Химические свойства бензола. С чем взаимодействует бензол и их уравнения реакции Замещение бензола с азотной кислотой

n(C) = m(C) / M(C);

n(C) = 6 / 12 = 0,5 моль.

Рассчитаем количество вещества водорода:

n(H 2) = V(H 2) / V m ;

n(H 2) = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль.

Значит, количество вещества одного атома водорода будет равно:

n(H) = 2 × 0,25 = 0,5 моль.

Обозначим количество атомов углерода в молекуле углеводорода за «х», а количество атомов водорода за «у», тогда соотношение этих атомов в молекуле:

х: у = 0,5: 0,5 =1:1.

Тогда простейшая формула углеводорода будет выражаться составом СН. Молекулярная масса молекулы состава СН равна:

М(СН) = 13 г/моль

Найдем молекулярную массу углеводорода исходя из условий задачи:

M (C x H y) = ρ×V m ;

M (C x H y) = 3,482×22,4 = 78 г/моль.

Определим истинную формулу углеводорода:

k= M(C x H y)/ М(СН)= 78/13 =6,

следовательно, коэффициенты «х» и «у» нужно умножить на 6 и тогда формула углеводорода примет вид C 6 H 6 . Это бензол.

Циклическую структуру бензола впервые предложил Ф.А. Кекуле в 1865 г.

Фридрих Август Кекуле фон Страдониц - выдающийся немецкий химик XIX в. В 1854 г. он обнаружил первое органическое соединение, содержащее серу - тиоуксусную кислоту (тиоэтановую кислоту). Кроме того, он установил структуру диазосоединений. Олнако его наиболее известным вкладом в развитие химии является установление структуры бензола (1866). Кекуле показал, что двойные связи бензола чередуются по кольцу (эта идея впервые возникла у него во сне). Позже он показал, что два возможных расположения двойных связей идентичны и что бензольное кольцо представляет собой гибрид между этими двумя структурами. Таким образом, он предвосхитил представление о резонансе (мезомерии), которое появилось в теории химической связи в начале 1930-х гг.

Если бы бензол действительно имел такую структуру, то его 1,2-дизамещенные производные должны были иметь по два изомера. Например,

Однако ни у одного из 1,2-дизамещенных бензолов не удается выделить два изомера.

Поэтому впоследствии Кекуле предположил, что молекула бензола существует как две быстро переходящие друг в друга структуры:

Заметим, что в таких схематических изображениях молекул бензола и их производных обычно не указываются атомы водорода, присоединенные к углеродным атомам бензольного кольца.

В современной химии молекулу бензола рассматривают как резонансный гибрид из этих двух предельных резонансных форм (см. разд. 2.1). Другое описание молекулы бензола основано на рассмотрении ее молекулярных орбиталей. В разд. 3.1 было указано, что -электроны, находящиеся на -связывающих орбиталях, делокализованы между всеми атомами углерода бензольного кольца и образуют -электронное облако. В соответствии с таким представлением молекулу бензола можно условно изобразить следующим образом:

Экспериментальные данные подтверждают наличие у бензола именно такой структуры. Если бы бензол имел структуру, которую предположил первоначально Кекуле, с тремя сопряженными двойными связями, то бензол должен был вступать в реакции присоединения подобно алкенам. Однако, как было уже указано выше, бензол не вступает в реакции присоединения. Кроме того, бензол обладает большей устойчивостью, чем если бы он имел три изолированные двойные связи. В разд. 5.3 было указано, что энтальпия гидрирования бензола с образованием циклогексана имеет большее отрицательное

Таблица 18.3. Длина различных углерод-углеродных связей

Рис. 18.6. Геометрическое строение молекулы бензола.

значение, чем утроенная энтальпия гидрирования циклогексена. Разность этих величин принято называть энтальпией делокализации, резонансной энергией или энергией стабилизации бензола.

