Hidrocarburi aromatice
S.V.Stahanova, NUST "MISA", București
CUVINTE CHEIE: hidrocarburi aromatice. arena, hibridizare sp2, nor edinoe-electron conjugat circular, mecanism ionic reacție de înlocuire, substituția electrofilă, nitrarea, halogenarea, alchilare, alchilare Friedel-Crafts alchenelor, hidrogenare, oxidare.
Structura moleculară a benzenului. aromat
hidrocarburi aromatice (arenelor) - sunt hidrocarburi ale căror molecule conțin una sau mai multe cicluri benzenice.
Cel mai simplu reprezentant al hidrocarbură aromatică este benzen, formula moleculară este C6 H6. Se constată că toți atomii de carbon din molecula de benzen sunt coplanare, formând un hexagon regulat (Fig. 1). Fiecare atom de carbon este legat la un atom de hidrogen. Lungimilor tuturor legături carbon-carbon sunt aceleași și cuprind 0139 nm.
Fig. 1. Modele de molecula de benzen: a) sharosterzhnevaya; c) semisferic.
Pentru imaginea moleculei de benzen sunt următoarele formule structurale:
Punct de vedere istoric, denumirea „hidrocarburilor aromatice“ sa întâmplat pentru că mulți derivați de benzen, care au fost izolate mai întâi din surse naturale, are un miros plăcut.
În prezent, „aromaticitate“ se înțelege prin termenul. În primul rând, natura specială a reactivității substanțelor, datorate, la rândul lor, caracteristicile structurale ale moleculelor acestor compuși.
Care sunt aceste caracteristici?
În conformitate cu formula moleculară C6 H6 benzen este un compus nesaturat, și se poate preconiza că va fi caracterizată prin tipic pentru reacția de adiție de alchene. Cu toate acestea, condițiile în care alchenele intră rapid într-o reacție de adiție, benzen nu răspunde sau răspunde lent. Benzenul și nu dă reacții calitative specifice tipice hidrocarburilor nesaturate: nu decolorează apa de brom și o soluție apoasă de permanganat de potasiu.
Acest caracter de reactivitate datorită prezenței inelului aromatic al sistemului conjugat - nor singur electron.
Molecula benzen fiecare atom de carbon este în -hybridization sp2 de stat și trei -bond asociat cu doi atomi de carbon și un atom de hidrogen. Al patrulea electron de valență al unui atom de carbon situat pe p orbitalii perpendicular pe planul moleculei. Molecula de benzen are loc orbitali p laterale care se suprapun fiecare atom de carbon p orbitali cu doi atomi de carbon adiacenți (Fig. 2). Rezultatul acestui cuplaj este format nor edinoe-electron. dispuse deasupra și dedesubtul planului inelului benzenic - făcut conjugare circulară.
Un astfel de sistem ciclic, cu un total de șase nor de electroni foarte stabil energetic favorabil; benzen, prin urmare, de preferință, ia acele reacții. în care este păstrat un ciclu aromatic.
Fig. 2. Structura electronică a moleculei de benzen: a) p orbitali suprapuse schemă; b) un nor unificat -electron.
Subliniem încă o dată că, în molecula de benzen nu se poate separa trei duble și trei legături simple. Densitatea de electroni este distribuit uniform în moleculă, și toate legăturile dintre atomii de carbon sunt complet identice. De aceea, trebuie să ne amintim că formula Kekule, care este adesea folosit pentru imagini de benzen, este condiționată și nu reflectă structura reală a moleculelor sale.
Astfel, compușii aromatici sunt acelea în care molecula are o grupare ciclică stabilă cu un caracter special conexiune. Având formula moleculară, indicând un înalt grad de nesaturare, aceste substanțe, cu toate acestea, nu reacționează ca nesaturat și provin, în principal, în reacția de substituție cu conservarea unui sistem aromatic.
izomeri Nomenclator
Formula generală a seriei omoloage de hidrocarburi aromatice CnH2n-2.
