Właściwości chemiczne arenów. Ogólna formuła i charakterystyka aren

Węglowodory aromatyczne, zwane także arenami, reprezentowane są przez substancje organiczne. Skład ich cząsteczek zawiera jedno lub więcej jąder (pierścieni) benzenowych. Benzen, zwany także benzenem, jest pierwszym przedstawicielem seria homologiczna areny. Właściwości chemiczne, budowa cząsteczki i typy wiązań chemicznych w jej cząsteczce mają wiele cech. Rozważymy je w naszym artykule, a także zapoznajemy się z innymi związkami należącymi do grupy węglowodorów aromatycznych.

Jak ustalić formułę strukturalną arenes

W 1865 r. Niemiecki naukowiec F. Kekule zaproponował model przestrzenny najprostszej areny - benzenu. Miał postać płaskiego sześciokąta, którego wierzchołkami były atomy węgla, które łączyły ze sobą trzy proste i podwójne wiązania, naprzemiennie ze sobą. Jednak eksperymentalnie wykryte właściwości chemiczne arenów nie odpowiadały formule zaproponowanej przez F. Kekule. Na przykład benzen nie odbarwia roztworu. nadmanganian potasu i woda bromowa, co wskazuje na brak wiązań pi w cząsteczkach areny. Jaka jest struktura benzenu w rzeczywistości? Ani jedno, ani dwa wiązania aromatyczne węglowodory nie Stwierdzono eksperymentalnie, że związki te zawierają między atomami węgla równoważny typ wiązania chemicznego, zwany sezamem lub aromatem. Dlatego nie wchodzą one w reakcję utleniania z roztworami KMnO4 i Br2. Powstaje ogólna formuła aren - CnH2n-6. Wszystkie specyficzne właściwości związków aromatycznych można wytłumaczyć ich strukturą elektroniczną, którą będziemy dalej badać.

Formuła elektroniczna

Na przykładzie benzenu ustalamy, w jaki sposób atomy węgla są ze sobą połączone. Okazało się, że wszystkie sześć atomów węgla ma postać hybrydyzacji sp2. Węgiel jest połączony z atomem wodoru i dwoma sąsiednimi atomami węgla za pomocą trzech wiązań sigma. To właśnie tworzy płaski sześciokątny kształt cząsteczki. Jednak każdy atom węgla ma jeszcze jedną ujemnie naładowaną cząstkę niezwiązaną z hybrydyzacją. Jego chmura elektronowa ma postać hantli i znajduje się powyżej i poniżej płaszczyzny sześciokąta, zwanego pierścieniem benzenowym. Ponadto, wszystkie sześć hantli zachodzi na siebie i tworzy wspólne aromatyczne wiązanie (półtorej). To ona określa wszystkie właściwości fizyczne i chemiczne substancji. To jest elektroniczna struktura aren.

Czym jest benzen?

Lepsze zrozumienie właściwości aromatycznych węglowodorów pomoże w zaznajomieniu się z pierwszym przedstawicielem tej klasy - benzenu. Łatwo mobilna, palna, bezbarwna ciecz o specyficznym zapachu, nierozpuszczalna w wodzie, to benzen. Zarówno sam związek, jak i jego opary są toksyczne. Zgodnie z ogólnym wzorem arenów, ilościowy i jakościowy skład cząsteczki substancji można wyrazić następująco: C6H6. Podobnie jak w przypadku innych aromatycznych węglowodorów - toluenu, antracenu lub naftalenu, w przypadku benzenu reakcje spalania i podstawienia atomów wodoru w pierścieniu benzenowym będą typowe. Cechą twardego utleniania wszystkich związków aromatycznych jest bardzo dymny płomień. Mieszanina oparów benzenu z powietrzem jest wybuchowa, więc wszystkie eksperymenty z substancją w laboratorium przeprowadza się wyłącznie w wyciągu. Benzen, podobnie jak inne substancje aromatyczne, nie dodaje wody ani halogenków wodoru. Nie powoduje również odbarwienia roztworu nadmanganianu potasu i wody bromowej. Homologi benzenu, takiego jak toluen lub kumen, mogą być utlenione, w którym to przypadku to nie sam pierścień benzenowy ulega reakcji, ale tylko rodnik.

Właściwości chemiczne arenów

Jakiego rodzaju reakcje są zdolne do związków zawierających pierścienie benzenowe i półtorej wiązań pomiędzy atomami węgla? Przede wszystkim są to reakcje substytucyjne, które są dla nich o wiele łatwiejsze niż dla alkanów. Wyobraźmy sobie zapis reakcji katalitycznej między benzenem i bromem z udziałem bromku żelazowego, co prowadzi do powstania bromobenzenu - bezbarwnej cieczy nierozpuszczalnej w wodzie:

C6H6 + Br2 → C6H5Br + HBr

Jeśli jako katalizator stosowany jest chlorek glinu, możliwe jest osiągnięcie całkowitego zastąpienia wszystkich atomów wodoru w cząsteczce benzenu. W tym przypadku powstaje heksachlorobenzen, którego bezbarwne kryształy są stosowane w metodach ochrony nasion roślin uprawnych oraz w przetwarzaniu drewna w celu przedłużenia jego okresu przydatności do spożycia. Aby uzyskać pełniejszy opis aren, dodaj kilka faktów. W przypadku związków aromatycznych do dodawania innych substancji, takich jak chlor, wymagane są specjalne warunki. W naszym przypadku będzie to promieniowanie ultrafioletowe reagującej mieszaniny. Produktem reakcji jest heksachlorocykloheksan lub, jak to się również nazywa, heksachloran. Jest to dobrze znane w rolnictwie narzędzie - środek owadobójczy stosowany w zwalczaniu szkodników owadzich.

