Нахождение в природе бензола. Свойства гомологов бензола

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ароматические углеводороды (арены) - вещества, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец.

Общая формула гомологического ряда бензола C n H 2 n -6 . Простейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол - C 6 H 6 и толуол - C 6 H 5 -CH 3 . Углеводородные радикалы, полученные из аренов носят названия: C 6 H 5 - — фенил (Ph-) и C 6 H 5 -CH 2 — — бензил.

Первые члены гомологического ряда бензола - бесцветные жидкости со специфическим запахом. Они легче водды и в ней практически нерастворимы. Хорошо растворяются в органических растворителях и сами являются хорошими растворителями.

Электронное строение бензолов

Рассмотрим строение ароматических углеводородов на примере молекулы бензола. Это химическое соединение впервые было выделено из продуктов переработки каменного угля в 1825 году, однако, для того, чтобы установить строение его молекулы потребовалось три десятилетия. В 1865 году немец Ф. А. Кекуле высказал идею о том, что атомы углерода в бензоле соединены не в виде открытой цепи, а замкнуты в цикл (рис. 1). По его представлениям молекула бензола - это замкнутый цикл, состоящий из шести атомов углерода с тремя чередующимися двойными связями. Однако Кекуле так и не смог объяснить ряд особых свойств, присущих бензолу: почему бензол не проявляет склонность к реакциям присоединения (не обесцвечивает бромную воду и перманганат калия) несмотря на наличие двойных связей и т.д.

Рис. 1. Строение молекулы бензола по Кекуле.

Согласно представлениям современной органической химии, молекула бензола является правильным плоским шестиугольником. Все шесть атомов углерода находятся в sp 2 -гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует σ - связи с двумя атомами углерода и одним атомом водорода, лежащими в плоскости цикла. Валентные углы между тремя σ - связями равны 120 o .

Каждый атом углерода в молекуле бензола имеет одну негибридизованнуюp - орбиталь. Шесть этих орбиталей располагаются перпендикулярно плоскому σ - скелету и параллельно друг другу. При их взаимном перекрывании образуется единое π-электронное облако, т.е. осуществляется круговая делокализация электронов. Наибольшая π-электронная плотность в этой сопряженной системе располагается над плоскостью σ - скелета молекулы и охватывает все шесть атомов углеродного цикла. В результате все связи между атомами углерода в бензоле выравнены и имеют длину 0,139 нм (рис. 2).

Рис. 2. Строение молекулы бензола.

Совокупность свойств бензола называют проявлением ароматического характера, или ароматичности. Явление ароматичности подчиняется правилу Хюккеля, согласно которому ароматические молекулы должны иметь плоский циклический σ - скелет и число обобщенных π-электронов, равное (4n+2), где n = 0, 1, 2, 3 и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Плотность паров вещества 3,482 г/л. Его пиролиз дал 6 г сажи и 5,6 л водорода. Определите формулу этого вещества.
Решение	Сажа представляет собой углерод. Найдем количество вещества сажи исходя из условий задачи (молярная масса углерода равна 12 г/моль): 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.
Ответ	Искомый углеводород имеет состав C 6 H 6 . Это бензол.

Строение бензола

Бензол впервые был выделен М. Фарадеем в 1825 году из конденсата, выпавшего из светильного газа, используемого для освещения городских улиц Лондона. Фарадей назвал это жидкое легкоподвижное вещество с резким запахом «карбюрированным водородом» (carburated hydrogen). Важно при этом отметить, что уже тогда было установлено, что бензол состоит из равных частей углерода и водорода.

Несколько позже, в 1834 году, Митчерлих получил бензол декарбоксилированием бензойной кислоты. Он же установил элементный состав полученного соединения – С 6 Н 6 – и предложил свое название для него – бензин . Однако с этим названием не согласился Либих. Ему показалось, что это название ставит бензол в один ряд с такими далекими от него веществами как хинин и стрихнин. По мнению Либиха более удачным названием для нового соединения является бензол , посколькуоно показывает близость бензола по свойствам к маслам (от немецкого оl – масло). Были и другие предложения. Поскольку бензол был выделен Фарадеем из светильного газа, то Лоран предложил (1837 г.) для него название фено от греческого «несущий свет». Это название не утвердилось, однако именно от него произошло название одновалентного остатка бензола – фенил .

