АРЕНЫ
Арены - это углеводороды с общей формулой С n H 2 n - 6 в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец.
СТРОЕНИЕ БЕНЗОЛА
Главным представителем аренов является бензол - С 6 Н 6 . По составу это соединение непредельное, до полного насыщения всех связей атомов углерода не хватает 8 атомов водорода. В 1911 г бензол был получен из циклогексана (реакция Зелинского), что явилось доводом в пользу гипотезы о циклическом строении бензола. Позже была осуществлена обратная реакция - гидрирование бензола (реакция Сабатье). В 1865 г немецкий химик А.Кекуле предложил структурную формулу бензола:

Согласно формуле Кекуле бензол имеет 3 двойные связи и, следовательно, должен вступать в реакции присоединения. Однако, бензол не дает типичных для непредельных соединений реакций (не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия). Этот факт находится в противоречии с формулой Кекуле. Кроме того , эта формула не объясняет высокой устойчивости бензольного кольца.

Согласно современным представлениям молекула бензола имеет строение плоского шестиугольника с равными сторонами. Атомы углерода в бензоле находятся в состоянии sp 2 - гибридизации. При этом гибридные орбитали образуют обычные - связи, а негибридная - перекрывается с двумя другими негибридными орбиталями соседних углеродных атомов. В результате образуется единое облако делокализованных - электронов (рис 5). В результате такого равномерного перекрывания 2р - орбиталей всех шести углеродных атомов происходит "выравнивание" простых и двойных связей, то есть в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи. Для того чтобы подчеркнуть выравненность - электронной плотности в молекуле бензола предложена следующая структурная формула:

Арены имеют и тривиальное название "ароматические углеводороды". Понятие "ароматичности" не связано с запахом углеводородов, хотя многие из них обладают им. Под "ароматичностью" понимают некоторые особенности строения углеводородов, главной из которых является равномерное распределение - электронной плотности в молекуле. Кроме того, ароматические соединения подчиняются правилу Э.Хюккеля: плоские моноциклические соединения , имеющие сопряженную систему - электронов, могут быть ароматическими, если число этих электронов равно 4п+2 (где п=0,1,2 и т.д.).
ИЗОМЕРИЯ И НОМЕНКЛАТУРА АРЕНОВ
По систематической номенклатуре арены рассматривают как производные бензола. Названия образуются от названий радикалов боковых цепей с добавлением окончания бензол.

СН 3 С 2 Н 5

метилбензол этилбензол
В случае если в бензольном кольце имеется два заместителя, то они могут отличаться своим взаимным расположением в кольце. Так, при замещении двух водородных атомов на метильные радикалы могут образоваться три изомера (орто-, мета- и пара-).
СН 3 СН 3 СН 3

СН 3

Орто-ксилол мета-ксилол пара-ксилол

(1,2 - диметилбензол) (1,3-диметилбензол) (1,4 - диметилбензол)

Нумерацию бензольного кольца ведут таким образом, чтобы сумма цифр была наименьшей. Многие арены имеют тривиальные названия , которые применяются очень часто (метилбензол - толуол; диметилбензол - ксилол).

Изомерия в гомологическом ряду бензола может быть связана как числом и строением заместителей, так и с их положением в бензольном кольце.

СВОЙСТВА АРЕНОВ

1. Химические свойства бензола.
Несмотря на формальную непредельность для бензола более характерны реакции замещения. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. В присутствии катализаторов FeBr 3 , AlCl 3 может идти замещение атомов водорода в молекуле бензола на атомы галогенов. Эти реакции идут практически в обычных условиях.
C 6 H 6 + Br 2 FeBr 3 C 6 H 5 Br + HBr
При взаимодействии с бензола азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве водоотнимающего средства идет образование нитробензола:
C 6 H 6 + HNO 3 50 C C 6 H 5 NO 2 + H 2 O
В присутствии безводного хлорида алюминия в качестве катализатора может протекать реакция алкилирования бензола (Реакция Фриделя - Крафтса). В результате к бензольному кольцу присоединяется углеводородный радикал.

AlCl 3

Н + Cl CH 3 СН 3 + HCl

Реакции присоединения менее характерны для бензола, но они есть. Так, каталитическое гидрирование бензола идет в присутствии никелевых (150 о) или платиновых (50 о) катализаторов. Бензол при этом превращается в циклогексан.

3Н 2

При сильном освещении (УФ - облучение) в отсутствие кислорода бензол способен присоединять хлор, образуя производное циклогексана - гексахлорциклогексан (гексахлоран).

С 6 Н 6 + 3Н 2 hv C 6 H 6 Cl 6
В реакциях присоединения происходит разрушение ароматической системы.

2.Химические свойства гомологов бензола.
Гомологи бензола химически более активны чем сам бензол. Это объясняется влиянием углеводородного радикала на бензольное кольцо. Радикалы являются электродонорными заместителями, то есть они подают электроны в бензольное кольцо, нарушая равномерное распределение электронной плотности в кольце в орто - и пара - положениях. В этих положениях повышается электронная плотность и облегчается вхождение заместителей. Так, например , толуол (метилбензол) нитруется очень легко, даже без нагревания. При этом идет образования тринитротолуола.

3HNO 3 NO 2 NO 2 + 3H 2 O

Галогенирование гомологов бензола идет по-разному в зависимости от условий реакции. При освещении галоген замещает водород в радикале, а в присутствии катализатора - встраивается в бензольное кольцо:
CH 3 CH 2 Cl

Cl 2 hv + HCl

Cl 2 + HCl

Известно, что влияние атомов и групп атомов в молекулах органических веществ взаимно. Поэтому в молекулах гомологов бензола не только радикалы влияют на активность бензольного кольца, но и кольцо влияет на активность радикалов. В частности снижают устойчивость радикалов к окислению. Если, например, прилить раствор перманганата калия к толуолу и нагреть смесь , то фиолетовая окраска раствора постепенно исчезнет. Это происходит вследствие окисления метильной группы.

