"Химия (базовый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Арены, или ароматические углеводороды, содержат одно или несколько бензольных колец. Главный представитель — бензол C₆H₆, в котором π-электроны распределены по всему кольцу, поэтому молекула особенно устойчива. Для аренов характерны реакции замещения, прежде всего нитрование и галогенирование. Гомологи бензола имеют углеводородные заместители, а их боковые цепи могут окисляться до карбоксильных групп.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Арены, или ароматические углеводороды, — вещества, содержащие одно или несколько бензольных колец. Их название связано не с запахом, а с особым строением и устойчивостью молекул. Это определение помогает отличать арены от алканов, алкенов и других углеводородов.
Бензол — простейший представитель аренов с формулой C6H6 и циклическим строением. Шесть атомов углерода соединены в замкнутое кольцо, а каждый углерод связан ещё с одним атомом водорода. Бензол служит исходным веществом для получения многих его производных.
Бензольное кольцо — плоская циклическая система из шести атомов углерода с общей делокализованной электронной системой. Делокализация означает, что π-электроны не принадлежат одной конкретной связи, а распределены по всему кольцу. Благодаря этому удобно объяснять равенство связей и устойчивость бензола.
Гомологи бензола — арены, образующиеся заменой атомов водорода в бензоле на углеводородные радикалы. Например, замена одного H на CH3 даёт толуол C6H5CH3. Понятие гомологов нужно, чтобы составлять общий ряд веществ, их формулы и названия.
Атом углерода четырёхвалентен, поэтому в соединении он образует четыре общие электронные пары с соседними атомами. Шесть атомов углерода могут соединиться в замкнутую плоскую цепь, где каждый связан с двумя соседями и одним атомом водорода. Оставшиеся орбитали углерода перекрываются над и под плоскостью кольца, создавая общую π-систему.
Если представить бензол как цикл с чередующимися двойными связями, можно ошибочно решить, что каждая двойная связь существует отдельно. На самом деле π-электроны перемещаются по всему кольцу и принадлежат сразу всем шести атомам углерода. Поэтому длина каждой связи C–C занимает промежуточное положение между длиной одинарной и двойной связи.
Делокализация снижает энергию молекулы: электронная система становится устойчивее, чем набор отдельных двойных связей. Чтобы разрушить эту систему, например при присоединении реагента, требуется нарушить ароматическое кольцо. Поэтому бензол чаще сохраняет кольцо и заменяет его атом водорода на другую группу, то есть вступает в реакции замещения.
Гомологический ряд получают последовательной заменой водорода в бензоле на алкильные группы. Однозамещённые соединения называют алкилбензолами: C6H5CH3 — метилбензол, или толуол, C6H5C2H5 — этилбензол. У двух заместителей нужно указать их положение цифрами или приставками орто-, мета-, пара-, а разные строения могут быть изомерами.
В кольце бензол и его гомологи нитруются и галогенируются по механизму замещения, обычно в присутствии катализатора. Алкилирование вводит в кольцо углеводородный радикал, а гидрирование при жёстких условиях может привести к циклогексану. Боковая цепь реагирует иначе: её углерод у кольца может окисляться до карбоксильной группы, тогда как само кольцо при мягком окислении сохраняется.
Таблица позволяет сравнивать не отдельные реакции, а общую логику поведения двух групп веществ. При чтении сначала определите, относится ли признак к кольцу или к боковой цепи, а затем сопоставьте условия и продукт.
| Признак или реакция | Бензол | Гомологи бензола | Основной результат |
|---|---|---|---|
| Общая формула | C6H6 | CnH2n−6 для моноциклических аренов | Состав зависит от числа атомов углерода и заместителей |
| Строение углеродного скелета | Одно бензольное кольцо | Кольцо с одной или несколькими углеводородными группами | Ароматическая система сохраняется |
| Характерное физическое состояние и растворимость | Бесцветная летучая жидкость, плохо растворимая в воде | Преимущественно жидкости или твёрдые вещества, плохо растворимые в воде | Хорошо растворяются во многих органических растворителях |
| Галогенирование в кольце | C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl, катализатор | Замещение H в кольце; положение зависит от заместителей | Образуются галогенарены |
| Нитрование | C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O, H2SO4 | Образуются нитропроизводные, возможны разные изомеры | В кольце появляется нитрогруппа −NO2 |
| Гидрирование | При нагревании и катализаторе: C6H6 + 3H2 → C6H12 | Гидрируется кольцо, а заместитель обычно сохраняется | Образуются циклоалканы |
| Горение | 2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O | При полном горении образуются CO2 и H2O | Выделяются тепло и свет, возможна копоть |
| Окисление боковой цепи | Боковой цепи нет | Алкильная группа окисляется до −COOH при подходящем строении | Образуются ароматические карбоновые кислоты |
| Применение | Сырьё для органического синтеза, растворитель ограниченного применения | Получение пластмасс, красителей, лекарств, растворителей и других веществ | Важное сырьё нефтехимии, требующее контроля токсичности |
Нужно определить формулу и название арена, содержащего восемь атомов углерода и одну этильную группу у бензольного кольца. Бензольное кольцо даёт шесть атомов углерода, а этильный заместитель C2H5 — ещё два. Значит, речь идёт об однозамещённом производном бензола.
