Физические и химические свойства аренов

Важнейшим фактором, определяющим химические свойства молекулы, является распределение в ней электронной плотности. Характер распределения зависит от взаимного влияния атомов.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!
  • В молекулах, имеющих только σ-связи, взаимное влияние атомов осуществляется через индуктивный эффект. 
  • В молекулах, представляющих собой сопряженные системы, проявляется действие мезомерного эффекта. 
  • Влияние заместителей, передающееся по сопряженной системе π -связей, называется мезомерным (М) эффектом.

В молекуле бензола p -электронное облако распределено равномерно по всем атомам углерода за счет сопряжения. Если же в бензольное кольцо ввести какой-нибудь заместитель, это равномерное распределение нарушается и происходит перераспределение электронной плотности в кольце. Место вступления второго заместителя в бензольное кольцо определяется природой уже имеющегося заместителя.

Заместители подразделяют на две группы в зависимости от проявляемого ими эффекта (мезомерного или индуктивного): электронодонорные и электроноакцепторные.

1. Электронодонорные заместители проявляют +М- и +I-эффект и повышают электронную плотность в сопряженной системе.

К ним относятся гидроксильная группа —ОН и аминогруппа —NН2. Неподеленная пара электронов в этих группах вступает в общее сопряжение с p -электронной системой бензольного кольца и увеличивает длину сопряженной системы. В результате электронная плотность сосредоточивается в орто- и пара-положениях: 

Физические и химические свойства аренов

Алкильные группы  не могут участвовать в общем сопряжении, но они проявляют +I-эффект, под действием которого происходит аналогичное перераспределение p -электронной плотности.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Как в ворде добавить строку в таблице

Оценим за полчаса!

2. Электроноакцепторные заместители проявляют -М-эффект и снижают электронную плотность в сопряженной системе.

К ним относятся нитрогрупла —NO2, сульфогруппа —SO3Н, альдегидная —СНО и карбоксильная —СООН группы. Эти заместители образуют с бензольным кольцом общую сопряженную систему, но общее электронное облако смещается в сторону этих групп. Таким образом, общая электронная плотность в кольце уменьшается, причем меньше всего она уменьшается в мета-положениях:

Физические и химические свойства аренов

  1. Полностью галогенизированные алкильные радикалы (например, —ССl3) проявляют -I-эффект и также способствуют понижению электронной плотности кольца. 
  2. Закономерности преимущественного направления замещения в бензольном кольце называют правилами ориентации. 
  3. I. Заместители, обладающие +Iэффектом или эффектом, способствуют электрофильному замещению в орто- и пара-положениях бензольного кольца и называются заместителями (ориентантами) первого рода:

Физические и химические свойства аренов 

II. Заместители, обладающие -I-эффектом или -М-эффектом, направляют электрофильное замещение в мета-положения бензольного кольца и называются заместителями (ориентантами) второго рода:

Физические и химические свойства аренов 

Так, толуол, содержащий заместитель первого рода, нитруется и бромируется в пара- и орто-положения:

Физические и химические свойства аренов 

Нитробензол, содержащий заместитель второго рода, нитруется и бромируется в мета-положение: 

Физические и химические свойства аренов

  • Помимо ориентирующего действия заместители оказывают влияние и на реакционную способность бензольного кольца: ориентанты 1-го рода (кроме галогенов) облегчают вступление второго заместителя; ориентанты 2-го рода (и галогены) затрудняют его
  • Все заместители 2-го рода, уменьшая электронную плотность в бензольном кольце, снижают его активность в реакциях электрофильного замещения.
  • Таким образом, легкость электрофильного замещения для соединений (приведенных в качестве примеров) уменьшается в ряду:
  • толуол С6H5CH3   >   бензол C6H6   >   нитробензол C6H5NO2.
  • 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 вих молекулах.

Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице. 

Таблица. Физические свойства некоторых аренов

Название Формула t°.пл.,
°C
t°.кип.,
°C
Бензол C6H6 +5,5 80,1
Толуол (метилбензол) С6Н5СH3 -95,0 110,6
Этилбензол С6Н5С2H5 -95,0 136,2
Ксилол (диметилбензол) С6Н4(СH3)2
орто- -25,18 144,41
мета- -47,87 139,10
пара- 13,26 138,35
Пропилбензол С6Н5(CH2)2CH3 -99,0 159,20
Кумол (изопропилбензол) C6H5CH(CH3)2 -96,0 152,39
Стирол (винилбензол) С6Н5CH=СН2 -30,6 145,2

Бензол – легкокипящая (tкип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде

Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.