В реакции окисления толуола перманганатом калия метильная группа окисляется в карбоксильную - образуется бензойная кислота. Схема этой реакции выглядит следующим образом:

СН 3 СООН

Остальные продукты реакции будут зависеть от выбранного окислителя и среды в которой протекает реакция. Подобным образом окисляются и другие гомологи с одной боковой цепью. Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновную фталевую кислоту.

СН 3 СООН

Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим сильно пламенем, что связано с высоким процентным содержанием углерода.

2С 6 Н 6 + 15О 2 12СО 2 + 6Н 2 О
3. Физические свойства аренов.
Низшие члены гомологического ряда бензола - чаще всего жидкости, обладающие характерным запахом. Углеводороды , в состав которых входит не более одного бензольного кольца, как правило, легче воды. Арены в воде нерастворимы, но хорошо растворяются в органических растворителях, и сами являются таковыми. Физические свойства некоторых представителей аренов приведены ниже в таблице.

СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АРЕНОВ

В промышленности 90 % получаемого бензола выделяют при переработке каменноугольной смолы при ее фракционировании. Другим источником получения аренов является нефть, которые выделяют из нее простой перегонкой, пиролизом , а также каталитическим крекингом.
Ароматизация парафинов (каталитический риформинг):

СН 3 СН 3

Pt, 350 o C

метилциклогексан метилбензол
При дегидрировании циклогексана подобным образом образуется бензол.

Гомологи бензола могут быть получены по реакции Фриделя - Крафтса (см. раздел свойства бензола).
Реакция Вюрца - Фиттига . Эта реакция подобна реакции Вюрца в ряду алканов:

+ 2Na + Br C 2 H 5 + 2NaBr

Br C 2 H 5

Синтез из солей ароматических карбоновых кислот:

С 6 Н 5 СООNa + NaO H t C 6 H 6 + Na 2 CO 3

6. Синтез из ацетилена. Реакция Зелинского.

3 СН СН

АРЕНЫ В ПРИРОДЕ. ПРИМЕНЕНИЕ АРЕНОВ.
Изредка арены в свободном виде входят в состав нефтей. Кроме того, они образуют сложные структуры в составе углей. Арены очень широко применяются в различных отраслях промышленности. Бензол является сырьем для производства различных химических продуктов: нитробензола, анилина, хлорбензола, стирола. Толуол используется для производства красителей , лекарственных и взрывчатых веществ (тол, тротил), а также является исходным продуктом при получении синтетических моющих средств, капролактама. Является хорошим растворителем. Ксилолы используются для получения веществ являющихся исходным сырьем для производства синтетических волокон (лавсана).

МНОГОЯДЕРНЫЕ АРЕНЫ
Многоядерные ароматические соединения содержат несколько бензольных колец. В зависимости от характера строения различают соединения с конденсированными и неконденсированными бензольными ядрами. Простейшими и практически важными являются нафталин и антрацен.

НАФТАЛИН

- АНТРАЦЕН

Нафталин - бесцветное кристаллическое вещество, довольно летучее (температура плавления - 80 о С). Служит сырьем для синтеза фталевого ангидрида, фталевой кислоты и других продуктов. Применяется в быту для отпугивания моли и других насекомых. В химическом поведении имеет много общего с бензолом , но в реакции замещения вступает легче, чем сам бензол.

Антрацен - кристаллическое вещество с температурой плавления 213 о С. Получается из каменноугольной смолы. Большое значение имеют различные производные антрацена. К ним, например, относятся антрахинон, ализарин и т.д. Ализарин - самый распространенный из диоксиантрахиноновых красителей, применяется для крашения шерсти и хлопка. Впервые ализарин выделили из корня марены. Ализарин - протравный краситель. По алюминиевой протраве он красит в ярко - красный цвет , по хромовой - в коричневый, по железной - в фиолетовый.

ЗАДАНИЯ И УПРАЖНЕНИЯ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ТЕМЫ

Какие углеводороды называются аренами?
Охарактеризуйте особенности строения молекулы бензола.
Назовите важнейшие способы получения аренов, приведите соответствующие уравнения реакций.
На примере бензола охарактеризуйте важнейшие химические свойства аренов. Объясните , почему для бензола более характерны реакции замещения. Объясните, почему в обычных условиях бензол устойчив к действию окислителей.
В чем отличия в химических свойствах гомологов бензола от свойств самого бензола. Объясните, чем обусловлены эти отличия.
Составьте формулы следующих веществ: бромбензол; 1,3 - диметилбензол; 1,3 - диметил 4 - хлорбензол; пропилбензол; 1,3 - динитробензол.
Составьте уравнения реакций взаимодействия:

Бензола с хлором (в присутствии катализатора);

Метилбензола с водородом;

Метилбензола с хлором (при освещении);

Этилбензола с азотной кислотой

Бензола с хлорэтаном (в присутствии хлорида алюминия)

Бензол, полученный дегидрированием циклогексана объемом 151 мл и плотностью 0,779 г/мл, подвергли хлорированию при освещении. Образовалось хлоропроизводное массой 300 г. Определите выход продукта реакции.

Какой объем воздуха (при н.у.) потребуется для сжигания 1,4 - диметилбензола массой 5,3 г? Объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

85 г бензола прореагировало с концентрированной азотной кислотой массой 160 г. Какой продукт образовался, и какова его масса.

Какой объем водорода (н.у.) образуется при циклизации и дегидрировании н-гексана объемом 200 мл и плотностью 0,66 г/мл? Реакция протекает с выходом 65 %.

При окислении смеси бензола и толуола раствором перманганата калия при нагревании получено после подкисления 8,54 г одноосновной органической кислоты. При взаимодействии этой кислоты с избытком водного раствора гидрокарбоната натрия выделился газ, объем которого в 19 раз меньше объема такого же газа , полученного при полном сгорании исходной смеси углеводородов. Определите состав исходной смеси (в % по массе).

Газ, выделившийся при получении бромбензола из 22,17 мл бензола (плотность - 0,8 г/мл), ввели в реакцию с 4,48 л изобутена. Какие соединения образовались и какова их масса, если учесть, что выход бромбензола составил 80% от теоретического, а реакция с изобутеном идет с количественным выходом.

Смесь бензола, циклогексана и циклогексена при обработке бромной водой присоединяет 16 г брома; при каталитическом дегидрировании исходной смеси образуется 39 г бензола и водород, объем которого в два раза меньше объема водорода необходимого для полного гидрирования исходной смеси углеводородов. Определите состав исходной смеси.

Раздаточный материал к лекции 5

Лекция 5

АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ароматические углеводороды, арены, sp2-гибридизация, единое p-электронная облако, круговое сопряжение, ионный механизм реакции замещения, электрофильное замещение, нитрование, галогенирование, алкилирование по Фриделю-Крафтсу, алкилирование алкенами, гидрирование, окисление.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ БЕНЗОЛА. АРОМАТИЧНОСТЬ

Ароматические углеводороды (арены) – это углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец.

Простейшим представителем ароматических углеводородов является бензол, молекулярная формула которого С 6 Н 6 . Установлено, что все атомы углерода в молекуле бензола лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (рис. 1). Каждый атом углерода связан с одним атомом водорода. Длины всех связей углерод-углерод одинаковы и составляют 0,139 нм.

Формулы а) и б) предложил в 1865 г немецкий химик Август Кекуле. Несмотря на то, что они недостаточно точно передают строение молекулы бензола, их используют до сих пор и называют формулами Кекуле.

Исторически название «ароматические углеводороды» сложилось потому, что многие производные бензола, которые первыми были выделены из природных источников, обладали приятным запахом.

В настоящее время под понятием «ароматичность» подразумевают, прежде всего, особый характер реакционной способности веществ, обусловленный, в свою очередь, особенностями строения молекул этих соединений.

В чем же состоят эти особенности?

В соответствии с молекулярной формулой С 6 Н 6 бензол является ненасыщенным соединением, и можно ожидать, что для него были бы характерны типичные для алкенов реакции присоединения. Однако в условиях, в которых алкены быстро вступают в реакции присоединения, бензол не реагирует или реагирует медленно. Бензол не дает и характерных качественных реакций, свойственных непредельным углеводородам:онне обесцвечивает бромную воду и водный раствор перманганата калия.

Такой характер реакционной способности объясняется наличием в ароматическом кольце сопряженной системы – единого p -электронного облака.

В молекуле бензола каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и связан тремя s -связями с двумя атомами углерода и одним атомом водорода. Четвертый валентный электрон атома углерода находится на p -орбитали, перпендикулярной плоскости молекулы. В молекуле бензола происходит боковое перекрывание р -орбиталей каждого атома углерода с р -орбиталями обоих соседних атомов углерода (рис. 2). В результате такого сопряжения образуется единое p-электронное облако , расположенное над и под плоскостью бензольного кольца – осуществляется круговое сопряжение .

Такая циклическая система с общим облаком из шести электронов очень устойчива, энергетически выгодна; поэтому бензол преимущественно вступает в те реакции, в которых ароматическое кольцо сохраняется.

Рис. 2. Электронное строение молекулы бензола: а) схема перекрывания р -орбиталей; б) единое p-электронное облако.

Подчеркнем еще раз, что в молекуле бензола нельзя выделить трех двойных и трех простых связей. Электронная плотность распределяется в молекуле равномерно, и все связи между атомами углерода оказываются совершенно одинаковыми. Поэтому нужно помнить, что формула Кекуле, которая часто используется для изображения бензола, условна и не отражает реального строения его молекулы.

Итак, ароматическимиявляются соединения, в молекулах которых имеется устойчивая циклическая группировка с особым характером связи. Имея молекулярную формулу, указывающую на высокую степень ненасыщенности, эти вещества, однако, не реагируют как ненасыщенные, а вступают преимущественно в реакции замещения с сохранением ароматической системы.

ГОМОЛОГИ БЕНЗОЛА,

ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА

Общая формула гомологического ряда ароматических углеводородов C n H 2 n -2 .

Ближайшим гомологом бензола является метилбензол. Чаще употребляют его тривиалное название – толуол:

Бензол и толуол не имеют ароматических изомеров. Для этих веществ характерна лишь межклассовая изомерия . Так, соответствуют молекулярной формуле С 6 Н 6 и, следовательно, изомерны бензолу непередельные нециклические углеводороды, содержащие две тройных или две двойные и одну тройную связи в молекуле, например:

Начиная с аренов с восьмью атомами углерода появляется возможность изомерии, связанной с составом и взаимным расположением углеводородныхрадикалов. Если с бензольным кольцом связаны два заместителя, то они могут находиться в трех различных положениях относительно друг друга: рядом (такое положение обозночают приставкой орто- ), через один атом углерода (мета- ), и напротив друг друга (пара- ). Диметилбензол, стуктурные формулы изомеров которого приведены ниже, имеет тривиальное название ксилол.

Таким образом, молекулярной формуле С 8 Н 8 отвечают четыре изомерных ароматических углеводорода:

Бензол является ненасыщенным соединением, но мы выяснили, что в его структуре нет двойных связей, а есть ароматическая связь – делокализованное электронное облако. Типичные реакции непредельных углеводородов – электрофильное присоединение и окисление – для бензола не характерны. Так, он не обесцвечивает бромную воду, не даёт реакции Вагнера (окисление раствором перманганата калия при комнатной температуре). Для бензола характерны реакции, не приводящие к нарушению замкнутой сопряжённой системы, – реакции замещения. Чтобы выяснить, какой тип замещения (радикальное, электрофильное, нуклеофильное) характерен для бензола, вспомните его электронное строение: σ-скелет молекулы плоский, а над и под плоскостью расположено ароматическое облако. Чтобы провзаимодействовать с этим ароматическим облаком, реагент должен быть электрофильным. Итак, для бензола (и ароматических соединений вообще) характерны реакции электрофильного замещения . Примерами реакций S E являются:

