Глава 8. Арены. Ароматические углеводороды.

 

Ароматическими называются соединения, содержащие в своем составе одно или несколько бензольных ядер. Бензольное ядро обуславливает определенные физические и химические свойства ароматических соединений, их ароматический характер. Общая формула аренов: C_nH_2n-6

8.1 Строение бензола. Бензол С₆Н₆ – простейший представитель ароматических углеводородов.

Из всех формул строения, которые предлагались учеными 19 века, наиболее приемлемой оказалась формула Кекуле (1865 г.), согласно которой бензол представляет шестичленный циклический углеводород с 3-мя сопряженными (=) связями.

циклогексатриен – 1, 3, 5

Эта формула правильно отразила равноценность всех шести атомов С и Н и некоторые другие особенности. Однако, эта формула не могла объяснить:

1. при явной ненасыщенности состава (С_nH_2n-6) и в отличие от непредельных углеводородов бензол в обычных условиях не обесцвечивает бромную воду (Br₂) и раствор KMnO₄;
2. вместе с тем бензол проявляет насыщенный характер при действии Br₂ и HNO₃, протекают реакции замещения.

С₆Н₆ + Br₂ ® С₆Н₅Br + HBr

C₆H₆ + HONO₂ ® C₆H₅NO₂ + H₂O

1. устойчивость бензола к действию окислителей;

2. Ni; t0

   способность вступления в реакции присоединения, но только в жестких условиях (сильное освещение, наличие катализаторов)

С₆Н₆ + 3Н₂ ¾® С₆Н₁₂

	ул.фиол.св

С₆Н₆ + 3Cl₂ ¾®¾® C₆H₆Cl₆

Из этого следует, что бензол может проявлять ненасыщенный характер, но в обычных условиях это свойство ослаблено, бензол в тоже время проявляет и насыщенный характер. И только развитие электронных и квантово-механических представлений о химических связях позволило объяснить особенности ароматических соединений.

8.2 Природа ароматического состояния. Все атомы углерода в молекуле бензола находятся в состоянии sp² – гибридизации. Каждый атом С образует три σ-связи (две С – С и одну С – Н) с углом между ними 120⁰.

	Рис. 15. Схема образования σ-связей в молекуле бензола

 

 

Четвертый р-электрон всех шести атомов углерода расположен перпендикулярно к плоскости кольца, все шесть
р-электронных облаков перекрываются друг другом и образуют общую π-систему – осуществляется круговое сопряжение.

Рентгенографическим методом установлено, что электронная плотность в бензольном ядре распределена равномерно, т.е. в нем нет ни (–) простых, ни (=) связей.

		Рис.17. Вид сверху
		Рис.16. Вид сбоку

 

 

Все связи одинаковы, длина их равна 0,139 нм. Это плоская фигура – правильный шестиугольник из СН – групп, лежащих в одной плоскости и связанных ароматической системой связей. Их можно изобразить в виде кружков.

 

Природа ароматического состояния позволила объяснить, почему бензол, являясь сильно ненасыщенным соединением трудно вступает в реакции присоединения и легче в реакции замещения:

1. Реакции замещения атомов водорода идут легче, т.к. они находятся на периферии от π-системы и при разрыве С –Н связи π-система не затрагивается.
2. Реакции присоединения и окисления протекают трудно, т.к. при их протекании разрывается π-система, обладающая большой энергией. Энергия связи С – С в молекуле бензола составляет 490кДж/моль.

8.3 Изомерия производных бензола. Однозамещенные производные бензола изомеров не имеют, т.к. все атомы С в бензоле равноценны. Двухзамещенные производные бензола имеют три изомера, отличающиеся взаимным расположением заместителей. Если два заместителя расположены у рядом стоящих С атомов, то такой изомер называется орто – (о-); через один С атом – мета – (м-); через два С атома пара – (п-)

 

орто – (о-) изомеры

 

	мета – (м) - изомеры

 

	пара – (п) - изомеры

 

8.4 Номенклатура. Многие арены имеют травиальные названия (исторически сложившиеся). Название аренов производится от названия заместителей (R) боковой цепи с прибавлением слова бензол.

 

метилбензол этилбензон изопропилбензон винилбензон

(толуол) (кумол) (стирол)

 

 

 

	1,2 – (о) –диметилбензол (о-ксилол)