Arenele sunt hidrocarburi cu formula generală Cn H2n-6 în molecule din care există unul sau mai multe inele benzenice.
CONSTRUCȚIA BENZENULUI
Reprezentantul principal al arenelor este benzenul - C6H6. În compoziție, acest compus este nesaturat. până la saturația completă a tuturor legăturilor de atomi de carbon, nu sunt suficiente 8 atomi de hidrogen. În 1911, benzenul a fost obținut din ciclohexan (reacția Zelinsky), care a fost argumentul în favoarea ipotezei structurii ciclice a benzenului. Mai târziu, a fost efectuată o reacție inversă - hidrogenarea benzenului (reacția Sabatier). În 1865 chimistul german A. Kekule a propus formula structurală de benzen:
Conform formula lui Kekule, benzenul are 3 legături duble și, prin urmare, trebuie să se alăture reacțiilor de adiție. Cu toate acestea. benzenul nu dă reacțiile tipice pentru compușii nesaturați (nu discolorizează apa de brom și soluția de permanganat de potasiu). Acest fapt este în contradicție cu formula lui Kekule. În plus, această formulă nu explică stabilitatea ridicată a inelului benzenic.
Conform ideilor moderne, molecula benzenului are o structură hexagonală plană cu laturi egale. Atomii de carbon din benzen sunt în stare de hibridizare sp2. În acest caz, orbitele hibride formează legături obișnuite, în timp ce cele non-hibride se suprapun cu alte două orbite nehibride ale atomilor de carbon vecini. Ca urmare, se formează un singur nor de electroni delocalizați (figura 5). Ca rezultat al acestei suprapuneri uniforme a orbitalilor 2p ai tuturor celor șase atomi de carbon, are loc "alinierea" legăturilor simple și duble, adică nu există legături clasice duble și singulare în molecula benzenului. Pentru a accentua densitatea electronului de aliniere în molecula de benzen, se propune următoarea formulă structurală:
Arenas are de asemenea un nume trivial pentru "hidrocarburile aromatice". Conceptul de "aromaticitate" nu este asociat cu mirosul de hidrocarburi, cu toate că mulți dintre aceștia o posedă. Prin "aromaticitate" se înțeleg unele caracteristici ale structurii hidrocarburilor, principala a cărei distribuție este uniformă - densitatea electronilor din moleculă. În plus, compușii aromatici sunt supuși regulii lui E. Hückel: compuși monociclici plane care au un sistem conjugat de electroni. poate fi aromatică dacă numărul acestor electroni este 4n + 2 (unde n = 0,1,2 etc.).
ISOMERIA ȘI NOMENCLATURA ARENESULUI
În conformitate cu nomenclatura sistematică, arenele sunt considerate derivate de benzen. Numele se formează din denumirile radicalilor din lanțurile laterale, cu adăugarea finalelor de benzen.
metilbenzen etilbenzen
În cazul în care există doi substituenți în inelul benzenic, aceștia pot diferi în aranjamentul reciproc în inel. Astfel, atunci când doi atomi de hidrogen sunt înlocuiți cu radicali metil, se pot forma trei izomeri (orto-, meta- și para-).
CH3CH3CH3
Orto-xilen meta-xilen paraxilen
(1,2-dimetilbenzen) (1,3-dimetilbenzen) (1,4-dimetilbenzen)
Numerotarea inelului benzenic se efectuează astfel încât suma cifrelor să fie cea mai mică. Multe arene au nume triviale, care sunt folosite foarte des (metilbenzen-toluen, dimetilbenzen-xilen).
Izomerismul din seria de benzen omoloage poate fi legat atât de numărul și structura substituenților, cât și de poziția lor în inelul benzenic.
1. Proprietăți chimice ale benzenului.
În ciuda incertitudinii formale a benzenului, reacțiile de substituție sunt mai tipice. Acest lucru se explică prin particularitățile structurii inelului benzenic. În prezența catalizatorilor FeBr3. AlCl3 poate fi înlocuit prin înlocuirea atomilor de hidrogen în molecula de benzen cu atomi de halogen. Aceste reacții au loc practic în condiții normale.
C6H6 + Br2FeBr3C6H5Br + HBr
Când benzenul reacționează cu acidul azotic în prezența acidului sulfuric concentrat, nitrobenzenul se formează ca agent de îndepărtare a apei:
În prezența clorurii de aluminiu anhidru, reacția de alchilare a benzenului (reacția Friedel-Crafts) poate avea loc ca catalizator. Ca rezultat, un radical hidrocarbonat este atașat la inelul benzenic.