Jak i dlaczego uzyskać nitrobenzen?

Kontynuujemy przegląd właściwości chemicznych arenów. Stosując stężone kwasy azotowe i siarczanowe (mieszaninę nitrującą) w jednej reakcji, można otrzymać produkt ważny dla syntezy organicznej z benzenu-nitrobenzenu. Jest to jasnożółty płyn o tłustym wyglądzie, o migdałowym zapachu. Jest nierozpuszczalny w wodzie, ale często stosowany jako rozpuszczalnik dla wielu substancji organicznych: lakierów, tłuszczów itp. Nitrobenzen jest produktem wielotonowy, ponieważ jest wykorzystywany jako surowiec do produkcji aniliny. Substancja ta jest tak ważna dla przemysłu chemicznego, że warto się nad nią zastanowić bardziej szczegółowo. Znany rosyjski chemik N.N. Zinin w 1842 r. Anilinę otrzymano z nitrobenzenu przez reakcję redukcji siarczku amonu. W nowoczesnych warunkach metoda kontaktowa stała się powszechna, w której para wodoru i nitrobenzenu przepuszczana jest w temperaturze 300 ° C powyżej katalizatora. Otrzymana aromatyczna amina jest następnie używana do produkcji materiałów wybuchowych, barwników, leków.

Z czego powstają aromaty?

Najbardziej obiecujące jest otrzymanie aren z produktu węgla koksowego i procesu rafinacji. Cykloparafiny zawarte w smole węglowej są uwodorniane na katalizatorze w temperaturach do 300 ° C, a produktem reakcji jest benzen. Odwodornienie alkanów prowadzi również do powstawania węglowodorów aromatycznych. Reakcję benzinsky-kazańskiego benzenu otrzymuje się z etiny, przepuszczając ją przez rurkę z węglem aktywowanym ogrzanym do 600 ° C. Wytwarzanie arenów, na przykład toluenu, prowadzi się stosując reakcję Friedela-Craftsa. Metylobenzen (toluen) można również wydobywać za pomocą heptanu. Powstałe rodzaje aren są używane jako rozpuszczalniki i dodatki do paliw silnikowych, w produkcji barwniki anilinowe i toksyczne chemikalia.

Naftalen

W latach 50-70 ubiegłego wieku naftaleny były jednym z ulubionych środków ochrony futra i wełny przed molami w życiu codziennym. Dzięki długiemu użytkowaniu odzież uzyskała charakterystyczny, bardzo trwały zapach. Ważniejsze jest jednak wykorzystanie naftalenu jako surowca do syntezy leków, barwników i materiałów wybuchowych. Główne metody jego produkcji oparte są na przetwarzaniu produktów rafinacji ropy naftowej i odpadów produkcji etylenu - żywicy pirolitycznej. Substancja, w przeciwieństwie do benzenu, zawiera dwa jądra benzenu, dlatego reakcje nitrowania i chlorowcowania zachodzą szybciej. Kontynuując dawanie przykładów arenesów, zastanówmy się nad innym ważnym aromatycznym węglowodorem dla przemysłu - winylobenzenem.

Styren

Nowoczesny przemysł materiałów budowlanych jest niemożliwy bez materiałów polimerowych: lekki w obróbce, trwały i odporny na zużycie. Polimery otrzymywane z winylobenzenu, takie jak polistyren (spieniony polistyren), tworzywa SAN i ABS, są stosowane do produkcji sufitów napinanych, wykładzin podłogowych, izolacji ściennych. Styren otrzymuje się z etylobenzenu w postaci bezbarwnej, łatwopalnej cieczy o swoistym zapachu. W przyszłości poddawany jest polimeryzacji i ekstrakcji stałej szklistej masy - polistyrenu. Służy jako początkowy produkt w produkcji wyżej wymienionych materiałów budowlanych. Winylobenzen stosuje się jako rozpuszczalnik, stosowany wraz z butadienem w reakcje polimeryzacji prowadząc do syntezy kauczuków butadienowo-styrenowych.

Nomenklatura związków aromatycznych

Nazwa arenes zgodnie z międzynarodową klasyfikacją IUPAC obejmuje oznaczenie substytutu, do którego dodaje się słowo "benzen". Na przykład C6H5CH3 oznacza metylobenzen, C6H5C2H3 oznacza winylobenzen. Związki te mają trywialne nazwy, więc pierwszy związek nazywany jest toluenem, drugi - styrenem. Areny mogą zawierać dwa podstawniki, na przykład dwa rodniki metylowe. Są w stanie połączyć cykl karboksylowy w trzech pozycjach: przy 1 i 2 atomach węgla, następnie mówią o pozycjach orto podstawników. Jeśli rodniki znajdują się na 1 i 3 cząstkach węgla, to jest to kwestia meta pozycjonowania podstawników, przy 1 i 4 atomach węgla, to jest podstawienie para. Wyższe homologi benzenu można przedstawić jako pochodne nasyconych węglowodorów, w cząsteczkach, których jeden atom wodoru zastąpiono rodnikiem fenylowym C6H5-. Na przykład związek o wzorze C6H5C6H13 będzie nazywany "fenyloheksanem".

W naszym artykule zbadaliśmy właściwości chemiczne arenów, a także daliśmy opis ich właściwości i zastosowań w przemyśle.