Chemische Eigenschaften. Physikalische und chemische Eigenschaften von Benzol

Überschrift

Einfacher Kohlenwasserstoff. Gehört zu den aromatischen Kohlenwasserstoffen, einer Klasse organischer Substanzen.

Die Substanz ist eine transparente Flüssigkeit, hat keine Farbe und einen süßlichen, charakteristischen Geruch. Benzol wird als ungesättigter Kohlenwasserstoff eingestuft. Die berühmte Formel des Benzolrings wurde vom Nobelpreisträger für Chemie, Linus Pauling, vorgeschlagen. Er war es, der vorschlug, Benzol als Sechseck mit einem Kreis darin darzustellen. Dieses Bild vermittelt ein Verständnis für das Fehlen von Doppelbindungen und das Vorhandensein einer einzelnen Elektronenwolke, die alle 6 Kohlenstoffatome bedeckt.

Formel

Benzol gewinnen

Natürliche Quellen

Eine natürliche Quelle für Benzol ist Kohle. Der Prozess der Kohleverkokung wurde bereits 1825 von Michael Faraday entdeckt. Er untersuchte das in Straßenlaternen verwendete Leuchtgas und konnte Benzol isolieren und beschreiben. Heutzutage wird Benzol mit dieser Methode praktisch nicht mehr aus Steinkohlenteer gewonnen. Es gibt viele andere, produktivere Möglichkeiten, dies zu erreichen.

Künstliche Beschaffungsquellen

• Künstliche katalytische Reformierung von Benzin. Für die Produktion werden Benzin-Erdöl-Fraktionen verwendet. Bei diesem Prozess fallen große Mengen Toluol an. Da es auf dem Markt keine große Nachfrage nach Toluol gibt, wird daraus auch weiterhin Benzol hergestellt. Benzol wird aus Schwerölfraktionen durch Pyrolyse durch Dealkylierung einer Mischung aus Toluol und Xylol gewonnen.
• Vorbereitung nach der Reppe-Methode. Bis 1948 wurde Benzol nach der Berthelot-Methode gewonnen, indem Acetylen bei einer Temperatur von 400 °C über Aktivkohle geleitet wurde. Die Ausbeute an Benzol war groß, es entstand jedoch ein mehrkomponentiges Stoffgemisch, das schwer zu reinigen war. 1948 ersetzte Reppe Aktivkohle durch Nickel. Das Ergebnis war Benzol. Der Vorgang wird aufgerufen Trimerisierung von Acetylen– Drei Acetylenmoleküle werden in ein Benzol umgewandelt:

3C 2 H 2 → C 6 H 6.

Eigenschaften von Benzol

Physikalische Eigenschaften

Bei der Verbrennung wird eine große Menge Ruß freigesetzt, da der Kohlenwasserstoff ungesättigt ist (ihm fehlen 8 Wasserstoffatome, um der Standardformel für gesättigte Kohlenwasserstoffe zu entsprechen). Bei niedrigen Temperaturen wird Benzol zu einer weißen kristallinen Masse.

Chemische Eigenschaften

Benzol unterliegt Substitutionsreaktionen in Gegenwart von Katalysatoren – normalerweise Al(3+)- oder Fe(3+)-Salzen:

• Die Halogenierung ist eine qualitative Reaktion von Benzol mit Br 2:

C 6 H 6 + Br 2 = C 6 H 5 Br + HBr.

• Bei der Nitrierung handelt es sich um eine Wechselwirkung mit Salpetersäure. In der organischen Chemie geht dieser Vorgang mit der Abspaltung der OH-Gruppe einher:

C 6 H 6 + HO-NO 2 → C 6 H 5 NO 2 + H 2 O.

• Die katalytische Alkylierung führt zur Herstellung von Benzolhomologen – Alkylbenzolen:

C 6 H 6 + C 2 H 5 Cl → C 6 H 5 C 2 H 5 + HCl.

Benzolhomologe, die ein Radikal enthalten, reagieren anders als Benzol selbst. Die Reaktionen verlaufen unterschiedlich und oft im Licht:

• Halogenierung C 6 H 5 -CH 3 + Br 2 (im Licht) = C 6 H 5 -CH 2 Br + HBr;
• Nitrierung – C 6 H 5 -CH 3 + 3HNO 3 → C 6 H 2 CH 3 (NO 2) 3.

Die Oxidationsreaktionen von Benzol sind sehr komplex und für diesen Stoff nicht typisch. Oxidation ist typisch für Homologe. Hier ist zum Beispiel die Reaktion zur Herstellung von Benzoesäure:

C 6 H 5 CH 3 + [O] → C 6 H 5 COOH.

Der Verbrennungsprozess eines Stoffes erfolgt nach dem Standardschema für alle organischen Stoffe:

C n H 2n-6 + (3n-3)\2 O 2 → nCO 2 + (n-3)H 2 O.

Hydrierungsreaktionen. Die Reaktion ist kompliziert; Katalysatoren, Druck und Temperatur sind erforderlich. Bei der Reaktion von Benzol mit Wasserstoff entsteht Cyclohexan:

C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12.

Und bei Reaktionen mit Alkylbenzol - Methylcyclohexan, bei denen ein Wasserstoffatom durch eine Radikalgruppe -CH 3 ersetzt wird:

C 6 H 5 CH 3 + 3H 2 → C 6 H 11 -CH 3.

Anwendungen von Benzol

Benzol in reiner Form wird praktisch nie verwendet. Es wird zur Herstellung anderer wichtiger Verbindungen wie Ethylbenzol verwendet, aus dem Styrol und Polystyrol gewonnen werden.

Der Löwenanteil des Benzols wird zur Herstellung von Phenol verwendet, das für die Herstellung von Nylon, Farbstoffen, Pestiziden und Medikamenten notwendig ist. Das berühmte Medikament Aspirin kann ohne die Beteiligung von Phenol nicht gewonnen werden.

Cyclohexan aus Benzol wird für die Herstellung von Kunststoffen und Kunstfasern benötigt; Nitrobenzol wird zur Herstellung von Anilin verwendet, das zur Herstellung von Kautschuken, Farbstoffen und Herbiziden verwendet wird.

Die zyklische Struktur von Benzol wurde erstmals von F.A. vorgeschlagen. Kekule im Jahr 1865

Friedrich August Kekule von Stradonitz – ein herausragender deutscher Chemiker des 19. Jahrhunderts. 1854 entdeckte er die erste organische Verbindung, die Schwefel enthielt – Thioessigsäure (Thioethansäure). Darüber hinaus ermittelte er die Struktur von Diazoverbindungen. Sein berühmtester Beitrag zur Entwicklung der Chemie ist jedoch die Aufklärung der Benzolstruktur (1866). Kekule zeigte, dass sich die Doppelbindungen von Benzol um den Ring herum abwechseln (diese Idee kam ihm erstmals in einem Traum). Später zeigte er, dass die beiden möglichen Doppelbindungsanordnungen identisch sind und dass der Benzolring ein Hybrid zwischen diesen beiden Strukturen ist. Damit nahm er die Idee der Resonanz (Mesomerie) vorweg, die Anfang der 1930er Jahre in der Theorie der chemischen Bindung auftauchte.

Wenn Benzol wirklich eine solche Struktur hätte, dann müssten seine 1,2-disubstituierten Derivate zwei Isomere haben. Zum Beispiel,

Allerdings kann keines der 1,2-disubstituierten Benzole in zwei Isomere isoliert werden.

Daher schlug Kekule anschließend vor, dass das Benzolmolekül aus zwei Strukturen besteht, die sich schnell ineinander umwandeln:

Beachten Sie, dass solche schematischen Darstellungen von Benzolmolekülen und ihren Derivaten normalerweise nicht die Wasserstoffatome anzeigen, die an die Kohlenstoffatome des Benzolrings gebunden sind.

In der modernen Chemie wird das Benzolmolekül als resonanter Hybrid dieser beiden begrenzenden Resonanzformen betrachtet (siehe Abschnitt 2.1). Eine andere Beschreibung des Benzolmoleküls basiert auf der Betrachtung seiner Molekülorbitale. In Abschn. In Abschnitt 3.1 wurde darauf hingewiesen, dass -Elektronen, die sich in -bindenden Orbitalen befinden, zwischen allen Kohlenstoffatomen des Benzolrings delokalisiert sind und eine -Elektronenwolke bilden. In Übereinstimmung mit dieser Darstellung kann das Benzolmolekül konventionell wie folgt dargestellt werden:

Experimentelle Daten bestätigen das Vorhandensein einer solchen Struktur in Benzol. Wenn Benzol die von Kekulé ursprünglich vorgeschlagene Struktur mit drei konjugierten Doppelbindungen hätte, müsste Benzol wie Alkene Additionsreaktionen eingehen. Allerdings geht Benzol, wie oben erwähnt, keine Additionsreaktionen ein. Darüber hinaus ist Benzol stabiler, als wenn es drei isolierte Doppelbindungen hätte. In Abschn. 5.3 wurde darauf hingewiesen, dass die Enthalpie der Benzolhydrierung unter Bildung von Cyclohexan einen größeren negativen Wert aufweist

Tabelle 18.3. Länge verschiedener Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen

Reis. 18.6. Geometrische Struktur des Benzolmoleküls.

Wert als das Dreifache der Hydrierungsenthalpie von Cyclohexen. Die Differenz zwischen diesen Größen wird üblicherweise Delokalisierungsenthalpie, Resonanzenergie oder Stabilisierungsenergie von Benzol genannt.

Alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen im Benzolring haben die gleiche Länge, die kürzer ist als die Länge der C-C-Bindungen in Alkanen, aber länger als die Länge der C=C-Bindungen in Alkenen (Tabelle 18.3). Dies bestätigt, dass die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol ein Hybrid aus Einfach- und Doppelbindungen sind.

Das Benzolmolekül hat eine flache Struktur, die in Abb. dargestellt ist. 18.6.

Physikalische Eigenschaften

Unter normalen Bedingungen ist Benzol eine farblose Flüssigkeit, die bei 5,5 °C gefriert und bei 80 °C siedet. Es hat einen charakteristischen angenehmen Geruch, ist aber, wie oben erwähnt, hochgiftig. Benzol vermischt sich nicht mit Wasser und in einem Benzolsystem bildet Wasser die obere der beiden Schichten. Es ist jedoch in unpolaren organischen Lösungsmitteln löslich und selbst ein gutes Lösungsmittel für andere organische Verbindungen.

Chemische Eigenschaften

Obwohl Benzol bestimmte Additionsreaktionen eingeht (siehe unten), weist es nicht die für Alkene typische Reaktivität auf. Beispielsweise verfärbt es weder Bromwasser noch Brom-Ionen-Lösung. Darüber hinaus ist Benzol nicht

geht Additionsreaktionen mit starken Säuren wie Salz- oder Schwefelsäure ein.

Gleichzeitig nimmt Benzol an einer Reihe elektrophiler Substitutionsreaktionen teil. Die Produkte dieser Art von Reaktion sind aromatische Verbindungen, da bei diesen Reaktionen das delokalisierte elektronische System des Benzols erhalten bleibt. Der allgemeine Mechanismus zum Ersetzen eines Wasserstoffatoms am Benzolring durch ein Elektrophil wird im Abschnitt beschrieben. 17.3. Beispiele für die elektrophile Substitution von Benzol sind dessen Nitrierung, Halogenierung, Sulfonierung und Friedel-Crafts-Reaktionen.

Nitrierung. Benzol kann nitriert (eine ihm hinzugefügte Gruppe) werden, indem man es mit einer Mischung aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure behandelt:

Nitrobenzol

Die Bedingungen für diese Reaktion und ihr Mechanismus werden im Abschnitt beschrieben. 17.3.

Nitrobenzol ist eine hellgelbe Flüssigkeit mit einem charakteristischen Mandelgeruch. Bei der Nitrierung von Benzol entstehen neben Nitrobenzol auch Kristalle von 1,3-Dinitrobenzol, das das Produkt der folgenden Reaktion ist:

Halogenierung. Wenn Sie Benzol im Dunkeln mit Chlor oder Brom mischen, kommt es zu keiner Reaktion. In Gegenwart von Katalysatoren mit den Eigenschaften von Lewis-Säuren kommt es in solchen Gemischen jedoch zu elektrophilen Substitutionsreaktionen. Typische Katalysatoren für diese Reaktionen sind Eisen(III)-bromid und Aluminiumchlorid. Die Wirkung dieser Katalysatoren besteht darin, dass sie eine Polarisation in den Halogenmolekülen erzeugen, die dann mit dem Katalysator einen Komplex bilden:

allerdings gibt es keinen direkten Beweis dafür, dass in diesem Fall freie Ionen gebildet werden. Der Mechanismus der Benzolbromierung unter Verwendung von Eisen(III)bromid als Ionenträger lässt sich wie folgt darstellen:

Sulfonierung. Benzol kann sulfoniert werden (ein Wasserstoffatom durch eine Sulfogruppe ersetzen), indem seine Mischung mehrere Stunden lang mit konzentrierter Schwefelsäure unter Rückfluss erhitzt wird. Stattdessen kann Benzol im Gemisch mit rauchender Schwefelsäure vorsichtig erhitzt werden. Rauchende Schwefelsäure enthält Schwefeltrioxid. Der Mechanismus dieser Reaktion kann durch das Diagramm dargestellt werden

Friedel-Crafts-Reaktionen. Friedel-Crafts-Reaktionen wurden ursprünglich als Kondensationsreaktionen zwischen aromatischen Verbindungen und Alkylhalogeniden in Gegenwart eines wasserfreien Aluminiumchloridkatalysators bezeichnet.

Bei Kondensationsreaktionen verbinden sich zwei Reagenzienmoleküle (oder ein Reagenz) miteinander und bilden ein Molekül einer neuen Verbindung, während ein Molekül einer einfachen Verbindung wie Wasser oder Chlorwasserstoff von ihnen abgespalten (eliminiert) wird.

Derzeit wird die Friedel-Crafts-Reaktion als jede elektrophile Substitution einer aromatischen Verbindung bezeichnet, bei der ein Carbokation oder ein stark polarisierter Komplex mit einem positiv geladenen Kohlenstoffatom die Rolle eines Elektrophils spielt. Das elektrophile Mittel ist in der Regel ein Alkylhalogenid oder Chlorid einer Carbonsäure, kann aber beispielsweise auch ein Alken oder ein Alkohol sein. Als Katalysator für diese Reaktionen wird üblicherweise wasserfreies Aluminiumchlorid verwendet. Friedel-Crafts-Reaktionen werden üblicherweise in zwei Typen unterteilt: Alkylierung und Acylierung.

Alkylierung. Bei dieser Art von Friedel-Crafts-Reaktion werden ein oder mehrere Wasserstoffatome am Benzolring durch Alkylgruppen ersetzt. Wenn beispielsweise eine Mischung aus Benzol und Chlormethan in Gegenwart von wasserfreiem Aluminiumchlorid vorsichtig erhitzt wird, entsteht Methylbenzol. Chlormethan spielt bei dieser Reaktion die Rolle eines elektrophilen Agens. Es wird durch Aluminiumchlorid auf die gleiche Weise polarisiert wie Halogenmoleküle:

Der Mechanismus der betrachteten Reaktion kann wie folgt dargestellt werden:

Es ist zu beachten, dass bei dieser Kondensationsreaktion zwischen Benzol und Chlormethan ein Chlorwasserstoffmolekül abgespalten wird. Beachten Sie auch, dass die tatsächliche Existenz des Metallcarbokations in Form eines freien Ions zweifelhaft ist.

Die Alkylierung von Benzol mit Chlormethan in Gegenwart eines Katalysators – wasserfreies Aluminiumchlorid – führt nicht zur Bildung von Methylbenzol. Bei dieser Reaktion kommt es zu einer weiteren Alkylierung des Benzolrings, was zur Bildung von 1,2-Dimethylbenzol führt:

Acylierung. Bei dieser Art von Friedel-Crafts-Reaktion wird ein Wasserstoffatom am Benzolring durch eine Acylgruppe ersetzt, was zur Bildung eines aromatischen Ketons führt.

Die Acylgruppe hat die allgemeine Formel

Der systematische Name einer Acylverbindung wird gebildet, indem das Suffix und die Endung -ova im Namen der entsprechenden Carbonsäure, von der diese Acylverbindung ein Derivat ist, durch das Suffix -(o)yl ersetzt wird. Zum Beispiel

Die Acylierung von Benzol wird unter Verwendung des Chlorids oder Anhydrids einer beliebigen Carbonsäure in Gegenwart eines Katalysators, wasserfreiem Aluminiumchlorid, durchgeführt. Zum Beispiel

Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine Kondensation, bei der ein Chlorwasserstoffmolekül abgespalten wird. Beachten Sie auch, dass der Name „Phenyl“ häufig für den Benzolring in Verbindungen verwendet wird, in denen Benzol nicht die Hauptgruppe ist:

