Хімічні властивості бензолу

Особливості будови молекули бензолу істотно позначаються на його властивості. Перш ніж перейти до фактичного матеріалу, вчитель промовляє з хлопцями очікувані і дійсні властивості бензолу, проводячи паралель між різними класами вуглеводнів.

Чи є бензол ненасичених з’єднанням? Формально так, оскільки містить на 8 атомів водню менше, ніж граничний вуглеводень з шістьма вуглецевими атомами. Але якісна реакція на кратну зв’язок не дає позитивного результату. (За допомогою яких якісних реакцій можна виявити подвійну або потрійну зв’язок? Які класи вуглеводнів дають цю реакцію?) Учитель демонструє, що при додаванні 1-2 мл бензолу до такого ж об’єму розчину перманганату калію знебарвлення не відбувається. Крім того, бензол на відміну від алкенів дуже неохоче вступає в реакції приєднання. Через такого хімічного поведінки бензол і його гомологи не прийнято називати неграничними сполуками. А ось до реакцій заміщення бензол, навпаки, вельми схильний. Який клас вуглеводнів володіє схожим властивістю? Звичайно, алкани. Але й реакції заміщення у бензолу протікають специфічно. Така сукупність незвичайних хімічних властивостей бензолу, а також споріднених йому сполук, називається ароматичним характером.

Реакції електрофільного заміщення

Для учнів, подальші плани яких ніяк не пов’язані з нашою чудовою наукою, термін «електрофільне», так само як і механізм реакції, можна не згадувати взагалі. Хлопці профільних класів в залежності від рівня підготовки даний матеріал можуть осилити (у вузі він їм знадобиться). Тому ми вважали доречним привести його в підручнику і прокоментувати в даному посібнику.

Оскільки бензольні кільце насичене електронами, атакуючої його частці потрібно мати дефіцит електронної щільності, т. Е. Частковий або повний позитивний заряд. Така частка, як відомо, називається електрофільної, «люблячої електрони». Звідси назва механізму заміщення – електрофільне.

Заміщення в алканах відбувається по іншому механізму і в інших умовах. За допомогою вчителя хлопці згадують, що це радикальні процеси.

На першій стадії електрофільного частинка X + притягається до ?-електронних хмар і утворює з молекулою арена так званий ?-комплекс. Потім два з шести ?-електронів ароматичного сполучення утворюють ?-зв’язок між X_ і одним з атомів вуглецю циклу. При цьому ароматичность системи порушуються, т. К. В кільці залишається тільки чотири p-електрона. Утвориться проміжна частка називається c-комплекс. Для відновлення ароматичности ?-комплекс виштовхує протон, а два електрони зв’язку С-Н переходять в пару кільця, відновлюють його ароматичность.

Найважливішими реакціями електрофільного заміщення аренов є галогенирование, алкілування, нітрування, сульфування.

1. Галогенування. Бензол і його гомологи взаємодіють з хлором і бромом з утворенням моногалогензамещенних похідних. Вчителю доведеться трохи довше затриматися на цій реакції, щоб попередити подальші помилки учнів у записі її рівняння. Таких помилок може бути декілька.

– Оскільки в молекулі бензолу не показані водневі атоми, в якості єдиного продукту реакцій хлопці пишуть хлорбензол, а також важко назвати тип реакції.

– В якості побічного продукту часто називають водень.

– У молекулі хлорбензолу не зображують ароматичне сполучення.

– Хлопці часто губляться, у якого з атомів вуглецю продукту записати хлор.

Є сенс в першому записі рівняння цієї реакції зобразити всі атоми водню бензолу; обмовившись, що надалі цього робити не варто. Учитель показує, як відбувається формальне «видалення» хлороводню від двох реагуючих молекул. Оскільки всі атоми водню в бензолі (але не у гомологів!) Еквівалентні, однакові, не має значення, який з них заміщати на хлор. У продукті реакції хлор також можна зображувати у будь-якого вподобаного атома вуглецю. У неорганічної хімії таку реакцію віднесли б до реакцій обміну. В органіці справа йде інакше. Тип процесу визначається «з точки зору» головного речовини реакції, субстрату. В даному випадку це бензол. Чим відрізняється продукт від вихідної молекули бензолу? Замість одного атома водню він містить хлор. Це реакція заміщення!

Реакція протікає в присутності каталізаторів – безводних галогенідів алюмінію, заліза (III) або цинку. Роль каталізатора зводиться до поляризації неполярной зв’язку Cl-Сl з утворенням електрофільної частинки, атакуючої електронну щільність бензольного кільця:

2. Алкілування. Цілком аналогічно відбувається заміщення атома водню в бензольному кільці на алкільний радикал під дією галогеналканов. Вперше цю реакцію в 1877 р здійснили француз Шарль Фрідель і американський хімік Джеймс Мейсон Крафт, працюючи спільно в Паризькому університеті. Реакція придбала величезне значення в органічній хімії і в честь своїх першовідкривачів була названа реакцією Фріделя-Крафтса. Заодно так стали називати і каталізатори, перераховані вище.

Ще одним зручним алкіліруючим реагентом є алкени. Реакція здійснюється у присутності каталізатора Аl2О5. Алкілування бензолу етиленом призводить до утворення етилбензолу. Ця реакція використовується для отримання стиролу і далі – полістиролу (наприклад, з цієї пластмаси, вказує вчитель, зроблений стаканчик для йогурту) і Синтетичний каучук. Використання в якості реагенту пропена дозволяє отримати ще один важливий напівпродукт органічного синтезу – ізопропілбензол (кумол). Учитель повинен обов’язково звернути увагу на цю реакцію, оскільки кумол – сировина для отримання фенолу і ацетону. Складність реакції в тому, що поєднання ароматичного кільця і алкена відбувається по центральному атому останнього.

Допитливі хлопці іноді запитують: це теж реакція заміщення? Не приєднання це? Ні, і це ще раз доводить, що віднесення до того чи іншого типу реакції в органічній хімії проводиться за її механізму.

3. Нітрування. Заміщення атома водню в бензольному кільці відбувається під дією суміші концентрованих азотної та сірчаної кислот, званої нитрующей сумішшю. Тут також нерідкі проблеми: нітрогрупу замість -NO2 хлопці зображують -NO3. Щоб попередити помилку цього роду, вчитель звертає увагу хлопців на те, що HNO3 – одноосновна кислота, т. Е. Містить одну гидроксогрупп ОН, а тому може бути записана за допомогою формули HO-NO2.

Учитель показує, як від двох вихідних речовин відщеплюєтьсямолекула води:

image189

Роль концентрованої сірчаної кислоти також зводиться до генерування електрофільної частинки – так званого катіона нитрония:

Експеримент з нитровании аренов нескладний, за відсутності бензолу чи толуолу в шкільній лабораторії їх можна з успіхом замінити розчинником під назвою «Сольвент», який продається в господарських магазинах. Він містить більше 50% ароматичних вуглеводнів. У пробірку наливають 1-2 мл арена або сольвента, обережно додають 2 мл суміші концентрованих азотної та сірчаної кислот. Після струшування і поділу гетерогенної суміші верхній органічний шар набуває жовтого забарвлення. Обережно! Досвід проводити у витяжній шафі! Характерний кісточковий запах нитробензола краще описати словами.

4. Сульфування. Під дією концентрованої сірчаної кислоти відбувається заміщення атома водню на сульфогрупп – SO3H, що представляє собою залишок сірчаної кислоти без однієї гидроксогрупп:

Слід зазначити, що реакція сульфування на відміну від інших реакцій електрофільного заміщення є оборотною. Учитель сам вирішує, чи треба давати учням реакцію сульфирования. У органічної хімії все взаємопов’язано: адже через кілька уроків доведеться говорити про способи отримання фенолу, бензолсульфокислоти доведеться згадувати.

Реакції приєднання.

Учитель нагадує, що реакції приєднання до бензолу протікають з працею, в жорстких умовах. Це пов’язано з високою стійкістю ароматичної системи, яка в реакціях цього типу руйнується.

1. Гідрування. Приєднання водню до бензолу і його гомологів відбувається при підвищеній температурі, тиску, у присутності каталізаторів гідрування (Ni, Pt, Pd):

Вперше мелкораздробленного метали в якості каталізаторів гідрування запропонував використовувати в 1901 р французький хімік Поль Сабатьє. Це відкриття було оцінено по достоїнству:

П. Сабатьє – лауреат Нобелівської премії (1912 р). Шлях від наукового відкриття до його використання на благо людства буває дуже недовгий. Каталітичне гідрування – основа маргаринової промисловості, яка народилася на початку століття. Але про це – трохи пізніше.

2. Радикальне галогенирование. При опроміненні УФ-світлом суміші парів бензолу з хлором відбувається приєднання трьох молекул галогену з утворенням гексахлороциклогексану (гексахлорана), який ще недавно широко використовувався в сільському господарстві для боротьби з сараною та кліщами, однак через негативного впливу на навколишнє середовище був виключений зі списку застосовуваних у сільському господарстві пестицидів:

Така реакція характерна тільки для бензолу. На особливостях хімічних властивостей його гомологів слід зупинитися окремо.

Залишилося записати рівняння ще однієї реакції, характерної для більшості органічних сполук. Це реакція горіння. Бензол на повітрі горить коптящим полум’ям зважаючи на високий вміст вуглецю. Напрошується аналогія з ацетиленом. До речі, дивлячись на формули цих речовин (С6Н6 і С2Н2), математично «підковані» хлопці можуть стверджувати, що масові частки елементів у них рівні.

Ця реакція використовується в двигунах внутрішнього згоряння, адже бензол – це цінний добавка до моторного палива.

Author: Олександр
Фанат своєї справи і просто крутий чувак.