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.

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 RC 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.

АРЕНЫ (ароматические углеводороды)

Арены или ароматические углеводороды – это соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.

Почему "Ароматические"? Т.к. некоторые из ряда веществ имеют приятный запах. Однако в настоящее время в понятие "ароматичность" вкладывается совершенно иной смысл.

Ароматичность молекулы означает ее повышенную устойчивость, обусловленную делокализацией π-электронов в циклической системе.

Критерии ароматичности аренов:

1. Атомы углерода в sp 2 -гибридизованном состоянии образуют цикл.
2. Атомы углерода располагаются в одной плоскости (цикл имеет плоское строение).

Замкнутая система сопряженных связей содержит

4n+2 π-электронов (n – целое число).

Этим критериям полностью соответствует молекула бензола С 6 Н 6 .

Понятие “бензольное кольцо ” требует расшифровки. Для этого необходимо рассмотреть строение молекулы бензола.

В се связи между атомами углерода в бензоле одинаковые (нет как таковых двойных и одинарных) и имеют длину 0,139нм. Эта величина является промежуточной между длиной одинарной связи в алканах (0,154нм) и длиной двойной связи в алкенах (0,133 им).

Равноценность связей принято изображать кружком внутри цикла

Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии 150 кДж/моль. Эта величина составляет энергию сопряжения — количество энергии, которое нужно затратить, чтобы нарушить ароматическую систему бензола.

Общая фоормула: C n H 2n-6 (n ≥ 6)

Гомологический ряд:

Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R):

орто - (о -) заместители у соседних атомов углерода кольца, т.е. 1,2-;
мета - (м -) заместители через один атом углерода (1,3-);
пара - (п -) заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).

арил

C 6 H 5 - (фенил ) и C 6 H Ароматические одновалентные радикалы имеют общее название "арил ". Из них наиболее распространены в номенклатуре органических соединений два:

C 6 H 5 - (фенил ) и C 6 H 5 CH 2 - (бензил ). 5 CH 2 - (бензил ).

Изомерия:

структурная:

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:

3) изомерия заместителей R, начиная с R = С 2 Н 5 .

Химические свойства:

Для аренов более характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы , а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом.

2. Нитрование

Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированныхазотной и серной кислот):

3. Алкилирование

Замещение атома водорода в бензольном кольце на алкильную группу(алкилирование ) происходит под действием алкилгалогенидов или алкенов в присутствии катализаторов AlCl 3 , AlBr 3 , FeCl 3 .

Замещение в алкилбензолах:

Гомологи бензола (алкилбензолы) более активно вступают в реакции замещения по сравнению с бензолом.

Например, при нитровании толуола С 6 Н 5 CH 3 может происходить замещение не одного, а трех атомов водорода с образованием 2,4,6-тринитротолуола:

и облегчает замещение именно в этих положениях.

С другой стороны, под влиянием бензольного кольца метильная группа СH 3 в толуоле становится более активной в реакциях окисления и радикального замещения по сравнению с метаном СH 4 .

Толуол, в отличие от метана, окисляется в мягких условиях (обесцвечивает подкисленный раствор KMnO 4 при нагревании):

Легче, чем в алканах, протекают реакции радикального замещения в боковой цепи алкилбензолов:

Это объясняется тем, что на лимитирующей стадии легко (при невысокой энергии активации) образуются устойчивые промежуточные радикалы. Например, в случае толуола образуется радикал бензил Ċ H 2 -C 6 H 5 . Он более стабилен, чем алкильные свободные радикалы (Ċ Н 3 , Ċ H 2 R), т.к. его неспаренный электрон делокализован за счет взаимодействия с π-электронной системой бензольного кольца:

Правила ориентации

1. Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т.е. оказывают ориентирующее действие.

2. По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода .

   Ориентанты 1-го рода (орто-пара -ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в орто - и пара -положения.

   К ним относятся электронодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках):

R (+I ); - OH (+M,-I ); - OR (+M,-I ); - NH 2 (+M,-I ); - NR 2 (+M,-I ) +M-эффект в этих группах сильнее, чем -I-эффект.

Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто - и пара -положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов.

Ориентанты 1-го рода, повышая электронную плотность в бензольном кольце, увеличивают его активность в реакциях электрофильного замещения по сравнению с незамещенным бензолом.

Особое место среди ориентантов 1-го рода занимают галогены, проявляющие электроноакцепторные свойства:

-F (+M<–I ), -Cl (+M<–I ), -Br (+M<–I ).

Являясь орто-пара -ориентантами, они замедляют электрофильное замещение. Причина - сильный –I -эффект электроотрицательных атомов галогенов, понижащий электронную плотность в кольце.

Ориентанты 2-го рода (мета -ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в мета -положение.
К ним относятся электроноакцепторные группы:

-NO 2 (–M, –I ); -COOH (–M, –I ); -CH=O (–M, –I ); -SO 3 H (–I ); -NH 3 + (–I ); -CCl 3 (–I ).

Ориентанты 2-го рода уменьшают электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто - и пара -положениях. Поэтому электрофил атакует атомы углерода не в этих положениях, а в мета -положении, где электронная плотность несколько выше.
Пример:

Все ориентанты 2-го рода, уменьшая в целом электронную плотность в бензольном кольце, снижают его активность в реакциях электрофильного замещения.

Таким образом, легкость электрофильного замещения для соединений (приведенных в качестве примеров) уменьшается в ряду:

толуол C 6 H 5 CH В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко.

Способы получения. 1. Получение из алифатических углеводородов. Для получения бензола и его гомологов в промышленности используют ароматизацию предельных углеводородов, входящих в состав нефти. При пропускании алканов с неразветвленной цепью, состоящей не менее чем из шести атомов углерода, над нагретой платиной или оксидом хрома происходит дегидрирование с одновременным замыканием цикла (дегидроциклизация ). При этом из гексана получают бензол, а из гептана - толуол.

2. Дегидрирование циклоалканов также приводит к ароматическим углеводородам; для этого пары циклогексана и его гомологов пропускают над нагретой платиной.

3. Бензол можно получить при тримеризации ацетилена, для чего ацетилен пропускают над активированным углем при 600 °С.

4. Гомологи бензола получают из бензола при его взаимодействии с алкилгалогенидами в присутствии галогенидов алюминия (реакция алкилирования, или реакция Фриделя-Крафтса).

5. При сплавлении солей ароматических кислот со щелочью выделяются арены в газообразном виде.

Химические свойства. Ароматическое ядро, обладающее подвижной системой л-электронов, - удобный объект для атаки электрофильными реагентами. Этому способствует также пространственное расположение л-электронного облака с двух сторон плоского a-скелета молекулы (см. рис. 23.1, б).

Для аренов наиболее характерны реакции, протекающие по механизму электрофильного замещения, обозначаемого символом S E (от англ, substitution, electrophilic).

Механизм S E можно представить следующим образом:

На первой стадии электрофильная частица X притягивается к л-электронному облаку и образует с ним л-комплекс. Затем два из шести л-электронов кольца образуют a-связь между X и одним из атомов углерода. При этом ароматичность системы нарушается, так как в кольце остается только четыре л-электрона, распределенные между пятью атомами углерода (a-комплекс). Для сохранения ароматичности a-комплекс выбрасывает протон, а два электрона связи С-Н переходят в л-электронную систему.

По механизму электрофильного замещения протекают следующие реакции ароматических углеводородов.

1. Галогенирование. Бензол и его гомологи взаимодействуют с хлором или бромом в присутствии катализаторов - безводных А1С1 3 , FeCl 3 , А1Вг 3 .

По этой реакции из толуола получают смесь орто- и пара-изоме- ров (см. ниже). Роль катализатора заключается в поляризации нейтральной молекулы галогена с образованием из нее электрофильной частицы.

2. Нитрование. Бензол очень медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой даже при сильном нагревании. Однако при действии нитрующей смеси (смеси концентрированных азотной и серной кислот) реакция нитрования проходит достаточно легко.

3. Сульфирование . Реакция легко проходит с «дымящей» серной кислотой (олеумом).