Additionsreaktionen. Obwohl Benzol am stärksten durch elektrophile Substitutionsreaktionen gekennzeichnet ist, unterliegt es auch einigen Additionsreaktionen. Einen von ihnen haben wir bereits kennengelernt. Die Rede ist von der Hydrierung von Benzol (siehe Abschnitt 5.3). Wenn eine Mischung aus Benzol und Wasserstoff bei einer Temperatur von 150–160 °C über die Oberfläche eines fein gemahlenen Nickelkatalysators geleitet wird, kommt es zu einer ganzen Reaktionsfolge, die mit der Bildung von Cyclohexan endet. Die stöchiometrische Gesamtgleichung für diese Reaktion kann wie folgt dargestellt werden:

Bei Einwirkung von ultravioletter Strahlung oder direkter Sonneneinstrahlung reagiert Benzol auch mit Chlor. Diese Reaktion erfolgt über einen komplexen Radikalmechanismus. Sein Endprodukt ist 1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan:

Eine ähnliche Reaktion findet zwischen Benzol und Brom unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung oder Sonnenlicht statt.

Oxidation. Benzol und der Benzolring in anderen aromatischen Verbindungen sind im Allgemeinen selbst durch so starke Oxidationsmittel wie eine saure oder alkalische Lösung von Kaliumpermanganat oxidationsbeständig. Benzol und andere aromatische Verbindungen verbrennen jedoch in Luft oder Sauerstoff und erzeugen eine sehr rauchige Flamme, die typisch für Kohlenwasserstoffe mit einem hohen relativen Kohlenstoffgehalt ist.

Benzolhomologe können je nach Art des Reagens unter Beteiligung eines aromatischen Kerns und einer Seitenkette (Alkylgruppen) in zwei Richtungen reagieren.

1. Reaktionen am aromatischen Ring

Aufgrund der Donorwirkung der Alkylgruppe laufen die SE-ArH-Reaktionen ab ortho- Und Paar-Position des aromatischen Rings, wobei die Bedingungen milder sind als bei Benzol.

a) Halogenierung

b) Nitrierung

Beachten Sie, dass mit zunehmender Anzahl der Akzeptorgruppen (-NO2) die Temperatur der Nitrierungsreaktionen steigt.

c) Sulfonierung

Die Reaktion produziert überwiegend P-Isomer.

d) Alkylierung

e) Acylierung

2. Seitenkettenreaktionen

Das Alkylfragment des Benzolmoleküls geht SR-Reaktionen ein, an denen das Kohlenstoffatom beteiligt ist α -Position (Benzylposition).

Die Oxidation aller Benzolhomologen mit KMnO 4 /100°C führt zur Bildung von Benzoesäure.

Verdichtete Arenen

Kondensierte Arene sind aromatische Systeme (n=2 und 3). Der Aromatizitätsgrad kondensierter Arene ist geringer als bei Benzol. Sie zeichnen sich durch elektrophile Substitutionsreaktionen, Additions- und Oxidationsreaktionen aus, die unter milderen Bedingungen als bei Benzol ablaufen.

Reaktivität von Naphthalin

Die S E ArH-Reaktionen für Naphthalin verlaufen hauptsächlich gemäß α -Position, mit Ausnahme der Sulfonierung. Die elektrophile Addition von Ad E erfolgt an den Positionen 1,4, wobei Naphthalin die Eigenschaften konjugierter Diene aufweist.

1. Elektrophile Substitutionsreaktionen,S E ArH

2. Reaktionen der elektrophilen Addition, Reduktion und Oxidation.

Reaktivität von Anthracen und Phenanthren

Die Reaktionen der elektrophilen Substitution S E ArH und der elektrophilen Addition Ad E für Anthracen finden vorwiegend an den Positionen 9 und 10 statt (siehe Diagramm unten).

Die Reaktionen der elektrophilen Substitution (S E ArH) und der elektrophilen Addition (Ad E) für Phenanthren finden wie bei Anthracen überwiegend an den Positionen 9 und 10 statt (siehe Diagramm unten).

Oxidations- und Reduktionsreaktionen für Anthracen und Phenanthren.

