АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

С.В.Стаханова, НИТУ «МИСиС», Москва

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ароматические углеводороды, арены, sp ²-гибридизация, единое p -электронная облако, круговое сопряжение, ионный механизм реакции замещения, электрофильное замещение, нитрование, галогенирование, алкилирование по Фриделю-Крафтсу, алкилирование алкенами, гидрирование, окисление.

ГОМОЛОГИ БЕНЗОЛА,

ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА

Общая формула гомологического ряда ароматических углеводородов C_nH_2n-2.

Ближайшим гомологом бензола является метилбензол. Чаще употребляют его тривиалное название – толуол:

Бензол и толуол не имеют ароматических изомеров. Для этих веществ характерна лишь межклассовая изомерия. Так, соответствуют молекулярной формуле С₆Н₆ и, следовательно, изомерны бензолу непередельные нециклические углеводороды, содержащие две тройных или две двойные и одну тройную связи в молекуле, например:

 

 

    Начиная с аренов с восьмью атомами углерода появляется возможность изомерии, связанной с составом и взаимным расположением углеводородных радикалов. Если с бензольным кольцом связаны два заместителя, то они могут находиться в трех различных положениях относительно друг друга: рядом (такое положение обозночают приставкой орто-), через один атом углерода (мета-), и напротив друг друга (пара-). Диметилбензол, стуктурные формулы изомеров которого приведены ниже, имеет тривиальное название ксилол.

Таким образом, молекулярной формуле С₈Н₈ отвечают четыре изомерных ароматических углеводорода:

 

 

 

 

Многие гомологи бензола имеют не только систематические (когда их рассматривают как производные бензола), но и тривиальные названия, например:

 

 

    Следует запомнить названия радикалов, образованных ароматическими углеводородами:

 

Существуют и производные бензола с ненасыщенными боковыми цепями (разумеется, они не являются его гомологами):

 

 

 

    Напомним, что непредельные радикалы

имеют названия винил и этинил соответственно.

    Арены могут содержать несколько бензольных ядер в молекуле. Такие вещества называют полиядерными ароматическими углеводородами. Их разделяют на соединения с изолированными бензольными ядрами, например

 

 

 

и соединения с конденсированными бензольными ядрами, простейшим примером которых является нафталин:

 

        

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕНЗОЛА

РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ

Для бензола наиболее характерны реакции замещения атомов водорода ароматического ядра, в которых сохраняется устойчивая шести-p-электронная ароматическая система.

Реакции замещения протекают по ионному механизму (точнее, по механизму электрофильного замещения, см. приложение 1). Важнейшими примерами реакций замещения в ароматическом ряду являются галогенирование, нитрование и алкилирование бензола.

 

ГАЛОГЕНИРОВАНИЕ

Замещение атома водорода в бензольном ядре на бром или хлор протекает в присутствии катализаторов – хлоридов алюминия и железа:

 

Обратите внимание на то, что в других условиях, например, при освещении или нагревании, взаимодействие бензола с хлором будет протекать не по ионному, а по радикальному механизму, что приведет к образованию других продуктов (см. разделы «Реакции замещения», «Особенности химических свойств гомологов бензола»).

 

НИТРОВАНИЕ

Реакция протекает под действием смеси концентрированных азотной HNO₃ и серной H₂SO₄ кислот (нитрующая смесь):

 

 

АЛКИЛИРОВАНИЕ

Алкилирование – это введение в молекулу алкильного радикала (-СН₃, -С₂Н₅, -С₃Н₇ и др.), в результате чего образуются гомологи бензола.

Алкилирование бензола можно осуществить двумя путями. Во-первых, действием на бензол галогензамещенными алканами в присутствии катализаторов – галогенидов алюминия (алкилирование по Фриделю-Крафтсу):

 

 

Во-вторых, взаимодействием бензола с этиленовыми углеводородами в присутствии кислотных катализаторов (алкилирование алкенами):

 

При алкилировании бензола пропиленом образуется преимущественно изопропилбензол[1]:

 

 

 

РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

    В отдельных случаях бензол способен вступать в реакции присоединения.