Углеводороду Фарадея не повезло. Все предложенные для него названия оказались ущербными. Из либиховского названия «бензол» следует, что соединение содержит гидроксильную группу, которой там нет. Точно так же митчерлиховский «бензин» не содержит функциональную азотсодержащую группу. Более того, существование различных названий привело к разделению химиков. В немецкой и русской научной литературе утвердилось название «бензол», а в английской и французской – «бензен» (bensene , toluene , xylene ).

На первый взгляд кажется, что установить строение бензола не представляет больших трудностей. В состав молекулы бензола входит лишь два элемента, на шесть атомов углерода приходится шесть атомов водорода. К тому же физические и химические свойства бензола изучены весьма обстоятельно. Однако эта работа затянулась на многие десятилетия и завершилась лишь в 1931 году.

Наиболее трудные барьеры к познанию структуры бензола были преодолены выдающимся немецким химиком Кекуле. С высоты современных знаний трудно понять и оценить значение выдвинутой им гипотезы, согласно которой молекула бензола имеет циклическое строение (1865 г.). Однако именно это предположение, при совокупном рассмотрении с числом изомеров у моно- и дизамещенных бензолов, привело Кекуле к известной формуле. По Кекуле бензол представляет собой шестичленное циклическое соединение с тремя чередующимися двойными связями, т.е. циклогексатриен

Именно эта структура согласуется с существованием одного и только одного монозамещенного бензола и трех изомеров дизамещенных бензолов

C момента появления структуры Кекуле началась ее критика, которую она, к сожалению, вполне заслуживала. Уже отмечалось, что характерная особенность ароматических соединений - присущий им ароматический характер. Структура Кекуле для бензола оказалась не в состоянии объяснить эту особенность ароматических соединений. В ряде случаев она не могла также объяснить отсутствия изомеров, в то время как формула циклогексатриена для бензола допускала их существование. Так, орто -замещенных бензолов может быть два изомера

однако обнаружить их не удалось. Сразу же отметим, что для преодоления этого затруднения Кекуле предложил рассматривать бензол как циклогексатриен с подвижными, не закрепленными, двойными связями. В результате быстрого преобразования I во II и наоборот бензол ведет себя как структура как бы состоящая из равных количеств I и II .

Итак, основной недостаток бензола Кекуле – невозможность объяснить на его основе ароматический характер соединений, содержащих в своей молекуле бензольное кольцо. Если бы бензол был циклогексатриеном, т.е. соединением с тремя двойными связями, то он должен был бы:

Легко окисляться даже холодным водным раствором КMnO 4 ,

Уже при комнатной температуре присоединять бром и легко вступать в другие реакции электрофильного присоединения,

Быстро гидрироваться водородом в присутствии никеля при комнатной температуре,

В эти реакции бензол вступает неохотно, не так как алкены. А вот реакции замещения - весьма характерны для соединений ароматического ряда. Отсюда следует, что бензол не может быть циклогексатриеном и формула Кекуле не отражает истинного строения бензола . Основной недостаток бензола Кекуле – присутствие в нем двойных связей. Если бы их не было, то и не следовало бы ожидать от бензола проявления свойств, характерных для алкенов. В этой связи становится понятным, почему все дальнейшие попытки «усовершенствовать» формулу Кекуле носили форму лишить ее двойных связей, сохранив при этом за бензолом циклическое строение. Таковы формулы III – VII , предложенные Клаусом (1867 г.), Дьюаром (1867 г.), Армстронгом – Байером (1887 г.), Тиле (1899 г.) и Ладенбургом (1869 г.)

Ни одна из этих формул не могла объяснить всех свойств, присущих бензолу. Это стало возможным только с развитием квантовой химии.

Согласно современным представлениям о строении бензола его молекула представляет собой плоский правильный шестиугольник, на вершинах которого расположены углеродные атомы, находящиеся в sp 2 –гибридном состоянии. Каждый из шести углеродных атомов за счет трех тригональных гибридных орбиталей образует две σ -связи с соседними углеродами и еще одну связь с водородом. Все эти связи расположены в одной плоскости под углом 120 0 друг к другу. В гибридизации участвуют лишь два из трех р -электронов углеродных атомов. Поэтому после образования σ -связей у каждого из шести углеродов бензольного кольца остается еще по одному р -электрону. Из истории установления строения бензола, растянувшегося на многие десятилетия, видно насколько трудно пробивало себе дорогу представление, что р -электроны способны перекрываться друг с другом не только попарно с образованием π -связей. При некоторых обстоятельствах возможно перекрывание облаков р- электронов как с соседом справа, так и с соседом слева

Это становится возможным, если молекула имеет циклическое строение, расстояния между углеродами одинаковы и оси р -электронов параллельны между собой. Последнее условие соблюдается, если молекула имеет плоское строение.

