ПОСОБИЕ-РЕПЕТИТОР ПО ХИМИИ.
Арены. Бензол.
Статья посвящена ароматическим углеводородам (аренам) и самому простому их представителю – бензолу. Материал содержит
теоретическую часть в объеме, необходимом для подготовки к сдаче ЕГЭ, тест и задачи. Приведены также ответы и,
теоретическую часть в объеме, необходимом для подготовки к сдаче ЕГЭ, тест и задачи. Приведены также ответы и,
к некоторым задачам, – решения.
И.В.ТРИГУБЧАК
Ароматические углеводороды
(арены).
Бензол
(арены).
Бензол
П л а н
1. Определение, общая формула гомологического ряда, строение молекулы (на примере бензола).
2. Физические свойства бензола.
3. Химические свойства бензола: а) реакции замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование);
б) реакции присоединения (гидрирование, хлорирование);
в) реакции окисления (горение).
4. Получение бензола (в промышленности – переработкой нефти и угля, дегидрированием циклогексана, ароматизацией гексана, тримеризацией ацетилена; в лаборатории – сплавлением солей бензойной кислоты со щелочами).
Арены – это углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец.
Под бензольным кольцом подразумевается кольцевая система атомов углерода с делокализованными π-электронами. В 1931 г. Э.Хюккель сформулировал правило, гласящее, что соединение должно проявлять ароматические свойства, если в его молекуле содержится плоское кольцо с (4n + 2) обобщенными электронами, где n может проявлять значения целых чисел от 1 и далее (правило Хюккеля). Согласно этому правилу системы, содержащие 6, 10, 14 и т.д. обобщенных электронов, являются ароматическими. Различают три группы аренов по количеству и взаимному расположению бензольных колец.
Моноциклические арены.
Изобразите структурные формулы бензола, толуола, о-ксилола, кумола. Назовите эти вещества по систематической номенклатуре.
Полициклические арены с изолированными ядрами.
Изобразите структурные формулы дифенила, дифенилметана, стильбена.
Полициклические арены с конденсированными ядрами.
Изобразите структурные формулы нафталина, антрацена.
Общая формула моноциклических аренов ряда бензола – С6Н2n–6, где n ≥ 6. Простейший представитель – бензол (С6Н6). Предложенная в 1865 г. немецким химиком
Ф.А.Кекуле циклическая формула бензола с сопряженными связями (циклогексатриен-1,3,5) не объясняла многие свойства бензола.
• Для бензола характерны реакции замещения, а не реакции присоединения, как для непредельных углеводородов. Реакции присоединения возможны, но протекают
они труднее, чем у алкенов.
• Бензол не вступает в реакции, являющиеся качественными на непредельные углеводороды (с бромной водой и раствором перманганата калия).
• Проведенные позже исследования показали, что все связи между атомами углерода в молекуле бензола имеют одинаковую длину – 0,140 нм (среднее значение между длиной простой связи С–С 0,154 нм и двойной связи С=С 0,134 нм). Угол между связями у каждого атома углерода равен 120 °. Молекула бензола представляет собой правильный плоский шестиугольник.
Современная теория строения молекулы бензола базируется на представлении о гибридизации орбиталей атома углерода. Согласно этой теории, атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации. Каждый атом углерода образует три σ-связи (две с атомами углерода и одну – с атомом водорода). Все σ-связи находятся в одной плоскости. У каждого атома углерода остается еще по одному р-электрону, не участвующему в гибридизации. Негибридизированные р-орбитали атомов углерода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-связей. Каждое р-облако перекрывается с двумя соседними р-облаками, в результате чего образуется единая сопряженная π-система. Единое π-электронное облако расположено над и под бензольным кольцом, причем р-электроны не связаны с каким-либо атомом углерода и могут перемещаться относительно них в том или ином направлении. Полная симметричность бензольного ядра, обусловленная сопряжением, придает ему особую устойчивость.
Таким образом, наряду с формулой Кекуле используется формула бензола, где обобщенное электронное облако изображают замкнутой линией внутри кольца.
Изобразите формулу Кекуле и формулу, показывающую сопряженную π-систему.
Ф.А.Кекуле циклическая формула бензола с сопряженными связями (циклогексатриен-1,3,5) не объясняла многие свойства бензола.
• Для бензола характерны реакции замещения, а не реакции присоединения, как для непредельных углеводородов. Реакции присоединения возможны, но протекают
они труднее, чем у алкенов.