Ответ: C8H10, этилбензол. Другие арены с такой же формулой, например диметилбензолы, имеют уже две метильные группы и не соответствуют условию.
При нитровании один моль бензола даёт один моль нитробензола. Уравнение реакции: C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O, H2SO4. Если масса бензола равна m, а выход реакции η, результат можно выразить общей формулой.
Ответ: масса нитробензола равна 123mη/78 г. Для численного ответа в условие нужно подставить заданную массу бензола и процент выхода.
Пусть в смеси x моль бензола и y моль толуола. При полном сгорании один моль бензола образует 6 моль CO2, а один моль толуола C7H8 — 7 моль CO2. Поэтому объём углекислого газа даёт уравнение 6x + 7y = n(CO2).
Ответ: одного объёма CO2 недостаточно для однозначного определения состава. Если дополнительно известно x + y = nсмеси, решают систему 6x + 7y = n(CO2), x + y = nсмеси.
Бензол изображают как обычный циклогексен с тремя независимыми двойными связями. Так делают из-за условной структурной формулы, но она не показывает реальное распределение электронов. Проверка: вспомните окружность в кольце и равенство всех связей C–C.
Учащиеся считают присоединение главной реакцией бензола, потому что видят двойные связи. Ошибка возникает при переносе свойств алкенов на ароматическую систему, хотя присоединение разрушает её устойчивость. Проверка: для бензола сначала ищите реакцию замещения и сохранение кольца.
Замещение в кольце путают с замещением в боковой цепи гомолога. Причина ошибки — оба процесса могут начинаться со слова «замещение», но у них разные условия и продукты. Проверяйте, какой атом водорода заменяется: в кольце нужен катализатор, а в боковой цепи часто свет или нагревание.
Неправильно считают изомеры аренов, не учитывая положение заместителей. Этилбензол нельзя отождествлять с диметилбензолом: у них разные строение и название, хотя формула одинакова. Для проверки нарисуйте кольцо, расставьте заместители и сравните их состав и взаимное положение.
Перед изучением аренов нужны валентность углерода, строение органических веществ, гомологические ряды, изомерия и правила составления уравнений реакций. Эти знания помогают выводить формулы и различать положение заместителей.
Тема продолжает изучение реакций замещения и взаимного влияния атомов в молекуле. Она нужна для понимания получения полимеров, красителей, лекарств и растворителей.
Арены связаны с нефтехимией, составом бензина и экологией. Их выбросы и продукты сгорания важны при оценке качества воздуха и риска для здоровья.
Почему бензол считают ненасыщенным углеводородом, но он не обесцвечивает бромную воду так, как алкены?
В составе бензола есть π-электроны, поэтому его относят к ненасыщенным соединениям. Однако они делокализованы по кольцу и образуют устойчивую систему, разрушать которую присоединением невыгодно; поэтому бензол обычно вступает в замещение, а не обесцвечивает бромную воду.
Что означает окружность внутри изображения бензольного кольца?
Окружность показывает общую делокализованную π-электронную систему шести атомов углерода. Она подчёркивает, что связи в кольце равноценны и не являются тремя независимыми двойными связями.
Чем отличаются этилбензол и ксилолы?
Этилбензол содержит у кольца одну этильную группу C₂H₅ и имеет формулу C₆H₅C₂H₅. Ксилолы содержат две метильные группы CH₃, а их изомеры различаются взаимным положением заместителей: орто-, мета- или пара-.
Почему при реакции толуола нужно различать замещение в кольце и замещение в боковой цепи?
У этих реакций разные участки молекулы, условия и продукты. В кольце обычно происходит электрофильное замещение, а в боковой цепи, например при действии хлора на свету, замещается атом водорода у углерода, соседнего с кольцом.
Где встречаются арены и почему некоторые из них опасны для здоровья?
Арены входят в состав нефти, бензина и продуктов нефтехимии, используются для получения растворителей, пластмасс, красителей и лекарств. Некоторые соединения токсичны, раздражают органы дыхания, а отдельные ароматические вещества обладают канцерогенным действием, поэтому требуют осторожного обращения.
§ 8. Ароматические углеводороды
