"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Ароматические углеводороды, или арены, содержат одно или несколько бензольных колец. Простейший представитель этой группы — бензол C6H6 с плоским шестичленным кольцом и делокализованными π-электронами. Такое строение объясняет равенство связей в кольце, устойчивость бензола и преобладание реакций замещения. Арены плохо растворяются в воде, горят коптящим пламенем, применяются в производстве полимеров, красителей и лекарств, но многие из них токсичны.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ароматические углеводороды, или арены, — углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Это название объединяет вещества со сходным строением и типичными реакциями. По нему можно сразу предположить устойчивость кольца и преобладание замещения.
Бензол — простейший представитель аренов с формулой C6H6 и шестичленным углеродным кольцом. В его молекуле шесть атомов углерода образуют замкнутый плоский скелет, а каждый связан с атомом водорода. Бензол удобен для изучения всей группы, потому что его строение является основой строения многих аренов.
Бензольное кольцо — плоская циклическая система из шести атомов углерода с общей делокализованной π-системой. Делокализация означает, что π-электроны не принадлежат одной определённой двойной связи. Именно она объясняет особую устойчивость кольца и равенство связей между атомами углерода.
Гомологический ряд аренов — ряд соединений, отличающихся друг от друга на одну или несколько групп CH2 и содержащих бензольное кольцо. Ближайшие гомологи бензола получают заменой атома водорода в кольце на углеводородный радикал, например метильный. Понятие ряда помогает сравнивать формулы, названия и свойства родственных веществ.
Шесть атомов углерода могут соединиться в замкнутую циклическую систему, потому что каждый из них образует три σ-связи: две с соседними атомами углерода и одну с водородом. На каждом атоме остаётся p-электрон, участвующий в общей π-системе. Поэтому на один атом углерода приходится один атом водорода, и формула бензола равна C6H6.
В простой записи бензола часто рисуют три двойные связи, но это не означает наличие трёх независимых алкеновых участков. Шесть π-электронов распределены над и под всей плоскостью кольца, то есть делокализованы. Из-за этого все связи C—C имеют одинаковую длину, промежуточную между длиной одинарной и двойной связи.
В бензоле каждый цикл и степень ненасыщенности уменьшают число атомов водорода по сравнению с открытой цепью. Для аренов с одним бензольным кольцом и алкильными заместителями это приводит к формуле CnH2n−6, где n ≥ 6. Например, при n = 7 получается толуол C7H8, а при n = 8 — этилбензол или диметилбензолы C8H10.
Названия простейших аренов строят от названия бензола или от названия углеводородного радикала и слова «бензол»: метилбензол, этилбензол. Для двух и более заместителей указывают их положение цифрами, выбирая нумерацию кольца с наименьшими номерами. В быту метилбензол чаще называют толуолом.
Молекулы аренов в целом неполярны, поэтому вода растворяет их плохо, а органические растворители — значительно лучше. Неполярность связана с отсутствием выраженного разделения зарядов, а токсичность — со способностью некоторых аренов воздействовать на клетки и ферменты организма. Работать с ними можно только при вентиляции, без нагревания открытым пламенем и с использованием средств защиты.
Таблица позволяет сначала сравнить состав и строение, а затем связать их с физическими и химическими свойствами. В строке о реакциях обращайте внимание не только на вещество, но и на условия: катализатор или свет могут изменить направление превращения.
| Признак | Бензол | Гомологи бензола | Арены в целом |
|---|---|---|---|
| Молекулярная формула | C6H6 | CnH2n−6, например C7H8 | Зависит от числа колец и заместителей |
| Строение углеродного скелета | Одно плоское шестичленное кольцо | Кольцо с углеводородными заместителями | Одно или несколько бензольных колец |
| Характерная формула ряда | C6H6 | CnH2n−6, n ≥ 6 | Единой формулы для всех аренов нет |
| Физическое состояние и растворимость | Жидкость, в воде растворяется плохо | Чаще жидкости, высшие — твёрдые; в воде плохо растворимы | Неполярные, хорошо растворимы в органических растворителях |
| Основные химические реакции | Замещение; при особых условиях присоединение и окисление | Замещение в кольце, реакции боковой цепи, окисление | Преимущественно электрофильное замещение |
| Продукты полного сгорания | CO2 и H2O | CO2 и H2O | CO2 и H2O |
| Примеры применения | Сырьё органического синтеза | Производство полимеров, растворителей и кислот | Красители, лекарства, пластмассы, волокна |
Бензол и его гомологи имеют сравнительно высокую долю углерода, поэтому при недостатке кислорода могут гореть коптящим пламенем. Сходство химических свойств определяется бензольным кольцом, а различия часто связаны с боковой цепью. Так таблица помогает отделить общие признаки аренов от свойств конкретного вещества.
