§ 84. Арены. Строение бензольного кольца, номенклатура, изомерия, физические свойства

Определения и обозначения

Арены — ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец. Углеводороды состоят только из атомов углерода и водорода, а ароматическим ядром называют особую устойчивую систему связей. Это определение помогает отличать арены от других ненасыщенных углеводородов.

Бензольное кольцо — плоская циклическая система из шести атомов углерода с делокализованными π-электронами. Связи C–C в ней одинаковы и не представляют собой простое чередование одинарных и двойных связей. Такое строение объясняет многие особенности бензола и его производных.

Гомологический ряд аренов — ряд соединений, соседние представители которого отличаются на группу CH₂. Для одноядерных аренов общая формула имеет вид CₙH₂ₙ₋₆, где n — число атомов углерода. По этой формуле можно проверить, относится ли вещество к данному ряду.

Орто-, мета- и пара-положения обозначают взаимное расположение двух заместителей в бензольном кольце: соответственно 1,2-, 1,3- и 1,4-. Заместитель — атом или группа атомов, заменившие водород в молекуле бензола. Эти обозначения нужны для краткой записи положения групп и различения изомеров.

Как это устроено

В молекуле бензола шесть атомов углерода соединены в замкнутый плоский цикл, и каждый из них связан с одним атомом водорода. Поэтому формула вещества — C₆H₆. Такое небольшое число водородов по сравнению с предельным циклическим углеводородом показывает высокую степень ненасыщенности, но особая устойчивость бензола не сводится к обычным двойным связям.

Каждый атом углерода кольца участвует в общей π-системе, расположенной над и под плоскостью цикла. π-Электроны могут перемещаться по всему кольцу, а не находиться между двумя определёнными атомами. Поэтому все связи C–C равноценны: они имеют промежуточный характер между одинарной и двойной связью.

Общая формула CₙH₂ₙ₋₆ получается при сохранении одного бензольного кольца и добавлении углеводородных фрагментов. У бензола C₆H₆, у толуола с группой CH₃ — C₇H₈, а у этилбензола и диметилбензолов — C₈H₁₀. Каждое последовательное увеличение гомолога на CH₂ приводит к уменьшению относительного содержания водорода и росту углеродного скелета.

Названия аренов строят, указывая бензольное кольцо и заместители, присоединённые к нему. Для одного заместителя достаточно назвать группу и слово «бензол», например метилбензол, или использовать распространённое название толуол. Для двух заместителей указывают их номера, а при одинаковых группах используют приставку «диметил-»; различное расположение групп создаёт позиционные изомеры.

Строение, номенклатура и физические свойства аренов

Таблицу удобно использовать как краткий алгоритм: сначала определить строение кольца и формулу, затем проверить название и положение заместителей. Последние строки помогают сделать предварительный вывод о поведении вещества в воде и его агрегатном состоянии. Точные свойства конкретного соединения могут зависеть от числа атомов углерода и строения боковых цепей.

Разбор задач

Задача 1. Определите, относится ли C₇H₈ к одноядерным аренам, и назовите соответствующее вещество

Условие. Дана формула C₇H₈. Нужно проверить её соответствие общей формуле одноядерных аренов и установить название соединения. Увеличение числа атомов углерода на один по сравнению с бензолом подсказывает, что появился заместитель CH₃.

1. Подставляем n = 7 в формулу CₙH₂ₙ₋₆: получаем H = 2 · 7 − 6 = 8.
2. Формула C₇H₈ совпадает с рассчитанной, значит, вещество относится к одноядерным аренам.
3. Сравниваем состав с бензолом C₆H₆: добавление CH₂ соответствует переходу к следующему гомологу.
4. Заместитель в данном случае — метильная группа CH₃, поэтому соединение называют метилбензолом, или толуолом.

Ответ: C₇H₈ — одноядерный арен; это метилбензол, или толуол.

Задача 2. Запишите названия трёх изомеров диметилбензола

Условие. В бензольном кольце нужно разместить две одинаковые метильные группы. Один атом кольца принимаем за первый, а положение второй группы меняем. Так получаются три, а не шесть варианта, потому что нумерация в симметричном кольце может идти в обе стороны.

1. При соседнем расположении групп получаем 1,2-диметилбензол, или орто-ксилол.
2. Если между группами находится один атом углерода, получаем 1,3-диметилбензол, или мета-ксилол.
3. При расположении групп напротив друг друга образуется 1,4-диметилбензол, или пара-ксилол.

Ответ: 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензол; соответственно орто-, мета- и пара-ксилол.

Задача 3. Сравните бензол, толуол и ксилол

Условие. Нужно сопоставить строение и ожидаемые физические свойства трёх одноядерных аренов. Во всех молекулах есть неполярное бензольное кольцо, но число атомов углерода и молекулярная масса постепенно увеличиваются. Это влияет прежде всего на летучесть, но не превращает вещества в водорастворимые.

1. Бензол имеет формулу C₆H₆, толуол — C₇H₈, а ксилол — C₈H₁₀; у последних к кольцу присоединены углеводородные группы.
2. Все три вещества плохо растворяются в воде и растворяются во многих органических растворителях, поскольку имеют преимущественно неполярный характер.
3. Бензол, толуол и ксилолы при обычных условиях являются жидкостями и имеют плотность меньше плотности воды.
4. С ростом молекулярной массы обычно уменьшается летучесть: бензол испаряется легче толуола, а толуол — легче ксилолов.

Ответ: все три арена — плохо растворимые в воде жидкости, более лёгкие, чем вода; при переходе от бензола к ксилолу летучесть обычно уменьшается.

Типичные ошибки

Чередующиеся связи в бензоле. Иногда бензол изображают как обычный цикл с тремя строго одинарными и тремя двойными связями. Такую схему допускают, потому что она удобна для записи, но она не показывает делокализацию; проверка — вспомнить, что все связи C–C равноценны.

Формула алканов для аренов. Ошибка возникает из-за смешения двух классов углеводородов: CₙH₂ₙ₊₂ относится к алканам. Для одноядерных аренов нужно применять CₙH₂ₙ₋₆ и проверять её хотя бы на бензоле C₆H₆.

Путаница в орто-, мета- и пара-положениях. Эти названия нельзя выбирать произвольно: они соответствуют 1,2-, 1,3- и 1,4-расположению заместителей. Чтобы не ошибиться, зафиксируйте первый атом кольца и посчитайте кратчайшее расстояние до второго.

Ожидание хорошей растворимости в воде. Наличие водорода само по себе не делает вещество водорастворимым, поэтому такая ошибка появляется при игнорировании полярности молекулы. Проверьте, есть ли в соединении полярные группы; у аренов обычно преобладает неполярный углеводородный фрагмент.

Связь с другими темами

Для понимания аренов нужны представления о строении атома углерода, ковалентной связи и молекулярных формулах. Также пригодятся знания о структурной изомерии углеводородов: они помогают отличать разные боковые цепи и положения заместителей. Далее строение бензольного кольца позволит объяснить химические свойства аренов и распознавать ароматический фрагмент в более сложных органических соединениях.

Что запомнить

• Бензол имеет формулу C₆H₆ и плоское бензольное кольцо.
• Все связи C–C в бензольном кольце равноценны.
• π-Электроны в бензоле делокализованы по всему кольцу.
• Общая формула одноядерных аренов — CₙH₂ₙ₋₆.
• Орто-, мета- и пара-положения соответствуют 1,2-, 1,3- и 1,4-расположению заместителей.
• Арены обычно плохо растворяются в воде и хорошо — во многих органических растворителях.