  1. Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.
  2. Химические свойства аренов 
  3. I. РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ 
  4. 1. Горение (коптящее пламя):                       
  5. 2C6H6 + 15O2 t →  12CO2 + 6H2O + Q
  6. 2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки 
  7. 3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку): 
  8. А) в кислой среде до бензойной кислоты

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Физические и химические свойства аренов

Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновные кислоты:

Физические и химические свойства аренов

  • 5C6H5-C2H5 + 12KMnO4 + 18H2SO4 → 5C6H5COOH + 5CO2 + 6K2SO4 + 12MnSO4+28H2O
  • 5C6H5-CH3 + 6KMnO4 + 9H2SO4 → 5C6H5COOH + 3K2SO4 + 6MnSO4 +14H2O
  • Упрощённо:             
  • C6H5-CH3 + 3O    KMnO4   →    C6H5COOH + H2O
  • Б) в нейтральной и слабощелочной до солей бензойной кислоты
  • C6H5-CH3 + 2KMnO4 → C6H5COOК + KОН + 2MnO2 + H2O 
  • II. РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ  (труднее, чем у алкенов)
  • 1. Галогенирование                   
  • C6H6 +3Cl2 hν → C6H6Cl6 (гексахлорциклогексан — гексахлоран)

Физические и химические свойства аренов

2. Гидрирование               

C6H6 + 3H2      t,Pt или Ni →    C6H12 (циклогексан)

Физические и химические свойства аренов

3. Полимеризация

  1. III. РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ – ионный механизм(легче, чем у алканов) 
  2. 1. Галогенирование — 
  3. a) бензола                
  4. C6H6 + Cl2  AlCl3→ C6H5—Cl + HCl    (хлорбензол) 

C6H6 + 6Cl2  t ,AlCl3→  C6Cl6 + 6HCl   (гексахлорбензол)                 

C6H6 + Br2  t,FeCl3→ C6H5-Br + HBr   (бромбензол)

б) гомологов бензола при облучении или нагревании

По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму.

Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи.

Читайте также:  Свойства логарифмов и их формулы

Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).                         

1) C6H5-CH3 + Cl2 hν→  C6H5-CH2-Cl + HCl 

2) 

 

  • в) гомологов бензола в присутствии катализатора                         
  • C6H5—CH3 + Cl2   AlCl3→ (смесь орта, пара производных) +  HCl
  • 2. Нитрование (с азотной кислотой)                        
  • C6H6 + HO-NO2   t, H2SO4→   C6H5-NO2 + H2O
  •                                     нитробензолзапахминдаля!
  1. C6H5-CH3 + 3HO-NO2   t, H2SO4→      СH3-C6H2(NO2)3 + 3H2O
  2. 2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)

Источник: http://www.yoursystemeducation.com/elektronnye-effekty-fizicheskie-i-ximicheskie-svojstva-arenov/

Ароматические углеводороды (Арены)

АРЕНЫ (АрУ)– карбоциклические соединения, содержащие в молекуле специфическую систему чередующихся двойных и одинарных связей (сопряженных π-связей).

Общая формула CnH2n-6

Ароматические углеводороды (Арены) являются ненасыщенными циклическими соединениями и представлены в нефтях следующими углеводородами:

  1. моноциклическими (бензольными) – СnНn;
  2. бициклическими (нафталиновыми) – СnНn-2;
  3. трициклическими (антраценовыми) – СnНn-4
  4. тетрациклическими (пиреновыми) – СnНn-6.

В основном все они представлены алкилпроизводными изомерами и содержатся во фракциях нефти в соответствии с их температурами кипения.

В среднем для нефтей характерно следующее соотношение этих групп  углеводородов: 

  • бензольные – 67%, 
  • нафталиновые – 18%,
  • фенантреновые – 8%,
  • пиреновые – 5%,
  • прочие – 2%.

