ХІМІЯ - Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання

РОЗДІЛ III. ОРГАНІЧНА ХІМІЯ

11. Вуглеводні

11.4. Арени

Арени — це органічні сполуки, молекули яких мають 6-членне циклічне угруповання атомів Карбону, котре називають бензеновим ядром, або бензеновим кільцем.

Інша назва — ароматичні вуглеводні. Прямого відношення до запахів (ароматів) цей термін не має. У давні часи пахучі (ароматні) речовини отримували із природних джерел. Наприклад, ванілін — основна діюча речовина ванілі — є похідною бензойної кислоти, з якої Е. Мітчерліх отримав бензен. Не всі пахучі речовини є ароматичними, так само не всі ароматичні сполуки мають приємний аромат і навіть будь-який запах взагалі. Перші представники гомологічного ряду ароматичних вуглеводнів мають дійсно приємний запах, однак сьогодні відома значна кількість сполук цієї групи, які мають неприємний запах. Отже, цей термін — це швидше данина історії.

image176

Номенклатура аренів

Нумерація відбувається за годинниковою стрілкою. Для нумерації атомів Карбону в бензеновому ядрі дотримуються правил:

• для гомологів бензену, які містять два однакові замісники, послідовність нумерації атомів Карбону вибирають таким чином, щоб локанти були найменшими:

• якщо замісники різні, використовують алфавітний порядок:

image180

• у дизаміщених гомологах бензену для утворення тривіальних назв використовують префікси, які виділяють курсивом і відокремлюють дефісом:

локанти замісників

префікси

1,2

орто- (о-)

1,3

мета- (м-)

1,4

пара- (п-)

11.4.1. Бензен. Особливості будови молекули. Поняття про ароматичність

Молекула бензену — шість атомів Карбону (секстет) і шість атомів Гідрогену розміщені в одній площині й утворюють правильний шестикутник з кутом 120°. Незважаючи на ненасиченість зв’язків (бензен можна розглядати як циклогексатриен), така структура виявляє аномально високу стабільність (приблизно як і в циклогексану). Цю властивість називають ароматичністю1. Як уже вказувалось, термодинамічна стійкість бензенового ядра пояснюється спряженням і делокалізацією всіх шести π-електронів:

image177

Тому зараз у хімічній літературі частіше користуються не формулою Ф. Кекуле2, а формулою Л. Полінга:

image181

Крім бензену, його гомологів і похідних, ароматичні кільця мають інші карбоциклічні сполуки: т. зв. конденсовані аналоги бензену (нафталін, антрацен), а також азулен, фероцен — одна з найвідоміших металоорганічних сполук:

Ароматичними є також гетероциклічні сполуки — пірол, піридин, фуран, тіофен, індол, пурин3 (їхні гомологи і похідні) та багато інших речовин:

Гетероциклічними називають сполуки циклічної будови, у цикли молекул яких, окрім атомів Карбону, входять атоми інших елементів. Ці атоми називають гетероатомами.

Властивості бензену

За стандартних умов бензен — безбарвна речовина з характерним запахом, у воді не розчиняється, сама є добрим розчинником, токсична.

Ароматичний зв’язок визначає хімічні властивості бензену та інших аренів. Бензенове ядро стабілізується 6π-електронною системою, яка є стійкішою, ніж звичайний π-зв’язок. Тому реакції приєднання менш характерні, ніж для ненасичених вуглеводнів.

Приєднання (відбувається важче, ніж у ненасичених вуглеводнів)

Гідрування (гідрогенізація)

Галогенування (Сl2, Вr2)

Заміщення

(найхарактерніші реакції, які відбуваються легше, ніж у насичених вуглеводнів)

Нітрування

Галогенування

Сульфування

Алкілування алкенами

Алкілування галогеноалканами

Алкілування спиртами

Окиснення

повне

Бензен стійкий до окиснювачів, на повітрі горить, виділяючи кіптяву; у кисні згоряє повністю

часткове

За наявності каталізатора V2O5 та t = 450 °С окислюється до малеїнового ангідриду

Орієнтувальна дія замісників, наявних у молекулі бензину

Замісники І роду (електронодонорні) (орто- та параорієнтанти)

Замісники II роду (елекгроноакцепторні) (метаорієнтанти)

Добування бензену

Бензен і його гомологи можуть міститись у нафті, а також серед продуктів коксування кам’яного вугілля: коксовий газ містить пари бензену і толуену, а кам’яновугільна смола — бензен, толуен, ксилени і феноли. Бензен (толуен і ксилоли) отримують каталітичним риформінгом і піролізом бензинових фракцій нафти. Гомологи бензену одержують також каталітичним крекінгом нафтопродуктів.

1. Дегідрування циклоалаканів над підігрітою платиною:

2. Дегідроциклізація алканів над оксидними каталізаторами:

3. Циклічна тримеризація ацетилену:

Застосування бензену

Бензен входить до десяти найважливіших сполук органічної хімії. Значну частину бензену використовують в органічному синтезі:

• етилбензену (компонента високооктанових бензинів, вихідної речовини у виробництві старену, каучуків);

• кумолу (проміжного продукту у виробництві фенолу, ацетону та інших сполук);

• циклогексану (сировини для отримання капролактаму, адипінової кислоти і циклогексанону; розчинника ефірних олій, лаків, фарб, екстрагента у фармацевтичній промисловості);

• нітробензену (розчинника, окиснювача, продукту для виробництва аніліну та інших сполук);

• барвників, лікарських препаратів, розчинників, отрутохімікатів (пестицидів).

Значну частину (іноді до 50%) бензинів становлять ароматичні сполуки, зокрема бензен, Стратегічним завданням є зменшення вмісту бензену (до 1 %) через його високу канцерогенність (при хронічних отруєннях).

___________________________________________________________

1 Е. Хюккель (1896-1980) — німецький фізик і хімік, один з основоположників квантової хімії. 1931 р. розробив квантово-механічний підхід для пояснення ароматичності (метод молекулярних орбіталей Хюккеля).

2 Ф. Кекуле (1829-1896)— німецький хімік-органік, засновник теорії валентності, 1865 р. запропонував структурну формулу бензену.

3 Див. главу 13.4. Білки.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити