При наличии заместителей в ядре бензола место вступления нитрогруппы и условия реакции определяются, как и при других реакциях электрофильного замещения природой имеющегося заместителя.

Ориентанты I рода (OH, OR, OCOR, NH 2 , NHR, NR 2 , NHCOR, –N=N–, CH 2 Cl, CH 3 , F, Cl, Br, I) направляют нитрогруппу преимущественно в орто-пара положения и облегчают (кроме галоидов) её вступление.

Ориентанты II рода (SO 3 H, NO 2 , COOH, COOR, CN, CCl 3) направляют нитрогруппу главным образом в мета-положение и затрудняют её введение в ядро.

Соединения, содержащие ориентанты I рода, нитруются в более мягких условиях: нитрование толуола до мононитросоединений происходит при температуре не выше 40°С; мононитрование фенола осуществляется даже разбавленной азотной кислотой при охлаждении. От характера имеющихся в ядре бензола заместителей зависит и скорость реакции. Сравнительное изменение скорости реакции под влиянием имеющегося заместителя схематически можно представить рядом, где группы, стоящие вправо от хлора, ускоряют реакцию, а влево – замедляют её.

NO 2 > SO 3 H > COOH > Cl < CH 3 < OCH 3 < OC 2 H 5 < OH

замедляют ускоряют

В случае ди- и полизамещенных бензолов влияние заместителей носит аддитивный характер. При наличии заместителей разного типа место вступления электрофила определяет ориентант I рода, так как он активирует ядро. Если оба заместителя одного рода, то место вступления определяет более сильный:

Нитрование толуола нитрующей смесью при 20-30°С приводит к получению смеси о- и n-нитротолуолов с почти количественным суммарным выходом.

Дальнейшее нитрование нитротолуолов до нитросоединений осуществляется при более высокой температуре.

При действии дымящей азотной и серной кислот при 110°С на динитротолуолы образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил), применяющийся в качестве взрывчатого вещества. С увеличением числа алкильных групп в бензольном кольце нитрование облегчается. Ксилолы нитруются легче, чем толуол, а мезитилен в еще более мягких условиях ацетил- или бензоилнитратом.

Получение через диазосоединение

Методы этой группы гораздо менее многочисленны, но отличаются высокими выходами, низкими содержаниями примесей побочных продуктов, простотой и разнообразием в исполнении.

Наиболее простым и надежным способом этой группы является проведение реакции Зандмейера. Можно привести 2 примера различного проведения только этой стадии:

2.3 Другие методы

PhBr + TfOMe, антраниловая кислота в реакции Бородина- Хунсдикера, реакция о-дибромбензола и MeMgBr и тд. - имеют преимуществ по сравнению с другими методами и отличаются более низкой препаративной ценностью, хотя и представляют интерес.

Выбранный путь синтеза - анализ, описание методик выполнения стадий эксперимента

Основным критерием выбора того или иного метода, подробно описанного выше, является надежность и доступность. Этому отвечает путь толуол - нитротолуол - о-толуидин - о-бромтолуол.

Нитрование толуола

В трехгорлую колбу на 250 мл, снабженную мешалкой, капельной воронкой, внутренним термометром (прибор не должен быть герметичен) помещают 0,15 моль ароматического нитросоединения. Затем медленно, при хорошем перемешивании и охлаждении баней со льдом добавляют нитрующую смесь, предварительно охлажденную до по меньшей мере до 10 °C, температура реакционной смеси должна находится в интервале 5-10 °C.

Далее при комнотной температуре перемешивают ещё 2-3 часа. После этого реакционную смесь осторожно выливают в 300 мл ледяной воды и хорошо перемешивают. Отделяют органический слой, водный экстрагируют эфиром. Объединённые органические вытяжки промывают водой, 2 н. раствором бикарбоната натрия до нейтральной реакции, потом опять водой. обогревателем. Вытяжки высушивают над CaCl 2 и перегоняют. П-изомер вымораживают смесью льда и соли, промывают небольшим количеством холодного петролейного эфира. (Тщательное разделение довольно, этот метод оставляет около 4% п-изомера: вымораживание 8 часов смесью льда и соли (2:1). Хороший способ разделения, это восстановление п-изомера щелочным востановителем. П-толуидин может быть отделен благодаря своим основным свойствам. Лучше всего разделение достигается фракционной перегонкой с последующей кристаллизацией 11). Из фильтрата перегонкой в вакууме на 30 см колонке Вигре с электрическим обогревом выделяют о-изомер. Выход о-изомера 40 %. Температуры кипения о- и п-нитротолуола равны, соответственно, 96°С/9 мм. и 105°С /10 мм, температура плавления п-толуидина 52-54°С.

Физические свойства

Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне.

Бензол и его гомологи сами являются хорошими растворителями для многих органических веществ. Все арены горят коптящим пламенем ввиду высокого содержания углерода вих молекулах.

Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице.

Таблица. Физические свойства некоторых аренов

Название	Формула	t°.пл., °C	t°.кип., °C
Бензол	C 6 H 6	5,5	80,1
Толуол (метилбензол)	С 6 Н 5 СH 3	95,0	110,6
Этилбензол	С 6 Н 5 С 2 H 5	95,0	136,2
Ксилол (диметилбензол)	С 6 Н 4 (СH 3) 2
орто-		25,18	144,41
мета-		47,87	139,10
пара-		13,26	138,35
Пропилбензол	С 6 Н 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Кумол (изопропилбензол)	C 6 H 5 CH(CH 3) 2	96,0	152,39
Стирол (винилбензол)	С 6 Н 5 CH=СН 2	30,6	145,2

Бензол – легкокипящая ( t кип = 80,1°С), бесцветная жидкость, не растворяется в воде

Внимание! Бензол – яд, действует на почки, изменяет формулу крови (при длительном воздействии), может нарушать структуру хромосом.

Большинство ароматических углеводородов опасны для жизни, токсичны.

Получение аренов (бензола и его гомологов)

В лаборатории

1. Сплавление солей бензойной кислоты с твёрдыми щелочами

C 6 H 5 -COONa + NaOH t → C 6 H 6 + Na 2 CO 3

бензоат натрия

2. Реакция Вюрца-Фиттинга : (здесь Г – галоген)

С 6 H 5 -Г + 2 Na + R -Г → C 6 H 5 - R + 2 Na Г

С 6 H 5 -Cl + 2Na + CH 3 -Cl → C 6 H 5 -CH 3 + 2NaCl

В промышленности

• выделяют из нефти и угля методом фракционной перегонки, риформингом;
• из каменноугольной смолы и коксового газа

1. Дегидроциклизацией алканов с числом атомов углерода больше 6:

C 6 H 14 t , kat →C 6 H 6 + 4H 2

2. Тримеризация ацетилена (только для бензола) – р. Зелинского :

3С 2 H 2 600° C , акт. уголь →C 6 H 6

3. Дегидрированием циклогексана и его гомологов:

Советский академик Николай Дмитриевич Зелинский установил, что бензол образуется из циклогексана (дегидрирование циклоалканов

C 6 H 12 t, kat →C 6 H 6 + 3H 2

C 6 H 11 -CH 3 t , kat →C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

метилциклогексантолуол

4. Алкилирование бензола (получение гомологов бензола) – р Фриделя-Крафтса .

C 6 H 6 + C 2 H 5 -Cl t, AlCl3 →C 6 H 5 -C 2 H 5 + HCl

хлорэтан этилбензол

Химические свойства аренов

I . РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ

1. Горение (коптящее пламя):

2C 6 H 6 + 15O 2 t →12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. Бензол при обычных условиях не обесцвечивает бромную воду и водный раствор марганцовки

3. Гомологи бензола окисляются перманганатом калия (обесцвечивают марганцовку):

А) в кислой среде до бензойной кислоты

При действии на гомологи бензола перманганата калия и других сильных окислителей боковые цепи окисляются. Какой бы сложной ни была цепь заместителя, она разрушается, за исключением a -атома углерода, который окисляется в карбоксильную группу.

Гомологи бензола с одной боковой цепью дают бензойную кислоту:

Гомологи, содержащие две боковые цепи, дают двухосновные кислоты:

5C 6 H 5 -C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 +28H 2 O

5C 6 H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 +14H 2 O

Упрощённо:

C 6 H 5 -CH 3 + 3O KMnO4 →C 6 H 5 COOH + H 2 O

Б) в нейтральной и слабощелочной до солей бензойной кислоты

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO К + K ОН + 2MnO 2 + H 2 O

II . РЕАКЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЯ (труднее, чем у алкенов)

1. Галогенирование

C 6 H 6 +3Cl 2 h ν → C 6 H 6 Cl 6 (гексахлорциклогексан - гексахлоран)

2. Гидрирование

C 6 H 6 + 3H 2 t , Pt или Ni →C 6 H 12 (циклогексан)

3. Полимеризация

III . РЕАКЦИИ ЗАМЕЩЕНИЯ – ионный механизм(легче, чем у алканов)

1. Галогенирование -

a ) бензола

C 6 H 6 + Cl 2 AlCl 3 → C 6 H 5 -Cl + HCl (хлорбензол)

C 6 H 6 + 6Cl 2 t ,AlCl3 →C 6 Cl 6 + 6HCl ( гексахлорбензол )

C 6 H 6 + Br 2 t,FeCl3 → C 6 H 5 -Br + HBr ( бромбензол )

б) гомологов бензола при облучении или нагревании

По химическим свойствам алкильные радикалы подобны алканам. Атомы водорода в них замещаются на галоген по свободно-радикальному механизму. Поэтому в отсутствие катализатора при нагревании или УФ-облучении идет радикальная реакция замещения в боковой цепи. Влияние бензольного кольца на алкильные заместители приводит к тому, что замещается всегда атом водорода у атома углерода, непосредственно связанного с бензольным кольцом (a -атома углерода).

1) C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 h ν → C 6 H 5 -CH 2 -Cl + HCl

в) гомологов бензола в присутствии катализатора

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (смесь орта, пара производных) +HCl

2. Нитрование (с азотной кислотой)

C 6 H 6 + HO-NO 2 t, H2SO4 →C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

нитробензол - запах миндаля !

C 6 H 5 -CH 3 + 3HO-NO 2 t, H2SO4 → С H 3 -C 6 H 2 (NO 2) 3 + 3H 2 O

2,4,6-тринитротолуол (тол, тротил)

Применение бензола и его гомологов

Бензол C 6 H 6 – хороший растворитель. Бензол в качестве добавки улучшает качество моторного топлива. Служит сырьем для получения многих ароматических органических соединений – нитробензола C 6 H 5 NO 2 (растворитель, из него получают анилин), хлорбензола C 6 H 5 Cl, фенола C 6 H 5 OH, стирола и т.д.

Толуол C 6 H 5 –CH 3 – растворитель, используется при производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ (тротил (тол), или 2,4,6-тринитротолуол ТНТ).

Ксилолы C 6 H 4 (CH 3) 2 . Технический ксилол – смесь трех изомеров (орто -, мета - и пара -ксилолов) – применяется в качестве растворителя и исходного продукта для синтеза многих органических соединений.

Изопропилбензол C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 служит для получения фенола и ацетона.

Хлорпроизводные бензола используют для защиты растений. Так, продукт замещения в бензоле атомов Н атомами хлора – гексахлорбензол С 6 Сl 6 – фунгицид; его применяют для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни. Продукт присоединения хлора к бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С 6 Н 6 Сl 6 – инсектицид; его используют для борьбы с вредными насекомыми. Упомянутые вещества относятся к пестицидам – химическим средствам борьбы с микроорганизмами, растениями и животными.

Стирол C 6 H 5 – CH = CH 2 очень легко полимеризуется, образуя полистирол, а сополимеризуясь с бутадиеном – бутадиенстирольные каучуки.

ВИДЕО-ОПЫТЫ