

Толуенът е силно разтворим в органични разтворители. Получава се от каменовъглен катран, както и от някои видове масло. От толуен се синтезират бензолов алкохол, бензалдехид, багрила, лекарства, захарин, тринитротолуен.

Добри са ксилоните.Получават се от въглищно масло, както и чрез фракционна дестилация на каменовъглен катран. Фталов анхидрид, ксилен, лавсан от изкуствени влакна се синтезират от ксилени. Понякога към бензините се добавят ксилени.

ароматни въглеводороди- съединения на въглерода и водорода, в чиято молекула има бензенов пръстен. Най-важните представители на ароматните въглеводороди са бензолът и неговите хомолози - продуктите на заместване на един или повече водородни атома в молекулата на бензола за въглеводородни остатъци.

Структурата на молекулата на бензола

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

По този начин молекулата, съответстваща на формулата на Кекуле, съдържа двойни връзки, следователно бензенът трябва да има ненаситен характер, т.е. лесно е да влезете в реакции на добавяне: хидрогениране, бромиране, хидратиране и др.

Многобройни експериментални данни обаче показват това бензолът влиза в реакции на присъединяване само при тежки условия(при високи температури и осветление), устойчиви на окисляване. Най-характерните за него са реакциите на заместванеследователно, бензолът е по-близък по характер до наситените въглеводороди.

Опитвайки се да обяснят тези несъответствия, много учени са предложили различни версии на структурата на бензола. Структурата на бензоловата молекула най-накрая беше потвърдена от реакцията на нейното образуване от ацетилен. Всъщност връзките въглерод-въглерод в бензола са еквивалентни и техните свойства не са подобни на тези на единичните или двойните връзки.

В момента бензолът се обозначава или с формулата на Кекуле, или с шестоъгълник, в който е изобразен кръг.

И така, каква е особеността на структурата на бензола?

Въз основа на изследователски данни и изчисления се стигна до заключението, че всичките шест въглеродни атома са в състояние на sp 2 хибридизация и лежат в една и съща равнина. Нехибридизираните p-орбитали на въглеродните атоми, които изграждат двойните връзки (формулата на Кекуле), са перпендикулярни на равнината на пръстена и успоредни една на друга.

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

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

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

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

Изомерия и номенклатура на ароматните въглеводороди

За хомолози на бензолхарактерна е изомерията на положението на няколко заместителя. Най-простият хомолог на бензола 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 като се започне 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 орто позиции, 4 - пара-, 3 и 5 - мета позиции.

Физични свойства на ароматните въглеводороди

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

Химични свойства на ароматните въглеводороди

реакции на заместване.Ароматните въглеводороди влизат в реакции на заместване.

1. Бромиране.Когато реагира 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 бензол 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), водороден атом се заменя с нитро група - NO 2:

Получава се редукция на нитробензол анилин- вещество, което се използва за получаване на анилинови багрила:

Тази реакция е кръстена на руския химик Зинин.

Реакции на добавяне.Ароматните съединения могат също да влязат в реакции на присъединяване към бензоловия пръстен. В този случай се образува циклохексан и неговите производни.

1. Хидрогениране.Каталитичното хидрогениране на бензола протича при по-висока температура от хидрогенирането на алкените:

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

Химични свойства на ароматните въглеводороди - компендиум

Хомолози на бензол

Съставът на техните молекули отговаря на формулата ° СнХ2n-6. Най-близките хомолози на бензола са:

Всички хомолози на бензол след толуен 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 общата формула ° С 8 Х 10 :

Съгласно старата номенклатура, използвана за обозначаване на относителното положение на два еднакви или различни заместители в бензоловия пръстен, се използват префикси орто-(съкратено като o-) - заместителите са разположени при съседни въглеродни атоми, мета-(m-) - през един въглероден атом и двойка-(p-) - заместители един срещу друг.

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

бромиране:

нитриране:

Толуенът се окислява от перманганат при нагряване:

Референтен материал за преминаване на теста:

периодичната таблица

Таблица за разтворимост