Получение и химические свойства аренов

Определения и обозначения

Арены — ароматические углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Для одноядерных аренов, то есть соединений с одним кольцом, общая формула — CₙH₂ₙ₋₆. Она помогает отличать их от других классов углеводородов и проверять формулы, например формула бензола C₆H₆ соответствует этому соотношению.

Бензольное кольцо — циклическая система из шести атомов углерода с общей делокализованной π-системой. Это значит, что π-электроны распределены по всему кольцу, а не закреплены между отдельными парами атомов. Поэтому все связи C–C равноценны и имеют промежуточные свойства между одинарной и двойной связью; кольцо нельзя представить как чередование совершенно обычных связей.

Реакции замещения аренов — реакции, в которых атом водорода бензольного кольца заменяется другим атомом или группой атомов, а кольцо сохраняется. Например, при нитровании вместо водорода появляется группа –NO₂. Это понятие помогает распознавать основной тип реакций бензола и не путать их с присоединением, при котором меняется строение кольца.

Алкильная группа — углеводородный заместитель в боковой цепи арена, например –CH₃ в толуоле. Реакция может идти по кольцу или по этой цепи, и место реакции зависит от условий. Различение важно: бромирование кольца бензола обычно требует катализатора, а бромирование боковой цепи толуола происходит при освещении.

Как это устроено

Арены получают из природного сырья, прежде всего при переработке каменного угля и нефти. При нагревании угля без доступа воздуха образуется каменноугольная смола, из которой выделяют ароматические вещества; при переработке нефти арены входят в состав отдельных фракций или образуются в ходе превращений углеводородов. Состав смеси зависит от исходного сырья и способа переработки, поэтому промышленный продукт разделяют и очищают.

Бензол можно получить тримеризацией ацетилена: 3C₂H₂ → C₆H₆. Три молекулы ацетилена соединяются в одну молекулу бензола при нагревании в присутствии катализатора. Другой способ — дегидрирование циклогексана: C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂; при нагревании на катализаторе от молекулы отщепляется водород. При дегидроциклизации алкана, например гексана, происходит замыкание цепи и отщепление водорода: C₆H₁₄ → C₆H₆ + 4H₂; процесс проводят при высокой температуре на катализаторе.

Бензольное кольцо устойчиво, потому что его π-электроны распределены по всей циклической системе. Реакция присоединения нарушила бы это распределение и лишила кольцо части устойчивости. При замещении вместо атома водорода появляется другая группа, а ароматическая система сохраняется, поэтому такой путь обычно выгоднее для бензола.

При нитровании бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты, обычно при нагревании: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Образуется нитробензол, а атом водорода кольца заменяется на –NO₂. При галогенировании бензол реагирует, например, с бромом или хлором; катализатор FeBr₃ или FeCl₃ помогает активировать галоген и обеспечивает замещение в кольце.

Реакции кольца и боковой цепи различаются по продуктам и условиям. Сульфирование вводит в кольцо группу –SO₃H, а алкилирование — алкильный заместитель; это реакции замещения в ароматической системе. У толуола окисляется боковая цепь: при сильном окислении она превращается в –COOH, а кольцо обычно сохраняется. Присоединить водород к бензолу можно лишь при специальных условиях, например при нагревании и повышенном давлении на катализаторе: C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂.

Получение и химические свойства аренов

Сравнивайте процессы по исходному веществу, условиям и тому, какая часть молекулы меняется. В таблице указаны типичные продукты; для некоторых превращений конкретные условия зависят от выбранного промышленного или лабораторного способа. Знаки над стрелкой в уравнении обычно показывают условия реакции.

Разбор задач

Получение бензола из ацетилена

Условие. Запишите уравнение получения бензола из ацетилена и назовите тип реакции. Нужно определить, сколько молекул исходного вещества дают одну молекулу продукта, а затем проверить баланс атомов. В условии подразумевается соединение молекул ацетилена в кольцо.

1. В молекуле ацетилена C₂H₂ два атома углерода, а в бензоле C₆H₆ — шесть. Поэтому для одной молекулы бензола нужны три молекулы ацетилена.
2. Записываем уравнение: 3C₂H₂ → C₆H₆. Слева и справа по шесть атомов углерода и шесть атомов водорода, значит, коэффициенты подобраны верно.
3. Три молекулы соединяются в одну, поэтому это тримеризация, разновидность реакции соединения. Для процесса нужны нагревание и катализатор.

