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:

Химическое строение

Атомы углерода в молекуле бензола образуют правильный плоский шестиугольник, хотя обычно его рисуют вытянутым.

Окончательно строение молекулы бензола подтверждено реакцией образования его из ацетилена. В структурной формуле изображается по три одинарных и три двойных чередующихся углерод-углеродных связей. Но такое изображение не передает истинного строения молекулы. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны, и они обладают свойствами, не похожими на свойства ни одинарных, ни двойных связей. Эти особенности объясняются электронным строением молекулы бензола.

Электронное строение бензола

Каждый атом углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp 2 -гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя у-связями. В результате образуется плоский шестиугольник: все шесть атомов углерода и все у-связи С--С и С--Н лежат в одной плоскости. Электронное облако четвертого электрона (р-электрона), не участвующего в гибридизации, имеет форму гантели и ориентировано перпендикулярно к плоскости бензольного кольца. Такие р-электронные облака соседних атомов углерода перекрываются над и под плоскостью кольца. В результате шесть р-электронов образуют общее электронное облако и единую химическую связь для всех атомов углерода. Две области большой электронной плоскости расположены по обе стороны плоскости у-связей.

p-Электронное облако обусловливает сокращение расстояния между атомами углерода. В молекуле бензола они одинаковы и равны 0,14 нм. В случае простой и двойной связи эти расстояния составили бы соответственно 0,154 и 0,134 нм. Значит, в молекуле бензола нет простых и двойных связей. Молекула бензола - устойчивый шестичленный цикл из одинаковых СН-групп, лежащих в одной плоскости. Все связи между атомами углерода в бензоле равноценны, чем и обусловлены характерные свойства бензольного ядра. Наиболее точно это отражает структурная формула бензола в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри (I). (Окружность символизирует равноценность связей между атомами углерода.) Однако часто пользуются и формулой Кекуле с указанием двойных связей (II)

УДК 547

ББК 24.23

Рецензенты: кафедра органической химии Ярославского государственного педагогического университета; В.Н.Казин, канд. хим. наук, доцент кафедры общей и биоорганической химии Ярославского государственного университета.

Колпащикова И.С., Кошкин Л.В., Кофанов Е.Р., Обухова Т.А.

К60 Органическая химия. Часть II. Арены. Галогенпроизводные углеводородов: Учебное пособие / Яросл. гос. техн. ун-т.- Ярославль, 1999.- 70 с.

ISBN 5-230-18418-3

Во второй части пособия рассмотрены основные вопросы строения и реакционной способности, типичные реакции и основные способы получения аренов и галогенпроизводных. По указанным разделам приведены контрольные работы.

Предназначено для студентов-заочников химико-технологических специальностей, а также может быть рекомендовано для студентов дневной формы обучения.

Ил. 8. Табл. 4. Библиограф. 6.

ББК 24.23

ISBN 5-230-18418-3 Ó Ярославский государственный

технический университет

АРЕНЫ

Строение бензола. Ароматичность

К аренам относятся соединения, содержащие, по крайней мере, одну бензольную группировку.

В современной химической литературе понятие “соединение ароматического ряда” означает сходство химических свойств соединения со свойствами бензола и не связаны с запахом соединений.

В соответствии с молекулярной формулой С 6 Н 6 бензол является ненасыщенным соединением и можно ожидать, что для него характерна тенденция вступать в типичные для алкенов реакции присоединения. Однако в условиях, в которых алкен быстро вступает в реакции присоединения, бензол не реагирует или реагирует медленно.

Бензол не вступает в реакции присоединения, в которых разрушилась бы p -электронная система бензольного кольца. Такая устойчивость называется кинетической . Она связана со значительной величиной энергии активации. Вместе с тем бензол достаточно легко вступает в реакции замещения. Образующиеся при этом продукты сохраняют специфическую структуру бензола.

Таблица 1.1. Сравнение химических свойств циклогексена и бензола

Вывод об устойчивости ароматической системы следует из сравнения теплот гидрирования одного моля 1,3,5-циклогексатриена, содержащего три независимые двойные и три простые связи. Можно ожидать, что теплота гидрирования 1,3,5-циклогексатриена будет равна утроенной теплоте гидрирования одного моля циклогексена: 120,4 ´ 3 =361,2 кДж.

Однако экспериментальная теплота гидрирования одного моля бензола составляет 209 кДж, что на 152 кДж меньше. Следовательно, бензол беднее энергией, чем гипотетический 1,3,5-циклогексатриен. Эта энергия называется энергией резонанса . Стабилизация за счет энергии резонанса является причиной термодинамической устойчивости .

В бензоле каждый атом углерода находится в sp 2 -состоянии и связан тремя s -связями с двумя атомами углерода и одним атомом водорода. Атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости. Четвертый валентный электрон атома углерода находится на 2p -орбитали, перпендикулярной плоскости молекулы. Эти p -орбитали состоят из двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, другая - ниже плоскости кольца. 2р -орбиталь каждого атома углерода перекрывается с 2р -орбиталями обоих соседних атомов углерода. В результате образуется замкнутая шести-p -электронная система в виде двух бубликов, один из которых лежит выше, а другой ниже плоскости правильного шестиугольника (рис. 1.1а).

