Първата група реакции са реакциите на заместване. Казахме, че арените нямат множество връзки в структурата на молекулата, но съдържат спрегната система от шест електрона, която е много стабилна и дава допълнителна здравина на бензеновия пръстен. Следователно при химичните реакции първо се извършва заместването на водородните атоми, а не разрушаването на бензеновия пръстен.

Вече сме срещали реакции на заместване, когато говорим за алкани, но при тях тези реакции следват радикален механизъм, докато арените се характеризират с йонен механизъм на реакции на заместване.

Първохимическо свойство халогениране. Заместване на водороден атом с халогенен атом, хлор или бром.

Реакцията протича при нагряване и винаги с участието на катализатор. В случай на хлор, това може да бъде алуминиев хлорид или железен хлорид три. Катализаторът поляризира халогенната молекула, причинявайки разцепване на хетеролитична връзка и произвеждайки йони.

Хлорът е положително зареден йон и реагира с бензен.

Ако реакцията протича с бром, тогава катализаторът е железен бромид или алуминиев бромид.

Важно е да се отбележи, че реакцията протича с молекулярен бром, а не с бромна вода. Бензолът не реагира с бромна вода.

Халогенирането на бензенови хомолози има свои собствени характеристики. В молекулата на толуен метиловата група улеснява заместването в пръстена, реактивността се увеличава и реакцията протича при по-меки условия, тоест при стайна температура.

Важно е да се отбележи, че заместването винаги се случва в орто и пара позиции, така че се получава смес от изомери.

Второсвойство нитриране на бензен, въвеждане на нитро група в бензеновия пръстен.

Образува се тежка жълтеникава течност с мирис на горчиви бадеми нитробензен, така че реакцията може да бъде качествена на бензен. За нитриране се използва нитруваща смес от концентрирани азотна и сярна киселини. Реакцията се извършва чрез нагряване.

Нека ви напомня, че за нитриране на алкани в реакцията на Коновалов се използва разредена азотна киселина без добавяне на сярна киселина.

При нитриране на толуен, както и при халогениране се образува смес от орто- и пара-изомери.

третосвойство алкилиране на бензен с халоалкани.

Тази реакция позволява въвеждането на въглеводороден радикал в бензеновия пръстен и може да се счита за метод за получаване на бензенови хомолози. Алуминиевият хлорид се използва като катализатор, който насърчава разлагането на молекулата на халоалкана в йони. Необходимо е и отопление.

Четвъртосвойство алкилиране на бензен с алкени.

По този начин можете да получите например кумол или етилбензен. Катализатор алуминиев хлорид.

2. Реакции на присъединяване към бензен

Втората група реакции са реакциите на присъединяване. Казахме, че тези реакции не са типични, но са възможни при доста строги условия с разрушаването на пи-електронния облак и образуването на шест сигма връзки.

Петосвойство в общия списък хидрогениране, добавяне на водород.

Температура, налягане, катализатор никел или платина. Толуенът може да реагира по същия начин.

Шестосвойство хлориране. Моля, обърнете внимание, че говорим конкретно за взаимодействие с хлор, тъй като бромът не влиза в тази реакция.

Реакцията протича при силно ултравиолетово облъчване. Образува се хексахлорциклохексан, друго име за хексахлоран, твърдо вещество.

Важно е да запомните, че за бензена невъзможнореакции на присъединяване на халогеноводороди (хидрохалогениране) и присъединяване на вода (хидратация).

3. Заместване в страничната верига на бензенови хомолози

Третата група реакции засяга само бензенови хомолози - това е заместване в страничната верига.

Седмосвойство в общия списък халогениране при алфа въглеродния атом в страничната верига.

Реакцията протича при нагряване или облъчване и винаги само при алфа въглерода. Докато халогенирането продължава, вторият халогенен атом ще се върне в алфа позиция.

4. Окисляване на бензенови хомолози

Четвъртата група реакции е окисление.