• 4. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу - см. выше способы получения гомологов бензола.
• 5. Алкилирование алкенами. Эти реакции широко используются в промышленности для получения этилбензола и изопропилбензола (кумола). Алкилирование проводят в присутствии катализатора А1С1 3 . Механизм реакции сходен с механизмом предыдущей реакции.

Все рассмотренные выше реакции протекают по механизму электрофильного замещения S E .

Наряду с реакциями замещения ароматические углеводороды могут вступать в реакции присоединения, однако эти реакции приводят к разрушению ароматической системы и поэтому требуют больших затрат энергии и протекают только в жестких условиях.

6. Гидрирование бензола идет при нагревании и высоком давлении в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt, Pd). Бензол превращается в циклогексан.

Гомологи бензола при гидрировании дают производные циклогексана.

7. Радикальное галогенирование бензола происходит при взаимодействии его паров с хлором только под воздействием жесткого ультрафиолетового излучения. При этом бензол присоединяет три молекулы хлора и образует твердый продукт гексахлорциклогек- сан (гексахлоран) С 6 Н 6 С1 6 (атомы водорода в структурных формулах не указаны).

8. Окисление кислородом воздуха. По устойчивости к действию окислителей бензол напоминает алканы - реакция требует жестких условий. Например, окисление бензола кислородом воздуха происходит только при сильном нагревании (400 °С) его паров на воздухе в присутствии катализатора V 2 0 5 ; продукты - смесь малеиновой кислоты и ее ангидрида.

Гомологи бензола. Химические свойства гомологов бензола отличны от свойств бензола, что обусловлено взаимным влиянием алкильного радикала и бензольного кольца.

Реакции в боковой цепи. По химическим свойствам алкильные заместители в бензольном кольце подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по радикальному механизму (S R). Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Однако влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что в первую очередь замещается водород у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (а-атома углерода).

Замещение в бензольном кольце по механизму S E возможно только в присутствии катализатора (А1С1 3 или FeCl 3). Замещение в кольце происходит в орто- и пара-положения к алкильному радикалу.

При действии перманганата калия и других сильных окислителей на гомологи бензола боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением а-атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту.

Общее рассмотрение.

Ароматическими углеводородами (аренами) называются вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец - циклических групп атомов углерода с особым характером связей.

Понятие «бензольное кольцо» сразу требует расшифровки. Для этого необходимо хотя бы коротко рассмотреть строение молекулы бензола. Первая структура бензола была предложена в 1865 г. немецким ученым А. Кекуле:

Эта формула правильно отражает равноценность шести атомов углерода, однако не объясняет ряд особых свойств бензола. Например, несмотря на ненасыщенность, бензол не проявляет склонности к реакциям присоединения: он не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. не дает типичных для непредельных соединений качественных реакций.

Особенности строения и свойств бензола удалось полностью объяснить только после развития современной квантово-механической теории химических связей. По современным представлениям все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в -гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует -связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Валентные углы между тремя -связями равны 120°. Таким образом, все шесть атомов углерода лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (-скелет молекулы бензола).

Каждый атом углерода имеет одну негибридизованную p-орбиталь.

Шесть таких орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому -скелету и параллельно друг другу (рис. 21.1, а). Все шесть р-электронов взаимодействуют между собой, образуя -связи, не локализованные в пары, как при образовании обычных двойных связей, а объединенные в единое -электронное облако. Таким образом, в молекуле бензола осуществляется круговое сопряжение (см. § 19). Наибольшая -электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над и под плоскостью -скелета (рис. 21.1, б).

Рис. 21.1. Строение молекулы бензола

В результате все связи между атомами углерода в бензоле выравнены и имеют длину 0,139 нм. Эта величина является промежуточной между длиной одинарной связи в алканах (0,154 нм) и длиной двойной связи в алкенах (0,133 нм). Равноценность связей принято изображать кружком внутри цикла (рис. 21.1, в). Круговое сопряжение дает выигрыш в энергии 150 кДж/моль. Эта величина составляет энергию сопряжения - количество энергии, которое нужно затратить, чтобы нарушить ароматическую систему бензола (сравните - энергия сопряжения в бутадиене равна всего 12 кДж/моль).

