§ 21. Арены содержат бензольное кольцо

Определения и обозначения

Арены — углеводороды, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. В отличие от алканов и алкенов, их строение включает особый цикл из шести атомов углерода. Это понятие помогает выделить арены в отдельный класс и предсказывать их характерные свойства.

Бензольное кольцо — плоский цикл из шести атомов углерода с общей системой делокализованных электронов, то есть электронов, распределённых по всему кольцу. Из-за такого распределения связи между соседними атомами углерода равноценны, хотя на схемах их иногда изображают по-разному. Это объясняет устойчивость кольца и помогает не принимать условную запись за точную картину отдельных связей.

Гомологи бензола — арены, соседние представители которых отличаются на группу –CH₂–. Например, бензол C₆H₆ и метилбензол C₇H₈ — представители одного гомологического ряда. Для одноядерных аренов, содержащих одно бензольное кольцо, общая формула — CₙH₂ₙ₋₆.

Изомерия положения заместителей — различие между веществами с одинаковым составом и одинаковыми заместителями, но разным расположением этих заместителей в кольце. Например, у диметилбензола есть три варианта размещения двух групп CH₃. Различать их нужно, чтобы точно назвать вещество и не считать разные соединения одним и тем же.

Как это устроено

В молекуле бензола C₆H₆ шесть атомов углерода соединены в плоский цикл, и каждый связан ещё с одним атомом водорода. У каждого атома углерода есть электрон, который участвует в общей системе кольца. Электронная плотность распределена по циклу, поэтому нельзя считать, что в молекуле есть три неизменные одинарные и три двойные связи. Связи C–C становятся равноценными, а кольцо — устойчивой структурой.

Если заменить один атом водорода бензола на алкильную группу, например CH₃ или C₂H₅, получится гомолог бензола. При замене водорода на CH₃ образуется метилбензол, или толуол, C₇H₈; на C₂H₅ — этилбензол C₈H₁₀. Каждый следующий представитель ряда отличается от предыдущего на –CH₂–. Для одноядерных аренов это отражает формула CₙH₂ₙ₋₆: например, при n = 6 получается C₆H₆, а при n = 7 — C₇H₈.

Арен с одним заместителем обычно называют по названию группы и бензола: метилбензол, этилбензол. Для некоторых веществ используют также сложившиеся названия, например толуол для метилбензола. Если заместителей несколько, в названии указывают их положение цифрами и называют группы; нумерацию начинают так, чтобы номера заместителей были как можно меньше. Такой способ показывает не только состав, но и то, как именно устроена молекула.

Если в кольце два одинаковых заместителя, один из них условно принимают за первый, а положение второго задают относительно него. Возможны три неэквивалентных варианта: 1,2-, 1,3- и 1,4-. Их называют соответственно орто-, мета- и пара-; так различают орто-, мета- и пара-ксилол. Других вариантов нет, потому что поворот и отражение симметричного кольца позволяют совместить некоторые кажущиеся разными схемы.

Устойчивость бензольного кольца влияет на химические свойства аренов. При реакции замещения атом водорода заменяется другим атомом или группой, а общая электронная система кольца восстанавливается и сохраняется. Присоединение изменило бы систему связей и лишило бы кольцо его устойчивого строения. Поэтому бензол обычно вступает в реакции замещения, а не ведёт себя как обычный алкен.

Примеры аренов и особенности их строения

Сначала найдите в таблице формулу и число заместителей, затем проверьте, как они расположены относительно кольца. У трёх ксилолов формула одинаковая, но положение групп CH₃ разное, поэтому это изомеры. Сопоставление названий с нумерацией помогает запомнить соответствия орто — 1,2, мета — 1,3, пара — 1,4.

Разбор задач

Задача 1. К какому классу относится вещество C₆H₆ и как его назвать?

Условие: дана молекулярная формула C₆H₆. Нужно определить класс вещества и назвать его. Одной формулы не всегда достаточно, поэтому полезно проверить, совпадает ли состав с известным ареном.