Бензеновият пръстен е твърде силен, така че бензенът не се окислявакалиевият перманганат не обезцветява разтвора си. Това е много важно да запомните.

Но бензеновите хомолози се окисляват от подкислен разтвор на калиев перманганат при нагряване. И това е осмото химично свойство.

Това произвежда бензоена киселина. Наблюдава се обезцветяване на разтвора. В този случай, без значение колко дълга е въглеродната верига на заместителя, тя винаги се разкъсва след първия въглероден атом и алфа атомът се окислява до карбоксилна група с образуването на бензоена киселина. Останалата част от молекулата се окислява до съответната киселина или, ако е само един въглероден атом, до въглероден диоксид.

Ако хомологът на бензена има повече от един въглеводороден заместител на ароматния пръстен, тогава окисляването се извършва по същите правила - въглеродът, разположен в алфа позиция, се окислява.

Този пример произвежда двуосновна ароматна киселина, наречена фталова киселина.

Особено бих искал да отбележа окислението на кумол, изопропилбензен, от атмосферен кислород в присъствието на сярна киселина.

Това е така нареченият кумолен метод за производство на фенол. По правило тази реакция се среща при въпроси, свързани с производството на фенол. Това е индустриален метод.

деветосвойство на изгаряне, пълно окисление с кислород. Бензолът и неговите хомолози изгарят до въглероден диоксид и вода.

Нека напишем уравнението на горене на бензен в общ вид.

Според закона за запазване на масата трябва да има толкова атоми отляво, колкото са атомите отдясно. Защото при химичните реакции атомите не изчезват, а просто се променя редът на връзките между тях. Така че ще има толкова молекули въглероден диоксид, колкото въглеродни атоми има в молекулата на арена, тъй като молекулата съдържа един въглероден атом. Тоест n CO 2 молекули. Ще има два пъти по-малко водни молекули от водородните атоми, което е (2n-6)/2, което означава n-3.

Отляво и отдясно има еднакъв брой кислородни атоми. Вдясно има 2n от въглероден диоксид, защото всяка молекула има два кислородни атома, плюс n-3 от вода, за общо 3n-3. Отляво има същия брой кислородни атоми 3n-3, което означава, че има два пъти по-малко молекули, тъй като молекулата съдържа два атома. Това е (3n-3)/2 кислородни молекули.

По този начин ние съставихме уравнение за изгаряне на бензенови хомолози в общ вид.

Ароматни HC (арени)– това са въглеводороди, чиито молекули съдържат един или повече бензенови пръстени.

Примери за ароматни въглеводороди:

Арени от бензеновата серия (моноциклични арени)

Обща формула:C n H 2n-6, n≥6

Най-простият представител на ароматните въглеводороди е бензенът, неговата емпирична формула е C 6 H 6.

Електронна структура на молекулата на бензена

Общата формула на моноцикличните арени C n H 2 n -6 показва, че те са ненаситени съединения.

През 1856 г. немският химик А.Ф. Кекуле предложи циклична формула за бензен с конюгирани връзки (редуват се единични и двойни връзки) - циклохексатриен-1,3,5:

Тази структура на молекулата на бензена не обяснява много от свойствата на бензена:

• Бензенът се характеризира с реакции на заместване, а не с реакции на добавяне, характерни за ненаситените съединения. Реакциите на добавяне са възможни, но са по-трудни, отколкото за ;
• бензенът не влиза в реакции, които са качествени реакции към ненаситени въглеводороди (с бромна вода и разтвор на KMnO 4).

По-късни изследвания на електронната дифракция показват, че всички връзки между въглеродните атоми в молекулата на бензена имат еднаква дължина от 0,140 nm (средната стойност между дължината на проста S-S връзки 0,154 nm и двойна връзка C=C 0,134 nm). Ъгълът между връзките при всеки въглероден атом е 120°. Молекулата е правилен плосък шестоъгълник.