На первой стадии электрофил подходит к молекуле бензола и взаимодействует со всем ароматическим облаком (они притягиваются друг к другу). Образуется π-комплекс . Для образования новой ковалентной связи углерод-электрофил необходима пара электронов. Электрофил вырывает её из ароматического облака, образуется σ-комплекс . Он не является замкнутой сопряжённой системой, т.к. атом углерода, образовавший новую σ-связь, перешёл в sp 3 -гибридизацию (он вышел из плоскости и больше не имеет негибридной p z -орбитали). Остальные пять атомов углерода продолжают участвовать в сопряжении, образуя общее электронное облако, в котором делокализовано четыре электрона (6-2=4), поэтому положительный заряд в σ-комплексе обозначается не на конкретном атоме углерода, а в центре разомкнутого кольца. Итак, σ-комплекс не является ароматической структурой. Для того чтобы вернуть ароматичность, ему необходимо отщепить протон водорода (H +). Его забирает оставшийся в реакционной среде нуклеофил (Nu -). Два электрона связи C-H возвращаются в ароматическое облако, атом углерода вновь становится
sp 2 -гибридизованным и может участвовать в сопряжении.

Лимитирующей стадией реакции электрофильного замещения является стадия образования σ-комплекса, т.к. при этом происходит потеря ароматичности, что требует затрат энергии.

Различные реакции электрофильного замещения в бензоле протекают по общему механизму и отличаются только стадией образования электрофильной частицы.

Реакция нитрования бензола протекает под действием смеси концентрированных азотной и серной кислот (схему реакции см. выше). Рассмотрим её механизм.

На первой стадии реакции азотная кислота взаимодействует с серной. В данном случае азотная кислота выполняет роль основания, принимая протон от молекулы серной кислоты (по теории Бренстеда, кислота – это молекула или ион, отдающие протон, а основание – молекула или ион, принимающие протон водорода). Образуется протонированная азотная кислота, которая, отщепляя молекулу воды, превращается в катион нитрония, или нитроний-катион. Это и есть электрофильная частица. Таким образом, серная кислота выполняет роль катализатора, принимая участие в образовании электрофильного реагента. Вторая роль серной кислоты – это роль водоотнимающего средства. Воду необходимо отводить из сферы реакции, чтобы сместить её равновесие вправо.

После образования электрофила – катиона нитрония - реакция протекает по общему механизму, через образование π- и
σ-комплексов:

Обратите внимание: на стадии превращения σ-комплекса в нитробензол (стадии возвращения ароматичности) протон водорода отщепляется под действием аниона серной кислоты, при этом вновь образуется серная кислота, что доказывает, что она являлась катализатором данной реакции.

Катализатором реакции галогенирования являются так называемые кислоты Льюиса (по теории Льюиса, кислоты – это нейтральные молекулы или ионы, способные принимать пару электронов): FeCl 3 , FeBr 3 , AlCl 3 , AlBr 3 и т.п. Катализатор необходим, чтобы поляризовать молекулу галогена. Кислота Льюиса смещает на себя неподелённую электронную пару хлора, образуя комплекс, в котором на одном из атомов хлора сосредоточивается частичный положительный заряд:

На стадии образования π-комплекса происходит дальнейшая поляризация связи Cl-Cl, и она разрывается гетеролитически, причём Cl + сразу участвует в образовании σ-комплекса.

Аналогично протекают реакции алкилирования (реакция Фриделя-Крафтса).

Связь C-Cl в метилхлориде недостаточно полярна, чтобы разорваться гетеролитически. Под действием кислоты Льюиса увеличивается частичный положительный заряд на атоме углерода, и комплекс реагента с катализатором является более сильным электрофилом, чем исходный метилхлорид.

Реакция сульфирования бензола протекает под действием олеума (раствор серного ангидрида SO 3 в концентрированной серной кислоте).

Молекула серного ангидрида является электрофилом из-за большого по величине частичного положительного заряда на атоме серы.

При образовании π-комплекса связь S=O (в первую очередь π-связь) поляризуется и разрывается по гетеролитическому типу, поэтому при образовании σ-комплекса на атоме кислорода возникает полный отрицательный заряд. Для восстановления ароматичности протон водорода отщепляется от атома углерода кольца и переходит к отрицательно заряженному кислороду. Образуется бензолсульфокислота.

Когда мы рассматриваем реакции электрофильного замещения в бензоле, перед нами не стоит вопрос, в каком положении протекает реакция, т.к. все атомы углерода абсолютно равноценны. Другое дело, если в бензольном кольце уже есть заместитель. В этом случае в результате электрофильного замещения принципиально возможно образование трёх изомеров:

Чтобы ответить на вопрос, какой из этих возможных продуктов является преобладающим, необходимо рассматривать электронные эффекты заместителя.

Отвлечёмся от реакций электрофильного замещения в бензоле и его производных и рассмотрим электронные эффекты в целом.

Взаимное влияние атомов в молекулах органических
соединений. Электронные эффекты

Атомы и атомные группы в молекулах органических соединений влияют друг на друга, причём не только атомы, непосредственно связанные друг с другом. Это влияние каким-то образом передаётся по молекуле. Передача влияния атомов в молекулах за счёт поляризации связей называетсяэлектронными эффектами . Существует два вида электронных эффектов: индуктивный и мезомерный эффект.

Индуктивный эффект - это передача влияния заместителей по цепи σ-связей за счёт их поляризации. Индуктивный эффект обозначается символом I. Рассмотрим его на примере 1-хлорбутана:

Связь C-Cl полярна из-за более высокой электроотрицательности хлора. На атоме углерода возникает частичный положительный заряд (δ+). Электронная пара следующей σ-связи смещается в сторону электронодефицитного атома углерода, т.е. поляризуется. За счёт этого на следующем атоме углерода также возникает частичный положительный заряд (δ+’) и т.д. Таким образом, хлор индуцирует поляризацию не только «собственной» σ-связи, но и последующих в цепи. Обратите внимание, что каждый последующий частичный положительный заряд по величине меньше предыдущего (δ+>δ+’>δ+’’>δ+’’’), т.е. индуктивный эффект передаётся по цепи с затуханием. Это можно объяснить низкой поляризуемостью σ-связей. Принято считать, что индуктивный эффект распространяется на 3-4 σ-связи. В приведенном примере атом хлора смещает электронную плотность по цепи связей на себя . Такой эффект называют отрицательным индуктивным эффектом и обозначают –I Cl .

