§ 24. Производные бензола

Определения и обозначения

Производные бензола — соединения, в которых один или несколько атомов водорода в бензольном кольце замещены другими атомами или группами атомов. Кольцо при этом сохраняется, а меняется его состав по заместителям. Это понятие объединяет вещества, построенные на основе бензола.

Заместитель — атом или группа атомов, занявшие место атома водорода в бензольном кольце. Например, заместителями могут быть CH₃, Cl, NO₂ и OH. Название заместителя помогает понять состав производного и отличить его от других соединений.

Изомерия положения заместителей — явление, при котором вещества имеют одинаковый состав, но заместители находятся в разных положениях бензольного кольца. Такие вещества называют изомерами положения. Понятие нужно, чтобы различать соединения с одной молекулярной формулой, но разным строением.

Орто-, мета- и пара-положения обозначают взаимное расположение двух заместителей: 1,2-, 1,3- и 1,4- соответственно. Отсчёт ведут от одного заместителя, которому присваивают номер 1. Эти обозначения кратко показывают, насколько близко расположены группы в кольце.

Как это устроено

Производное получают, когда вместо связи атома углерода кольца с водородом появляется связь с другим атомом или группой. Поэтому в структурной формуле бензольное кольцо остаётся узнаваемым, а один или несколько атомов H при нём заменяются. Например, формулу бензола C₆H₆ можно представить как C₆H₅Cl: один водород заменён хлором, но шесть атомов углерода по-прежнему образуют кольцо.

Если заменён только один атом водорода, получается монозамещённое производное. Несколько вариантов его положения не создают разных изомеров: бензольное кольцо симметрично, и поворот формулы позволяет совместить положение заместителя у разных атомов углерода. Поэтому хлорбензол с хлором у первого или, например, третьего атома — одно и то же соединение, а не разные изомеры.

При двух одинаковых заместителях симметрии уже недостаточно, чтобы совместить все варианты. Если заместители находятся у соседних атомов, это положения 1,2; если между ними расположен один атом углерода — 1,3; если они стоят напротив друг друга — 1,4. Этим трём вариантам соответствуют названия орто-, мета- и пара-; следовательно, диметилбензол существует в виде трёх изомеров положения.

В названии дизамещённого бензола указывают, какие группы входят в состав, и их номера. Нумерацию начинают у атома кольца с заместителем, а направление выбирают так, чтобы второй заместитель получил наименьший номер: пара соседних атомов обозначается 1,2, а не 1,6. Например, группы CH₃ в положениях 1 и 3 дают 1,3-диметилбензол, или мета-ксилол. При разных заместителях также важно показать их положения, чтобы название однозначно задавало строение.

Заместитель меняет не только формулу, но и распределение электронной плотности в кольце, поэтому может влиять на его дальнейшие реакции. Кроме того, свойства самого заместителя тоже проявляются в соединении: например, группа OH придаёт фенолу свойства, которых нет у бензола. Значит, производное нельзя считать просто бензолом с новым названием: строение заместителя может заметно изменить поведение вещества.

Изомеры дизамещённых производных бензола

Чтобы пользоваться таблицей, отметьте на кольце два заместителя и посчитайте номера атомов углерода, к которым они присоединены. Затем сопоставьте номера с обозначениями: 1,2 — орто, 1,3 — мета, 1,4 — пара. Для названия выбирайте нумерацию с наименьшими номерами.

Разбор задач

1. Формула C₆H₅Cl

Условие. В структурной формуле C₆H₅Cl определите класс соединения и назовите заместитель. Сначала найдём, какая часть формулы соответствует кольцу, а затем выясним, что произошло с атомом водорода. Так не перепутаем заместитель с основой соединения.

1. Шесть атомов углерода образуют бензольное кольцо; его наличие видно по фрагменту C₆H₅.
2. По сравнению с бензолом C₆H₆ один атом водорода заменён атомом Cl.
3. Соединение относится к производным бензола, а заместитель — атом хлора.

Ответ: производное бензола — хлорбензол; заместитель — Cl, хлор.

2. Изомеры диметилбензола

Условие. Запишите три структурных изомера диметилбензола и обозначьте их названиями орто-, мета- и пара-. Состав во всех случаях одинаков: к бензольному кольцу присоединены две группы CH₃. Отличаться будет только то, какие атомы углерода заняты этими группами.

1. Одну группу CH₃ условно поставьте у атома 1, а вторую — у соседнего атома 2: получится 1,2-диметилбензол, орто-изомер.
2. Если вторую группу поместить у атома 3, между группами окажется один атом углерода: это 1,3-диметилбензол, мета-изомер.
3. Если заместитель поставить у атома 4, группы окажутся напротив: это 1,4-диметилбензол, пара-изомер.

Ответ: орто-, мета- и пара-диметилбензол, то есть изомеры 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензола.

3. Метилнитробензол

Условие. Назовите соединение с заместителями CH₃ и NO₂ в положениях 1 и 3 бензольного кольца и запишите его молекулярную формулу. Положения 1 и 3 означают, что группы разделены одним атомом углерода. Состав удобнее подсчитать, начиная с бензола и учитывая замену двух атомов водорода.

1. Положения 1,3 соответствуют мета-расположению; название по заместителям — 1-метил-3-нитробензол.
2. В бензольном кольце остаётся C₆H₄, так как два водорода заменены группами CH₃ и NO₂.
3. Добавляем состав заместителей: CH₃ + NO₂. Получаем C₇H₇NO₂.

Ответ: 1-метил-3-нитробензол (мета-нитротолуол), C₇H₇NO₂.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что у монозамещённого бензола есть несколько изомеров положения. Так думают, если воспринимают атомы кольца как разные, не учитывая его симметрию. Поверните структурную формулу: если заместители можно совместить поворотом кольца, перед вами одно соединение.

Орто-, мета- и пара- иногда путают между собой или с названиями заместителей. Причина — запоминание слов без связи с расположением групп. Проверяйте себя по номерам: орто — 1,2, мета — 1,3, пара — 1,4.

При нумерации кольца можно случайно дать заместителям большие номера, например записать 1,6 вместо 1,2. Такая ошибка возникает, когда направление отсчёта выбирают произвольно. Сравните оба направления и оставьте вариант с наименьшими номерами заместителей.

Не следует полагать, что любое производное обладает теми же свойствами, что и бензол. Это заблуждение появляется, если учитывать только наличие кольца и забывать о заместителях. Проверьте, какие группы входят в состав: они могут менять реакции кольца и добавлять веществу собственные свойства.

Связь с другими темами

Для понимания производных бензола нужны знания о строении бензольного кольца, молекулярных и структурных формулах. Также следует различать замещение — замену атома или группы — и изомерию, при которой соединения имеют одинаковый состав, но разное строение. Эти понятия позволяют перейти от записи формулы к описанию конкретного вещества.

Тема пригодится при изучении химических свойств аренов и направляющего влияния заместителей, то есть их способности влиять на место присоединения новых групп. Это важно и для органического синтеза: свойства и строение исходного производного помогают предсказать, какие продукты можно получить. Поэтому умение определять положения заместителей связано не только с называнием веществ, но и с пониманием реакций.

Что запомнить

• Производное бензола образуется при замещении атома водорода в бензольном кольце.
• У монозамещённого бензола нет изомеров положения заместителя.
• Для двух заместителей возможны три взаимных расположения.
• Орто соответствует положениям 1,2; мета — 1,3; пара — 1,4.
• При назывании соединения указывают заместители и их положения.
• Заместители могут влиять на свойства бензольного кольца.