Строение

Основой названия ароматического углеводорода с небольшим заместителем является бензол. Атомы в ароматическом кольце нумеруют, начиная от старшего заместителя к младшему по кратчайшему пути.

  • Физические и химические свойства аренов
  • Строение аренонов представлено бензолом и его гомологами – продуктами замещения одного или более атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные остатки.
  • Гомологи – вещества, относящиеся к одному классу соединений, имеющие сходные химические свойства и отличающиеся на одну или несколько СН2 групп.

Физические и химические свойства ареновАрены: бензол и его гомологи

Существуют также соединения, молекулы которых содержат несколько циклических структур:

Физические и химические свойства ареновЦиклические молекулы

Изомеры

Для гомологов бензола характерна изомерия положения нескольких заместителей.

Физические и химические свойства ареновИзомеры

Свойства

Физические

К характерным свойствам следует отнести:

  1. высокую плотность (880 – 900 кг/м3),
  2. большой показатель преломления (1,5 – 1,55)
  3. минимальное соотношение Н:С (5 – 8 %), т.е. низкие энергетические свойства.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Фракционный состав нефти

Физические свойства ароматических углеводородов существенно зависят от числа, места и молекулярной массы боковых заместителей и числа циклов. Такое резкое отличие их свойств часто используют для разделения этих углеводородов физическими методами.

Бензол и его простейшие гомологи в обычных условиях – токсичные жидкости с характерным запахом. Они плохо растворяются в воде, но хорошо  в органических растворителях.

Первые члены гомологического ряда бензола (например, толуол, этилбензол и др.) – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ.

Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода в их молекулах.

Химические

Для аренов наиболее характерны реакции электрофильного замещения –

  • галогенирование,
  • нитрование,
  • сульфирование,
  • алкилирование (получение хлорбензола, нитробензола, этилбензола др. соединений).

При высоких парциальных давлениях водорода в присутствии катализаторов арены насыщаются до нафтенов.

Физические и химические свойства аренов Физические и химические свойства аренов Физические и химические свойства аренов Физические и химические свойства аренов Физические и химические свойства аренов

Получение

Ароматические углеводороды нефтяного происхождения (содержащиеся в природной нефти и образующиеся во вторичных процессах термокаталитической переработки фракций нефти) являются основным исходным сырьем для огромного числа нефтехимических производств получения ценных продуктов.

Из общего производства аренов в мире 29 млн. т/г. (2005-е годы) 87-92% вырабатывалось из нефти.

Физические и химические свойства аренов

Применение

  1. Бензол в основном идет на производство этилбензола, из которого каталитическим дегидрированием при 600 °С получают стирол – исходный мономер для производства каучуков и ценных полимеров:
  2. Для производства других ценных продуктов – фенола и ацетона пользуют кумол (изопропилбензол), который окисляют в пероксид, разложением которого кислотой получают фенол и ацетон.
  3. Из кумола каталитическим дегидрированием получают такой ценный мономер для производства каучуков, как α-метилстирол.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Асфальт

Значение АрУ в нефтепродуктах различно. Так, в бензинах присутствие (до 30% масс.) желательно и необходимо, так как придает бензинам хорошие моторные свойства – повышает детонационную стойкость. С этой целью в товарные бензины часто добавляют толуол или ксилолы.

В авиационных керосинах содержание АрУ ограничивают (в зависимости от марки топлива) 10-20% масс. из-за их низкой теплоты сгорания и способности давать нагар в двигателе сгорании. Допустимое количество АрУ обусловлено необходимостью иметь авиакеросины с повышенной плотностью.

В дизельных топливах содержание АрУ ограничивают из-за их нагарообразующих свойств и плохой воспламеняемости является очень важной характеристикой этих топлив.

В маслах высокомолекулярные и алкилсодержащие  АрУ с боковыми цепями изомерного строения –  нежелательный  компонент,  так  как они  ухудшают вязкостно-температурную характеристику масел (индекс вязкости) и обусловливают образование лаково-смолистых отложений на трущихся поверхностях. АрУ удаляют из масел в процессе очистки масляных дистиллятов и деасфальтизатов.

Остаются в маслах лишь АрУ с длинными боковыми цепями и “гибридные” полициклические углеводороды, в которых преобладают   насыщенные циклы, поскольку свойства углеводородов приближаются соответственно к свойствам алканов и цикланов.