Большинство заместителей проявляют отрицательный индутивный эффект, т.к. в их структуре есть атомы, более электроотрицательные, чем водород (индуктивный эффект водорода принят равным нулю). Например: -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -NH 2 , -NO 2 ,
-COOH, >C=O .

Если заместитель смещает электронную плотность по цепи σ-связей от себя , он проявляет положительный индуктивный эффект (+I). Например:

Кислород с полным отрицательным зарядом проявляет положительный индуктивный эффект.

В молекуле пропена углерод метильной группы sp 3 -гибридизован, а атомы углерода при двойной связи sp 2 -гибридизованы, т.е. более электроотрицательны. Поэтому метильная группа смещает электронную плотность от себя, проявляя положительный индуктивный эффект (+I CH 3) .

Итак, индуктивный эффект может проявляться в любой молекуле, в которой есть разные по электроотрицательности атомы.

Мезомерный эффект – это передача электронного влияния заместителей в сопряжённых системах, посредством поляризации π-связей. Мезомерный эффект передаётся без затухания, т.к. π-связи поляризуются легко. Обратите внимание: мезомерным эффектом обладают только те заместители, которые сами являются частью сопряжённой системы. Например:

Мезомерный эффект может быть как положительный (+М), так и отрицательный (-М).

В молекуле хлорвинила неподелённая электронная пара хлора участвует в p,π-сопряжении, т.е. вклад хлора в сопряжённую систему больше, чем у каждого из атомов углерода. Поэтому хлор проявляет положительный мезомерный эффект.

Молекула акрилового альдегида – это
π.π-сопряжённая система. Атом кислорода отдаёт в сопряжение один электрон – столько же, как и каждый атом углерода, но при этом электроотрицательность кислорода выше, чем у углерода, поэтому кислород смещает электронную плотность сопряжённой системы на себя, альдегидная группа в целом проявляет отрицательный мезомерный эффект.

Итак, заместители, отдающие в сопряжение два электрона, обладают положительным мезомерным эффектом. К ним относятся:

а) заместители с полным отрицательным зарядом, например, –O - ;

б) заместители, в структуре которых есть атомы с неподелёнными электронными парами на p z -орбитали, например: -NH 2 , -OH,
-F, -Cl, -Br-, -I, -OR (-OCH 3 , -OC 2 H 5).

Заместители, смещающие электронную плотность по сопряжённой системе на себя, проявляют отрицательный мезомерный эффект. К ним относятся заместители, в структуре которых есть двойные связи, например:

Заместитель может проявлять и индуктивный, и мезомерный эффекты одновременно. В некоторых случаях направление этих эффектов совпадает (например, -I и –M), в других – они действуют в противоположных направлениях (например, -I и +M). Как в этих случаях определить общее влияние заместителя на остальную часть молекулы (другими словами, как определить, является данный заместитель электронодонорным или электроноакцепторным)? Заместители, повышающие электронную плотность в остальной части молекулы, называют электронодонорными, а заместители, понижающие электронную плотность в остальной части молекулы, – электроноакцепторными.

Чтобы определить общее влияние заместителя, необходимо сравнить его электронные эффекты по величине. Если преобладает положительный по знаку эффект, заместитель является электронодонорным. Если преобладает отрицательный по знаку эффект, заместитель является электроноакцепторным. Нужно отметить, что, как правило, мезомерный эффект проявляется сильнее, чем индуктивный (из-за большей способности π-связей к поляризации). Однако есть и исключения из этого правила: индуктивный эффект галогенов проявляется сильнее, чем мезомерный.

Рассмотрим конкретные примеры:

В этом соединении аминогруппа является электронодонорным заместителем, т.к. её положительный мезомерный эффект проявляется сильнее, чем отрицательный индуктивный.

В этом соединении аминогруппа является электроноакцепторным заметителем, т.к. проявляет только отрицательный индуктивный эффект.

В молекуле фенола гидроксильная группа является электронодонорным заместителем из-за преобладания положительного мезомерного эффекта над отрицательным индуктивным.

В молекуле бензилового спирта гидроксильная группа не участвует в сопряжении и проявляет только отрицательный индуктивный эффект. Поэтому она является электроноакцепторным заместителем.

Эти примеры показывают, что нельзя рассматривать влияние какого-либо заместителя вообще, а нужно рассматривать его влияние в конкретной молекуле.

Только галогены всегда являются электроноакцепторными заместителями, т.к. их отрицательный индуктивный эффект проявляется сильнее, чем положительный мезомерный. Например:

А теперь вернёмся к реакциям электрофильного замещения в производных бензола. Итак, мы выяснили, что заместитель, уже имеющийся в кольце, влияет на ход реакций электрофильного замещения. В чём же выражается это влияние?

Заместитель влияет на скорость реакций S E и на положение второго заместителя, вводимого в кольцо . Рассмотрим оба этих аспекта влияния.

Влияние на скорость реакции . Чем выше электронная плотность в кольце, тем легче протекают реакции электрофильного замещения. Понятно, что электронодонорные заместители облегчают реакции S E (являются активаторами цикла), а электроноакцепторные заместители – затрудняют их (дезактивируют цикл). Поэтому реакции электрофильного замещения в производных бензола, содержащих электроноакцепторные заместители, проводят в более жёстких условиях.

Сравним активность фенола, толуола, бензола, хлорбензола и нитробензола в реакции нитрования.