Cel mai apropiat Omologul de benzen este metilbenzen. Mai multe sanse de a utiliza numele său trivialnoe - toluen:
Benzenul și toluenul nu sunt izomeri aromatici. Aceste substanțe sunt caracterizate printr-un izomeri Interclass. Astfel, corespunzătoare formulei moleculare C6 H6 și, prin urmare, benzen izomeric neperedelnye hidrocarburi aciclice conținând două triple sau două duble și o triplă legătură în moleculă, de exemplu:
Deoarece arenelor cu opt atomi de carbon este posibilă izomerie asociată cu compoziția și uglevodorodnyhradikalov aranjament relativ. Dacă inelul benzenic legat doi substituenți. ele pot fi în trei poziții diferite în raport cu celălalt adiacent (poziție orto oboznochayut prefix) printr-un atom de carbon (meta) și opuse reciproc (para). Xilen, care stukturnye izomerii cu formula dată mai jos, este numele comun pentru xilen.
Astfel, formula moleculară C8 H8 corespund celor patru hidrocarburi aromatice izomere:
Multe Omologii benzen sunt nu numai sistematice (atunci când este privit ca derivați ai benzenului), dar cu nume triviale, de exemplu:
Ar trebui să-și amintească numele radicalilor formați de hidrocarburi aromatice:
Sunt derivați de benzen cu catene laterale nesaturate (desigur, ele nu sunt omologi)
Să ne amintim că radicalii nesaturați
Ei au nume de vinil și, respectiv, etinilestradiol.
Arena poate cuprinde mai multe nuclee benzenice în moleculă. Astfel de substanțe sunt numite hidrocarburi aromatice policiclice. Acestea sunt împărțite în compuși cu nuclee benzenice izolate, de ex
și compuși cu inele benzenice condensate, care este cel mai simplu exemplu naftalina:
Proprietățile fizice ale benzen și omologii acestuia
Benzenul și omologii săi cei mai apropiați - lichid incolor, cu miros caracteristic (Tabelul 1). Toate nu sunt practic miscibili cu apa, dar buni solvenți sunt substanțe organice.
Tabelul 1. Proprietățile fizice ale unora dintre Arenes
Multe hidrocarburi aromatice sunt toxice și dăunătoare nu numai lichidul, dar perechea lor. De aceea, trebuie să fie foarte atenți atunci când se ocupă cu ei. Desigur, arenelor de încălzire, precum și alte substanțe organice, nu se pot folosi flăcări deschise, deoarece acestea se pot rupe cu ușurință. Ele sunt încălzite cu ajutorul mantale de încălzire de inele sau de tip închis helix.
Benzenul reacție cel mai tipic de substituție a atomilor de hidrogen ai nucleului aromatic în care este păstrat un sistem aromatic cu șase -electron stabil.
reacții de substituție printr-un mecanism trece ionic (sau, mai degrabă, prin mecanismul de substituție electrofilă. A se vedea apendicele 1). Cele mai importante exemple de reacții de substituție aromatică rând sunt halogenarea, nitrarea și alchilarea benzenului.
halogenare
Substituirea unui atom de hidrogen din ciclul benzenic în clor sau brom veniturilor în prezența catalizatorilor - clorură de aluminiu și fier:
Rețineți că, în alte condiții, cum ar fi lumina sau caldura, interacțiunea benzenului cu clorul va curge nu prin mecanism ionic și radical, ceea ce va conduce la formarea altor produse (vezi. Compartimentele „reacții de substituție“, „Proprietățile chimice homologii benzen proprietăți „).
Reacția are loc sub acțiunea unui amestec de concentrate HNO3 azotic și acid sulfuric H2 SO4 (acid nitrurare):
Alchilarea - este introducerea în molecula de radical alchil (... -CH3 -C2 H5 -C3 H7, etc.), având ca rezultat formarea de omologi benzen.