Распределение по фракциям нефти

Распределение АрУ по фракциям нефтей зависит от степени ароматизированности нефти, выражающейся в ее плотности.

  • В легких нефтях, богатых алканами, АрУ представлены в основном легкими моно- и бициклическими, и их общее содержание максимально в начальных фракциях и снижается к более высококипящим. 
  • В нефтях средней плотности, богатых нафтеновыми углеводородами, распределение АрУ более равномерно, а в тяжелых смолистых нефтях картина обратная: содержание АрУ в низкокипящих фракциях невелико и нарастает в высококипящих.
  • В бензиновых фракциях нефти (30-200 °С) содержатся в основном бензольные АрУ (С6-C9).
  • В керосиновых фракциях (150-300 °С) кроме бензольных присутствуют нафталиновые АрУ (С10-С16), а в тяжелых дистиллятных фракциях (350-500 °С) – главным образом нафталиновые и антраценовые.
  • В остатках нефти (выше 500 °С) концентрируются полицик­лические АрУ с числом циклов от трех до семи, причем “чистые” АрУ здесь уступают место “гибридным”, сочетающим в себе насыщенные и ненасыщенные циклы.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Твердые горючие ископаемые

Простейшие из них (индан, тетралин, флуорен и другие би- и трициклические соединения) содержатся в керосино-газойлевых фракциях нефти (150 – 350оС).  

Гибридные соединения

В «гибридных» соединениях ароматические циклы имеют обычно метильные заместители, а нафтеновые – более длинные боковые цепи.

В остальных фракциях нефти (выше 500оС) и особенно в составе смол и асфальтенов концентрируются полициклические АрУ с числом циклов 4 и более, такие как пирен, хризен, бенз-α-пирен и другие, являющиеся канцерогенными веществами.

Cодержание аренов в нефтях России

Общее содержание аренов в нефтях России (с учетом «гибридных») составляет 35 – 40 % – для тяжелых нафтено – ароматических нефтей и около 20 % – для высокопарафинистых.

Источник: https://pronpz.ru/neft/areny.html

Бензол и его гомологи

Арены — ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец. Бензольное кольцо составляют 6 атомов углерода, между которыми чередуются двойные и одинарные связи.

Важно заметить, что двойные связи в молекуле бензола не фиксированы, а постоянно перемещаются по кругу.

Арены также называют ароматическими углеводородами. Первый член гомологического ряда — бензол — C6H6. Общая формула их гомологического ряда — CnH2n-6.

Физические и химические свойства аренов

Долгое время структурная формула бензола оставалась тайной. Предложенная Кекуле формула с двумя тройными связями не могла объяснить то, что бензол не вступает в реакции присоединения. Как уже было сказано выше, по современным представлениям, двойные связи в молекуле постоянно перемещают, поэтому правильнее рисовать их в виде кольца.

За счет чередования двойных связей в молекуле бензола формируется сопряжение. Все атомы углерода находятся в состоянии sp2 гибридизации. Валентный угол — 120°.

Номенклатура и изомерия аренов

Названия аренов формируются путем добавления названий заместителей к главной цепи — бензольному кольцу: бензол, метилбензол (толуол), этилбензол, пропилбензол и т.д. Заместители, как обычно, перечисляются в алфавитном порядке. Если в бензольном кольце несколько заместителей, то выбирают кратчайший путь между ними.

Физические и химические свойства аренов

Для аренов характерна структурная изомерия, связанная с положением заместителей. Например, два заместителя в бензольном кольце могут располагаться в разных положениях.