Так как фенол и толуол содержат электронодонорные заместители, они более активны в реакциях S E , чем бензол. Наоборот, хлорбензол и нитробензол менее активны в этих реакциях, чем бензол, т.к. содержат электроноакцепторные заместители. Фенол активнее толуола из-за положительного мезомерного эффекта OH-группы. Хлор не такой сильный электроноакцепторный заместитель, как нитрогруппа, т.к. нитрогруппа проявляет и отрицательный индуктивный, и отрицательный мезомерный эффекты. Итак, в данном ряду активность в реакциях электрофильного замещения убывает от фенола к нитробензолу. Экспериментально установлено, что если скорость реакции нитрования бензола принять за 1, то этот ряд будет выглядеть так:

Вторым аспектом влияния заместителя в ароматическом кольце на ход реакций электрофильного замещения является так называемое ориентирующее действие заместителей . Все заместители можно подразделить на две группы: орто-, пара-ориентанты (заместители 1 рода) и мета-ориентанты (заместители 2 рода).

К заместителям 1 рода относятся: -OH, -O - , -NH 2 , алкильные группы (-CH 3 , -C 2 H 5 и т.д.) и галогены. Вы можете видеть, что все эти заместители проявляют положительный индуктивный эффект и (или) положительный мезомерный эффект. Все они, кроме галогенов, повышают электронную плотность в кольце, особенно в орто- и пара-положениях. Поэтому электрофил и направляется в эти положения. Рассмотрим это на примере фенола:

За счёт положительного мезомерного эффекта гидроксильной группы происходит перераспределение электронной плотности по сопряжённой системе, и в орто- и пара-положениях она особенно повышена.

При бромировании фенола образуется смесь орто- и пара-бромфенола:

Если бромирование проводить в полярном растворителе (бромной водой) и использовать избыток брома, реакция протекает сразу по трём положениям:

Заместителями 2 рода являются: -NH 3 + , -COOH, -CHO (альдегидная группа), -NO 2 , -SO 3 H. Все эти заместители понижают электронную плотность в ароматическом кольце, но из-за её перераспределения в мета-положениях она понижена не так сильно, как в орто- и пара-. Рассмотрим это на примере бензойной кислоты:

Карбоксильная группа проявляет отрицательный индуктивный и отрицательный мезомерный эффекты. За счёт перераспределения по сопряжённой системе в мета-положениях электронная плотность остаётся более высокой, чем в орто- и пара-, поэтому электрофил будет атаковать мета-положения:

Ароматические углеводороды составляют важную часть циклического ряда органических соединений. Простейшим представителем таких углеводородов является бензол. Формула этого вещества не только выделила его из ряда остальных углеводородов, но и дала толчок в развитии нового направления органической химии.

Открытие ароматических углеводородов

Ароматические углеводороды были открыты в начале 19 века. В те времена наиболее распространенным топливом для уличного освещения являлся светильный газ. Из его конденсата великий английский физик Майкл Фарадей выделил в 1825 году три грамма маслянистого вещества, подробно описал его свойства и назвал так: карбюрированный водород. В 1834 году немецкий ученый, химик Митчерлих, нагревая бензойную кислоту с известью, получил бензол. Формула, по которой протекала данная реакция, представлена ниже:

C6 H5 COOH + CaO сплавление C6 H6 + CaCO3.

В то время редкую бензойную кислоту получали из смолы бензое, которую могут выделять некоторые тропические растения. В 1845 году новое соединение было обнаружено в каменноугольной смоле, которая являлась вполне доступным сырьем для получения нового вещества в промышленных масштабах. Другим источником бензола является нефть, полученная в некоторых месторождениях. Чтобы обеспечить потребность промышленных предприятий в бензоле, его получают также путем ароматизации некоторых групп ациклических углеводородов нефти.

Современный вариант названия предложил немецких ученый Либих. Корень слова «бензол» следует искать в арабских языках - там оно переводится как «ладан».

Физические свойства бензола

Бензол является бесцветной жидкостью со специфическим запахом. Это вещество кипит при температуре 80,1 о С, отвердевает при 5,5 о С и превращается при этом в белый кристаллический порошок. Бензол практически не проводит тепло и электричество, плохо растворяется в воде и хорошо - в различных маслах. Ароматические свойства бензола отражают суть структуры его внутреннего строения: относительно устойчивое бензольное ядро и неопределенный состав.

Химическая классификация бензола

Бензол и его гомологи - толуол и этилбензол - представляют собой ароматический ряд циклических углеводородов. Строение каждого из этих веществ содержит распространенную структуру, названную бензоловым кольцом. Структура каждого из вышеперечисленных веществ содержит особую циклическую группировку, созданную шестью атомами углерода. Она получила название бензольного ароматического ядра.

История открытия

Установление внутреннего строения бензола растянулось на несколько десятилетий. Основные принципы строения (кольцевая модель) были предложены в 1865 году химиком А. Кекуле. Как рассказывает легенда, немецкий ученый увидел формулу этого элемента во сне. Позднее было предложено упрощенное написание структуры вещества, называемого так: бензол. Формула этого вещества представляет собой шестиугольник. Символы углерода и водорода, которые должны быть расположены в углах шестиугольника, опускаются. Таким образом, получается простой правильный шестиугольник с чередующимися одинарными и двойными линиями на сторонах. Общая формула бензола представлена на рисунке ниже.

Ароматические углеводороды и бензол

Химическая формула этого элемента позволяет утверждать, что для бензола реакции присоединения нехарактерны. Для него, как и для других элементов ароматического ряда, типичны реакции замещения атомов водорода в бензольном кольце.