При таком построении молекулы бензола углеродные атомы связаны между собой не ординарными и не двойными связями. Эти связи, скорее всего, следовало бы отнести к «полуторным». Не лишним будет упомянуть, что согласно результатам рентгеноструктурного анализа кристаллического бензола все углерод-углеродные связи в бензоле имеют одинаковую длину 0.14 нм, которая является промежуточной между простой (0,154 нм) и двойной (0,134 нм) связями.

Таким образом, согласно современным представлениям в бензоле нет типичных двойных связей между углеродами. Следовательно, от такого соединения и не следует ожидать проявления свойств, обусловленных двойными связями. В то же время нельзя отрицать значительной непредельности молекулы бензола. Циклоалкан с шестью углеродами (циклогексан) содержит 12 водородных атомов, в то время как у бензола их всего 6. Отсюда следует, что формально бензол мог бы иметь три двойные связи и в реакциях присоединения вести себя как циклотриен. Действительно, в условиях реакций присоединения бензол присоединяет по три молекулы водорода, галогенов или озона.

В настоящее время в научно-технической литературе используется два графических изображения бензола

Одно из них подчеркивает непредельный характер бензола, а другое – его ароматичность.

Как же увязать строение бензола с его характерными свойствами, главным образом, с его ароматическим характером? Почему бензол проявляет уникальную термодинамическую устойчивость?

В свое время было показано, что алкены довольно легко присоединяют молекулу водорода и превращаются в алканы. Эта реакция протекает с выделением тепла, около 125,61 кДж на каждую двойную связь, и носит название - теплоты гидрирования. Попробуем использовать теплоту гидрирования для оценки термодинамической устойчивости бензола.

Реально существующие циклогексен, циклогексадиен и бензол гидрируются в циклогексан

Теплота гидрирования циклогексена составила 119,75 кДж. Тогда ожидаемое значение для циклогексадиена должно составить 119,75 х 2=239,50 кДж (в действительности 231,96 кДж). Если бы бензол имел три двойные связи (циклогексатриен Кекуле), то теплота гидрирования для него должна была бы быть 119,75 х 3=359,25 кДж. Экспериментальное же значение в последнем случае разительно отличается от ожидаемого. При гидрировании бензола выделяется лишь 208.51 кДж тепла, что меньше ожидаемого значения на 359,25 – 208.51=150,73 кДж. Эта энергия носит название энергии резонанса . Если при гидрировании бензола выделяется на 150,73 кДж меньше энергии от ожидаемого значения, то это означает лишь то, что сам бензол уже изначально содержит на 150,73 кДж меньше энергии, чем гипотетический циклогексатриен. Отсюда следует, что бензол не может иметь строения циклогексатриена. Стабильность молекулы бензола на величину энергии резонанса есть результат отсутствия в ней изолированных двойных связей и наличия единого электронного облака секстета р -электронов.

Приобретая благодаря выгодам своего строения высокую термодинамическую устойчивость, бензол в ходе химических реакций всячески стремится сохранить эту устойчивость. Понятно, что это может быть реализовано только при условии сохранения при химической реакции бензольного кольца в неизменном виде. Такую возможность предоставляют лишь реакции замещения и именно по этой причине для соединений ароматического ряда более характерны реакции замещения, чем присоединения. В ходе реакций электрофильного присоединения ароматическое соединение перестает быть ароматическим, теряет исключительную стабильность вместе с энергией резонанса, обуславливающей как раз эту стабильность. По этой причине ароматические соединения вступают в реакции присоединения гораздо труднее, чем, например, алкены. Другая особенность реакций присоединения с участием ароматических соединений – это их бескомпромиссность. Они либо не вступают в реакции присоединения, либо присоединяют сразу все. Об этом свидетельствует тот факт, что не удается получить из бензола продукты частичного гидрирования или хлорирования. Если уже эти реакции идут, то протекают таким образом, что сразу получаются продукты полного гидрирования или хлорирования

Такое развитие событий связано с тем, что единое электронное облако шести р -электронов у бензола или существует или не существует, промежуточные варианты для него исключены.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Вид урока: проблемная лекция.

Главная дидактическая цель урока: добиться понимания содержания учебного материала всеми учащимися.