Alchilarea benzenului poate fi realizată în două moduri. În primul rând, influența asupra benzenice halogenati alcanilor în prezența catalizatorilor - halogenuri de aluminiu (alchilare prin Friedel-Crafts):
În al doilea rând, prin reacția benzenului cu etilenă, în prezența hidrocarburilor, catalizator acid (alchilare alchene):
În alchilarea benzenului cu propilenă este formată de preferință 1 izopropilbenzen.
În unele cazuri, benzen capabil de a intra într-o reacție de adiție.
Hidrogenarea benzenului este efectuată la căldură și presiune ridicată, în prezența catalizatorilor metalici (Ni, Pt, Pd):
In mod similar, hidrogenarea are loc și omologi benzen, cum ar fi:
Legarea este clor sub acțiunea razelor solare sau a radiațiilor UV asupra soluției de clor în benzen. Simultan alăturat doar trei molecule de clor și formează un produs solid - hexaclorciclohexan:
oxidare
Benzenul este rezistent la oxidare: este, în contrast cu hidrocarburi nesaturate nu decoloreze soluție de permanganat de potasiu. Când aprins benzen aprins flacara fum luminos:
Particularitățile chimice ale BENZENUL omologie
Pentru Omologii benzen caracterizate prin aceleași tipuri de reacții chimice, și că pentru el însuși. ci datorită influenței reciproce a substituenților inelului benzen și laterale apare un număr de caracteristici. Reacțiile pot avea loc atât în nucleul benzenic și în hidrocarbură radicală.
reacția de substituție în inelul benzenic
Omologii benzenice intră în reacții de substituție cu aceiași reactivi ca benzen.
Cu toate acestea, în prezent moleculele de omologi benzenice radicali alchil (-CH3. -C2 H5. -C3 H7 și colab.) Sunt donatori de densitatea de electroni, prezintă efecte inductive pozitive. Creșterea densității de electroni are loc în principal la pozițiile 2, 4 și 6 în ceea ce privește radicalul.
Din cauza acestei redistribuire a densității de electroni a nucleului benzenic devine mai activ în reacțiile de substituție (reacții apar mai ușor în condiții mai blânde), și este trimis din nou aparține substituent în poziția orto - și para - poziția în raport cu radicalul alchil.
De exemplu, clorinarea toluen, un amestec de orto - și para - clorotoluen:
Nitrarea amestec toluen nitrare sub încălzire poate conduce la înlocuirea a trei atomi de hidrogen de gruparea nitro:
Condițiile mai blânde, un amestec de orto - și -nitrotoluolov para (vezi anexa 1.).
Reacțiile care implică catena laterală
Radicalii alchil pot, în condiții adecvate prezintă aceleași proprietăți chimice ca alcanilor. Astfel, reacția omologi benzen cu clor în iluminata fără catalizator are loc printr-un mecanism radical. Astfel, există o substituție a atomilor de hidrogen din catena laterală, în loc de inelul aromatic:
In cazul hidrocarburilor mai complex de substituție radicală are loc, de preferință, la cel mai apropiat la atomii de carbon ai ciclului benzenic:
oxidare
Sub acțiunea permanganat de potasiu în benzen Omologii sunt supuse catenă laterală de hidrocarbură oxidare. La efectuarea reacției într-un mediu acid de produs de oxidare toluen este acidul benzoic:
Sub acțiunea permanganat de potasiu în toluen, într-o sare de mediu neutru format de acid benzoic - benzoat de potasiu:
Mai multe catene laterale complexe prin acțiunea agenților de oxidare „arde“: cel mai aproape de atomul de carbon de inel benzenic este o parte a grupărilor carboxil și atomii de carbon rămași sunt oxidați la bioxid de carbon:
Omologii de benzen care conțin două catene laterale indicate în oxidarea acizilor dicarboxilici sau săruri ale acestora:
Producerea de benzen și omologii acestuia
Dehidrogenare dehidro-ciclizarea hidrocarburilor alifatice
Procesul de conversie a alcani la dehydrocyclization numit Arena, deoarece simultan implică două reacții: Circuit liniar în hidrocarbură serie și captarea hidrogenului. Se obține din hexan, benzen, din heptan - toluen, octane dintr - un amestec de xileni și etilbenzen:
Catalizatorii utilizați în aceste procese, platină, paladiu sau Cr 2 O3. sprijinit pe alumină.