Все углерод-углеродные связи в бензольном кольце имеют одинаковую длину, которая меньше, чем длина связей С-С в алканах, но больше, чем длина связей С=С в алкенах (табл. 18.3). Это служит подтверждением тому, что углерод-углеродные связи в бензоле представляют собой гибрид между простыми и двойными связями.

Молекула бензола имеет плоскую структуру, которая изображена на рис. 18.6.

Физические свойства

Бензол при нормальных условиях - бесцветная жидкость, которая замерзает при 5,5 °С и кипит при 80 °С. Он имеет характерный приятный запах, но, как указывалось выше, сильно токсичен. Бензол не смешивается с водой и в системе бензол вода образует верхний из двух слоев. Однако он растворяется в неполярных органических растворителях и сам является хорошим растворителем других органических соединений.

Химические свойства

Хотя бензол вступает в определенные реакции присоединения (см. ниже), он не проявляет в них типичной для алкенов реакционной способности. Например, он не обесцвечивает бромную воду или раствор -ионов. Кроме того, бензол не

вступает в реакции присоединения с сильными кислотами, например с соляной или серной кислотой.

Вместе с тем бензол принимает участие в целом ряде реакций электрофильного замещения. Продуктами реакций этого типа являются ароматические соединения, поскольку в этих реакциях сохраняется делокализованная -электронная система бензола. Общий механизм замещения атома водорода на бензольном кольце каким-либо электрофилом описан в разд. 17.3. Примерами электрофильного замещения бензола являются его нитрование, галогенирование, сульфирование и реакции Фриделя-Крафтса.

Нитрование. Бензол можно нитровать (вводить в него группу ), обрабатывая его смесью концентрированных азотной и серной кислот:

Нитробензол

Условия проведения этой реакции и ее механизм описаны в разд. 17.3.

Нитробензол бледно-желтая жидкость с характерным миндальным запахом. При нитровании бензола кроме нитробензола образуются еще кристаллы 1,3-динитробензола, который является продуктом следующей реакции:

Галогенирование. Если смешать бензол в темноте с хлором или бромом, не произойдет никакой ракции. Однако в присутствии катализаторов, обладающих свойствами кислот Льюиса, в таких смесях протекают реакции электрофильного замещения. Типичными катализаторами этих реакций являются бромид железа (III) и хлорид алюминия. Действие этих катализаторов заключается в том, что они создают поляризацию в молекулах галогенов, которые затем образуют комплекс с катализатором:

хотя прямых доказательств того, что при этом образуются свободные ионы не существует. Механизм бромирования бензола с помощью бромида железа (III) в роли переносчика ионов можно представить следующим образом:

Сульфирование. Бензол можно сульфировать (замещать в нем атом водорода на сульфогруппу) путем кипячения с обратным холодильником в течение нескольких часов его смеси с концентрированной серной кислотой. Вместо этого бензол можно осторожно нагревать в смеси с дымящей серной кислотой. Дымящая серная кислота содержит триоксид серы. Механизм этой реакции можно представить схемой

Реакции Фриделя-Крафтса. Реакциями Фриделя-Крафтса первоначально называли реакции конденсации между ароматическими соединениями и алкилгалогенидами в присутствии катализатора-безводного хлорида алюминия.

В реакциях конденсации две молекулы реагентов (или одного реагента) соединяются между собой, образуя молекулу нового соединения, при этом от них отщепляется (элиминирует) молекула какого-либо простого соединения, например воды или хлороводорода.

В настоящее время реакцией Фриделя-Крафтса называют любое электрофильное замещение ароматического соединения, в котором роль электрофила играет какой-либо карбкатион или сильно поляризованный комплекс с положительно заряженным атомом углерода. Электрофильным агентом, как правило, служит алкилгалогенид или хлорид какой-либо карбоновой кислоты, хотя точно так же им может быть, например, алкен либо спирт. В качестве катализатора этих реакций обычно используется безводный хлорид алюминия. Реакции Фриделя-Крафтса принято подразделять на два типа: алкилирование и ацилирование.