Название положения заместителей в бензольном кольце формируется на основе их расположения относительно друг друга. Оно обозначается приставками орто-, мета- и пара. Ниже вы найдете мнемонические подсказки для их успешного запоминания 😉

Физические и химические свойства аренов

Получение аренов

Арены получают несколькими способами:

  • Реакция Зелинского (тримеризация ацетилена)
  • Данная реакция протекает при пропускании ацетилена над активированным углем при t = 400°C. В результате образуется ароматический углеводород — бензол. Физические и химические свойства аренов В случае, если к ацетилену добавить пропин, то становится возможным получение толуола. Увеличивая долю пропина, в конечном итоге можно добиться образования 1,3,5-триметилбензола. Физические и химические свойства аренов

  • Дегидроциклизация алканов
  • В ходе таких реакций, протекающих при повышенной температуре и в присутствии катализатора — Cr2O3, линейная структура алкана замыкается в цикл, отщепляется водород. Физические и химические свойства аренов При дегидроциклизации гептана получается толуол. Физические и химические свойства аренов

  • Дегидрирование циклоалканов
  • В результате дегидрирования уже «готовых» циклов — циклоалканов, отщепляются 3 моль водорода, и образуется соответствующий арен, с теми же заместителями, которые были у циклоалкана. Физические и химические свойства аренов

  • Синтез Дюма
  • Синтез Дюма заключается в сплавлении солей карбоновых кислот с щелочами. В результате такой реакции возможно образование различных органических веществ, в том числе аренов. Физические и химические свойства аренов

Химические свойства аренов

Арены — ароматические углеводороды, которые содержат бензольное кольцо с сопряженными двойными связями. Эта особенность делает реакции присоединения тяжело протекающими (и тем не менее возможными!)

Запомните, что, в отличие от других непредельных соединений, бензол и его гомологи не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия.

  • Гидрирование
  • При повышенной температуре и наличии катализатора, водород способен разорвать двойные связи в бензольном кольце и превратить арен в циклоалкан. Физические и химические свойства аренов

  • Галогенирование
  • Реакция бензола с хлором на свету приводит к образованию гексахлорциклогексана, если же использовать только катализатор, то образуется хлорбензол. Реакции с толуолом протекают иначе: при УФ-свете хлор направляется в радикал метил и замещает атом водорода в нем, при действии катализатора хлор замещает один атом водорода в бензольном кольце (в орто- или пара-положении). Почему хлор направляется именно в орто- и пара-положения относительно метильной группы? Здесь самое время коснуться темы ориентантов I (орто-, пара-ориентантов) и II порядков (мета-ориентанты). К ориентантам первого порядка относятся группы: NH2, OH, OR, CR3, CHR2, CH 2R, галогены. К ориентантам второго: NO2, CN, SO3H, CCl3, CHO, COOH, COOR. Например, ориентант I порядка, гидроксогруппа OH, обеспечивает протекание хлорирования в орто- и пара-положениях. А карбоксильная группа COOH, ориентант II порядка, обуславливает хлорирование в мета-положениях.

  • Нитрование
  • Арены вступают в реакции нитрования, протекающие при повышенной температуре и в присутствии серной кислоты, обладающей водоотнимающими свойствами.

  • Алкилирование
  • Алкилирование аренов осуществляется путем введения алкильного радикала в молекулу бензола. Алкильным радикалом чаще всего выступает алкен или галогеналкан. В случае если для алкилирования используется алкен, то с молекулой бензола соединяется наименее гидрированный атом углерода алкена, прилежащий к двойной связи. Один атом водорода переходит из бензольного кольца к радикалу.

  • Окисление
  • Арены, как и все органические вещества, сгорают с образованием углекислого газа и воды. 2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O При неполном окислении гомологи бензола способны окисляться до бензойной кислоты (при подкислении раствора серной кислотой). Сам бензол не вступает в реакцию окисления с KMnO4, не обесцвечивает его раствор.

  • Полимеризация
  • В реакцию полимеризации способен вступать стирол (винилбензол), в радикале которого содержится двойная связь.

Источник: https://studarium.ru/article/186

Арены. Номенклатура, изомерия, получение и физические свойства. Видеоурок. Химия 10 Класс

На данном уроке будет рассмотрена тема «Арены. Номенклатура, изомерия, получение и физические свойства». В ходе этого занятия вы сможете узнать, что представляют собой арены. Узнаете о номенклатуре, физических свойствах, изомерии, а также методе получения аренов.

Согласно номенклатуре ИЮПАК, арены с одним бензольным кольцом рассматривают как производные бензола. В качестве главной цепи выбирают бензольное кольцо. Многие арены имеют свои исторические названия.