Благодаря коллективному взаимодействию всех шести p-электронов происходит выравнивание углерод-углеродных связей по длине и кратности: длина всех связей С-С в бензоле (0,1399 нм) является средней между длиной двойной связи в алкенах (0,134 нм) и расчетным значением длины простой связи =С-C=(0,148 нм) (рис. 1.1б). Вторым следствием коллективного p- электронного взаимодействия является электронная и связанная с ней термодинамическая и кинетическая стабилизация.

Рис. 1.1.Молекула бензола:

а - перекрывание 2р-орбиталей, образующих p- связи;

б - длины связей и валентные углы в молекуле бензола

Какие свойства должно проявлять вещество для того, чтобы его можно было отнести к ароматическим соединениям? Ароматическими являются соединения с молекулярной формулой, указывающей на высокую степень ненасыщенности, которые, однако, не реагируют как ненасыщенные, а вступают в реакции электрофильного замещения с сохранением термодинамически устойчивой ароматической системы.

Условие ароматичности определяет правило Хюккеля .

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.

Современная точка зрения на строение бензола: плоская молекула, атомы углерода которой находятся в состоянии sp 2 -гибридизации и объединены в правильный шестиугольник.

Изображение молекулы бензола:

Ароматичность - необычайно низкая энергия невозбужденного состояния, вызванная делокализацией π-электронов.

Ароматичность -понятие, характеризующее совокупность структурных, энергетических свойств и особенностей реакционной способности циклических структур с системой сопряженных связей

Признаки ароматичности Любое соединение обладает ароматичностью, если оно имеет: а) плоский замкнутый цикл; б) сопряженную π−электронную систему, охватывающую все атомы цикла; в) если число электронов, участвующих в сопряжении соответствует формуле Хюккеля (4n+2., где n - число циклов).

Изомерия

Номенклатура

орто- , мета- и пара- замещенными:

Физические свойства

Все ароматические соединения имеют запах. Бензол, толуол, ксилолы, этилбензол,

кумол, стирол - жидкости, нафталин, антрацен - твердые вещества.

26. Ароматические углеводороды ряда бензола. Номенклатура. Изомерия. Способы получения бензола и его гомологов: из каменноугольной смолы, ароматизацией и дегидроциклизацией парафинов, по реакции Вюрца-Фиттига, алкилированием по Фриделю-Крафтсу олефинами, галоидными алкилами, спиртами, из солей бензойной кислоты, тримеризацией алкинов.

Арены(ароматические углеводороды) - это циклические соединения, в молекулах которых содержатся одно или несколько ядер бензола. Эмпирическая формула бензола С6Н6

Изомерия

Для ди-, три- и тетразамещенных ароматических углеводородов характерна изомерия положения заместителя и изомерия боковой алкильной цепи.

Моно-, пента- и гексазамещенные арены не имеют изомеров, связанных с положением заместителя в кольце.

Номенклатура

Производные бензола называют замещенными бензолами. Для многих из них либо используют тривиальные названия, либо заместитель обозначается приставкой перед словом «бензол». В случае монозамещенных бензолов в названия не входят цифры, так как все шесть атомов углерода молекулы бензола равноценны, для каждого заместителя возможен только один монозамещенный бензол.

Если в молекуле бензола присутствуют два заместителя, то могут существовать три различных дизамещенных бензола. Они называются соответственно орто- , мета- и пара- замещенными:

Если в бензоле имеется три и более заместителей, то их положение в кольце следует обозначать только цифрами. Во всех случаях названия заместителей перечисляют перед словом «бензол» в алфавитном порядке. Цифра 1 в названии может быть пропущена, заместитель, с которого начинается отсчет, в этом случае входит в основу названия:

Получение:

1.Переработка каменноугольной смолы, перегонка нефти, cухая перегонка

древесины.

2. Ароматизация нефти.

3. Дегидроциклизация гексана и гептана.

C 6 H 14 → С6H6 + 4H 2

C 7 H 16 → С6H5-СН3 + 4H2

4. Вюрца-Фиттига:

Алкилирование по Фриделю – Крафтсу. Принято два возможных механизма протекания реакции. В первом случае электрофильной частицей является карбокатион, образующийся в результате взаимодействия галогеналкана с хлоридом алюминия (кислотой Льюиса):

Во втором случае можно предполагать, что электрофилом служит алкильная группа полярного комплекса AlCl 3 с алкилгалогенидом.

Алкилирование бензола (реакция Фриделя-Крафтса)

C 6 H 6 + C 2 H 5 Cl → С 6 H 5 -C 2 H 5 + HCl

27.Электрофильное замещение в ароматическом ряду (нитрование, сульфирование, галогенирование, алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу). Понятие о - и -комплексах. Механизм реакций электрофильного замещения