Съвременната теория за обяснение на структурата на молекулата C 6 H 6 използва идеята за хибридизация на атомни орбитали.

Въглеродните атоми в бензена са в състояние на sp 2 хибридизация. Всеки атом "C" образува три σ връзки (две с въглеродни атоми и една с водороден атом). Всички σ връзки са в една и съща равнина:

Всеки въглероден атом има един р-електрон, който не участва в хибридизацията. Нехибридизираните p-орбитали на въглеродните атоми са в равнина, перпендикулярна на равнината на σ връзките. Всеки p-облак се припокрива с два съседни p-облака и в резултат на това се образува единична спрегната π-система (спомнете си ефекта от конюгирането на p-електрони в молекулата на 1,3-бутадиен, разгледан в темата „Диенови въглеводороди“ ”):

Комбинацията от шест σ-връзки с една единствена π-система се нарича ароматна връзка.

Нарича се пръстен от шест въглеродни атома, свързани с ароматна връзка бензенов пръстенили бензенов пръстен.

В съответствие със съвременните представи за електронната структура на бензена, молекулата C 6 H 6 е изобразена, както следва:

Физични свойства на бензена

Бензолът при нормални условия е безцветна течност; t o pl = 5,5 o C; да кипна. = 80°С; има характерна миризма; не се смесва с вода, добър разтворител, силно токсичен.

Химични свойства на бензола

Ароматната връзка определя Химични свойствабензен и други ароматни въглеводороди.

6π-електронната система е по-стабилна от обикновените двуелектронни π-връзки. Следователно реакциите на присъединяване са по-малко типични за ароматните въглеводороди, отколкото за ненаситените въглеводороди. Най-характерните реакции за арен са реакциите на заместване.

аз. Реакции на заместване

1.Халогениране

2. Нитриране

Реакцията се провежда със смес от киселини (нитруваща смес):

3.Сулфониране

4.Алкилиране (заместване на атома "H" с алкилова група) - Реакции на Фридел-Крафтссе образуват бензенови хомолози:

Вместо халоалкани могат да се използват алкени (в присъствието на катализатор - AlCl 3 или неорганична киселина):

II. Реакции на присъединяване

1.Хидрогениране

2.Добавяне на хлор

III.Окислителни реакции

1. Изгаряне

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. Непълно окисление (KMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 в кисела среда). Бензеновият пръстен е устойчив на окислители. Не възниква реакция.

Получаване на бензен

В индустрията:

1) преработка на нефт и въглища;

2) дехидрогениране на циклохексан:

3) дехидроциклизиране (ароматизиране) на хексан:

В лабораторията:

Сливане на соли на бензоена киселина с:

Изомерия и номенклатура на бензенови хомолози

Всеки хомолог на бензена има странична верига, т.е. алкилови радикали, свързани с бензенов пръстен. Първият хомолог на бензена е бензенов пръстен, свързан с метилов радикал:

Толуенът няма изомери, тъй като всички позиции в бензеновия пръстен са еквивалентни.

За следващите хомолози на бензена е възможен един вид изомерия - изомерия на страничната верига, която може да бъде от два вида:

1) изомерия на броя и структурата на заместителите;

2) изомерия на позицията на заместителите.

Физични свойства на толуола

Толуен- безцветна течност с характерна миризма, неразтворима във вода, разтворима в органични разтворители. Толуенът е по-малко токсичен от бензена.

Химични свойства на толуола

аз. Реакции на заместване

1. Реакции, включващи бензеновия пръстен

Метилбензенът влиза във всички реакции на заместване, в които участва бензен, и в същото време проявява по-висока реактивност, реакциите протичат с по-висока скорост.