Например:

Физические и химические свойства аренов 
Метилбензол (толуол) Мзопропилбензол  (кумол) Винилбензол (стирол)

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. Часто вместо нумерации для 1,2-дизамещенных бензолов используют обозначение орто-, для 1,3-замещенных – мета-, а для 1,4-замещенных – пара-.

Физические и химические свойства аренов Физические и химические свойства аренов Физические и химические свойства аренов
1,2-диметилбензол (о-ксилол)
  • 1,3-диметилбензол 
  • мета-диметилбензол 
  • (м-ксилол) 
  1.  1,4-ди­ме­тил­бен­зол
  2. пара-диметилбензол
  3. (п-ксилол)

Диметилбензолы изомерны друг другу. Изомерные триметилбензолы:

Физические и химические свойства аренов
1,2,3-триметилбензол 1,2,4-триметилбензол 1,3,5-три­ме­тил­бен­зол

Им изомерны также метилэтилбензолы (приведем в пример один из них), а также пропил- и изопропилбензолы:

Физические и химические свойства аренов
м-метилэтилбензол пропилбензол изопропилбензол

У аренов есть и межклассовые изомеры – соединения с несколькими двойными и тройными связями, циклы и т.п.

Арены похожи на остальные углеводороды – они нерастворимы в воде и легче ее. Бензол при комнатной температуре  –  бесцветная прозрачная жидкость со своеобразным запахом. Тпл = 5,5оС, Ткип = 80оС.

Бензол токсичен и легко воспламеняется.

1. Переработка каменного угля

Каменный уголь нагревают без доступа воздуха до 1000°С. При этом получают смесь летучих веществ и твердый остаток – кокс. Часть летучих веществ при охлаждении конденсируется с образованием аммиачной воды и каменноугольной смолы – жидкой смеси органических веществ, из которой выделяют многие ценные соединения, в том числе и арены.

2. Риформинг (ароматизация нефти)

Физические и химические свойства аренов

3. Тримеризация алкинов.

Физические и химические свойства аренов

Подведение итога урока

На этом уроке вы изучили тему «Арены. Номенклатура, изомерия, получение и физические свойства». В ходе этого занятия вы смогли узнать, что представляют собой арены. Узнали о номенклатуре, физических свойствах, изомерии, а также методе получения аренов.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.

3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.

4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Органическая химия (Источник).

2. Химик (Источник).

Домашнее задание

1. №№ 5, 6 (с. 62) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.

2. Какой вид изомерии характерен для ароматических углеводородов?

3. Что такое тримеризация?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/chemistry/10-klass/aromaticheskie-uglevodorody/areny-nomenklatura-izomeriya-poluchenie-i-fizicheskie-svoystva

Химические свойства аренов | CHEMEGE.RU

  • Арены (ароматические углеводороды) – это непредельные (ненасыщенные) циклические углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.
  • Общая формула: CnH2n–6 при n ≥ 6.
  • Строение, номенклатура и изомерия ароматических углеводородов
  • Способы получения ароматических углеводородов
  • Химические свойства ароматических углеводородов

Арены – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат три двойных связи и цикл.

Но из-за эффекта сопряжения свойства аренов отличаются от свойств других непредельных углеводородов.

Для ароматических углеводородов характерны реакции:

  • присоединения,
  • замещения,
  • окисления (для гомологов бензола).
Из-за наличия сопряженной π-электронной системы молекулы ароматических углеводородов вступают в реакции присоединения очень тяжело, только в жестких условиях — на свету или при сильном нагревании, как правило, по радикальному механизму
Бензольное кольцо представляет из себя скопление π-электронов, которое притягивает электрофилы. Поэтому для ароматических углеводородов характерны реакции электрофильного замещения атома водорода у бензольного кольца.

Ароматическая система бензола устойчива к действию окислителей. Однако гомологи бензола окисляются под действием перманганата калия и других окислителей.

1. Реакции присоединения

Бензол присоединяет хлор на свету и водород при нагревании в присутствии катализатора.

1.1. Гидрирование

Бензол присоединяет водород при нагревании и под давлением в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt и др.). 

  1. При гидрировании бензола образуется циклогексан:
  2. При гидрировании гомологов образуются производные циклоалканы. При нагревании толуола с водородом под давлением и в присутствии катализатора образуется метилциклогексан:

1.2. Хлорирование аренов

  • Присоединение хлора к бензолу протекает по радикальному механизму при высокой температуре, под действием ультрафиолетового излучения.
  • При хлорировании бензола на свету образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (гексахлоран).