Алкилирование. В реакциях Фриделя-Крафтса этого типа происходит замещение одного или нескольких атомов водорода в бензольном кольце на алкильные группы. Например, при осторожном нагревании смеси бензола с хлорометаном в присутствии безводного хлорида алюминия образуется метилбензол. Хлорометан играет в этой реакции роль электрофильного агента. Он поляризуется хлоридом алюминия таким же образом, как это происходит с молекулами галогенов:

Механизм рассматриваемой реакции может быть представлен следующим образом:

Следует обратить внимание на то, что в этой реакции конденсации между бензолом и хлорометаном происходит отщепление молекулы хлороводорода. Отметим также, что реальное существование метального карбкатиона в виде свободного иона сомнительно.

Алкилирование бензола хлорометаном в присутствии катализатора - безводного хлорида алюминия не завершается образованием метилбензола. В этой реакции происходит дальнейшее алкилирование бензольного кольца, приводящее к образованию 1,2-диметилбензола:

Ацилирование. В реакциях Фриделя-Крафтса этого типа происходит замещение атома водорода в бензольном кольце на ацильную группу, в результате чего образуется ароматический кетон.

Ацильная группа имеет общую формулу

Систематическое название ацильного соединения образуется путем замены суффикса и окончания -овая в названии соответствующей карбоновой кислоты, производным которой является данное ацилъное соединение, на суффикс -(о) ил. Например

Ацилирование бензола проводится с помощью хлорида или ангидрида какой-либо карбоновой кислоты в присутствии катализатора-безводного хлорида алюминия. Например

Эта реакция представляет собой конденсацию, в которой происходит отщепление молекулы хлороводорода. Отметим также, что название «фенил» часто используется для обозначения бензольного кольца в соединениях, где бензол не является главной группой:

Реакции присоединения. Хотя для бензола наиболее характерны реакции электрофильного замещения, он вступает также в некоторые реакции присоединения. С одной из них мы уже познакомились. Речь идет о гидрировании бензола (см. разд. 5.3). При пропускании смеси бензола с водородом над поверхностью тонкоизмельченного никелевого катализатора при температуре 150-160 °С происходит целая последовательность реакций, которая завершается образованием циклогексана. Суммарное стехиометрическое уравнение этой реакции можно представить следующим образом:

Под действием ультрафиолетового излучения или прямого солнечного света бензол вступает также в реакцию присоединения с хлором. Эта реакция осуществляется по сложному радикальному механизму. Ее окончательным продуктом является 1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан:

Аналогичная реакция протекает между бензолом и бромом под действием ультрафиолетового излучения или солнечного света.

Окисление. Бензол и бензольное кольцо в других ароматических соединениях, вообще говоря, устойчивы к окислению даже такими сильными окислителями, как кислый или щелочный раствор перманганата калия. Однако бензол и другие ароматические соединения сгорают в воздухе или в кислороде с образованием очень дымного пламени, что характерно для углеводородов с высоким относительным содержанием углерода.

АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

К ароматическим соединениям, или аренам, относится большая группа соединений, молекулы которых содержат устойчивую циклическую группировку (бензольное кольцо), обладающую особыми физическими и химическими свойствами.

К таким соединениям относятся прежде всего бензол и его многочисленные производные.

Термин "ароматические" вначале использовался применитель­но к продуктам природного происхождения, которые имели ароматный запах. Поскольку среди этих соединений было много таких, которые включали бензольные кольца, термин "аромати­ческие" стали применять к любым соединениям (в том числе имеющих и неприятный запах), содержащих бензольное кольцо.

Бензол, его электронное строение

По формуле бензола С 6 Н 6 можно предположить, что бензол является сильно ненасыщенным соединением, аналогич­ным, например, ацетилену. Однако химические свойства бензола не подтверждают такого предположения. Так, при обыч­ных условиях, бензол не дает реакций, характерных для непре­дельных углеводородов: не вступает в реакции присоединения с галогенводородами, не обесцвечивает раствор марганцево-кислого калия. В то же время бензол вступает в реакции заме­щения аналогично предельным углеводородам.