Метиловият радикал, съдържащ се в молекулата на толуола, е заместител от вида, следователно в резултат на реакции на заместване в бензеновия пръстен се получават орто- и пара-производни на толуен или, в случай на излишък на реагента, трипроизводни от общата формула:

а) халогениране

При допълнително хлориране могат да се получат дихлорометилбензен и трихлорометилбензен:

II. Реакции на присъединяване

Хидрогениране

III.Окислителни реакции

1.Изгаряне
C 6 H 5 CH 3 + 9O 2 → 7CO 2 + 4H 2 O

2. Непълно окисление

За разлика от бензена, неговите хомолози се окисляват от определени окислители; в този случай страничната верига е подложена на окисление, в случая на толуен - метиловата група. Леките окислители като MnO 2 го окисляват до алдехидна група, по-силните окислители (KMnO 4) причиняват допълнително окисление до киселина:

Всеки хомолог на бензена с една странична верига се окислява от силен окислител като KMnO4 в бензоена киселина, т.е. страничната верига се разкъсва с окисляване на отцепената част до CO 2; Например:

Ако има няколко странични вериги, всяка от тях се окислява до карбоксилна група и в резултат се образуват многоосновни киселини, например:

Получаване на толуен:

В индустрията:

1) преработка на нефт и въглища;

2) дехидрогениране на метилциклохексан:

3) дехидроциклизиране на хептан:

В лабораторията:

1) Алкилиране на Фридел-Крафтс;

2) Реакция на Wurtz-Fittig(реакция на натрий със смес от халобензен и халоалкан).

Арени (ароматни въглеводороди) – това са ненаситени (ненаситени) циклични въглеводороди, чиито молекули съдържат стабилни циклични групи от атоми (бензенови ядра) със затворена система от спрегнати връзки.

Обща формула: C n H 2n–6за n ≥ 6.

Химични свойства на арените

Арени– ненаситени въглеводороди, чиито молекули съдържат три двойни връзки и пръстен. Но поради ефекта на конюгиране свойствата на арените се различават от свойствата на другите ненаситени въглеводороди.

Ароматните въглеводороди се характеризират със следните реакции:

• присъединявания,
• замествания,
• окисляване (за бензенови хомолози).

Ароматната система на бензена е устойчива на окислители. Бензеновите хомолози обаче се окисляват от калиев перманганат и други окислители.

1. Реакции на присъединяване

Бензолът добавя хлор на светлина и водород при нагряване в присъствието на катализатор.

1.1. Хидрогениране

Бензенът добавя водород при нагряване и под налягане в присъствието на метални катализатори (Ni, Pt и др.).

Когато бензенът се хидрогенира, се образува циклохексан:

Когато хомолозите се хидрогенират, се образуват циклоалканови производни. При нагряване на толуен с водород под налягане и в присъствието на катализатор се образува метилциклохексан:

1.2. Хлориране на арени

Получава се добавяне на хлор към бензен по радикален механизъм с висока температура , под въздействието на ултравиолетовото лъчение.

Когато бензенът се хлорира на светлина, той се образува 1,2,3,4,5,6-хексахлороциклохексан (хексахлоран).

Хексахлоранът е пестицид, използван за борба с вредни насекоми. Понастоящем употребата на хексахлоран е забранена.

Бензоловите хомолози не добавят хлор. Ако бензенов хомолог реагира с хлор или бром на светлина или при висока температура (300°C), тогава водородните атоми се заместват върху висящия алкилов заместител, а не върху ароматния пръстен.

2. Реакции на заместване

2.1. Халогениране

Бензолът и неговите хомолози влизат в реакции на заместване с халогени (хлор, бром) в присъствието на катализатори (AlCl 3, FeBr 3) .

При взаимодействие с хлор върху катализатора AlCl 3 се образува хлоробензен:

Ароматните въглеводороди реагират с бром при нагряване и в присъствието на катализатор - FeBr 3. Металното желязо може да се използва и като катализатор.

Бромът реагира с желязото, за да образува железен (III) бромид, който катализира бромирането на бензена:

Мета-хлоротолуен се образува в малки количества.