Гексахлоран – пестицид, использовался для борьбы с вредными насекомыми. В настоящее время использование гексахлорана запрещено.

Гомологи бензола не присоединяют хлор. Если гомолог бензола реагирует с хлором или бромом на свету или при высокой температуре (300°C), то происходит замещение атомов  водорода в боковом алкильном заместителе, а не в ароматическом кольце.

Например, при хлорировании толуола на свету образуется бензилхлорид
Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»).
Например, этилбензол реагирует с хлором на свету

2. Реакции замещения

Реакции замещения у ароматических углеводородов протекают по ионному механизму (электрофильное замещение). При этом атом водорода замещается на другую группу (галоген, нитро, алкил и др.).

2.1. Галогенирование

  1. Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения с галогенами (хлор, бром) в присутствии катализаторов (AlCl3, FeBr3).

  2. При взаимодействии с хлором на катализаторе AlCl3 образуется хлорбензол:

Ароматические углеводороды взаимодействуют с бромом при нагревании и в присутствии катализатора – FeBr3 . Также в качестве катализатора можно использовать металлическое железо.

Бром реагирует с железом с образованием бромида железа (III), который катализирует процесс бромирования бензола:

Гомологи бензола содержат алкильные заместители, которые обладают электронодонорным эффектом: из-за того, что электроотрицательность водорода меньше, чем углерода, электронная плотность связи С-Н смещена к углероду. На нём возникает избыток электронной плотности, который далее передается на бензольное кольцо.
Поэтому гомологи бензола легче вступают в реакции замещения в бензольном кольце. При этом гомологи бензола вступают в реакции замещения преимущественно в орто— и пара-положения
Например, при взаимодействии толуола с хлором  образуется смесь продуктов, которая преимущественно состоит из орто-хлортолуола и пара-хлортолуола
  • Мета-хлортолуол образуется в незначительном количестве.
  • При взаимодействии гомологов бензола с галогенами на свету или при высокой температуре (300оС) происходит замещение водорода не в бензольном кольце, а в боковом углеводородном радикале.
Если у гомолога бензола боковая цепь содержит несколько атомов углерода – замещение происходит у атома, ближайшему к бензольному кольцу («альфа-положение»).

Например, при хлорировании этилбензола:

2.2. Нитрование

  1.  Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (нитрующая смесь).

  2. При этом образуется нитробензол:
Серная кислота способствует образованию электрофила NO2+:
  • Толуол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.
  • В продуктах реакции мы указываем либо о-нитротолуол:
  • либо п-нитротолуол:
  • Нитрование толуола может протекать и с замещением трех атомов водорода. При этом образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол):

2.3. Алкилирование ароматических углеводородов

  • Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl3, FeBr3 и др.) с образованием гомологов бензола.
Например, бензол реагирует с хлорэтаном с образованием этилбензола
  • Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.
Например, бензол реагирует с этиленом с образованием этилбензола
Например, бензол реагирует с пропиленом с образованием изопропилбензола (кумола)
  • Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.
Например, бензол реагирует с этанолом с образованием этилбензола и воды

2.4. Сульфирование ароматических углеводородов

Бензол реагирует при нагревании с концентрированной серной кислотой или раствором SO3 в серной кислоте (олеум) с образованием бензолсульфокислоты:

3. Окисление аренов

Бензол устойчив к действию даже сильных окислителей. Но гомологи бензола окисляются под действием сильных окислителей. Бензол и его гомологи горят.

3.1. Полное окисление – горение

При горении бензола и его гомологов образуются углекислый газ и вода. Реакция горения аренов сопровождается выделением большого количества теплоты.

