Лекция 9: Ароматические углеводороды

План лекции:

1. Общая характеристика, гомологический ряд

2. Изомерия, номенклатура

3. Физико – химические свойства

Ароматические углеводороды (арены) – это органические соединения, в молекулах которых имеется одно или несколько бензольных колец. Бензольное кольцо, или ядро, – циклическая группа атомов углерода с особым характером связей. Общая формула - C_nH_2n-6.

Представители могут быть моноядерными, например,   С₆H₆ – бензол, родоначальник гомологического ряда аренов

или С₆H₅ – CH₃ – толуол (метилбензол)

А также многоядерными (конденсированными), например, нафталин

Первую структурную формулу бензола предложил в 1865 г. немецкий химик Ф.А.Кекуле:

Атомы С в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя часто его рисуют вытянутым. Приведенная формула правильно отражает равноценность шести атомов С, однако не объясняет ряд особых свойств бензола. 1. Несмотря на ненасыщенность, он не проявляет склонности к реакциям присоединения, ему свойственны реакции замещения. 2. Не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, т.е. ему не свойственны типичные для непредельных соединений качественные реакции.

В структурной формуле Кекуле – три одинарные и три двойные чередующиеся углерод-углеродные связи. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы, так как в действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны.

Изомерия, номенклатура

Изомерия обусловлена изомерией углеродного скелета имеющихся радикалов и их взаимным положением в бензольном кольце. Нумерацию начинают с одного из заместителей так, чтобы сумма номеров заместителей была минимальна. Если соединение содержит два заместителя у бензольного кольца, то располагаться они могут тремя разными способами друг относительно друга. Положение двух заместителей указывают с помощью приставок: орто- (о-), если они находятся у соседних углеродных атомов (положение 1, 2-), мета- (м-) для разделенных одним атомом углерода (1, 3-) и пара- (п-) для находящихся напротив друг друга (1, 4-). Например, для диметилбензола (ксилола):

орто-ксилол (1,2-диметилбензол)

мета-ксилол (1,3-диметилбензол)

пара-ксилол (1,4-диметилбензол)

Радикалы ароматических углеводородов называют арильными радикалами. Радикал С₆Н₅ — называется фенил.

Физические свойства

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне.

Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах. Бензол – яд, легкокипящая (t_кип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом. Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.

Химические свойства

Ароматическая связь определяет химические свойства бензола и других ароматических углеводородов. Несмотря на наличие существенной степени ненасыщенности, ароматические соединения не вступают в реакции присоединения, характерные для алкенов. Вместо этого имеют место реакции замещения, когда один или несколько атомов водорода при кольце замещаются на другие атомы или группы атомов. Эти и другие реакции, протекающие с бензоидными ароматическим соединениями, можно классифицировать следующим образом.

1. Реакции окисления:

а) горение (полное). На воздухе бензол горит сильно коптящим пламенем из-за неполного сгорания.

2C₆H₆ + 15O₂ 12CO₂ + 6H₂O
C₆H₅—CH₃ + 9O₂ 7CO₂ + 4H₂O
б) неполное окисление толуола раствором перманганата калия.

C₆H₅—CH₃ + 3[O] C₆H₅—COOH + H₂O

2. Реакции замещения:

а) галогенирование. При взаимодействии бензола с галогеном (в данном случае с хлором) атом водорода ядра замещается галогеном.

 + Cl₂  –AlCl₃ (хлорбензол) + H₂O

C6H5—CH3 + 3Br2

+ 3HBr

У гомологов бензола галогенирование на свету приводит к замещению атомов водорода в радикале.

C₆H₅—CH₃ + Cl₂ C₆H₅—CH₂Cl + HCl

б) нитрование:

C₆H₆ + HONO₂ C₆H₅—NO₂ + H₂O (смесь орто- и пара-изомеров)

C6H5—CH3 + 3HONO2(конц.)

+ 3H2O

3. Реакции присоединения:

а) гидрирование:

	+ 3H2
C6H5—CH3 +3H2

б) галогенирование протекает под действием УФ-излучения с образованием твердого продукта – гексахлорциклогексана (гексахлорана) – C₆H₆Cl₆)

C6H6 + 3Cl2