Когато бензеновите хомолози взаимодействат с халогени на светлина или при високи температури(300 o C) водородът се замества не в бензеновия пръстен, а в страничния въглеводороден радикал.

Например при хлориране на етилбензен:

2.2. Нитриране

Бензолът реагира с концентрирана азотна киселина в присъствието на концентрирана сярна киселина (нитруваща смес).

Това произвежда нитробензен:

Толуенът реагира с концентрирана азотна киселина в присъствието на концентрирана сярна киселина.

В реакционните продукти посочваме или едното от двете О-нитротолуен:

или П-нитротолуен:

Нитрирането на толуен може да се извърши и при заместване на три водородни атома. Това произвежда 2,4,6-тринитротолуен (TNT, tol):

2.3. Алкилиране на ароматни въглеводороди

• Арените реагират с халоалкани в присъствието на катализатори (AlCl3, FeBr3 и др.), за да образуват бензенови хомолози.

• Ароматните въглеводороди реагират с алкени в присъствието на алуминиев хлорид, железен (III) бромид, фосфорна киселина и др.

• Алкилирането с алкохоли се извършва в присъствието на концентрирана сярна киселина.

2.4. Сулфониране на ароматни въглеводороди

Бензолът реагира при нагряване с концентрирана сярна киселина или разтвор на SO 3 в сярна киселина (олеум), за да образува бензенсулфонова киселина:

3. Окисляване на арените

Бензолът е устойчив дори на силни окислители. Но хомолозите на бензена се окисляват под въздействието на силни окислители. Бензолът и неговите хомолози горят.

3.1. Пълно окисляване - изгаряне

При изгаряне на бензен и неговите хомолози се образуват въглероден диоксид и вода. Реакцията на горене на арени е придружена от отделяне на голямо количество топлина.

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O + Q

Уравнението на горене на арени в общ вид:

C n H 2n–6 + (3n – 3)/2 O 2 → nCO 2 + (n – 3)H 2 O + Q

Когато ароматните въглеводороди горят при липса на кислород, може да се образува въглероден окис CO или сажди C.

Бензолът и неговите хомолози горят във въздуха с димен пламък. Бензолът и неговите хомолози образуват експлозивни смеси с въздух и кислород.

3.2. ОТНОСНОокисление на бензенови хомолози

Бензоловите хомолози лесно се окисляват от калиев перманганат и дихромат в кисела или неутрална среда при нагряване.

Това се случва окисляване на всички връзки при въглероден атом, съседен на бензеновия пръстен, с изключение на връзката на този въглероден атом с бензеновия пръстен.

Толуенът се окислява калиев перманганат в сярна киселинас образование бензоена киселина:

Ако настъпи окисляване на толуен в неутрален разтвор при нагряване, тогава се формира сол на бензоената киселина - калиев бензоат:

По този начин, толуен обезцветява подкислен разтвор на калиев перманганатпри нагряване.

По-дългите радикали се окисляват до бензоена киселина и карбоксилна киселина:

При окисляването на пропилбензен се получават бензоена и оцетна киселина:

Изопропилбензенът се окислява от калиев перманганат в кисела среда до бензоена киселина и въглероден диоксид:

4. Ориентиращ ефект на заместителите върху бензеновия пръстен

Ако бензеновият пръстен съдържа заместители, не само алкилни, но и съдържащи други атоми (хидроксилна, аминогрупа, нитрогрупа и т.н.), тогава реакциите на заместване на водородните атоми в ароматната система протичат по строго определен начин, в съответствие с природата влияние на заместителя върху ароматната π-система.

Видове заместители на бензеновия пръстен

Представяме на вашето внимание видео урок, посветен на темата „Химични свойства на бензола“. Използвайки това видео, можете да добиете представа за химичните свойства на бензена, както и за суровите условия, необходими за реакцията на бензена с други вещества.