Эти факты говорят о том, что, бензол частично сходен с предельными, частично с непредельными углеводородами и в то же время отличается от тех и других. Поэтому в течение длительного времени между учеными происходили оживленные дискуссии по вопросу о строении бензола.

В 60-е гг. прошлого столетия большинство химиков признали теорию циклического строения бензола на основании факта, что однозамещенные производные бензола (например, бромбензол) не имеют изомеров.

Наибольшее признание получила формула бензола, предло­женная в 1865 г. немецким химиком Кекуле, в которой двой­ные связи в кольце углеродных атомов бензола чередуются с простыми, причем, по гипотезе Кекуле, простые и двойные связи непрерывно перемещаются:

Однако формула Кекуле не может объяснить, почему бензол не проявляет свойств непредельных соединений.

Согласно современным представлениям молекула бензола имеет строение плоского шестиугольника, стороны которого равны между собой и составляют 0,140 нм. Это расстояние является средним значением между величинами 0,154 нм (длина одинарной связи) и 0,134 нм (длина двойной связи). Не только углеродные атомы, но и связанные с ними шесть атомов водорода лежат в одной плоскости. Углы, образован­ные связями Н - С - С и С - С - С равны 120 °.

Атомы углерода в бензоле находятся в sр 2 -гибрндизации, т.е. из четырех орбиталей атома углерода гибридизированными являются только три (одна 2s- и две 2 р-), которые принимают участие в образовании σ-связей между углеродными атомами. Четвертая 2 р-орбиталь перекрывается с 2 р -орбиталями двух соседних углеродных атомов (справа и слева), шесть делокализованных π-электронов, находящихся на гантелеобразных орбиталях, оси которых перпендикулярны плоскости бензольного кольца, образуют единую устойчивую замкнутую электронную систему.

В результате образования замкнутой электронной системы всеми шестью углеродными атомами, происходит "выравнивание" про­стых и двойных связей, т.е. в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи. Равномерное распре­деление π-электронной плотности между всеми углеродными атомами и является причиной высокой устойчивости молекулы бензола. Чтобы подчеркнуть выравненность π-электронной плотности в молекуле бензола, прибегают к такой формуле:

Номенклатура и изомерия ароматических углеводородов ряда бензола

Общая формула гомологического ряда бензола С n Н 2 n -6 .

Первый гомолог бензола - метилбензол, или толуол, С 7 Н 8

не имеет изомеров положения, как и все другие однозамещенные производные.

Второй гомолог С 8 Н 10 может существовать в четырех изомерных формах: этилбензол С 6 Н 5 -С 2 Н 5 и три диметилбензола, или ксилола, С б Н 4 (СН 3) 2 (орто-, мета- и пара -ксилолы, или 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензолы):

Радикал (остаток) бензола С 6 Н 5 - носит название фенил ; названия радикалов гомологов бензола производят от названий соответствующих углеводородов, до­бавляя к корню суффикс -ил (толил, ксилил и т. д.) и обозна­чая буквами (о-, м-, п-) или цифрами положение боковых це­пей. Общее название для всех ароматических радикалов арилы аналогично названию алкилы для радикалов алканов. Ра­дикал С 6 Н 5 -СН 2 - называется бензил.

Называя более сложные производные бензола из возможных порядков ну­мерации выбирают тот, при котором сумма цифр номеров за­местителей будет наименьшей. Например, диметил этил бензол строения

следует назвать1,4-диметил-2-этилбензол (сумма цифр равна 7), а не 1,4-диметил-6-этилбензол (сумма цифр равна 11).