Реакция сульфирования

При обеспечения взаимодействия концентрированной серной кислоты и бензола, повышая температуру реакции, можно получить бензосульфокислоту и воду. Структурная формула бензола в этой реакции выглядит следующим образом:

Реакция галогенирования

Бром или хром в присутствии катализатора взаимодействует с бензолом. При этом получаются галогенопроизводные. А вот реакция нитрирования проходит с использованием концентрированной азотной кислоты. Конечным итогом реакции является азотистое соединение:

С помощью нитрирования получают известное всем взрывчатое вещество - тротил, или тринитотолуол. Мало кто знает, что в основе тола лежит бензол. Многие другие нитросоединения на основе бензольного кольца также могут быть использованы как взрывчатые вещества

Электронная формула бензола

Стандартная формула бензольного кольца не совсем точно отражает внутренне строение бензола. Согласно ей, бензол должен обладать тремя локализованными п-связями, каждая из которых должна взаимодействовать с двумя атомами углерода. Но, как показывает опыт, бензол не обладает обычными двойными связями. Молекулярная формула бензола позволяет увидеть, что все связи в бензольном кольце равноценны. Каждая из них имеет длину около 0,140 нм, что является промежуточным значением между длиной стандартной простой связи (0,154 нм) и двойной этиленовой связи (0,134 нм). Структурная формула бензола, изображенная с чередованием связей, несовершенна. Более правдоподобна трехмерная модель бензола, которая выглядит так, как показано на картинке ниже.

Каждый из атомов бензольного кольца находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Он затрачивает на образование сигма-связей по три валентных электрона. Эти электроны охватывают два соседних атома углевода и один атом водорода. При этом и электроны, и связи С-С, Н-Н находятся в одной плоскости.

Четвертый валентный электрон образует облако в форме объемной восьмерки, расположенное перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Каждое такое электронное облако перекрывается над плоскостью бензольного кольца и непосредственно под ней с облаками двух соседних атомов углерода.

Плотность облаков п-электронов этого вещества равномерно распределена между всеми углеродными связями. Таким путем образуется единое кольцевое электронное облако. В общей химии такая структура получила название ароматического электронного секстета.

Равноценность внутренних связей бензола

Именно равноценностью всех граней шестиугольника объясняется выравненность ароматических связей, обуславливающих характерные химические и физические свойства, которыми обладает бензол. Формула равномерного распределения п-электронного облака и равноценность всех его внутренних связей показана ниже.

Как видно, вместо чередующихся одинарных и двойных черт внутреннюю структуру изображают в виде окружности.

Сущность внутренней структуры бензола дает ключ к пониманию внутреннего строения циклических углеводородов и расширяет возможности практического применения этих веществ.

Строение бензола

Бензол впервые был выделен М. Фарадеем в 1825 году из конденсата, выпавшего из светильного газа, используемого для освещения городских улиц Лондона. Фарадей назвал это жидкое легкоподвижное вещество с резким запахом «карбюрированным водородом» (carburated hydrogen). Важно при этом отметить, что уже тогда было установлено, что бензол состоит из равных частей углерода и водорода.

Несколько позже, в 1834 году, Митчерлих получил бензол декарбоксилированием бензойной кислоты. Он же установил элементный состав полученного соединения – С 6 Н 6 – и предложил свое название для него – бензин . Однако с этим названием не согласился Либих. Ему показалось, что это название ставит бензол в один ряд с такими далекими от него веществами как хинин и стрихнин. По мнению Либиха более удачным названием для нового соединения является бензол , посколькуоно показывает близость бензола по свойствам к маслам (от немецкого оl – масло). Были и другие предложения. Поскольку бензол был выделен Фарадеем из светильного газа, то Лоран предложил (1837 г.) для него название фено от греческого «несущий свет». Это название не утвердилось, однако именно от него произошло название одновалентного остатка бензола – фенил .

Углеводороду Фарадея не повезло. Все предложенные для него названия оказались ущербными. Из либиховского названия «бензол» следует, что соединение содержит гидроксильную группу, которой там нет. Точно так же митчерлиховский «бензин» не содержит функциональную азотсодержащую группу. Более того, существование различных названий привело к разделению химиков. В немецкой и русской научной литературе утвердилось название «бензол», а в английской и французской – «бензен» (bensene , toluene , xylene ).

На первый взгляд кажется, что установить строение бензола не представляет больших трудностей. В состав молекулы бензола входит лишь два элемента, на шесть атомов углерода приходится шесть атомов водорода. К тому же физические и химические свойства бензола изучены весьма обстоятельно. Однако эта работа затянулась на многие десятилетия и завершилась лишь в 1931 году.

Наиболее трудные барьеры к познанию структуры бензола были преодолены выдающимся немецким химиком Кекуле. С высоты современных знаний трудно понять и оценить значение выдвинутой им гипотезы, согласно которой молекула бензола имеет циклическое строение (1865 г.). Однако именно это предположение, при совокупном рассмотрении с числом изомеров у моно- и дизамещенных бензолов, привело Кекуле к известной формуле. По Кекуле бензол представляет собой шестичленное циклическое соединение с тремя чередующимися двойными связями, т.е. циклогексатриен

Именно эта структура согласуется с существованием одного и только одного монозамещенного бензола и трех изомеров дизамещенных бензолов

C момента появления структуры Кекуле началась ее критика, которую она, к сожалению, вполне заслуживала. Уже отмечалось, что характерная особенность ароматических соединений - присущий им ароматический характер. Структура Кекуле для бензола оказалась не в состоянии объяснить эту особенность ароматических соединений. В ряде случаев она не могла также объяснить отсутствия изомеров, в то время как формула циклогексатриена для бензола допускала их существование. Так, орто -замещенных бензолов может быть два изомера

однако обнаружить их не удалось. Сразу же отметим, что для преодоления этого затруднения Кекуле предложил рассматривать бензол как циклогексатриен с подвижными, не закрепленными, двойными связями. В результате быстрого преобразования I во II и наоборот бензол ведет себя как структура как бы состоящая из равных количеств I и II .