Обучающие цели урока:

• углубить знания об углеводородах;
• познакомить учащихся с новым типом химической связи, характерным для данной группы соединений, на примере бензола; дать понятие об ароматичности;

Развивающие цели урока:

• развивать у учащихся умение выделять главное, существенное в учебном материале, сравнивать, обобщать и систематизировать, устанавливать причинно-следственные связи;
• способствовать развитию волевых и эмоциональных качеств личности;
• особое внимание обратить на развитие интереса к предмету и речи учащихся.

Воспитательные цели урока: содействовать формированию мировоззренческих идей:

• материальность мира;
• непрерывность процесса познания.

Оборудование урока:

• реактивы: бензол, р-р КМnО 4 , бромная вода;
• шаростержневая модель молекулы бензола (по Кекуле);
• опорные конспекты, таблицы.

Ход урока

Эпиграф к уроку:

«Не в количестве знаний заключается образование,
а в полном понимании и искусном применении всего
того, что знаешь».
А.Дистервег.

На прошлом уроке я задала повторить решение задач на нахождение формулы вещества и характеристику веществ изученных классов.

Решаем задачи на нахождение молекулярной формулы вещества и даем характеристику веществам, отвечающим полученному составу.

К доске:

1+2 учащихся (решают задачи по карточкам).

ЗАДАЧА № 1

Вывести формулу вещества, содержащего 82,75% углерода 17,25% водорода. Относительная плотность паров этого вещества по воздуху равна 2.

ЗАДАЧА № 2

Определите молекулярную формулу углеводорода, массовая доля углерода в котором равна 85,7% ,а водорода – 14,3%. Относительная плотность вещества по водороду равна 28.

Класс + ученик у доски:

ЗАДАЧА № 3

Какова молекулярная формула вещества, в котором массовая доля углерода равна 93,2%. Относительная плотность по водороду равна 39.

Ответ:С6Н6 истиная формула

При решении третьей задачи получили в-во состава С6Н6. К какому же из известных классов углеводородов можно отнести это вещество?

Это вещество мы не можем отнести ни к одному из изученных классов углеводородов.

Итак, проблема!, которую нам предстоит вместе решить. Сегодня мы познакомимся с новой группой углеводородов, которые называются ароматические.

ТЕМА УРОКА: Ароматические углеводороды (арены). Бензол. Строение молекулы.

Наши главные задачи сегодня:

1. Углубить знания об углеводородах, расширить представления о многообразии органических соединений.
2. Познакомиться с новым типом химической связи, характерным для данной группы углеводородов.

План лекции:

1. Арены – один из классов углеводородов.
2. История открытия бензола.
3. Строение молекулы бензола.
   а) строение бензола по Кекуле;
   б) современные представления об электронном строении бензола;
   в) понятие об ароматическом ядре и полуторной связи.

Д/з с. 51-53, оформить конспект лекции.

Сегодня на уроке мы познакомимся с новой группой углеводородов, которые называются ароматические или арены.

Ароматическими эти углеводороды были названы потому, что первые известные представители их обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что большинство веществ, которые по хим. свойствам принадлежат к той же группе, не имеют ароматного запаха. Однако исторически сложившееся общее название этих соединений осталось за ними до наших дней.

Простейший представитель ароматических углеводородов – бензол.

Предыдущие классы углеводородов изучались на основе причинно – следственных связей: состав – строение – свойства – применение. Этот же логический принцип мы оставим и сейчас.

Состав вещества мы установили – С 6 Н 6 . Это бензол. Бензол – это тоже углеводород, но углеводород, принципиально отличающийся от тех, о которых шла речь. Что же такое бензол?

Давайте узнаем историю открытия бензола. (Сообщения учащихся).

1-й ученик.

В 1825 г. М. Фарадей выделил из светильного газа, производившегося в то время в Англии из каменного угля, жидкость, состоящую из углерода и водорода. Через несколько лет (в1834 г.)

Э.Митчерлих при перегонке бензойной кислоты получил вещество, тождественное фарадеевскому, назвал его бензином, для того чтобы подчеркнуть генетическую связь с бензойной кислотой, и установил, что оно имеет элементарный состав С 6 Н 6 (в англосаксонских странах и сейчас за бензолом сохранилось это название).

Позднее Ю. Либих рекомендовал дать этому соединению укоренившееся название – бензол (окончание – ол указывает на его маслянистый характер от лат. оleim – масло). В 1845 г. А.В.Гофманн выделил впервые бензол из каменноугольной смолы.

2-й ученик.