Такое электронное строение объясняет все особенности бензола. В частности, понятно, почему бензол трудно вступает в реакции присоединения - это привело бы к нарушению сопряжения. Такие реакции возможны только в очень жестких условиях.

Номенклатура и изомерия.

Условно арены можно разделить на два ряда. К первому относят производные бензола (например, толуол или дифенил), ко второму - конденсированные (полиядерные) арены (простейший из них - нафталин):

Мы рассмотрим только гомологический ряд бензола с общей формулой .

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. Дизамещенные производные существуют в виде трех изомеров, различающихся взаимным расположением заместителей. Положение заместителей указывают цифрами или приставками:

Радикалы ароматических углеводородов называют арильными радикалами. Радикал называется фенил.

Физические свойства.

Первые члены гомологического ряда бензола (например, толуол, этилбензол и др.) - бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче воды и в воде не растворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях. Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Способы получения.

1. Получение из алифатических углеводородов. При пропускании алканов с неразветвленной цепью, имеющих не менее 6 атомов углерода в молекуле, над нагретой платиной или оксидом хрома происходит дегидроциклизация - образование арена с выделением водорода:

2. Дегидрирование циклоалканов. Реакция происходит при пропускании паров циклогексана и его гомологов над нагретой платиной:

3. Получение бензола тримеризацией ацетилена - см. § 20.

4. Получение гомологов бензола по реакции Фриделя-Крафтса - см. ниже.

5. Сплавление солей ароматических кислот со щелочью:

Химические свойства.

Общее рассмотрение. Обладая подвижной шестеркой -электронов, ароматическое ядро является удобным объектом для атаки электрофильными реагентами. Этому способствует также пространственное расположение -электронного облака с двух сторон плоского -скелета молекулы (рис. 21.1, б)

Для аренов наиболее характерны реакции, протекающие по механизму электрофильного замещения, обозначаемого символом (от англ. substitution electrophilic).

Механизм электрофильного замещения можно представить следующим образом. Электрофильный реагент XY (X является электрофилом) атакует электронное облако, и за счет слабого электростатического взаимодействия образуется неустойчивый -комплекс. Ароматическая система при этом еще не нарушается. Эта стадия протекает быстро. На второй, более медленной стадии формируется ковалентная связь между электрофилом X и одним из атомов углерода кольца за счет двух -электронов кольца. Этот атом углерода переходит из в -гибридное состояние. Ароматичность системы при этом нарушается. Четыре оставшиеся -электрона распределяются между пятью другими атомами углерода, и молекула бензола образует карбокатион, или -комплекс.

Нарушение ароматичности энергетически невыгодно, поэтому структура -комплекса менее устойчива, чем ароматическая структура. Для восстановления ароматичности происходит отщепление протона от атома углерода, связанного с электрофилом (третья стадия). При этом два электрона возвращаются в -систему, и тем самым восстанавливается ароматичность:

Реакции электрофильного замещения широко используются для синтеза многих производных бензола.

Химические свойства бензола.

1. Галогенирование. Бензол не взаимодействует с хлором или бромом в обычных условиях. Реакция может протекать только в присутствии катализаторов - безводных . В результате реакции образуются галогенозамещенные арены:

Роль катализатора заключается в поляризации нейтральной молекулы галогена с образованием из нее электрофильной частицы:

2. Нитрование. Бензол очень медленно реагирует с концентрированной азотной кислотой даже при сильном нагревании. Однако при действии так называемой нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот) реакция нитрования проходит достаточно легко:

3. Сульфирование. Реакция легко проходит под действием «дымящей» серной кислоты (олеума):

4. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу. В результате реакции происходит введение в бензольное ядро алкильной группы с получением гомологов бензола. Реакция протекает при действии на бензол галогеналканов в присутствии катализаторов - галогенидов алюминия. Роль катализатора сводится к поляризации молекулы с образованием электрофильной частицы:

В зависимости от строения радикала в галогеналкане можно получить разные гомологи бензола:

5. Алкилирование алкенами. Эти реакции широко используются в промышленности для получения этилбензола и изопропилбензола (кумола). Алкилирование проводят в присутствии катализатора . Механизм реакции сходен с механизмом предыдущей реакции:

Все рассмотренные выше реакции протекают по механизму электрофильного замещения .