  1. 2C6H6 + 15O2  → 12CO2 + 6H2O + Q
  2. Уравнение сгорания аренов в общем виде:
  3.  CnH2n–6 + (3n – 3)/2 O2 → nCO2 + (n – 3)H2O + Q
  4. При горении ароматических углеводородов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим пламенем. Бензол и его гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

3.2. Окисление гомологов бензола

  • Гомологи бензола легко окисляются перманганатом и дихроматом калия в кислой или нейтральной среде при нагревании.
  • При этом происходит окисление всех связей у атома углерода, соседнего с бензольным кольцом, кроме связи этого атома углерода с бензольным кольцом.
  • Толуол окисляется перманганатом калия в серной кислоте с образованием бензойной кислоты:
  • Если окисление толуола идёт в нейтральном растворе при нагревании, то образуется соль бензойной кислоты – бензоат калия:
  • Таким образом, толуол обесцвечивает подкисленный раствор перманганата калия при нагревании.
При окислении других гомологов бензола всегда остаётся только один атом С в виде карбоксильной группы (одной или нескольких, если заместителей несколько), а все остальные атомы углерода радикала окисляются до углекислого газа или карбоновой кислоты.
Например, при окислении этилбензола перманганатом калия в серной кислоте образуются бензойная кислота и углекислый газ
Например, при окислении этилбензола перманганатом калия в нейтральной кислоте образуются соль бензойной кислоты и карбонат
  1. Более длинные радикалы окисляются до бензойной кислоты и карбоновой кислоты:
  2. При окислении пропилбензола образуются бензойная и уксусная кислоты:
  3. Изопропилбензол окисляется перманганатом калия в кислой среде до бензойной кислоты и углекислого газа:

4. Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце

Если в бензольном кольце имеются заместители, не только алкильные, но и содержащие другие атомы (гидроксил, аминогруппа, нитрогруппа и т.п.), то реакции замещения атомов водорода в ароматической системе протекают строго определенным образом, в соответствии с характером влияния заместителя на ароматическую π-систему.

Заместители подразделяют на две группы в зависимости от их влияния на электронную плотность ароматической системы: электронодонорные (первого рода) и электроноакцепторные (второго рода).

Типы заместителей в бензольном кольце

Заместители первого рода Заместители второго рода
Дальнейшее замещение происходит  преимущественно в орто— и пара-положение Дальнейшее замещение происходит преимущественно в мета-положение
Электронодонорные, повышают электронную плотность в бензольном кольце Электроноакцепторные,  снижают электронную плотность в сопряженной системе.
  • алкильные заместители: СН3 –, С2Н5 – и др.;
  • гидроксил, амин: –ОН , –NН2;
  • галогены: –Cl, –Br
  • нитро-группа:– NO2, – SO3Н;
  • карбонил – СНО;
  • карбоксил: – СООН, нитрил: – С≡N;
  • – CF3 
Например, толуол реагирует с хлором в присутствии катализатора с образованием смеси продуктов, в которой преимущественно содержатся орто-хлортолуол и пара-хлортолуол. Метильный радикал — заместитель первого рода.
  • В уравнении реакции в качестве продукта записывается либо орто-толуол, либо пара-толуол.
Например, при бромировании нитробензола в присутствии катализатора  преимущественно образуется мета-хлортолуол. Нитро-группа — заместитель второго рода

5. Особенности свойств стирола

  1. Стирол (винилбензол, фенилэтилен) – это производное бензола, которое имеет в своем составе двойную связь в боковом заместителе.
  2. Общая формула гомологического ряда стирола: CnH2n-8.

Молекула стирола содержит заместитель с кратной связью у бензольного кольца, поэтому стирол проявляет все свойства, характерные для алкенов – вступает в реакции присоединения, окисления, полимеризации.

Стирол присоединяет водород, кислород, галогены, галогеноводороды и воду в соответствии с правилом Марковникова.

Например, при гидратации стирола образуется спирт:
Стирол присоединяет бром при обычных условиях, то есть обесцвечивает бромную воду
  • При полимеризации стирола образуется полистирол:
  • Как и алкены, стирол окисляется водным раствором перманганата калия при обычных условиях. Обесцвечивание водного раствора перманганата калия — качественная реакция на стирол:
  • При жестком окислении стирола перманганатом калия в кислой среде (серная кислота) разрывается двойная связь и образуется бензойная кислота и углекислый газ:
  • При окислении стирола перманганатом калия в нейтральной среде при нагревании также разрывается двойная связь и образуется соль бензойной кислоты и карбонат:

Источник: https://chemege.ru/ximicheskie-svojstva-areny/

Ссылка на основную публикацию