    Гидрирование бензола протекает при нагревании и высоком давлении в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt, Pd):

 

Аналогично протекает гидрирование и гомологов бензола, например:

 

 

    Присоединение хлора происходит при действии солнечного света или ультрафиолетового излучения на раствор хлора в бензоле. Одновременно присоединяются сразу три молекулы хлора и образуется твердый продукт – гексахлорциклогексан:

 

 

ОКИСЛЕНИЕ

Бензол устойчив к окислению: он, в отличие от непредельных углеводородов, не обесцвечивает раствор перманганата калия. При поджигании бензол горит ярким коптящим пламенем:

С₆Н₆ + 7,5О₂ → 6СО₂ + 3Н₂О.

 

 

ОКИСЛЕНИЕ

При действии перманганата калия на гомологи бензола окислению подвергаются боковые углеводородные цепи. При проведении реакции в кислой среде продуктом окисления толуола является бензойная кислота:

 

 

    При действии на толуол перманганата калия в нейтральной среде образуется соль бензойной кислоты – бензоат калия:

 

    Более сложные боковые цепи под действием окислителей «сгорают»: ближайший к бензольному кольцу атом углерода остается в составе карбоксильной группы, а остальные атомы углерода окисляются до углекислого газа:

 

 

    Гомологи бензола, содержащие две боковые цепи, дают при окислении двухосновные кислоты или их соли:

 

ТРИМЕРИЗАЦИЯ АЦЕТИЛЕНА

    При пропускании ацетилена над активированным углем при 400-600 ^оС происходит тримеризация ацетилена с образованием бензола:

 

РЕАКЦИЯ ВЮРЦА – ФИТТИГА

При взаимодействии ароматических галогенпроизводных с галогеналканами образуются гомологи бензола, например:

Напомним, что получить из бензола его гомологи можно также с помощью реакций алкилирования галогеналканами или алкенами (см. раздел «Химические сойства ароматических углеводородов»).

 

 

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Даны вещества:

а)	г)
б)	д)
в)	е)

Дайте название каждому из этих веществ в соответствии с правилами номенклатуры ИЮПАК. Приведите также тривиальные названия тех веществ, для которых такие названия употребляются.

2. Даны вещества:

    а) 1,4-диметилбензол;

    б) 1-метил-3-этилбензол;

    в) 1,2,4-триметилбензол;

    г) изопропилбензол;

    д) винилбензол;

    е) фенилацетилен;

    ж) дифенил.

    Напишите структурные формулы этих веществ.

 

3. Напишите структурные формулы любых пяти ароматических веществ состава С₉Н₁₂. Дайте названия этим веществам.

 

4. Напишите уравнения следующих реакций:

а) нитрования бензола;

б) алкилирования бензола 2-хлорпропаном;

в) алкилирования бензола пропиленом.

Укажите условия протекания реакций, назовите полученные вещества.

 

5. Напишите уравнения следующих реакций:

а) взаимодействия бензола с хлором в присутствии хлорида алюминия;

б) взаимодействия бензола с хлором при действии ультрафиолетового излучения;

в) взаимодействия толуола с хлором в присутствии хлорида алюминия;

г) взаимодействия толуола с хлором на свету в отсутствии катализатора.

По какому механизму – радикальному или ионному – протекают реакции в)  и  г) ?

 

6. Составьте уравнения следующих реакций:

а) окисления этилбензола перманганатом калия в присутствии серной кислоты;

б) окисления пара-ксилола водным раствором перманганата калия.

 

7. Напишите уравнения следующих реакций:

а) дегидрирования циклогексана;

б) дегидрирования 1,2-диметилциклогексана;

в) дегидроциклизации октана.

Назовите полученные ароматические углеводороды.

 

8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить этилбензол из

а) бензола;

б) стирола;

в) октана;

г) этилциклогексана.

Укажите условия протекания реакций.

 

9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить бензол из карбида кальция в две стадии.

 

10. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить бензол из толуола в две стадии.

 

11. Приведите уравнения реакций, которые позволяют различить

а) бензол и гексен-1;

б) бензол и толуол;

в) толуол и стирол.