«Днем рождения» теории строения бензола как ароматического соединения является 27 янаря 1865 г. – день, когда была опубликована в Бюллетене Парижского химического общества информация о «Конституции ароматических веществ».

Переходим к следующему этапу: установим строение молекулы бензола. Как мы уже определили ни к одному из известных классов углеводородов бензол отнести нельзя. Но, попробуем представить себе какие могут быть варианты его формулы:

Можно еще придумать изомеры, отличающиеся положением двойных и тройных связей.

Теперь у нас есть то, что называется рабочей гипотезой. Попробуем проверить ее. Если удастся доказать правильность одной из предложенных нами структур, гипотеза превратится в теорию, если нет – будем думать дальше.

Есть очень простая реакция, которая позволяет быстро и надежно установить наличие двойных или тройных связей в ненасыщенных углеводородах. Какая?

Это присоединение брома по кратным связям. Если предположить, что верна 3-я формула, то должно получиться следующее соединение: СН 2 Вr-СНВr-CВr 2 -СВr 2 -CH 2 Вr-СН 2 Вr

Достаточно несколько раз встряхнуть непредельный углеводород с бромной водой, как желтый раствор обесцветиться.

Демонстрационный опыт.

Встряхиваем бензол с бромной водой - никакого эффекта!

Значит наши предположения неверны.

Можно попробовать присоединить к молекуле бензола не бром, а водород. В наших условиях это сделать нельзя. Но если это сделать в специальном приборе над катализатором, то можно получить из бензола углеводород с формулой

Если подействовать на него бромной водой – реакция отрицательная. Тогда остается предположить, что углеводород С 6 Н 12 имеет замкнутое циклическое строение. Это кольцо состоит из шести групп СН 2:

По- видимому, бензол тоже имеет циклическую структуру. И формула для него напрашивается такая:

С двойными связями? Но бромная вода!???

Приходится предположить , что три двойные связи, сведенные в месте в одном шестичленном кольце ведут себя как-то по-новому.

Формула бензола – шестиугольник с тремя двойными связями – подтверждается синтезом бензола из ацетилена. Из трех молекул ацетилена получается одно бензольное кольцо. При этом одна из трех связей ацетилена как бы идет на образование простой связи с углеродным атомом другой молекулы, а две остаются. В результате получаем чередование двойных и простых связей.

Так или примерно так рассуждал немецкий химик Фидрих Август Кекуле, когда в 1865 году впервые пришел к выводу, что бензол – это шестиугольник с чередующимися двойными и простыми связями.

Формула Кекуле была встречена бурными дебатами, которые не утихали еще в течение многих десятилетий. Действительно, какие-то свойства бензола эта формула хорошо объясняла , а какие-то ей противоречили.

Оказалось, что бензол все-таки может при некоторых условиях присоединять галогены, например шесть атомов хлора, по всем трем двойным связям. Но с другой стороны, атомы водорода в бензоле очень легко могут быть замещены на другие группы (мы еще поговорим об этом). Эта способность – одна из основных в комплексе свойств бензола, которая называется ароматичностью. Ароматичность (т.е. способность легко заменять атомы водорода) никак не объясняется формулой Кекуле. Далее. Для каждого двузамещенного бензола, судя по этой формуле, должны существовать два изомера . Например, для орто – ксилола это изомеры:

На самом деле никому не удавалось выделить два изомера орто – ксилола. Пришлось создателю теории строения бензола вносить «уточнения» в свою формулу. Кекуле предположил, что двойные связи не закреплены в бензоле, а все время перемещаются.

Споры вокруг теории строения бензола прекратились всего несколько десятилетий назад. Каковы же современные представления об электронном строении бензола?

Немецкий химик Э. Хюккель применил к ароматическим соединениям квантомеханическую теорию и показал, что каждый атом углерода находится в SP² гибридизированном состоянии. Что это значит?

Класс (ученик у доски).

Из четырех электронов каждого углерода один S и два P – электрона образуют три совершенно одинаковые SP² - гибридные орбитали, которые лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другую. Две из этих орбиталей используются для перекрывания с такими же орбиталями двух соседних углеродов, а одна – для образования с атомом водорода.

Все эти электроны образуют электронный остов бензола.

Над и под каждым углеродным атомом расположена объемная восьмерка Р – электрона.

Теперь представим себе, что в бензольном кольце восьмерки Р – электронов попарно перекрываются «боками», т.е. образуют три двойные связи. Это и есть электронная модель бензола, описываемая на бумаге формулой Кекуле. (показать шаростержневую модель).

