"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Арены — ароматические углеводороды с одним или несколькими бензольными кольцами. Их химические свойства определяет устойчивость кольца: бензол чаще сохраняет его, заменяя атом водорода на другой атом или группу. При более жёстких условиях возможно присоединение, которое разрушает ароматическую структуру. Знание условий позволяет предсказать продукт реакции и правильно записать уравнение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Арены — ароматические углеводороды, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. Бензол C₆H₆ — самый простой арен, в его кольце шесть атомов углерода и по одному атому водорода у каждого. Для моноциклических аренов, то есть веществ с одним кольцом, общая формула CₙH₂ₙ₋₆. По ней можно отличить такие соединения от алканов и алкенов и проверить формулу представителя ряда.
Реакция замещения аренов — превращение, при котором атом водорода в бензольном кольце заменяется другим атомом или группой. Например, вместо H в бензоле может появиться Br или нитрогруппа –NO₂. При этом кольцо остаётся в молекуле, поэтому замещение помогает получить производные бензола, сохранив его ароматическую структуру. В уравнении обычно появляется и побочный продукт, содержащий удалённый водород.
Реакция присоединения аренов — превращение, при котором частицы реагента присоединяются к бензольному кольцу. В отличие от замещения, при таком процессе ароматическая структура кольца нарушается. Это определение нужно, чтобы не путать поведение бензола с реакциями алкенов, для которых присоединение обычно характерно. О типе реакции судят по изменению состава и строения продукта.
Гидрирование аренов — присоединение водорода к бензольному кольцу. При подходящих условиях бензол присоединяет три молекулы H₂ и превращается в циклогексан C₆H₁₂; у производных бензола образуются соответствующие производные циклогексана. Реакцию проводят с катализатором, при нагревании и повышенном давлении. Это пример того, как присоединение меняет кольцо и устраняет его ароматический характер.
В бензоле электроны распределены по всему кольцу, а не закреплены за отдельными двойными связями, как в обычной формуле алкена. Такое общее распределение электронов придаёт кольцу дополнительную устойчивость. При замещении один атом водорода уходит, а ароматическая система в итоге восстанавливается, поэтому энергетически этот путь выгоднее. Присоединение разрушает устойчивое распределение электронов, и для него требуются более жёсткие условия.
При бромировании бензола атом водорода заменяется атомом брома: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr. Катализатором служит FeBr₃; иногда в реакцию вводят железо, из которого образуется этот катализатор. Он активирует бром и помогает провести замещение, не превращая процесс в обычное присоединение к двойной связи. Органический продукт — бромбензол, а удалённый водород вместе с бромом образует HBr.
Нитрование проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот. Серная кислота способствует образованию активной частицы, которая замещает водород в кольце, а азотная кислота поставляет атомы для нитрогруппы. Уравнение реакции: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Главный органический продукт — нитробензол, побочный продукт — вода; поэтому в уравнении важно сохранить баланс атомов.
Бензол может и присоединять реагенты, но это требует условий, способных преодолеть устойчивость ароматического кольца. При гидрировании нужны водород, катализатор, нагревание и повышенное давление; уравнение имеет вид C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂. Три молекулы водорода необходимы, чтобы насытить шесть атомов углерода кольца. Продуктом становится циклогексан, а ароматическая структура бензола теряется.
Итак, выбор пути определяется одновременно реагентом и условиями реакции. Бром при наличии FeBr₃ замещает водород, а водород при нагревании, давлении и катализаторе присоединяется к кольцу. Даже один и тот же реагент, хлор, может дать разные продукты: с катализатором идёт замещение, а на свету — присоединение. Поэтому перед записью уравнения нужно определить условия и проверить, что изменилось в молекуле.
| Тип реакции | Реагенты и условия | Что происходит с кольцом | Основной продукт | Пример уравнения |
|---|---|---|---|---|
| Замещение — бромирование | Br₂, катализатор FeBr₃ | Кольцо сохраняется, H заменяется на Br | Бромбензол | C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr |
| Замещение — нитрование | Концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ | Кольцо сохраняется, H заменяется на –NO₂ | Нитробензол | C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O |
| Присоединение — гидрирование | H₂, катализатор Ni или Pt, нагревание и давление | Ароматическая структура нарушается | Циклогексан | C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂ |
Сначала найдите в таблице реагент и условия, затем сравните исходное кольцо с продуктом. Если водород заменён, а бензольное кольцо сохранено, это замещение; если к кольцу присоединились частицы и ароматическая структура утрачена, это присоединение. Проверяйте, что в уравнении учтён побочный продукт и совпадает число атомов каждого элемента.
Условие. Запишите реакцию бензола с бромом в присутствии катализатора и назовите органический продукт. Чтобы выбрать тип реакции, нужно учесть, что бромирование бензольного кольца проводят с катализатором. В этих условиях бром не присоединяется к кольцу, а замещает один из атомов водорода.
Ответ. C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr, катализатор FeBr₃. Органический продукт — бромбензол. Это реакция замещения, потому что водород заменён бромом, а кольцо сохранилось.
Условие. Составьте уравнение нитрования бензола концентрированной азотной кислотой в присутствии серной кислоты. Нитрогруппа –NO₂ замещает в кольце один атом водорода. Серную кислоту записываем над стрелкой как участника условий реакции, а не как продукт.
Ответ. C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O; условия — концентрированная H₂SO₄. Продукт — нитробензол. Реакция относится к замещению, поскольку место водорода заняла группа –NO₂.
Условие. Сравните продукты взаимодействия бензола с водородом и с хлором при разных условиях, запишите уравнения и определите типы реакций. Здесь недостаточно перечислить реагенты: именно условия подсказывают, сохраняется ли кольцо. Сначала разберём гидрирование, затем два варианта хлорирования.
Ответ. С водородом бензол даёт циклогексан при нагревании, давлении и катализаторе. Хлорирование с FeCl₃ приводит к хлорбензолу и HCl, а на свету — к продукту присоединения C₆H₆Cl₆. Для классификации каждого превращения учитывайте не только реагент, но и условия.
Ошибка — считать, что бензол реагирует только присоединением по двойным связям. Так переносят на него свойства алкенов и не учитывают, что электронное строение делает ароматическое кольцо устойчивым. При обычных реакциях бензол часто выбирает замещение, сохраняя кольцо. Проверка: выясните, остался ли бензольный фрагмент в продукте и заменился ли в нём H.
Неверно записывать бромирование бензола как присоединение Br₂. При катализаторе FeBr₃ один атом брома занимает место водорода, а второй входит в состав HBr. Ошибку допускают, механически вспоминая обесцвечивание бромной воды алкенами. Проверка: пересчитайте атомы и убедитесь, что в уравнении есть бромбензол и HBr.
Если не указать условия и катализатор, можно перепутать продукты хлорирования. С FeCl₃ происходит замещение, а на свету возможно присоединение хлора; у этих процессов разные уравнения и продукты. Поэтому символ Cl₂ сам по себе не определяет тип реакции. Проверка: укажите условия рядом со стрелкой и сопоставьте их с тем, меняется ли состав кольца.
Ещё одна ошибка — забывать побочные продукты при замещении. При бромировании удалённый водород соединяется с бромом и даёт HBr, а при нитровании образуется H₂O. Их пропускают, когда записывают только формулу органического продукта. Проверка: сравните число атомов каждого элемента слева и справа — баланс обычно сразу обнаруживает пропуск.
Для понимания реакций аренов нужны знания о строении бензольного кольца и ароматической устойчивости. Сопоставление бензола с алкенами объясняет, почему общая идея двойных связей не позволяет автоматически предсказать реакцию арена. Также пригодится умение составлять уравнения замещения и присоединения и расставлять коэффициенты. Позже эти знания помогут разбирать реакции гомологов бензола, влияние заместителей на направление превращений и способы получения органических веществ.
Почему бензол чаще вступает в реакции замещения, а не присоединения?
При замещении бензольное кольцо сохраняет ароматическую структуру и её энергетическую устойчивость. Присоединение нарушает эту структуру, поэтому обычно требует более жёстких условий.
Какой катализатор нужен для бромирования бензола?
Обычно используют бромид железа(III), FeBr₃, или железо, которое образует FeBr₃ в реакционной смеси. Катализатор помогает провести замещение водорода на бром.
Как называется продукт нитрования бензола?
Основной органический продукт — нитробензол C₆H₅NO₂. Он образуется, когда нитрогруппа –NO₂ замещает атом водорода в бензольном кольце.
При каких условиях бензол присоединяет водород?
Гидрирование проводят при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора, например никеля или платины. Продукт реакции бензола — циклогексан.
Почему взаимодействие бензола с хлором может приводить к разным типам реакций?
Тип реакции зависит от условий. При катализаторе, например FeCl₃, хлор замещает водород и образуется хлорбензол; на свету возможно присоединение хлора с образованием C₆H₆Cl₆.
§ 22. Арены вступали в реакции замещения и присоединения