Реакции присоединения к аренам приводят к разрушению ароматической системы и требуют больших затрат энергии, поэтому протекают только в жестких условиях.

6. Гидрирование. Реакция присоединения водорода к аренам идет при нагревании и высоком давлении в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt, Pd). Бензол превращается в циклогексан, а гомологи бензола - в производные циклогексана:

7. Радикальное галогенирование. Взаимодействие паров бензола с хлором протекает по радикальному механизму только под воздействием жесткого ультрафиолетового излучения. При этом бензол присоединяет три молекулы хлора и образует твердый продукт - гексахлорциклогексан :

8. Окисление кислородом воздуха. По устойчивости к действию окислителей бензол напоминает алканы. Только при сильном нагревании (400 °С) паров бензола с кислородом воздуха в присутствии катализатора получается смесь малеиновой кислоты и ее ангидрида:

Химические свойства гомологов бензола.

Гомологи бензола имеют целый ряд особых химических свойств, связанных со взаимным влиянием алкильного радикала на бензольное кольцо, и наоборот.

Реакции в боковой цепи. По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (а-атома углерода).

Замещение в бензольном кольце возможно только по механизму в присутствии катализатора :

Ниже вы узнаете, какие из трех изомеров хлортолуола образуются в этой реакции.

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Правила ориентации (замещения) в бензольном кольце.

Важнейшим фактором, определяющим химические свойства молекулы, является распределение в ней электронной плотности. Характер распределения зависит от взаимного влияния атомов.

В молекулах, имеющих только -связи, взаимное влияние атомов осуществляется через индуктивный эффект (см. § 17). В молекулах, представляющих собой сопряженные системы, проявляется действие мезомерного эффекта.

Влияние заместителей, передающееся по сопряженной системе -связей, называется мезомерным (М) эффектом.

В молекуле бензола -электронное облако распределено равномерно по всем атомам углерода за счет сопряжения.

Если же в бензольное кольцо ввести какой-нибудь заместитель, это равномерное распределение нарушается, и происходит перераспределение электронной плотности в кольце. Место вступления второго заместителя в бензольное кольцо определяется природой уже имеющегося заместителя.

Заместители подразделяют на две группы в зависимости от проявляемого ими эффекта (мезомерного или индуктивного): электронов опорные и электроноакцепторные.

Электронодонорные заместители проявляют эффект и повышают электронную плотность в сопряженной системе. К ним относятся гидроксильная группа -ОН и аминогруппа Неподеленная пара электронов в этих группах вступает в общее сопряжение с -электронной системой бензольного кольца и увеличивает длину сопряженной системы. В результате электронная плотность сосредоточивается в орто- и параположениях:

Алкильные группы не могут участвовать в общем сопряжении, но они проявляют эффект, под действием которого происходит аналогичное перераспределение -электронной плотности.

Электроноакцепторные заместители проявляют -М эффект и снижают электронную плотность в сопряженной системе. К ним относятся нитрогруппа сульфогруппа альдегидная -СНО и карбоксильная -СООН группы. Эти заместители образуют с бензольным кольцом общую сопряженную систему, но общее электронное облако смещается в сторону этих групп. Таким образом, общая электронная плотность в кольце уменьшается, причем меньше всего она уменьшается в метаположениях:

Например, толуол, содержащий заместитель первого рода, нитруется и бромируется в пара- и орто-положения:

Нитробензол, содержащий заместитель второго рода, нитруется и бромируется в мета-положение:

Помимо ориентирующего действия, заместители оказывают влияние и на реакционную способность бензольного кольца: ориентанты 1-го рода (кроме галогенов) облегчают вступление второго заместителя; ориентанты 2-г о рода (и галогены) затрудняют его.