Если формула Кекуле верна, то расстояние в молекуле бензола между двумя соседними атомами углерода должны быть разными: 0,154 нм между атомами у которых р- облака не перекрываются и 0,133 нм между углеродами, связанными П – связью.

Но исследование бензола физическими методами показало, что все расстояния в молекуле строго одинаковы и длинна связи С – С равна 0,140 нм, т.е. среднему значению между длинами простой и двойной связями. Логично предположить, что каждая электронная восьмерка – орбиталь перекрывается одинаково и одновременно с такими же восьмерками двух соседей.

В проекции на плоскость молекулы эти электронные облака будут казаться перекрывающимися окружностями (показать по таблице). В молекуле образуется не три отдельные П – связи, а единая П – электронная система из шести электронов, общая для всех атомов углерода. Под влиянием этого общего для молекулы П - электронного облака и сокраается расстояние между атомами углерода с 0,154 до 0,140 нм.

Масштабная (объемная) модель молекулы бензола представлена в таблице (показать). Поскольку электронная плотность распределяется в молекуле равномерно, все связи между атомами С оказываются совершенно одинаковыми.

Таким образом, химические связи в бензоле не одинарные и не двойные, а как принято поворить полуторные, промежуточные по своему характеру. Эти связи еще называют ароматическими, они прочнее П – связей (поэтому бромная вода не обесцветилась – атомы брома не присоединяются).

Чтобы показать равномерность распределения электр. Плотности в молекуле бензола, структурную формулу его часто изображают в виде шестиугольника с окружностью внутри:

Такая структура называется бензольным или ароматическим ядром. А углеводороды, в составе молекул, в котором содержится ароматическое ядро, называются ароматическими углеводородами.

Фактически, эта структура молекулы бензола несет в себе черты строения и первой и второй структуры и представляет качественно новую систему. Давайте проведем аналогию, построенную на ваших биологических знаниях: гибрид лошади и осла – мул. Мул несет в себе признаки и лошади, и осла, но является совершенно новым животным с присущими только ему признаками. И поэтому, если мы хотим человеку, никогда не видевшему мула, описать это животное, мы можем рассказать о лошади, об осле, а потом заявить: мул – это нечто среднее.

Но и сейчас нередко еще пользуются формулой Кекуле, учитывая при этом, что она лишь условно передает строение молекулы.

Давайте подведем итог: (закрепление знаний)

1. Какие углеводороды называют ароматическими?
2. Какой вид гибридизации характерен для ароматического ядра?
3. Что собой представляет бензольное ядро?
4. Как образуется единая П – связь?
5. Назовите углы между направлениями связей в ароматическом ядре?
6. Назовите расстояние между атомами углерода?
7. Какие связи называются ароматическими (полуторными)?

Урок окончен! До свидания!

Ароматические углеводороды – соединения углерода и водорода, в молекуле которых имеется бензольное кольцо. Важнейшими представителями ароматических углеводородов являются бензол и его гомологи – продукты замещения одного или более атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные остатки.

Строение молекулы бензола

Первое ароматическое соединение – бензол – было открыто в 1825 г. М. Фарадеем. Была установлена его молекулярная формула – С 6 Н 6. Если сравнить его состав с составом предельного углеводорода, содержащего такое же количество атомов углерода, — гексаном (С 6 Н 14), то можно заметить, что бензол содержит на восемь атомов водорода меньше. Как известно, к уменьшению количества атомов водорода в молекуле углеводорода приводит появление кратных связей и циклов. В 1865 г. Ф. Кекуле предложил его структурную формулу как циклогексантриена – 1, 3, 5.

Таким образом, молекула, соответствующая формуле Кекуле , содержит двойные связи, следовательно, бензол должен иметь ненасыщенный характер, т. е. легко вступать в реакции присоединения: гидрирования, бромирования, гидратации и т. д.

Однако данные многочисленных экспериментов показали, что бензол вступает в реакции присоединения только в жестких условиях (при высоких температурах и освещении), устойчив к окислению. Наиболее характерными для него являются реакции замещения, следовательно, бензол по характеру ближе к придельным углеводородам.

Пытаясь объяснить эти несоответствия, многие ученые предлагали различные варианты структуры бензол. Окончательно строение молекулы бензола было подтверждено реакцией его образования из ацетилена. В действительности углерод — углеродные связи в бензоле равноценны, и их свойства не похожи на свойства ни одинарных, ни двойных связей.