• Бензол не вступает в реакции, являющиеся качественными на непредельные углеводороды (с бромной водой и раствором перманганата калия).
• Проведенные позже исследования показали, что все связи между атомами углерода в молекуле бензола имеют одинаковую длину – 0,140 нм (среднее значение между длиной простой связи С–С 0,154 нм и двойной связи С=С 0,134 нм). Угол между связями у каждого атома углерода равен 120 °. Молекула бензола представляет собой правильный плоский шестиугольник.
Современная теория строения молекулы бензола базируется на представлении о гибридизации орбиталей атома углерода. Согласно этой теории, атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации. Каждый атом углерода образует три σ-связи (две с атомами углерода и одну – с атомом водорода). Все σ-связи находятся в одной плоскости. У каждого атома углерода остается еще по одному р-электрону, не участвующему в гибридизации. Негибридизированные р-орбитали атомов углерода находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости σ-связей. Каждое р-облако перекрывается с двумя соседними р-облаками, в результате чего образуется единая сопряженная π-система. Единое π-электронное облако расположено над и под бензольным кольцом, причем р-электроны не связаны с каким-либо атомом углерода и могут перемещаться относительно них в том или ином направлении. Полная симметричность бензольного ядра, обусловленная сопряжением, придает ему особую устойчивость.
Таким образом, наряду с формулой Кекуле используется формула бензола, где обобщенное электронное облако изображают замкнутой линией внутри кольца.
Изобразите формулу Кекуле и формулу, показывающую сопряженную π-систему.
Радикал, образованный от бензола, имеет тривиальное название фенил.
Изобразите его структурную формулу.
Изобразите его структурную формулу.
Физические свойства
При обычных условиях бензол представляет собой бесцветную жидкость с температурой плавления 5,5 °С, температурой кипения 80 °С; имеет характерный запах; легче воды и с ней не смешивается; хороший органический растворитель; токсичен.
Химические свойства
Химические свойства бензола и его гомологов определяются спецификой ароматической связи. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения (для бензола они протекают тяжелее, чем для его гомологов).
Галогенирование.
Напишите реакцию хлорирования бензола.
Напишите реакцию хлорирования бензола.
Нитрование.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с азотной кислотой.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с азотной кислотой.
Сульфирование.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с серной кислотой.
Напишите реакцию взаимодействия бензола с серной кислотой.
Алкилирование (реакция Фриделя–Крафтса).
Напишите реакции получения этилбензола при взаимодействии бензола с хлорэтаном и с этиленом.
Cистема из 6 π-электронов является более устойчивой, чем 2π-электронная, поэтому реакции присоединения для аренов менее характерны, чем для алкенов; они возможны, но при более жестких условиях.
Гидрирование.
Напишите реакцию гидрирования бензола до циклогексана.
Присоединение хлора.
Напишите реакцию хлорирования бензола до гексахлорана.
Реакции окисления для бензола возможна только в виде горения, т.к. к действию окислителей бензольное кольцо устойчиво.
Напишите реакцию горения бензола. Объясните, почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем.
Напишите реакцию горения бензола. Объясните, почему ароматические углеводороды горят коптящим пламенем.
Получение аренов
В промышленности бензол получают следующими способами.
Переработкой нефти и угля.
Дегидрированием циклогексана (метод Н.Д.Зелинского).
Запишите уравнение реакции, укажите условия ее проведения:
Дегидрированием циклогексана (метод Н.Д.Зелинского).
Запишите уравнение реакции, укажите условия ее проведения:
Дегидроциклизацией (аромати зацией) гексана (Н.Д.Зелинский, Б.А.Казанский, А.Ф.Платэ).
Напишите реакцию получения бензола из гексана.
Напишите реакцию получения бензола из гексана.
Тримеризацией ацетилена.
Запишите уравнение реакции, укажите условия ее проведения.
Запишите уравнение реакции, укажите условия ее проведения.
Декарбоксилированием бензойной кислоты.
Напишите реакцию получения бензола указанным методом.
Напишите реакцию получения бензола указанным методом.
В лаборатории бензол можно получить cплавлением солей бензойной кислоты со щелочами.
Напишите реакцию получения бензола взаимодействием бензоата натрия и гидроксида натрия.
Напишите реакцию получения бензола взаимодействием бензоата натрия и гидроксида натрия.