Ответ: 3C₂H₂ → C₆H₆; реакция тримеризации ацетилена.

Нитрование бензола

Условие. Запишите уравнение нитрования бензола, укажите реагенты и условия. При нитровании к кольцу присоединяется не вся молекула азотной кислоты: в кольце заменяется один атом водорода. Оставшаяся часть реагентов участвует в образовании воды.

1. Определяем замену: в формуле бензола C₆H₆ один H заменяется на группу –NO₂, поэтому продукт — C₆H₅NO₂, нитробензол.
2. Записываем реагенты и продукт: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Проверяем атомы: углерода 6, водорода 7, азота 1 и кислорода 3 с каждой стороны.
3. Указываем условия: концентрированная H₂SO₄ и нагревание. Серная кислота помогает создать условия для замещения, а не присоединения азотной кислоты к кольцу.

Ответ: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O; концентрированная H₂SO₄, нагревание.

Бромирование толуола на свету

Условие. Толуол подвергли действию брома при освещении. Нужно определить место реакции и записать образование основного продукта. Толуол содержит бензольное кольцо и боковую группу –CH₃, поэтому сначала учитываем условия реакции, а уже затем выбираем место замещения.

1. Освещение способствует реакции по боковой цепи, а не замещению в кольце. Один атом водорода в группе –CH₃ заменяется атомом брома.
2. Формула продукта — C₆H₅CH₂Br, бромистый бензил. Вторым продуктом становится HBr, образованный из удалённого водорода и брома.
3. Проверяем уравнение: C₆H₅CH₃ + Br₂ → C₆H₅CH₂Br + HBr. Число атомов каждого элемента совпадает, а условие «свет» объясняет выбор боковой цепи.

Ответ: C₆H₅CH₃ + Br₂ → C₆H₅CH₂Br + HBr; реакция идёт по боковой цепи при освещении.

Типичные ошибки

Бензол иногда принимают за обычный алкен и ожидают лёгкого присоединения по кольцу. Так происходит потому, что в структурных схемах бензола часто рисуют чередующиеся двойные связи, но они не ведут себя как отдельные связи алкена. Проверка: вспомните, сохраняется ли ароматическая система; для бензола типичнее замещение.

Ещё одна ошибка — записывать галогенирование бензола без катализатора или переносить на него условия бромирования толуола. Эти реакции путают из-за общего реагента, хотя освещение способствует замещению в боковой цепи, а катализатор — в кольце. Проверьте и исходное вещество, и условия, прежде чем указывать продукт.

Нитрование ошибочно изображают как присоединение азотной кислоты к бензолу. Путаница возникает из-за записи HNO₃ среди реагентов, однако в продукте сохраняется кольцо, а группа –NO₂ занимает место одного атома водорода. Самопроверка: посчитайте водороды в формуле продукта и убедитесь, что появился нитробензол и образовалась вода.

При окислении толуола могут ошибочно разрушить бензольное кольцо. Обычно окисляется боковая цепь, поэтому кольцо сохраняется, а группа –CH₃ превращается в –COOH. Чтобы проверить запись, сравните формулу до и после реакции: измениться должна цепь, а не состав кольца.

Связь с другими темами

Для понимания аренов нужны знания о строении бензола, химической связи и валентности, а также навыки составления уравнений замещения и присоединения. Способы получения связывают тему с алканами и алкинами: исходные углеводороды превращаются в ароматические соединения при определённых условиях. Нитрование, галогенирование и алкилирование продолжают изучение органических реакций замещения. Позже эти знания помогут разбирать производные бензола, полимеры, топливо и промышленный органический синтез.

Что запомнить

• Бензольное кольцо устойчиво благодаря общей делокализованной π-системе.
• Для бензола характернее реакции замещения, сохраняющие кольцо.
• Нитрование бензола приводит к образованию нитробензола.
• Для галогенирования бензола обычно необходим катализатор.
• При специальных условиях бензол способен вступать в реакции присоединения.
• При окислении алкилбензолов обычно изменяется боковая цепь, а не кольцо.
• Арены получают из природного сырья и синтетическими способами.