Страница - 2

§3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕНЗОЛА И ЕГО ГОМОЛОГОВ

Сегодня на уроке:

• изучим свойства аренов и их применение.

Ключевые понятия

• арены
• физические свойства
• химические свойства
• применение

Физические свойства. Бензол и его го­мологи обычно жидкие вещества, имеющие своеобразный запах, нерастворимые в воде, но хорошо растворимые во многих органических соединениях. Огнеопасны. Температура кипе­ния ароматических углеводородов закономерно повышается с увеличением их относительных молекулярных масс (табл. 2).

В больших дозах бензол и толуол вызыва­ют тошноту и головокружение, а в некоторых тяжелых случаях отравление может повлечь смертельный исход. Пары бензола и толуола могут проникать через неповрежденную кожу. Хроническое отравление бензолом и толуолом может стать причиной лейкемии и анемии.

Физические свойства ароматических углеводородов

Химические свойства. Бензол и его гомологи могут вступать в реакции замещения, присоединения и окисления. Все арены, кроме бензола, окисляются сильными окислителями. Рассмотрим основные химические реакции бензола и его гомологов.

1. Реакции присоединения. Эти реакции не характерны для арома­тических углеводородов, так как бензольное кольцо и л-электронная система очень прочны, поэтому такие реакции происходят в присут­ствии катализатора, при нагревании или УФ-облучении.

Гидрирование. В присутствии Ni-, Pt-, Pd-катализаторов, при высоком давлении и при нагревании бензол присоединяет водород, в результате реакции образуется циклогексан:

Гексахлоран применяется в сельском хозяйстве как ядохимикат.

Галогеноводороды и вода к ароматическим углеводородам не присоединяются.

2. Реакции замещения. Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения легче, чем алканы. Они могут реагировать с галогенами, азотной кислотой и другими веществами. Рассмотрим некоторые из этих реакций.

а) Галогенирование. Реакции замещения аренов галогенами проте­кают в присутствии солей железа (III):

б) Нитрование. Реакция нитрования бензола и его гомологов идет в присутствии нитрующей смеси (смесь концентрированных серной и азотной кислот):

В результате образуется нитробензол.
Гомологи бензола, вследствие взаимного влияния атомов в бензольном кольце, реагируют с азотной кислотой иначе:

Замещение происходит в трех положениях бензольного кольца: 2, 4, 6 (орто-, пара-положениях):

Вследствие такой реакции образуется сильно взрывчатое вещество тротил, который применяют для взрывных работ (при прокладке тун нелей, шахт, метро и т. д.).

3. Реакции окисления. Бензол очень устойчив к действию окис­лителей, и обычные окислители на бензол не действуют. А гомологи бензола, например, толуол, легко обесцвечивают раствор перманганата калия, образуя бензойную кислоту (рис. 4):

Бензойная кислота (консервант Е-210) — природный консервант, содержащийся в клюкве и бруснике. Используется при изготовлении напитков, плодово-ягодной продукции, рыбопродуктов.

Среди ароматических углеводородов есть разновидности таких веществ, в которых есть радикалы, содержащие кратные свя­зи. Таким веществом является, например, винилбензол (полистирол) (рис. 5):

Этот углеводород обладает и свойствами гомологов бензола, но проявляет и свойства непредельных углеводородов. Винилбензол обесцвечивает бромную воду, реагирует с галогеноводородами и т. д. Но самым важным свойством стирола является реакция полимеризации, в результате которой полу­чается полимер-полистирол:

Из полистирола изготавливают разнообразную продукцию.

Применение. Бензол является исходным веществом для синтеза огромного числа органических соединений, играющих важную роль в

нашей жизни: медикаментов, красителей, средств защиты растений, пластмасс и синтетических волокон и др. (рис. 6). Он является также хорошим растворителем для многих органических веществ.

Бензол и его гомологи могут вступать в реакции присоединения, замещения и окисления. Б присут­ствии катализаторов, при высоком давлении и при нагревании бензол присоединяет водород. Бензол и его гомологи легче вступают в реакции замещения, чем алканы. Они могут реагировать с галогенами, азотной кислотой и другими веществами. Все арены, кроме бензола, окисляются сильными окислителями.

1. Какие физические свойства характерны для аренов?
2. В какие реакции вступают бензол и его гомологи?
3. Напишите уравнения бромирования бензола на свету и при участии катализатора. Назовите продукты реакций.

Лабораторное оборудование: набор для построения шаростержневых моделей молекул органических соединений.

Ход работы: Напишите структурную формулу бензола. Возьмите из набора 6 шариков черного цвета, которые будут символизировать атомы углерода, необходимое число шариков белого цвета, которые бу­дут символизировать атомы водорода. Химическая связь изображается металлическими стержнями.

При помощи стержней атомы углерода и водорода соедините между собой в цикл согласно структурной формуле бензола.

Раздел 1. Соединения ароматического ряда

Молекула бензола, C₆H₆ имеет циклическое строение, гексагональ­ное строение, ароматическую связь.

Арены имеют общую формулу С_nН_2n-6, молекулы данных веществ очень прочны за счет нелокализованной л-связи, прочного бензольного кольца.

Механизм реакций замещения для аренов электрофильный, атомы водорода в ходе такой реакции замещаются на атомы галогенов, ни­трогруппу и т.п.

Арены проявляют свойства и предельных {реакции замещения) и непредельных (реакции присоединения) углеводородов. Бензол не всту­пает в реакции характерное для непредельных УВ, не обесцвечивает бромную воду. В реакции с сильными окислителями гомологи бензола, образуют бензойную кислоту и другие оксокислоты.

Производное бензола — винилбензол (стирол). Химические свойства стирола определяются наличием бензольного ядра и двойной связи в боковой цепи. Стирол легко окисляется, полимеризуется. Важным его производным является полимер поливинилбензол (полистирол).

Глава II. ЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

§4. "НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ". НОМЕНКЛАТУРА ИЮПАК ДЛЯ АРОМАТИЧЕСКИХ И ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Сегодня на уроке:

Изучим ароматические и гетероциклические соединения.

Ключевые понятия

• циклические соединения;
• гетероциклы:
• номенклатура изомерия

Классификация. Первым классификацион­ным критерием служит деление органических соединений на группы с учетом строения угле­родного скелета (2-схема).

Ациклические соединения — это соедине­ния с незамкнутой цепью атомов углерода. Алифатические (от греч. aleiphar — жир) углеводороды — простейшие представители ациклических соединений — содержат толь­ко атомы углерода и водорода и могут быть насыщенными (алканы) и ненасыщенными (алкены, алкадиены, алкины). Циклические соединения — это соединения с замкнутой

Классификация органически к соединении по строению углеродного скелета

целью атомов. В зависимости от природы атомов, составляющих цикл, различают карбоциклические и гетероциклические соединения.

Карбоциклические соединения содержат в цикле только атомы углерода и делятся на ароматические и алициклические (цикличе­ские неароматические). Число атомов углерода в циклах может быть различным. Известны большие циклы (макроциклы), состоящие из 30 атомов углерода и более.

Для изображения циклических структур удобны скелетные форму­лы, в которых опускают символы атомов углерода и водорода, но симво­лы остальных элементов (N, О, S и др.) указывают. В таких формулах каждый угол многоугольника означает атом углерода с необходимым числом атомов водорода (с учетом четырехвалентности атома углерода).

Циклические соединения также классифицируют на карбоцикли­ческие и гетероциклические (схема 3).

Классификация циклических соединений

Циклические соединения. Для наименования циклических соеди­нений широко применяются тривиальные названия, и многие из них приняты как основные в систематических номенклатурах. Наиболее полная номенклатура циклических соединений разработана в правилах IUPAC. Ниже приведены лишь некоторые сведения, главным образом о старых способах наименования циклических систем, которые встре­чаются до сих пор.

Алициклические соединения. В основу названий алициклических соединений положены названия насыщенных циклических углеводоро­дов С_n Н_2n, общее систематическое название которых — циклоалканы. Их называют также циклопарафинами; по старой номенклатуре эти углеводороды называли полиметиленами; триметилен, тетраметилен, пентаметилен, гексаметилен и т. д. — по числу метиленовых групп (-CH₂-) в кольце:

Алициклические углеводороды циклоалканы

Непредельные алициклические углеводороды с двойной связью (цикло алкены) называют также циклоолефинами.

Ароматические соединения. Соединения ряда бензола.

Простейший ароматический углеводород C6H6 имеет тривиальное название бензол. Все остальные углеводороды этого ряда могут быть названы как замещенные производные бензола, или имеют свои три­виальные названия. При этом по традиции, установившейся в русском языке, почти все тривиальные названия гомологов бензола также имеют окончание -ол.

Например:

С₆Н₅СН₃ — метилбензол иди толуол;

C₆H₄(CH₃)₂— диметилбензол или ксилол;

C₆H₅CH(CH₃)₂ — изопропилбензол или кумол;

Как исключение С₆H₃(СН₃)₂ — 1,3,5-триметил бензол имеет название мезитилсн.

По правилам IUPAC все названия ароматических углеводородов ха­рактеризуются окончанием -ен. Соответственно: бензен, толуен, ксилен, цимен, старей и т. д. Но эти названия практически не применяются.

Родоначальником ароматических углеводородов (аренов) является бен­зол. Нафталин, антрацен и фенантрен относятся к полициклическим аренам. Они содержат конденсированные бензольные кольца.

По строению углеродной цели органические соеди­нения делятся на две большие группы: ациклические {соединения с открытой целью) и циклические — соеди­нения с замкнутой целью углеродных атомов.

Циклические соединения делятся на карб о цикли­ческие и гетероциклические. Название циклических соединений производят по правилам международной номенклатуры IUPAC.