1. Вспоминаем, что бензол — представитель аренов с формулой C₆H₆.
2. Сопоставляем число атомов углерода и водорода в условии с формулой бензола: оба количества совпадают.
3. Делаем вывод, что это бензол и он относится к аренам.

Ответ: C₆H₆ — бензол, представитель аренов.

Задача 2. Запишите формулу толуола и проверьте её по общей формуле одноядерных аренов.

Условие: толуол — это метилбензол, то есть бензольное кольцо с группой CH₃ вместо одного атома водорода. Нужно получить молекулярную формулу и проверить её. Для проверки используем формулу CₙH₂ₙ₋₆.

1. Берём состав бензола C₆H₆ и заменяем один атом H группой CH₃.
2. В результате получаем C₆H₅CH₃, то есть C₇H₈. Число атомов углерода равно 7, поэтому n = 7.
3. Подставляем n в общую формулу: H = 2 × 7 − 6 = 8. Полученное число атомов водорода совпадает с формулой C₇H₈.

Ответ: формула толуола — C₇H₈; она соответствует формуле одноядерных аренов.

Задача 3. Изобразите все изомеры диметилбензола и назовите их.

Условие: в бензольном кольце нужно разместить две одинаковые группы CH₃. Требуется найти все разные варианты расположения и назвать вещества. Чтобы не повторить одну структуру под видом другой, учитываем симметрию кольца.

1. Принимаем положение первого заместителя за номер 1: это условная точка отсчёта.
2. Размещаем вторую группу в положении 2, 3 или 4. Положения 5 и 6 не дают новых вариантов: при повороте или отражении кольца они совпадают с уже учтёнными.
3. Записываем названия для найденных вариантов: 1,2-диметилбензол (орто-ксилол), 1,3-диметилбензол (мета-ксилол), 1,4-диметилбензол (пара-ксилол).

Ответ: существуют три изомера положения — орто-, мета- и пара-ксилол.

Типичные ошибки

Ошибка: изображать бензол только как цикл с тремя одинарными и тремя двойными связями. Такую схему легко запомнить, но она не показывает, что электроны распределены по всему кольцу, а связи C–C равноценны. Проверка: вспомните, что чередование связей — условный способ записи, а не описание трёх отдельных двойных связей.

Ошибка: считать бензол обычным алкеном и ожидать от него прежде всего присоединения. Это происходит из-за сходства некоторых изображений бензола с формулой, где есть двойные связи. Проверка: учитывайте устойчивость общей электронной системы и то, что для бензола характерно замещение с сохранением кольца.

Ошибка: путать формулу одноядерных аренов CₙH₂ₙ₋₆ с формулами других классов углеводородов. Иногда знакомая запись кажется похожей на формулу алканов или алкенов, но число атомов водорода здесь связано с бензольным кольцом. Проверка: подставьте известное значение n; например, при n = 6 формула даёт C₆H₆, то есть бензол.

Ошибка: считать 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензолы одним веществом. У них одинаковы состав и заместители, поэтому различие в строении можно упустить. Проверка: отметьте на кольце обе группы CH₃ и сравните их положение; разные позиции означают разные изомеры.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать арены, нужно знать строение атома углерода, ковалентную связь и способы записи структурных формул. Понимание гомологического ряда углеводородов помогает увидеть, почему соседние арены отличаются на группу –CH₂–. Эти знания понадобятся при изучении реакций аренов, способов их получения и применения. Номенклатура и изомерия положения также помогают разбирать более сложные органические вещества, в составе которых есть ароматические фрагменты.

Что запомнить

• Бензол имеет формулу C₆H₆ и содержит бензольное кольцо.
• В бензольном кольце шесть равноценных связей C–C.
• Электроны кольца делокализованы по всей его структуре.
• Общая формула одноядерных аренов — CₙH₂ₙ₋₆.
• Гомологи бензола отличаются на группу –CH₂–.
• У диметилбензола есть три изомера положения: орто-, мета- и пара-.
• Для аренов характерны реакции замещения с сохранением бензольного кольца.