В настоящее время бензол обозначают или формулой Кекуле, или шестиугольником, в котором изображают окружность.

Так в чем же особенность структуры бензола? На основании данных исследователей и расчетов сделан вывод о том, что все шесть углеродных атомов находятся в состоянии sp 2 -гибридизации и лежат в одной плоскости. Негибридизированные p -орбитали атомов углерода, составляющие двойные связи (формула Кекуле), перпендикулярны плоскости кольца и параллельны друг другу.

Они перекрываются между собой, образуя единую π-систему. Таким образом, система чередующихся двойных связей, изображенных в формуле Кекуле, является циклической системой сопряженных, перекрывающихся между собой -связей. Эта система представляет собой две тороидальные (похожие на бублик) области электронной плотности, лежащие по обе стороны бензольного кольца. Так, изображать бензол в виде правильного шестиугольника с окружностью в центре (π -система) более логично, чем в виде циклогексатриена-1,3,5.

Американский ученый Л. Полинг предложил представлять бензол в виде двух граничных структур, отличающихся распределением электронной плотности и постоянно переходящих друг в друга, т. е. считать его промежуточным соединением, «усреднением» двух структур.

Данные измерения длин связей подтверждают эти предположения. Выяснено, что все С-С связи в бензоле имеют одинаковую длину (0,139 нм). Они несколько короче одинарных С-С связей (0,154 нм) и длиннее двойных (0,132 нм).

Существуют также соединения, молекулы которых содержат несколько циклических структур.

Изомерия и номенклатура

Для гомологов бензола характерна изомерия положения нескольких заместителей . Простейший гомолог бензола - толуол (метилбензол) — не имеет таких изомеров; следующий гомолог представлен в виде четырех изомеров:

Основой названия ароматического углеводорода с небольшими заместителями является слово бензол . Атомы в ароматическом кольце нумеруют, начиная от старшего заместителя к младшему:

По старой номенклатуре положения 2 и 6 называют ортоположениями , 4 - пара- , а 3 и 5 - метаположениями.

Физические свойства
Бензол и его простейшие гомологи в обычных условиях весьма токсичные жидкости с характерным неприятным запахом. Они плохо растворяются в воде, но хорошо - в органических растворителях.

Химические свойства бензола

Реакции замещения . Ароматические углеводороды вступают в реакции замещения.
1. Бромирование. При реакции с бромом в присутствии катализатора, бромида железа (ΙΙΙ), один из атомов водорода в бензольном кольце может замещаться на атом брома:

2. Нитрирование бензола и его гомологов . При взаимодействии ароматического углеводорода с азотной кислотой в присутствии серной (смесь серной и азотной кислот называют нитрующей смесью) происходит замещение атома водорода на нитрогруппу -NO 2:

Восстановлением образовавшегося в этой реакции нитробензола получают анилин — вещество, которое применяется для получения анилиновых красителей:

Эта реакция носит имя русского химика Зинина.
Реакции присоединения. Ароматические соединения могут вступать и в реакции присоединения к бензольному кольцу. При этом образуются циклогексан или его производные.
1. Гидрирование . Каталитическое гидрирование бензола протекает при более высокой температуре, чем гидрирование алкенов:

2. Хлорирование. Реакция идет при освещении ультрафиолетовым светом и является свободнорадикальной:

Гомологи бензола

Состав их молекул отвечает формуле С n H 2 n-6 . Ближайшие гомологи бензола:

Все следующие за толуолом гомологи бензола имеют изомеры. Изомерия может быть связана как с числом и строением заместителя (1, 2), так и с положением заместителя в бензольном кольце (2, 3, 4). Соединения общей формулы С 8 Н 10:

По старой номенклатуре, употребляемой для указания относительного расположения двух одинаковых или разных заместителей в бензольном кольце, используют приставки орто — (сокращенно о-) – заместители расположены у соседних атомов углерода, мета- (м -) – через один атом углерода и пара — (п -) – заместители друг против друга.
Первые члены гомологического ряда бензола – жидкости со специфическим запахом. Они легче воды. Являются хорошими растворителями.

Гомологи бензола вступают в реакции замещения (бромирование, нитрирование). Толуол окисляется перманганатом при нагревании:

Гомологи бензола используются как растворители, для получения красителей, средств для защиты растений, пластмасс, лекарств.

Раздаточный материал к лекции 5

Лекция 5

АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ароматические углеводороды, арены, sp2-гибридизация, единое p-электронная облако, круговое сопряжение, ионный механизм реакции замещения, электрофильное замещение, нитрование, галогенирование, алкилирование по Фриделю-Крафтсу, алкилирование алкенами, гидрирование, окисление.

СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ БЕНЗОЛА. АРОМАТИЧНОСТЬ

Ароматические углеводороды (арены) – это углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец.

Простейшим представителем ароматических углеводородов является бензол, молекулярная формула которого С 6 Н 6 . Установлено, что все атомы углерода в молекуле бензола лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (рис. 1). Каждый атом углерода связан с одним атомом водорода. Длины всех связей углерод-углерод одинаковы и составляют 0,139 нм.

Формулы а) и б) предложил в 1865 г немецкий химик Август Кекуле. Несмотря на то, что они недостаточно точно передают строение молекулы бензола, их используют до сих пор и называют формулами Кекуле.

Исторически название «ароматические углеводороды» сложилось потому, что многие производные бензола, которые первыми были выделены из природных источников, обладали приятным запахом.

В настоящее время под понятием «ароматичность» подразумевают, прежде всего, особый характер реакционной способности веществ, обусловленный, в свою очередь, особенностями строения молекул этих соединений.

В чем же состоят эти особенности?

В соответствии с молекулярной формулой С 6 Н 6 бензол является ненасыщенным соединением, и можно ожидать, что для него были бы характерны типичные для алкенов реакции присоединения. Однако в условиях, в которых алкены быстро вступают в реакции присоединения, бензол не реагирует или реагирует медленно. Бензол не дает и характерных качественных реакций, свойственных непредельным углеводородам:онне обесцвечивает бромную воду и водный раствор перманганата калия.

Такой характер реакционной способности объясняется наличием в ароматическом кольце сопряженной системы – единого p -электронного облака.

В молекуле бензола каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и связан тремя s -связями с двумя атомами углерода и одним атомом водорода. Четвертый валентный электрон атома углерода находится на p -орбитали, перпендикулярной плоскости молекулы. В молекуле бензола происходит боковое перекрывание р -орбиталей каждого атома углерода с р -орбиталями обоих соседних атомов углерода (рис. 2). В результате такого сопряжения образуется единое p-электронное облако , расположенное над и под плоскостью бензольного кольца – осуществляется круговое сопряжение .

Такая циклическая система с общим облаком из шести электронов очень устойчива, энергетически выгодна; поэтому бензол преимущественно вступает в те реакции, в которых ароматическое кольцо сохраняется.

а

б

Рис. 2. Электронное строение молекулы бензола: а) схема перекрывания р -орбиталей; б) единое p-электронное облако.

Подчеркнем еще раз, что в молекуле бензола нельзя выделить трех двойных и трех простых связей. Электронная плотность распределяется в молекуле равномерно, и все связи между атомами углерода оказываются совершенно одинаковыми. Поэтому нужно помнить, что формула Кекуле, которая часто используется для изображения бензола, условна и не отражает реального строения его молекулы.

Итак, ароматическимиявляются соединения, в молекулах которых имеется устойчивая циклическая группировка с особым характером связи. Имея молекулярную формулу, указывающую на высокую степень ненасыщенности, эти вещества, однако, не реагируют как ненасыщенные, а вступают преимущественно в реакции замещения с сохранением ароматической системы.

ГОМОЛОГИ БЕНЗОЛА,

ИЗОМЕРИЯ, НОМЕНКЛАТУРА

Общая формула гомологического ряда ароматических углеводородов C n H 2 n -2 .

Ближайшим гомологом бензола является метилбензол. Чаще употребляют его тривиалное название – толуол:

Бензол и толуол не имеют ароматических изомеров. Для этих веществ характерна лишь межклассовая изомерия . Так, соответствуют молекулярной формуле С 6 Н 6 и, следовательно, изомерны бензолу непередельные нециклические углеводороды, содержащие две тройных или две двойные и одну тройную связи в молекуле, например:

Начиная с аренов с восьмью атомами углерода появляется возможность изомерии, связанной с составом и взаимным расположением углеводородныхрадикалов. Если с бензольным кольцом связаны два заместителя, то они могут находиться в трех различных положениях относительно друг друга: рядом (такое положение обозночают приставкой орто- ), через один атом углерода (мета- ), и напротив друг друга (пара- ). Диметилбензол, стуктурные формулы изомеров которого приведены ниже, имеет тривиальное название ксилол.

Таким образом, молекулярной формуле С 8 Н 8 отвечают четыре изомерных ароматических углеводорода: