"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Арены — углеводороды с бензольным кольцом; простейший из них — бензол C₆H₆. Его атомы углерода образуют плоское кольцо, а связи между ними равноценны: электроны распределены по всему кольцу. Поэтому бензол устойчивее обычных соединений с чередующимися двойными связями и чаще вступает в реакции замещения, а присоединение требует более жёстких условий. Арены используют как сырьё для органического синтеза, но бензол токсичен и требует осторожного обращения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Арены — ароматические углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. К этому классу относят бензол и его производные, например толуол. Название класса помогает объединить вещества, для которых важны общие особенности строения и химических реакций.
Бензол — углеводород состава C₆H₆, в молекуле которого шесть атомов углерода соединены в кольцо. Это простейший представитель аренов, от которого удобно вести отсчёт свойств и сравнивать с ним более сложные вещества. Индексы в формуле показывают число атомов каждого элемента в одной молекуле.
Гомологический ряд аренов — последовательность одноядерных аренов с общей формулой CₙH₂ₙ₋₆. Соседние представители отличаются друг от друга на группу –CH₂–: например, толуол C₇H₈ содержит на один атом углерода и два атома водорода больше бензола. Формула позволяет проверить, относится ли соединение к этому ряду.
Ароматическая связь — особый тип связи в бензольном кольце, возникающий из-за общей, делокализованной электронной системы. Электроны не закреплены только между отдельными парами атомов, поэтому связи C—C равноценны. Это понятие объясняет и устойчивость кольца, и необычный для формулы C₆H₆ характер реакций бензола.
В предельном ациклическом углеводороде с шестью атомами углерода было бы существенно больше водорода, чем в C₆H₆: соответствующий алкан имеет формулу C₆H₁₄. Значит, молекуле бензола не хватает восьми атомов водорода по сравнению с этой формулой. Такая разница указывает на высокую степень ненасыщенности, но сама по себе ещё не означает, что бензол реагирует как обычный алкен.
Шесть атомов углерода бензола образуют плоское кольцо, а каждый атом связан с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода. Орбитали атомов углерода перекрываются так, что часть электронов образует общую π-систему над и под плоскостью кольца. Поскольку эта система охватывает все шесть атомов, электронная плотность распределена по кольцу, а не сосредоточена в трёх отдельных двойных связях.
Если представить бензол как обычный цикл с чередующимися одинарными и двойными связями, следовало бы ожидать, что двойные связи легко вступают в реакции присоединения. В действительности общее распределение электронов стабилизирует кольцо, и его разрушение требует энергии. Поэтому бензол чаще реагирует так, чтобы сохранить кольцо: один атом водорода заменяется другим атомом или группой, например при бромировании.
Строение арена задаёт разные пути реакций. В бензольном кольце характерно замещение, а присоединение — например, водорода — возможно при более жёстких условиях, когда удаётся нарушить устойчивую электронную систему. У алкилбензолов, содержащих боковую углеводородную цепь, возможно окисление этой цепи; например, при подходящих условиях толуол окисляется до бензойной кислоты. Здесь важно различать изменения в самом кольце и изменения в боковой части молекулы.
Молекулы бензола и многих аренов неполярны или слабо полярны, поэтому плохо смешиваются с полярной водой, но растворяются в органических растворителях. Многие арены — летучие жидкости с характерным запахом; физические свойства зависят также от размера молекулы и строения заместителей. Бензол токсичен, поэтому его нельзя считать безопасным бытовым растворителем. При этом арены ценны как сырьё для получения красителей, лекарственных веществ, полимеров и других продуктов органического синтеза.
| Признак | Бензол | Другие одноядерные арены |
|---|---|---|
| Общая формула и примеры | C₆H₆; простейший арен | CₙH₂ₙ₋₆; например, толуол C₇H₈ |
| Строение углеродного скелета | Плоское кольцо из шести атомов углерода | Бензольное кольцо и возможные заместители, например алкильные группы |
| Характерные реакции | Замещение в кольце; присоединение при жёстких условиях | Замещение в кольце; возможны реакции боковой цепи |
| Отношение к воде и органическим растворителям | Плохо смешивается с водой, растворяется во многих органических растворителях | Обычно плохо растворяются в воде и растворяются в органических растворителях |
| Токсичность и применение | Токсичен; важное сырьё для органического синтеза | Свойства различаются; многие используют как химическое сырьё, некоторые токсичны |
Сначала сравните формулы и строение: это помогает понять, чем бензол отличается от его гомологов и какие части молекулы могут реагировать. Затем смотрите на характерные реакции: наличие боковой цепи добавляет возможные превращения, которых нет у самого бензола. Последние строки напоминают, что сходство химического класса не означает одинаковых физических свойств или одинаковой опасности.
Задача 1. Определите класс вещества C₆H₆ и укажите, соответствует ли его состав общей формуле одноядерных аренов. Нужно не угадывать класс по знакомой формуле, а подставить число атомов углерода в формулу ряда. Так можно проверить результат без заучивания отдельных примеров.
Ответ: C₆H₆ — бензол, простейший арен; состав соответствует формуле CₙH₂ₙ₋₆.
Задача 2. Запишите реакцию бензола с бромом в присутствии катализатора и назовите органический продукт. Поскольку для бензола характерно замещение, в кольце атом брома заменит один атом водорода. Чтобы реакция протекала, указывают катализатор FeBr₃; это не та же реакция, что присоединение брома по двойной связи.
Уравнение: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (FeBr₃). Ответ: органический продукт — бромбензол; реакция относится к замещению.
Задача 3. Составьте уравнения последовательного превращения бензола в бромбензол, а затем в продукт присоединения водорода; укажите условия. В первом превращении нужно сохранить кольцо и заменить водород на бром, а во втором — насытить кольцо водородом. Для второго шага требуются более жёсткие условия, чем для гидрирования обычной двойной связи.
Ответ: продукт второго превращения — бромциклогексан. В первом шаге происходит замещение, во втором — присоединение водорода; условия и изменения в молекуле у этих реакций различны.
Считать, что в бензоле есть три обычные одинарные и три обычные двойные связи, — значит принимать условную структурную запись за точное распределение электронов. Так думают из-за привычных схем органических молекул. Проверьте себя: если бы связи были разными, можно было бы ожидать разные их длины, но в бензольном кольце они равноценны.
Ожидать обесцвечивания бромной воды, как у алкенов, — значит забывать об устойчивости бензольного кольца. Такую реакцию легко предсказать, если ориентироваться только на ненасыщенный состав C₆H₆. Проверьте, указан ли катализатор: бензол реагирует с бромом в условиях замещения, а не легко присоединяет его из бромной воды.
Записывать присоединение водорода как обычное гидрирование алкена нельзя, потому что у бензола электронная система кольца особенно устойчива. Ошибка возникает из-за формального сходства с формулами, содержащими двойные связи. Проверьте условия: превращение бензола требует более жёстких условий — катализатора, нагревания и давления.
Путать реакцию в кольце с окислением боковой цепи у алкилбензола — значит не уточнять, какая часть молекулы меняется. Обе реакции могут начинаться с аренов, но протекают по разным участкам и требуют разных условий. Перед записью уравнения проверьте, есть ли у вещества боковая цепь и действует ли реагент на неё или на кольцо.
Чтобы понять арены, нужно знать строение углеводородов, валентность углерода и общую формулу гомологического ряда алканов. Представления о химической связи помогают объяснить общую электронную систему бензольного кольца и равенство его связей. Различение реакций замещения и присоединения нужно для записи уравнений и подбора условий.
Эти знания пригодятся при изучении производных бензола и органического синтеза: строение вещества помогает предсказать, какая его часть будет реагировать. Сравнение бензола с алкилбензолами показывает, как боковая цепь добавляет новые направления превращений. Тема также напоминает, что практическое использование сырья должно учитывать его токсичность.
Почему формула бензола C₆H₆, если в молекуле всего шесть атомов углерода?
Число после символа C показывает количество атомов углерода, а индекс после H — количество атомов водорода: в одной молекуле их шесть и шесть. Формула C₆H₆ соответствует общей формуле одноядерных аренов CₙH₂ₙ₋₆ при n = 6.
Есть ли в бензоле три одинарные и три двойные связи?
Нет, такое изображение — лишь условный способ показать распределение валентных электронов. Электроны π-системы делокализованы, то есть принадлежат всему кольцу, поэтому все связи C—C равноценны.
Почему бензол не обесцвечивает бромную воду?
Бензол устойчив благодаря общей электронной системе кольца и обычно не присоединяет бром так, как это делают алкены. Для реакции с бромом нужен катализатор, например FeBr₃, и тогда происходит замещение атома водорода.
Чем реакция замещения бензола отличается от реакции присоединения?
При замещении атом водорода в бензольном кольце заменяется другим атомом или группой, а кольцо сохраняется. При присоединении реагенты присоединяются к кольцу, и его устойчивая электронная система нарушается; поэтому нужны более жёсткие условия.
Почему бензол опасно использовать без соблюдения мер безопасности?
Бензол токсичен: его пары опасны при вдыхании, а длительное воздействие может серьёзно навредить здоровью. Работать с ним можно только при соблюдении правил безопасности, в том числе при хорошей вентиляции и без контакта с кожей.
§ 7. Арены. Бензол