 

12. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

 

13. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

 

14. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

 

15. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

 

ЗАДАНИЯ В ТЕСТОВОЙ ФОРМЕ

1. Установите соответствие между формулой вещества и классом (группой) органических соединений, к которому(-ой) оно принадлежит.

 

	ФОРМУЛА ВЕЩЕСТВА		КЛАСС (ГРУППА) ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
А)	С6Н6	1)	алканы
Б)	С6Н10	2)	алкены
В)	С7Н16	3)	циклоалканы
Г)	С8Н10	4)	алкины
		5)	арены

 

 

2. Соединением, в котором все атомы углерода находятся в состоянии sp²-гибридизации, является

 

1)	этилбензол
2)	бензол
3)	метилциклогексан
4)	бутен-1

 

 

3. По ионному механизму протекает взаимодействие

1) этилена с бромоводородом

2) пропана с хлором

3) толуола с хлором при освещении

4) толуола с бромом в присутствии FeBr₃

5) бензола с азотной кислотой

6) метана с кислородом

 

4. Промежуточное образование карбокатиона

 CH₃–CH⁺–CH₃ происходит при взаимодействии

 

1)	пропана и хлора
2)	пропена и хлора
3)	пропена и хлороводорода
4)	пропена и воды в присутствии катализатора
5)	пропина и хлороводорода
6)	пропена и бромоводорода

 

 

5. Использовать правило Марковникова следует для определения преимущественных продуктов реакции

1) бутена-2 с хлороводородом

2) бутена-1 с хлороводородом

3) пропена с хлороводородом

4) пропена с водой

5) пропена водородом

6) 3,3,3-трифторпропена с хлористым водородом

 

 

6. В схеме превращений:   

C₂H₂ ® X ® C₆H₅Cl

веществом «Х» является

 

1)	этилен
2)	бромэтан
3)	этаналь
4)	бензол

 

 

 7. В схеме превращений:   

1-бромпропан ® X ® бензол

веществом «Х» является

 

1)	пропен
2)	пропин
3)	гексан
4)	циклогексан

 

 

8. Сходство химических свойств бензола и предельных углеводородов проявляется в реакции

 

1)	С6Н6 + 3H2 ® C6H12
2)	С6Н6 + С2H4 ® C6H5 – C2H5
3)	С6Н6 + 3Сl2 ® C6H6Cl6
4)	С6Н6 + Br2 ® C6H5Br + НBr

 

 

9. Верны ли следующие суждения о свойствах ароматических углеводородов?

А.	Бензол обесцвечивает раствор перманганата калия.
Б.	Толуол вступает в реакцию полимеризации.

 

1)	верно только А
2)	верно только Б
3)	верны оба суждения
4)	оба суждения неверны

 

 

10. Толуол реагирует с

 

1)	водородом
2)	водой
3)	цинком
4)	азотной кислотой
5)	хлороводородом
6)	хлором

 

 

11. Бензол и толуол можно различить, проведя реакцию с

 

1)	бромной водой
2)	раствором перманганата калия
3)	аммиачным раствором оксида серебра
4)	свежеосажденным гидроксидом меди

 

 

12. Нельзя в одну стадию получить бензол из

 

1) ацетилена

2) гексана

3) гептана

4) бензоата натрия

 

 

13. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

.

 

 

14. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

 

 

15. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

 

 

 

Ответы к заданиям в тестовой форме

 

№ задания	Ответ
1	5415
2	2
3	145
4	346
5	234
6	4
7	3
8	4
9	4
10	146
11	2
12	3
13	Х1 – ацетилен, Х2 – бензол, Х3 – этилбензол
14	Х1 – ацетилен, Х2 – толуол, Х3 – C6H5-COONa
15	Х1 – гексан, Х2 – бензол, Х3 – C6H5-CH2Cl

 

[1] Формально эту реакцию можно рассматривать как присоединение молекулы бензола С₆Н₅-Н к пропилену, в которой выполняется правило Марковникова: атом Н направляется к более гидрированному атому углерода при двойной связи пропилена, тогда фенил С₆Н₅- присоединяется ко второму атому углерода пропилена.

АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

12345Следующая ⇒

Поделиться: