Области на действие: химични свойства и методи на производство
Ароматни химични съединения или арени са голяма група от карбоциклични съединения, чиито молекули съдържат стабилен цикъл от шест въглеродни атома. Тя се нарича "бензенов пръстен" и причинява специални физически и химични свойства на анесите.
Бензолът и неговите различни хомолози и производни са свързани предимно с ароматни въглеводороди.
Молекулите на арената могат да съдържат няколко бензенови пръстени. Такива съединения се наричат многоядрени ароматни съединения. Например, нафталинът е добре познато лекарство за защита на вълнени продукти от молци.
бензол
Този най-прост представител на анените се състои само от бензенов пръстен. Неговата молекулна формула е C 6. 6 . Структурната формула на бензолната молекула най-често е представена от цикличната форма, предложена от А. Кекуле през 1865 г.
Предимството на тази формула е правилното отражение на състава и еквивалентността на всички С и Н атоми в пръстена. Въпреки това, тя не може да обясни много от химичните свойства на анесите, затова твърдението за наличието на три спрегнати двойни връзки С = С е погрешно. Това стана известно едва с появата на съвременната комуникационна теория.
Междувременно писането на формулата на бензола по начина, предложен от Кекуле, също е често срещано днес. Първо, удобно е да се пишат уравнения с негова помощ. химични реакции. Второ, съвременните химици виждат в него само символ, а не истинска структура. Структурата на бензолната молекула днес се пренася от различни типове структурни формули.
Структурата на бензеновия пръстен
Основната характеристика на бензеновото ядро е липсата на единични и двойни връзки в нея в традиционния смисъл. Съгласно съвременните концепции, бензолната молекула изглежда плосък шестоъгълник със странични дължини равен на 0.140 nm. Оказва се, че дължината на C - C връзката в бензола е междинна стойност между единична (нейната дължина е 0.154 nm) и двойна стойност (0.134 nm). В същата равнина лежат С-Н връзките, образувайки ъгъл от 120 ° с краищата на шестоъгълника.
Всеки атом С в структурата на бензен е в sp2-хибридното състояние. Тя е свързана чрез трите си хибридни орбитали с два атома С, разположени в квартала, и един атом от Н. Това означава, че образува три s-връзки. Друг, но вече нехибридизиран 2p-орбитал от него, се припокрива със същите орбитали на съседни С-атоми (дясно и ляво). Оста му е перпендикулярна на равнината на пръстена и следователно припокриването на орбиталите става над и под него. В този случай се образува обща затворена π-електронна система. Поради еквивалентното припокриване на 2р орбиталите на шестте атома С възниква един вид "изравняване" на С-С и С = С връзките.
Резултатът от този процес е сходството на такива “едно и половина” облигации с двойни и единични облигации. Това обяснява факта, че арените проявяват химични свойства, характерни и за алканите, и за алкените.
Енергията на въглерод-въглеродната връзка в бензеновия пръстен е 490 kJ / mol. Каква е и средната стойност между енергиите на простите и множествени двойни връзки.
Номенклатура на арена
Основата на наименованията на ароматни въглеводороди е бензолът. Атомите в пръстена са номерирани с по-висок заместител. Ако заместителите са еквивалентни, тогава номерирането се извършва по най-краткия път.
За много бензолни хомолози често се използват тривиални имена: стирен, толуен, ксилен и др. За да се отразят относителните позиции на заместителите, обичайно е да се използва префиксът орто, мета, пара.
Ако в молекулата има функционални групи, например карбонил или карбоксил, молекулата на арената се счита за свързан с нея ароматен радикал. Например, -Сб- 5 -фенил, -С6-4-фенилен, Сб- 5- С2-2-бензил.
Физични свойства
Първи представители в. T хомоложни серии Бензолът е безцветна течност със специфична миризма. Теглото им е по-леко от водата, в която те практически не се разтварят, но се разтварят добре в повечето органични разтворители.
Всички ароматни въглеводороди те изгарят с появата на опушен пламък, което се обяснява с високото съдържание на С в молекулите. Температурите на топене и кипене на тях се увеличават с увеличаване на стойностите на молекулните маси в хомоложните серии на бензола.
Химични свойства на бензола
От различните химични свойства на арените, реакциите на заместване трябва да бъдат споменати отделно. Също много значими са някои реакции на прибавяне, които се проявяват при специални условия и окислителни процеси.
Реакции на заместване
Доста мобилни π-електрони от бензеновия пръстен са способни да реагират много активно с атакуващите електрофили. Самата бензолна сърцевина в бензола и свързаната с него въглеводородна верига в неговите хомолози участват в такова електрофилно заместване. Механизмът на този процес е изследван в детайли от органичната химия. Химичните свойства на анесите, свързани с електрофилната атака, се проявяват през три етапа.
- Първият етап. Появата на π-комплекса се дължи на свързването на π-електронната система на бензолното ядро с X + частицата, която се свързва с шест π-електрона.
- Втори етап Преходът на π-комплекс към s, дължащ се на освобождаването на двойка от шест π-електрона от двойка, за да се образува ковалентна C-X връзка. А останалите четири се преразпределят между пет С-атома в бензеновия пръстен.
- Третият етап. Придружен от бързото елиминиране на протона от s-комплекса.
Бромиране на бензен в присъствието на железни или алуминиеви бромиди без нагряване, което води до производството на бромобензен:
C 6 + 6 + Br 2 -> С 6-5 -Br + Br.
Нитрирането със смес от азотна и сярна киселина води до образуването на съединения с нитрогрупа в пръстена:
C 6 + 6 + OONO 2 -> C 6 — 5 - NO 2 + 2 O.
Сулфонирането се извършва от бисулфониевия йон, получен от реакцията:
3Η2SO4 ⇄ SO3 Η + + Η3O + + 2ΗSO4-,
или серен триоксид.
Съответства на това химично свойство на реакцията на анесите:
C6H6 + S03H + - C6H5-S03H + H + .
Реакциите на алкиловото и ациловото заместване или на реакцията на Friedel-Crafts се провеждат в присъствието на безводен А1С13.
Тези реакции са малко вероятни за бензола и продължават с трудност. Прибавянето на водородни халогениди и вода към бензола не се извършва. Обаче при много високи температури в присъствието на платина е възможна реакция на хидрогениране:
C6 = 6 + 3H2-> C6H12 .
При ултравиолетово облъчване молекулите на хлора могат да се присъединят към молекулата на бензола:
C6 = 6 + 3Cl2-> C6 = 6Cl6.
Реакции на окисляване
Бензолът е силно устойчив на окислителни агенти. Така че, той не обезцветява розовия разтвор на калиев перманганат. Въпреки това, в присъствието на ванадиев оксид, той може да бъде окислен от кислород до въздух до малеинова киселина:
С 6 Н 6 + 4О -> СООΗ-СΗ = СΗ-СООΗ.
Във въздуха бензолът изгаря с появата на сажди:
2C 6 + 6 + 3O2 → 12С + 6Η2О.
Химични свойства на арените
- Заместване.
- Халогенирането може да протича по различни начини в зависимост от условията на реакцията. В присъствието на съответното желязо или алуминиев халид, заместването ще продължи в пръстена съгласно механизма, описан подробно по-горе. За да се въведе халогенен атом в страничната верига, реакцията се осъществява чрез нагряване без катализатори или на светлина.
- Нитрирането на ароматни въглеводороди с нитрониев йон, който се образува чрез смесване на сярна и азотна киселина, води до свързване на нитрогрупата с бензоловата сърцевина. Връзката на нитрогрупата със странична верига е възможна по време на реакцията на Коновалов. 2. Окисляване. Това химическо свойство на анесите може да се разглежда от две гледни точки. От една страна те са доста лесно окислени и страничната верига е изложена на действието, за да образува карбоксилна група. Ако два заместителя са свързани с пръстен в ароматна въглеводородна молекула, тогава се образува двуосновна киселина. От друга страна, те като бензола изгарят с образуването на сажди и вода.
Правила за ориентиране
Коя позиция (o-, m- или p-) заместник ще заема по време на взаимодействието на електрофилен агент с бензенов пръстен се определя от правилата:
- ако в бензеновото ядро вече има заместител, то той е този, който насочва входящата група към определена позиция;
- Всички ориентиращи се заместители се разделят на две групи: Ориентанти от първия вид насочват входящата група от атоми към орто- и пара-позиции (—N2, -O –, -С13, -С2Н5, халогени); Ориентанти от втория вид насочват входящите заместители към мета позиция (-NO2, -SO3 ', -СОО, -СООО).
Ориентанти са изброени по реда на намаляване на водещата сила.
Заслужава да се отбележи, че това разделяне на заместителите в групата е условно поради факта, че в повечето реакции се наблюдава образуването на всичките три изомера. Ориентанти засягат само кои от изомерите ще бъдат получени в по-големи количества.
Получаване на арени
Основните източници на арена са сухата дестилация на въглища и рафиниране на нефт. Въглищен катран съдържа огромно количество от всички видове ароматни въглеводороди. Някои видове масла съдържат до 60% анеи, които лесно се изолират чрез проста дестилация, пиролиза или крекинг.
Синтетичните методи на производство и химичните свойства на арените често са взаимосвързани. Бензолът, както и неговите хомолози, се получават по един от следните методи.
1. Реформиране на петролните продукти. Дехидрогенирането на алкани е най-важният промишлен метод за синтез на бензен и много от неговите хомолози. Реакцията се осъществява чрез преминаване на газове върху нагряван катализатор (Pt, Cr 2 O 3 , оксиди на Mo и V) при t = 350–450 o C:
C6H14-> C6'6 + 4'2.
2. Реакция на Вюрц - Фитиг. Извършва се през етапа на получаване на органометални съединения. В резултат на това реакцията може да произведе няколко продукта.
3. Тримеризация на ацетилен. Самият ацетилен, както и неговите хомолози, са способни да образуват арени при нагряване с катализатор:
3C 2 - 2 -> C 6. 6 .
4. Фридел - реакция на занаятите. По-горе са разгледани химичните свойства на арените, методът на получаване и трансформация на хомолозите на бензола.
5. Получаване на съответните соли. Бензолът може да се разграничи чрез дестилация на соли. бензоена киселина с алкални:
C6 = 5- COONa + Na02 -> C6 = 6 + Na2C03.
6. Възстановяване на кетони:
C 6 – 5 –CO - C 3 + Zn + 2 ΗCl -> C 6 5 - C 2 2 - C 3 3 + 2 O + ZnCl 2 ;
CΗ 3 –C 6 – 5 –CO - CΗ 3 + NΗ 2 –NΗ 2 -> CΗ 3 –C 6 5 –CΗ 2 –CΗ 3 + 2 O.
Използвайте арени
Химичните свойства и приложенията на анесите са пряко свързани помежду си, тъй като повечето ароматни съединения се използват за по-нататъшен синтез в химическото производство и не се използват в завършен вид. Изключенията са вещества, използвани като разтворители.
Бензенът C 6 is 6 се използва главно в синтеза на етилбензен, кумол и циклохексан. На негова основа получават междинни продукти за производството на различни полимери: гуми, пластмаси, влакна, багрила, повърхностно активни вещества, инсектициди, лекарства.
Толуен С6Н5-СН3 се използва при производството на багрила, лекарства и експлозиви.
Ксилоли С 6 ( 4 (С 3 ) 2 в смесена форма (технически ксилен) се използват като разтворител или като първоначален препарат за синтез на органични вещества.
Изопропил бензен (или кумол) C 6 4 -C 4 (C 3 ) 2 е първоначалният реагент за синтез на фенол и ацетон.
Винилбензен (стирен) C 6 Η 5 -CΗ = Η 2 е суровината за производството на най-важния полимерен материал - полистирол.