Задача 1. Определите молекулярную формулу бензола и составьте уравнение его полного сгорания. Нужно использовать строение кольца, а затем проверить баланс всех атомов в реакции.
Ответ: 2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O. Проверка показывает по 12 атомов углерода и по 12 атомов водорода с обеих сторон, а кислорода — 30.
Задача 2. Составьте уравнения бромирования и нитрования бензола, укажите условия и тип превращений. В обеих реакциях замещается атом водорода бензольного кольца, а ароматическая система сохраняется.
Ответ: условия определяют образование замещённых производных, а не продуктов присоединения. Катализатор или серная кислота активируют частицу, атакующую π-систему кольца.
Задача 3. Сравните взаимодействие бензола с бромом в присутствии катализатора и на свету. Нужно связать разные условия с разными механизмами и продуктами.
Ответ: в первом случае образуется бромбензол, во втором — гексабромциклогексан. Поэтому условие реакции нельзя опускать при записи уравнения.
Бензол считают обычным циклоалкеном и ожидают обесцвечивания бромной воды. Так ошибаются из-за изображения чередующихся двойных связей, но π-система бензола делокализована и устойчива. Проверяйте, указан ли катализатор FeBr3: без него обычная реакция с бромом в воде не идёт.
Для аренов записывают формулу CnH2n или CnH2n−2. Эти формулы относятся к другим классам углеводородов и не учитывают сразу кольцо и особую степень ненасыщенности бензола. Проверка проста: для бензола при n = 6 должна получаться формула C6H6.
Замещение в бензольном кольце путают с замещением в боковой цепи алкилбензола. В кольце обычно требуется электрофильное замещение с катализатором, а в боковой цепи часто идёт радикальная реакция на свету. Перед уравнением назовите участок молекулы, где заменяется атом водорода.
Любое циклическое соединение называют ароматическим. Наличие цикла само по себе недостаточно: нужно бензольное кольцо или устойчивая сопряжённая π-система, отвечающая критериям ароматичности. Сначала посчитайте атомы кольца и проверьте характер электронного строения.
Для понимания аренов нужны знания о строении атома углерода, ковалентной связи, алканах и алкенах. Они помогают различать σ- и π-связи, читать структурные формулы и уравнивать реакции. Особенно важно сравнить присоединение у алкенов с замещением у бензола.
Дальше тема связана с производными бензола, фенолами и анилином. Эти вещества получают превращением атомов водорода кольца или введением функциональных групп. Арены также лежат в основе синтеза пластмасс, красителей и лекарственных веществ.
Практическое значение аренов связано с переработкой нефти и каменного угля. Их используют как сырьё для полимеров и других продуктов органического синтеза. Одновременно контролируют содержание ароматических загрязнителей, поскольку многие из них токсичны.
Почему бензол называют ароматическим, если он не обязательно имеет запах?
Название связано не с запахом, а с особым строением и устойчивостью соединений. Раньше многие представители группы действительно имели характерный аромат, но современное значение термина определяется наличием устойчивой сопряжённой π-системы.
Почему бензол не обесцвечивает бромную воду так, как алкены?
У алкенов π-связь легко вступает в реакцию присоединения с бромом. В бензоле электроны образуют общую устойчивую систему, поэтому для реакции с бромом в кольце нужен катализатор, например FeBr3.
Почему в структурной формуле бензола изображают круг или чередующиеся двойные связи?
Чередующиеся двойные связи — условная запись участия всех шести атомов углерода в общей π-системе. Круг внутри кольца подчёркивает делокализацию π-электронов и равноценность всех связей C—C.
Чем отличаются реакции в бензольном кольце и в боковой цепи толуола?
В кольце толуола обычно происходит электрофильное замещение, например нитрование или бромирование при катализаторе. В боковой цепи реакция может идти по радикальному механизму на свету, например замещение атома водорода на бром.
Почему бензол считают опасным веществом и где его используют?
Бензол токсичен, а длительное воздействие его паров особенно опасно для кроветворной системы. Его используют как сырьё для получения пластмасс, волокон, красителей, лекарственных веществ и других органических продуктов при соблюдении правил безопасности.
§ 15. Ароматические углеводороды (арены). Бензол