Reacțiile de adiție sunt mai puțin caracteristice benzenului. dar ele sunt. Astfel, hidrogenarea catalitică a benzenului are loc în prezența catalizatorilor nichel (150 o) sau platină (50 o). Benzenul este transformat în ciclohexan.
Sub iluminare puternică (iradiere UV) în absența oxigenului, benzenul este capabil să atașeze clorul, formând un derivat de ciclohexan - hexaclorciclohexan (hexacloran).
În reacțiile de adiție, sistemul aromatic este distrus.
2. Proprietăți chimice ale omologilor de benzen.
Homologii de benzen sunt chimic mai activi decât benzenul însuși. Aceasta se explică prin influența radicalului hidrocarbonat asupra inelului benzenic. Radicalii sunt donatori de electroni, adică electroni care alimentează inelul benzenic, perturbând distribuția uniformă a densității electronilor în inel în pozițiile orto și para. În aceste poziții, densitatea electronului este mărită, iar apariția substituenților este facilitată. Deci, de exemplu. Toluenul (metilbenzenul) este nitrat foarte ușor, chiar și fără încălzire. Aceasta este însoțită de formarea de trinitrotoluen.
Halogenația omologilor de benzen are loc în moduri diferite, în funcție de condițiile de reacție. Sub iluminare, halogenul înlocuiește hidrogenul în radical și, în prezența unui catalizator, este înglobat în inelul benzenic:
CH3 CH2CI
Se știe că influența atomilor și grupurilor de atomi în moleculele de substanțe organice este reciprocă. Prin urmare, în moleculele de homolog de benzen, nu numai radicalii afectează activitatea inelului benzenic. dar inelul afectează și activitatea radicalilor. În special, rezistența radicalilor la oxidare este redusă. Dacă, de exemplu. se toarnă soluția de permanganat de potasiu în toluen și se încălzește amestecul, apoi culoarea violetă a soluției va dispărea treptat. Acest lucru se datorează oxidării grupării metil.
În reacția de oxidare a toluenului cu permanganat de potasiu, gruparea metil este oxidat în acid carboxil-benzoic. Schema acestei reacții este după cum urmează:
Restul produselor de reacție va depinde de oxidantul ales și de mediul în care are loc reacția. În mod similar, alți omologi cu un lanț lateral sunt oxidați. Homologii care conțin două lanțuri laterale dau acid ftalic dibazic.
METODE DE OBȚINERE A ARENEI
În industrie, 90% din benzenul produs este recuperat în timpul procesării gudronului de cărbune în timpul fracționării acestuia. O altă sursă de arene este uleiul, care este extras din acesta prin distilare simplă, piroliză și cracare catalitică.
Aromatizarea parafinelor (reformare catalitică):
metilciclohexan metilbenzen
La dehidrogenarea ciclohexanului, se formează în mod similar benzenul.
Homologii de benzen pot fi obținuți prin reacția Friedel-Crafts (vezi secțiunea privind proprietățile benzenului).
Reacția lui Wurz este Fittig. Această reacție este similară cu reacția Wurz din seria de alcani:
Sinteza de săruri ale acizilor carboxilici aromatici:
6. Sinteza acetilenei. Reacția lui Zelinsky.
ARENA ÎN NATURĂ. APLICAREA ARENES.
Ocazional, arenele în formă liberă sunt incluse în compoziția uleiurilor. În plus, ele formează structuri complexe în compoziția cărbunelui. Arealele sunt foarte utilizate în diferite industrii. Benzenul este o materie primă pentru producerea diferitelor produse chimice: nitrobenzen, anilină, clorbenzen. stiren. Toluenul este utilizat pentru producerea de coloranți, medicamente și substanțe explozive (tol, trotyl) și este, de asemenea, produsul inițial în prepararea detergenților sintetici, caprolactam. Este un solvent bun. Xilenii sunt utilizați pentru a produce substanțe care sunt materii prime pentru fabricarea fibrelor sintetice (lavsan).
Compușii aromatici multi-nucleari conțin mai multe inele de benzen. În funcție de natura structurii, se disting compușii cu nuclei benzen condensați și necondensați. Cele mai simple și mai importante sunt naftalina și antracenul.
Naftalina este o substanță cristalină incoloră, destul de volatilă (punct de topire - 80 ° C). Servește ca materie primă pentru sinteza anhidridei ftalice, a acidului ftalic și a altor produse. Este folosit în viața de zi cu zi pentru a respinge molii și alte insecte. În comportamentul chimic are multe în comun cu benzenul, dar în reacția de substituție este mai ușor decât benzenul în sine.
Antracenul este o substanță cristalină cu un punct de topire de 213 ° C. Se obține din gudron de cărbune. Diferiții derivați ai antracenului au o importanță deosebită. Pentru ei, de exemplu. includ antrachinona, alizarina etc. Alizarinul este cel mai comun dintre coloranții de diksanthracinonă utilizați pentru vopsirea lânii și a bumbacului. Alizarin a fost izolat pentru prima dată de rădăcina nebunului. Alizarin este un colorant mordant. Pe mordan de aluminiu, vopsea în culori roșu aprins, pe crom - în maro, pe fier - în violet.
LUCRARILE ȘI EXERCIȚIILE PENTRU CONSOLIDAREA TEMEI
Ce hidrocarburi sunt numite arene?
Descrieți caracteristicile structurii moleculei de benzen.
Denumiți cele mai importante modalități de obținere a arenelor, dați ecuațiile de reacție corespunzătoare.
Pe exemplul benzenului, se caracterizează cele mai importante proprietăți chimice ale arenelor. Explicați de ce reacțiile de substituție sunt mai tipice pentru benzen. Explicați de ce, în condiții normale, benzenul este rezistent la acțiunea oxidanților.
Care sunt diferențele în proprietățile chimice ale omologilor de benzen din proprietățile benzenului însuși. Explicați de ce sunt datorate aceste diferențe.
Scrieți formulele pentru următoarele substanțe: brombenzen; 1,3 - dimetilbenzen; 1,3-dimetil 4-clorbenzen; propil; 1,3 - dinitrobenzen.
Scrieți ecuațiile reacției de interacțiune:
Benzen cu clor (în prezența unui catalizator);
Benzen cu hidrogen;
Metilbenzen cu hidrogen;
Metilbenzen cu clor (în iluminare);
Etilbenzen cu acid azotic
Benzenul cu cloretan (în prezența clorurii de aluminiu)
Etilbenzen cu clorometan (în prezența clorurii de aluminiu).
8. Scrieți ecuațiile de reacție la schemele:
etan eten benzen clorbenzen
b-benzen metil benzen 2,4,6-trinitrotoluen
c-ciclohexanbenzen metilbenzen benzoic
9. Câți omologi izomerici ai benzenului pot corespunde formulei C9H12. Scrieți formulele structurale ale tuturor izomerilor și denumiți-le.
Datorită capacității de acetilenă de 3,36 litri (STP) au primit 2,5 ml benzen. Determinați randamentul produsului dacă densitatea benzenului este de 0,88 g / ml.
Benzenul, obținut prin dehidrogenarea ciclohexanului în volume de 151 ml și densitate de 0,779 g / ml, a fost supus la clorurare sub iluminare. S-a format un derivat clor cu o masă de 300 g. Se determină randamentul produsului de reacție.
Ce volum de aer (la nu) va fi necesar pentru arderea 1,4-dimetilbenzenului cu o masă de 5,3 g? Fracțiunea de volum de oxigen din aer este de 21%.
85 g benzen reacționat cu acid azotic concentrat cântărind 160 g. Care produs a fost format și care este masa sa.
Ce volum de hidrogen (nu) se formează în timpul ciclizării și dehidrogenării n-hexanului cu un volum de 200 ml și o densitate de 0,66 g / ml? Reacția are loc cu un randament de 65%.
La oxidarea unui amestec de benzen și toluen cu o soluție de permanganat de potasiu, s-au obținut 8,54 g acid organic monobazic după acidificare. Când acest acid reacționează cu un exces de soluție apoasă de carbonat acid de sodiu, se eliberează gaz. volumul din care este de 19 ori mai mic decât volumul aceluiași gaz obținut prin arderea completă a amestecului inițial de hidrocarburi. Se determină compoziția amestecului inițial (în% din masă).
Gaz eliberat după primirea 22,17 ml brombenzen benzen (densitate - 0,8 g / ml) a reacționat cu 4,48 litri de izobutena. Compuși care se formează, și ceea ce este greutatea lor, considerând că randamentul brombenzen a fost de 80% din teoretic, și reacția cu izobutena este un randament cantitativ.
Un amestec de benzen, ciclohexan și ciclohexen când este tratat cu apă cu brom se adaugă 16 g de brom; prin dehidrogenarea catalitică a amestecului inițial format prin 39 g de benzen și hidrogen, care volumul este mai mic decât de două ori volumul de hidrogen necesar pentru hidrogenarea completă a amestecului de hidrocarburi de pornire. Determinați compoziția amestecului inițial.