Итак, основной недостаток бензола Кекуле – невозможность объяснить на его основе ароматический характер соединений, содержащих в своей молекуле бензольное кольцо. Если бы бензол был циклогексатриеном, т.е. соединением с тремя двойными связями, то он должен был бы:

Легко окисляться даже холодным водным раствором КMnO 4 ,

Уже при комнатной температуре присоединять бром и легко вступать в другие реакции электрофильного присоединения,

Быстро гидрироваться водородом в присутствии никеля при комнатной температуре,

В эти реакции бензол вступает неохотно, не так как алкены. А вот реакции замещения - весьма характерны для соединений ароматического ряда. Отсюда следует, что бензол не может быть циклогексатриеном и формула Кекуле не отражает истинного строения бензола . Основной недостаток бензола Кекуле – присутствие в нем двойных связей. Если бы их не было, то и не следовало бы ожидать от бензола проявления свойств, характерных для алкенов. В этой связи становится понятным, почему все дальнейшие попытки «усовершенствовать» формулу Кекуле носили форму лишить ее двойных связей, сохранив при этом за бензолом циклическое строение. Таковы формулы III – VII , предложенные Клаусом (1867 г.), Дьюаром (1867 г.), Армстронгом – Байером (1887 г.), Тиле (1899 г.) и Ладенбургом (1869 г.)

Ни одна из этих формул не могла объяснить всех свойств, присущих бензолу. Это стало возможным только с развитием квантовой химии.

Согласно современным представлениям о строении бензола его молекула представляет собой плоский правильный шестиугольник, на вершинах которого расположены углеродные атомы, находящиеся в sp 2 –гибридном состоянии. Каждый из шести углеродных атомов за счет трех тригональных гибридных орбиталей образует две σ -связи с соседними углеродами и еще одну связь с водородом. Все эти связи расположены в одной плоскости под углом 120 0 друг к другу. В гибридизации участвуют лишь два из трех р -электронов углеродных атомов. Поэтому после образования σ -связей у каждого из шести углеродов бензольного кольца остается еще по одному р -электрону. Из истории установления строения бензола, растянувшегося на многие десятилетия, видно насколько трудно пробивало себе дорогу представление, что р -электроны способны перекрываться друг с другом не только попарно с образованием π -связей. При некоторых обстоятельствах возможно перекрывание облаков р- электронов как с соседом справа, так и с соседом слева

Это становится возможным, если молекула имеет циклическое строение, расстояния между углеродами одинаковы и оси р -электронов параллельны между собой. Последнее условие соблюдается, если молекула имеет плоское строение.

При таком построении молекулы бензола углеродные атомы связаны между собой не ординарными и не двойными связями. Эти связи, скорее всего, следовало бы отнести к «полуторным». Не лишним будет упомянуть, что согласно результатам рентгеноструктурного анализа кристаллического бензола все углерод-углеродные связи в бензоле имеют одинаковую длину 0.14 нм, которая является промежуточной между простой (0,154 нм) и двойной (0,134 нм) связями.

Таким образом, согласно современным представлениям в бензоле нет типичных двойных связей между углеродами. Следовательно, от такого соединения и не следует ожидать проявления свойств, обусловленных двойными связями. В то же время нельзя отрицать значительной непредельности молекулы бензола. Циклоалкан с шестью углеродами (циклогексан) содержит 12 водородных атомов, в то время как у бензола их всего 6. Отсюда следует, что формально бензол мог бы иметь три двойные связи и в реакциях присоединения вести себя как циклотриен. Действительно, в условиях реакций присоединения бензол присоединяет по три молекулы водорода, галогенов или озона.

В настоящее время в научно-технической литературе используется два графических изображения бензола

Одно из них подчеркивает непредельный характер бензола, а другое – его ароматичность.

Как же увязать строение бензола с его характерными свойствами, главным образом, с его ароматическим характером? Почему бензол проявляет уникальную термодинамическую устойчивость?

В свое время было показано, что алкены довольно легко присоединяют молекулу водорода и превращаются в алканы. Эта реакция протекает с выделением тепла, около 125,61 кДж на каждую двойную связь, и носит название - теплоты гидрирования. Попробуем использовать теплоту гидрирования для оценки термодинамической устойчивости бензола.

Реально существующие циклогексен, циклогексадиен и бензол гидрируются в циклогексан

Теплота гидрирования циклогексена составила 119,75 кДж. Тогда ожидаемое значение для циклогексадиена должно составить 119,75 х 2=239,50 кДж (в действительности 231,96 кДж). Если бы бензол имел три двойные связи (циклогексатриен Кекуле), то теплота гидрирования для него должна была бы быть 119,75 х 3=359,25 кДж. Экспериментальное же значение в последнем случае разительно отличается от ожидаемого. При гидрировании бензола выделяется лишь 208.51 кДж тепла, что меньше ожидаемого значения на 359,25 – 208.51=150,73 кДж. Эта энергия носит название энергии резонанса . Если при гидрировании бензола выделяется на 150,73 кДж меньше энергии от ожидаемого значения, то это означает лишь то, что сам бензол уже изначально содержит на 150,73 кДж меньше энергии, чем гипотетический циклогексатриен. Отсюда следует, что бензол не может иметь строения циклогексатриена. Стабильность молекулы бензола на величину энергии резонанса есть результат отсутствия в ней изолированных двойных связей и наличия единого электронного облака секстета р -электронов.

Приобретая благодаря выгодам своего строения высокую термодинамическую устойчивость, бензол в ходе химических реакций всячески стремится сохранить эту устойчивость. Понятно, что это может быть реализовано только при условии сохранения при химической реакции бензольного кольца в неизменном виде. Такую возможность предоставляют лишь реакции замещения и именно по этой причине для соединений ароматического ряда более характерны реакции замещения, чем присоединения. В ходе реакций электрофильного присоединения ароматическое соединение перестает быть ароматическим, теряет исключительную стабильность вместе с энергией резонанса, обуславливающей как раз эту стабильность. По этой причине ароматические соединения вступают в реакции присоединения гораздо труднее, чем, например, алкены. Другая особенность реакций присоединения с участием ароматических соединений – это их бескомпромиссность. Они либо не вступают в реакции присоединения, либо присоединяют сразу все. Об этом свидетельствует тот факт, что не удается получить из бензола продукты частичного гидрирования или хлорирования. Если уже эти реакции идут, то протекают таким образом, что сразу получаются продукты полного гидрирования или хлорирования

Такое развитие событий связано с тем, что единое электронное облако шести р -электронов у бензола или существует или не существует, промежуточные варианты для него исключены.