Названия высших гомологов бензола часто производят не от названия ароматического ядра, а от названия боковой цепи, т. е. рассматривают их как производные алканов:

Физические свойства ароматических углеводородов ряда бензола

Низшие члены гомологического ряда бензола представля­ют собой бесцветные жидкости с характерным запахом. Плот­ность и показатель преломления у них значительно выше, чем у алканов и алкенов. Температура плавления тоже заметно выше. Из-за высокого содержания углерода все аро­матические соединения горят сильно коптящим пламенем. Все ароматические углеводороды нерастворимы в во­де и хорошо растворимы в большинстве органических раствори­телей: многие из них хорошо перегоняются с водяным паром.

Химические свойства ароматических углеводородов ряда бензола

Для ароматических углеводородов наиболее характерны реак­ции замещения водорода в ароматическом кольце. В реакции присоединения ароматические углеводороды вступают с боль­шим трудом при жестких условиях. Отличительной особеннос­тью бензола является его значительная стойкость по отношению к окислителям.

Реакции присоединения

Присоединение водорода

В отдельных ред­ких случаях бензол способен к реакциям присоединения. Гид­рирование, т. е. присоединение водорода, происходит при дей­ствии водорода в жестких условиях в присутствии катализато­ров (Ni, Pt, Pd). При этом молекула бензола присоединяет три молекулы водорода с образованием циклогексана:

Присоединение галогенов

Если раствор хлора в бензоле подвергнуть действию солнечно­го света или ультрафиолетовых лучей, то происходит ради­кальное присоединение трех молекул галогена с образованием сложной смеси стереоизомеров гексахлорциклогексана:

Гексахлорциклогексаи (товарное название гексахлоран) в на­стоящее время находит применение как инсектицид - вещества, уничтожающие насекомых, являющихся вредителями сельского хозяйства.

Реакции окисления

Бензол еще более стоек к действию окислителей, чем предельные углеводороды. Он не окисляется разбавленной азотной кислотой, раствором КМпО 4 и т.д. Гомологи бензола окисляются значительно легче. Но и в них бензольное ядро относительно более устойчиво к действию окислителей, чем соединенные с ним углеводородные радикалы. Существует пра­вило: любой гомолог бензола с одной боковой цепью окисляется в одноосновную (бензойную) кислоту:

Гомологи бензола с несколькими боковыми цепями любой сложности окисляются с образованием многоосновных аромати­ческих кислот:

Реакции замещения

1. Галогенирование

В обычных условиях ароматические углеводороды практически не реагируют с гало­генами; бензол не обесцвечивает бромной воды, но в присутствии катализаторов (FeCl 3 , FеВг 3 , АlCl 3) в безводной среде хлор и бром энергично вступают в реакцию с бензолом при комнатной температуре:

Реакция нитрования

Для реакции применяют концентри­рованную азотную кислоту, часто в смеси с концентрированной серной кислотой (катализатор):

В незамещенном бензоле реакционная способность всех шести атомов углерода в реакциях замещения одинакова; заместители могут присоединяться к любому углеродному атому. Если же в бензольном ядре уже имеется заместитель, то под его влиянием состояние ядра изменяется, и положение, в которое вступает любой новый заместитель, зависит от природы первого замести­теля. Из этого следует, что каждый заместитель в бензольном ядре проявляет определенное направляющее (ориентирующее) влияние и способствует введению новых заместителей лишь в определенные по отношению к себе положения.

По направляющему влиянию различные заместители подраз­деляются на две группы:

а) заместители первого рода:

Они направляют любой новый заместитель в орто- и пара-по­ложения по отношению к себе. При этом они почти все умень­шают устойчивость ароматической группировки и облегчают как реакции замещения, так и реакции бензольного ядра:

б) заместители второго рода:

Они направляют любой новый заместитель в мета-положение по отношению к себе. Они увеличивают устойчивость аромати­ческой группировки и затрудняют реакции замещения:

Таким образом, ароматический характер бензола (и других аренов) выражается в том, что это соединение, по составу яв­ляясь непредельным, в целом ряде химических реакций про­являет себя как предельное соединение, для него характерны химическая устойчивость, трудность реакций присоединения. Только в особых условиях (катализаторы, облучение) бензол ведет себя так, как будто в его молекуле имеются три двойные связи.