hidrocarburi aromatice sunt de asemenea formate în dehidrogenarea ciclohexan și omologi ale acestora:
proces industrial în care hidrocarburile din petrol prin reacțiile de dehidrogenare și dehydrocyclization descrise mai sus obținute arena numită reformare.
Când acetilenă este trecut peste cărbune activ la aproximativ 400-600 C trimerizarea acetilenei la benzen:
SĂRURI Acid benzoic fuzionat cu alcalii
Când fuzionate săruri benzoat cu scindează alcaline gruparea carboxil, pentru a forma un benzen:
Folosind această reacție poate fi preparat din Omologii benzen printr-o serie de etape, de exemplu, conform schemei
reacția Wurtz - Wilhelm Rudolph Fittig
În reacția haloalcani cu homologs aromatice halogenate formate din benzen, cum ar fi:
Reamintim că derivat din benzen Omologii pot fi, de asemenea, prin reacții de alchilare halogenclorură sau alchene (vezi. „Chemical soystva hidrocarburi aromatice“ secțiune).
exerciţii
1. Având în vedere substanța:
Dă un nume pentru fiecare dintre aceste substanțe, în conformitate cu normele din nomenclatura IUPAC. Dau nume ca triviale ale acestor substanțe pentru care sunt utilizate aceste denumiri.
2. Având în vedere substanța:
Scrieți formulele structurale ale acestor substanțe.
3. Scrieți formulele structurale ale oricărei cinci hidrocarburi aromatice C9 compoziție H12. Dă numele acestor substanțe.
4. Scrieți ecuația următoarelor reacții:
a) nitrare de benzen;
b) alchilarea benzenului cu 2-clorpropan;
c) alchilarea benzenului cu propilenă.
Se precizează condițiile de reacții, nume derivate substanțe.
5. Scrieți ecuația următoarelor reacții:
a) reacția benzenului cu clor, în prezența clorurii de aluminiu;
b) reacția benzenului cu clor sub acțiunea radiațiilor ultraviolete;
a) reacția toluen cu clor, în prezența clorurii de aluminiu;
g) reacția toluen cu clor în lumină, în absența unui catalizator.
Prin ce mecanism - radical sau ion - reacții de c) și d)?
6. Asigurați ecuația următoarelor reacții:
a) oxidarea etilbenzenului cu permanganat de potasiu în prezența acidului sulfuric;
b) oxidarea para -ksilola permanganat de potasiu apos.
7. Scrieți ecuația următoarelor reacții:
a) dehidrogenarea ciclohexan;
b) dehidrogenarea 1,2-dimetilciclohexan;
c) dehydrocyclization octan.
Denumire hidrocarburi aromatice obținute.
8. Scrieți reacțiile. cu care pot fi obținute de la etilbenzen
Se precizează condițiile de reacție.
9. Scrieți reacțiile prin care benzen pot fi obținuți din carbură de calciu în două etape.
10. Scrieți reacțiile prin care să primească benzen din toluen în două etape.
11. Dă ecuațiile de reacție care permit să se facă distincția
a) benzen și hexenă-1;
b) benzen și toluen;
c) toluen și stiren.
12. Scrieți reacțiile prin care să efectueze următoarea transformare:
13. Scrieți reacțiile prin care să efectueze următoarea transformare:
14. Scrieți reacțiile prin care să efectueze următoarea transformare:
15. Scrieți reacțiile prin care să efectueze următoarea transformare:
JOB sub formă de test
1. Set corespondență între formula și clasa de substanțe (grup) compuși organici care (-s) îi aparține.