§ 7. Ароматические углеводороды или арены

Определения и обозначения

Арены — ароматические углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. К этому классу относятся бензол C₆H₆, толуол C₇H₈ и соединения с несколькими кольцами, например нафталин C₁₀H₈. Слово «углеводороды» указывает, что вещества состоят только из атомов углерода и водорода. Определение помогает отличать арены от других классов органических веществ.

Бензольное кольцо — циклическая система из шести атомов углерода с общей делокализованной электронной системой. Делокализованная означает, что электроны не закреплены за одной конкретной связью, а распределены по кольцу. Поэтому связи между соседними атомами углерода равноценны. Это понятие объясняет устойчивость бензола и помогает правильно изображать его строение.

Гомологи аренов — вещества одного класса, отличающиеся друг от друга на одну или несколько групп CH₂. Например, бензол и толуол различаются на CH₂, а толуол и этилбензол — тоже на CH₂. Такие вещества образуют гомологический ряд и имеют сходное строение и химические свойства. Сравнение гомологов позволяет находить формулы и названия соединений.

Электрофильное замещение — типичная для бензольного кольца реакция, в которой атом водорода заменяется электрофильной частицей. Электрофил — частица, способная принимать электронную плотность; в ходе реакции она связывается с кольцом. В результате один заместитель занимает место водорода, а кольцо сохраняет свою устойчивую электронную систему. Этим замещение отличается от присоединения к двойной связи.

Как это устроено

Формула бензола C₆H₆ показывает, что на шесть атомов углерода приходится всего шесть атомов водорода. Если бы углеродные атомы образовывали обычную цепь с одинарными связями, водорода было бы больше; недостаток водорода указывает на циклическое строение и высокую степень ненасыщенности. Однако бензол нельзя понимать как обычный цикл с тремя двойными и тремя одинарными связями. Такая модель предсказывала бы два разных типа связей C–C, тогда как в бензоле все шесть связей равноценны из-за общей электронной системы кольца.

Если в молекуле арена одно кольцо, его общий состав выражают формулой CₙH₂ₙ₋₆. При увеличении углеродной цепи за пределами кольца появляются гомологи: например, бензол C₆H₆, толуол C₇H₈, этилбензол C₈H₁₀. У толуола к кольцу присоединена группа CH₃, у этилбензола — C₂H₅. Ксилолы тоже имеют формулу C₈H₁₀, но содержат две группы CH₃.

Чтобы назвать арен с заместителями, за основу берут бензольное кольцо и указывают присоединённые к нему группы. В названии толуола отражена одна группа CH₃, а диметилбензол содержит две такие группы. Для нумерации выбирают атом кольца с заместителем как первый и считают в направлении, которое даёт второму заместителю наименьший номер. Поэтому диметилбензол существует в трёх вариантах: 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензол; их также называют орто-, мета- и пара-изомерами.

Замещение предпочтительно для бензола, потому что после такой реакции кольцо может восстановить устойчивую общую электронную систему. Присоединение потребовало бы её нарушить, поэтому бензол не ведёт себя как обычный алкен. При галогенировании обычно используют катализатор, например FeCl₃ для хлора; нитрование проводят смесью концентрированных азотной и серной кислот, которая создаёт активную частицу. Алкилирование бензола проводят с галогеналканом и катализатором AlCl₃; условия помогают реакции идти по пути замещения.

Сравнение с алкенами показывает, что наличие ненасыщенности не означает одинакового поведения. Алкены легко присоединяют частицы по двойной связи, тогда как для бензола характернее замещение у кольца. При полном сгорании аренов образуются углекислый газ и вода; из-за высокого содержания углерода пламя бензола коптит. Гидрирование бензола тоже возможно, но для присоединения водорода нужны специальные условия: нагревание, повышенное давление и катализатор.

Состав, строение и характерные реакции аренов

Сопоставляйте формулы и реакции по столбцам: так видно, какие свойства связаны с кольцом, а какие — с заместителем. Алкены в таблице нужны для сравнения, а не как разновидность аренов. Условия реакции подсказывают, почему бензол не вступает в присоединение так же легко, как алкен.