Предмет:Ароматни въглеводороди

Урок:Химични свойства на бензола

Ориз. 1. Молекула на бензена

Трудно е да се разбие p-електронният облак в молекула на бензен. Следователно бензенът влиза в химични реакции много по-малко активно в сравнение с ненаситените съединения.

За да може бензенът да влезе в химични реакции, са необходими доста строги условия: повишена температура и в много случаи катализатор. В повечето реакции стабилният бензенов пръстен се запазва.

1. Бромиране.

Необходим е катализатор (желязо (III) или алуминиев бромид) и не се допускат дори малки количества вода. Ролята на катализатора е, че бромната молекула се привлича от един от бромните атоми към железния атом. В резултат на това той е поляризиран - двойка свързващи електрони отива към бромния атом, свързан с желязото:

Br +…. Br - FeBr 3 .

Br+ е силен електрофил. Той е привлечен от шестелектронния облак на бензеновия пръстен и го разкъсва, образувайки ковалентна връзка с въглеродния атом:

Към получения катион може да се присъедини бромен анион. Но редукцията на ароматната система на бензеновия пръстен е енергийно по-благоприятна от добавянето на бромен анион. Следователно молекулата преминава в стабилно състояние, изхвърляйки водороден йон:

Всички реакции на електрофилно заместване в бензеновия пръстен протичат по подобен механизъм.

2. Нитриране

Бензолът и неговите хомолози реагират със смес от концентрирана сярна и азотна киселина (нитруваща смес). В нитриращата смес нитрониевият йон NO 2 + съществува в равновесие, което е електрофил:

3. Сулфониране.

Бензолът и другите арени при нагряване реагират с концентрирана сярна киселина или олеум - разтвор на SO 3 в сярна киселина:

4 . Алкилиране на Фридел-Крафтс

5. Алкилиране с алкени

Тези реакции са енергийно неблагоприятни и следователно протичат само при нагряване или облъчване.

1. Хидрогениране.

При нагряване, при повишено налягане и в присъствието на Ni, Pt или Pd катализатор, бензенът и другите арени добавят водород, за да образуват циклохексан:

2. Хлориране на бензен.

Под въздействието на ултравиолетовото лъчение бензенът добавя хлор. Ако колба от кварцово стъкло, съдържаща разтвор на хлор в бензен, бъде изложена на слънчева светлина, разтворът бързо ще се обезцвети и хлорът ще се комбинира с бензен, за да образува 1,2,3,4,5,6-хексахлороциклохексан, който е известен като хексахлоран(използван преди това като инсектицид):

3. Изгаряне на бензен.

За разлика от алканите, бензенът и другите ароматни въглеводороди имат ярък, опушен пламък.

Обобщаване на урока

В този урок изучавахте темата „Химични свойства на бензена“. Използвайки този материал, вие успяхте да разберете химичните свойства на бензена, както и суровите условия, които са необходими, за да може бензенът да реагира с други вещества.

Библиография

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основи на общата химия. 10 клас: учебник за общообразователните институции: основно ниво на/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фелдман. - 14-то издание. - М.: Образование, 2012.

2. Химия. 10 клас. Ниво на профил: учебник за общо образование институции/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузменко, В.В. Лунин и др.: Дропа, 2008. - 463 с.

3. Химия. 11 клас. Ниво на профил: академичен. за общо образование институции/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузменко, В.В. Лунин и др.: Дропа, 2010. - 462 с.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Сборник задачи по химия за постъпващи във ВУЗ. - 4-то изд. - М.: РИА "Нова вълна": Издател Умеренков, 2012. - 278 с.

Домашна работа

1. № 13, 14 (стр. 62) Рудзитис Г.Е., Фелдман Ф.Г. Химия: Органична химия. 10. клас: учебник за общообразователни институции: основно ниво / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фелдман. - 14-то издание. - М.: Образование, 2012.

2. Защо ароматните съединения се различават по химични свойства както от наситените, така и от ненаситените въглеводороди?

3. Напишете уравненията на реакцията за изгаряне на етилбензен и ксилен.