ХІМІЯ – Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання
РОЗДІЛ III. ОРГАНІЧНА ХІМІЯ
11. Вуглеводні
11.4. Арени
Арени – це органічні сполуки, молекули яких мають 6-членне циклічне угруповання атомів Карбону, котре називають бензеновим ядром, або бензеновим кільцем.
Інша назва – ароматичні вуглеводні. Прямого відношення до запахів (ароматів) цей термін не має. У давні часи пахучі (ароматні) речовини отримували із природних джерел. Наприклад, ванілін – основна діюча речовина ванілі – є похідною бензойної
Номенклатура аренів
Нумерація відбувається за годинниковою стрілкою. Для нумерації атомів Карбону в бензеновому ядрі дотримуються правил:
– для гомологів
– якщо замісники різні, використовують алфавітний порядок:
– у дизаміщених гомологах бензену для утворення тривіальних назв використовують префікси, які виділяють курсивом і відокремлюють дефісом:
Локанти замісників | Префікси |
1,2 | Орто – (о-) |
1,3 | Мета – (м-) |
1,4 | Пара – (п-) |
11.4.1. Бензен. Особливості будови молекули. Поняття про ароматичність
Молекула бензену – шість атомів Карбону (секстет) і шість атомів Гідрогену розміщені в одній площині й утворюють правильний шестикутник з кутом 120°. Незважаючи на ненасиченість зв’язків (бензен можна розглядати як циклогексатриен), така структура виявляє аномально високу стабільність (приблизно як і в циклогексану). Цю властивість називають ароматичністю1. Як уже вказувалось, термодинамічна стійкість бензенового ядра пояснюється спряженням і делокалізацією всіх шести π-електронів:
Тому зараз у хімічній літературі частіше користуються не формулою Ф. Кекуле2, а формулою Л. Полінга:
Крім бензену, його гомологів і похідних, ароматичні кільця мають інші карбоциклічні сполуки: т. зв. конденсовані аналоги бензену (нафталін, антрацен), а також азулен, фероцен – одна з найвідоміших металоорганічних сполук:
Ароматичними є також гетероциклічні сполуки – пірол, піридин, фуран, тіофен, індол, пурин3 (їхні гомологи і похідні) та багато інших речовин:
Гетероциклічними називають сполуки циклічної будови, у цикли молекул яких, окрім атомів Карбону, входять атоми інших елементів. Ці атоми називають гетероатомами.
Властивості бензену
За стандартних умов бензен – безбарвна речовина з характерним запахом, у воді не розчиняється, сама є добрим розчинником, токсична.
Ароматичний зв’язок визначає хімічні властивості бензену та інших аренів. Бензенове ядро стабілізується 6π-електронною системою, яка є стійкішою, ніж звичайний π-зв’язок. Тому реакції приєднання менш характерні, ніж для ненасичених вуглеводнів.
Приєднання (відбувається важче, ніж у ненасичених вуглеводнів) | ||
| Гідрування (гідрогенізація) | |
| Галогенування (Сl2, Вr2) | |
Заміщення (найхарактерніші реакції, які відбуваються легше, ніж у насичених вуглеводнів) | ||
| Нітрування | |
| Галогенування | |
| Сульфування | |
| Алкілування алкенами | |
| Алкілування галогеноалканами | |
| Алкілування спиртами | |
Окиснення | ||
Повне |
| Бензен стійкий до окиснювачів, на повітрі горить, виділяючи кіптяву; у кисні згоряє повністю |
Часткове |
| За наявності каталізатора V2O5 та t = 450 °С окислюється до малеїнового ангідриду |
Орієнтувальна дія замісників, наявних у молекулі бензину
Замісники І роду (електронодонорні) (орто – та параорієнтанти) | Замісники II роду (елекгроноакцепторні) (метаорієнтанти) |
|
|
Добування бензену
Бензен і його гомологи можуть міститись у нафті, а також серед продуктів коксування кам’яного вугілля: коксовий газ містить пари бензену і толуену, а кам’яновугільна смола – бензен, толуен, ксилени і феноли. Бензен (толуен і ксилоли) отримують каталітичним риформінгом і піролізом бензинових фракцій нафти. Гомологи бензену одержують також каталітичним крекінгом нафтопродуктів.
1. Дегідрування циклоалаканів над підігрітою платиною:
2. Дегідроциклізація алканів над оксидними каталізаторами:
3. Циклічна тримеризація ацетилену:
Застосування бензену
Бензен входить до десяти найважливіших сполук органічної хімії. Значну частину бензену використовують в органічному синтезі:
– етилбензену (компонента високооктанових бензинів, вихідної речовини у виробництві старену, каучуків);
– кумолу (проміжного продукту у виробництві фенолу, ацетону та інших сполук);
– циклогексану (сировини для отримання капролактаму, адипінової кислоти і циклогексанону; розчинника ефірних олій, лаків, фарб, екстрагента у фармацевтичній промисловості);
– нітробензену (розчинника, окиснювача, продукту для виробництва аніліну та інших сполук);
– барвників, лікарських препаратів, розчинників, отрутохімікатів (пестицидів).
Значну частину (іноді до 50%) бензинів становлять ароматичні сполуки, зокрема бензен, Стратегічним завданням є зменшення вмісту бензену (до 1 %) через його високу канцерогенність (при хронічних отруєннях).
___________________________________________________________
1 Е. Хюккель (1896-1980) – німецький фізик і хімік, один з основоположників квантової хімії. 1931 р. розробив квантово-механічний підхід для пояснення ароматичності (метод молекулярних орбіталей Хюккеля).
2 Ф. Кекуле (1829-1896)- німецький хімік-органік, засновник теорії валентності, 1865 р. запропонував структурну формулу бензену.
3 Див. главу 13.4. Білки.
(2 votes, average: 5,00 out of 5)