Разбор задач

Задача 1. Определить молекулярную формулу арена с одним бензольным кольцом и 8 атомами углерода.

1. Для аренов с одним кольцом используем формулу CₙH₂ₙ₋₆.
2. Подставляем n = 8: число атомов водорода равно 2 · 8 − 6 = 10.
3. Записываем символы элементов и полученные индексы: C₈H₁₀.

Ответ: C₈H₁₀. Этой формуле соответствуют разные изомеры, например этилбензол и диметилбензолы.

Задача 2. Назвать соединение, в котором к бензольному кольцу присоединены две группы CH₃ в соседних положениях, и указать возможные положения заместителей у диметилбензола.

1. Выбираем один из атомов углерода с группой CH₃ за положение 1.
2. Соседний атом получает номер 2, поэтому соединение называют 1,2-диметилбензолом, или орто-ксилолом.
3. Если группы занимают положения 1,3, это мета-ксилол; при положениях 1,4 — пара-ксилол.

Ответ: соседнее расположение — 1,2-диметилбензол (орто-ксилол); всего возможны изомеры 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензол.

Задача 3. Составить уравнение нитрования бензола и определить, чем эта реакция отличается от реакции бензола с водородом.

1. При нитровании атом водорода в кольце заменяется группой NO₂, поэтому продуктом становится нитробензол.
2. Записываем уравнение: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Реакцию проводят при нагревании в присутствии концентрированной H₂SO₄.
3. При взаимодействии с водородом происходит не замещение, а присоединение: C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂. Для гидрирования нужны нагревание, давление и катализатор.

Ответ: нитрование даёт нитробензол и относится к реакциям замещения; гидрирование даёт циклогексан и требует специальных условий.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что в бензоле есть три обычные двойные и три одинарные связи. Так можно по привычке перенести на него изображение циклического алкена, но эта модель не объясняет одинаковую длину всех связей. Проверка: если схема предполагает два типа связей C–C, она не согласуется со строением бензольного кольца. Используйте представление об общей электронной системе.

Ошибка — применять к аренам формулу алкенов CₙH₂ₙ. Формулы путают из-за наличия в обоих классах ненасыщенного строения, но число атомов водорода у них различается. Для арена с одним кольцом используйте CₙH₂ₙ₋₆. Проверить результат можно на бензоле: при n = 6 формула даёт C₆H₆.

Ошибка — называть положения заместителей, не учитывая нумерацию кольца. Одинаковый состав не означает одинаковое расположение групп: 1,2-диметилбензол и 1,4-диметилбензол — разные изомеры. Сначала присвойте одному заместителю номер 1, затем выберите направление счёта с наименьшим номером второго. Так можно проверить, что название соответствует структуре.

Ошибка — ожидать, что бензол легко присоединяет вещества, как алкен. Этому мешает устойчивость общей электронной системы кольца, которую присоединение нарушает. Для бензола характернее замещение, при котором на место атома водорода встаёт другой заместитель. Сверяйте предполагаемый тип реакции со строением исходного вещества и условиями.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать строение аренов, нужно знать валентность углерода, ковалентные связи и правила записи структурных формул. Представления об изомерии помогают различать вещества одинакового состава с разным расположением заместителей. Сравнение с алканами и алкенами показывает разницу между реакциями замещения и присоединения. Эти знания пригодятся при изучении производных бензола, органического синтеза, ароматических соединений и влияния углеводородов на окружающую среду.

Что запомнить

• Арены — ароматические углеводороды с одним или несколькими бензольными кольцами.
• Формула бензола — C₆H₆; формула аренов с одним кольцом — CₙH₂ₙ₋₆.
• В бензольном кольце все связи между атомами углерода равноценны.
• Бензол обычно вступает в реакции замещения, а не присоединения.
• Толуол — метилбензол; диметилбензол имеет три изомера по положению заместителей.
• Бензол горит с коптящим пламенем; его гидрирование идёт в специальных условиях.