Strukturen einiger Medikamente auf Basis von Naphthalin, Anthracen und Phenanthren

Naphthyzin(Naphazolin, Sanorin)

vasokonstriktorische Wirkung(Behandlung von Rhinitis, Sinusitis)

(im Titel wird die ursprüngliche Struktur hervorgehoben, auf Nummerierung achten)

Naftifin

antimykotisch Wirkung (Behandlung von Dermatitis)

Nabumethon

entzündungshemmende, fiebersenkende, schmerzstillende Wirkung(Behandlung von Arthrose, rheumatoider Arthritis).

Nadolol

(Der Begriff cis bezeichnet in diesem Fall die relative Position der Hydroxylgruppen)

blutdrucksenkend(senkt den Blutdruck) und antiarrhythmische Wirkung

Morphin, Codein

Testfragen zum Kapitel „ARENAS“

1. Welche Eigenschaften unterscheiden Benzol von anderen ungesättigten Verbindungen – Alkenen, Alkinen? Was bedeutet der Begriff „aromatische Verbindung“?

2. Schreiben Sie die Strukturformeln der Verbindungen: a) Ethylbenzol; b) 1,3-Dimethylbenzol ( M -Xylol); c) 1,3,5-Trimethylbenzol (Mesitylen); d) Isopropylbenzol (Cumol); e) 3-Phenylpentan; f) Vinylbenzol (Styrol); g) Phenylacetylen; H) Trance -Diphenylethylen ( Trance -Stilben).

3. Beschreiben Sie die Strukturmerkmale von aromatischen Verbindungen. Formulieren Sie die Hückelsche Regel. Welche der folgenden Verbindungen sind aromatisch:

4. Vergleichen Sie das Verhältnis von Cyclohexen und Benzol mit den folgenden Reagenzien unter den angegebenen Bedingungen : a) Br 2 (H 2 O, 20 C); b) KMnO 4 (H 2 O.0 C); c) N 2 ALSO 4 (konz.), 20 C; d) H 2 (Pd, 30 C); Vor 3 , dann H 2 O(Zn); f) HBr.

5. Schreiben Sie die Strukturformeln monosubstituierter Benzole, die bei den Reaktionen von Benzol mit den folgenden Reagenzien entstehen: ein 2 ALSO 4 (konz.); b) HNO 3 ; N 2 ALSO 4 (konz.); c) Br 2 /Fe; d) Cl 2 /AlCl 3 ; e) CH 3 Br/AlBr 3 ; e) CH 3 COCl/AlСl 3 . Benennen Sie die Reaktionen und ihre Produkte. Geben Sie jeweils an, mit welchem ​​Elektrophil Benzol reagiert.

6. Geben Sie ein allgemeines Schema für die Wechselwirkung von Benzol mit einem elektrophilen Reagens an ( E + ). Benennen Sie die Zwischenkomplexe. Welcher Schritt bestimmt normalerweise die Geschwindigkeit einer Reaktion? Geben Sie ein Diagramm der Änderung der potentiellen Energie der betrachteten Reaktion an.

7. Definieren Sie die folgenden Konzepte: a) Übergangszustand; b) Zwischenverbindung; c) -Komplex; d)-Komplex. Welche davon sind identisch? Veranschaulichen Sie diese Konzepte am Beispiel der Bromierung von Benzol in Gegenwart eines Katalysators. FeBr 3 .

8. Vergleichen Sie am Beispiel der Reaktionen von Ethen und Benzol mit Brom den Mechanismus der elektrophilen Addition in Alkenen mit dem Mechanismus der elektrophilen Substitution in der aromatischen Reihe. In welchem ​​Stadium wird der Unterschied beobachtet und warum?

9. Beschreiben Sie unter Verwendung induktiver und mesomerer Effekte die Wechselwirkung des Substituenten mit dem Benzolring in den angegebenen Verbindungen:

Beschriften Sie die elektronenspendenden (ED) und elektronenziehenden (EA) Substituenten.

10. Schreiben Sie Schemata für die Mononitrierung von Verbindungen: a) Phenol; b) Benzolsulfonsäuren; c) Isopropylbenzol; d) Chlorbenzol. Für welche Verbindung sollte die relative Substitutionsrate am höchsten sein und warum?

11. Die Bildung welcher Produkte ist bei der Monosulfonierung von Verbindungen zu erwarten: a) Toluol; b) Nitrobenzol; c) Benzoesäure; d) Brombenzol? Welche Verbindung lässt sich am einfachsten sulfonieren? Warum?

12. Ordnen Sie die folgenden Verbindungen in der Reihenfolge ihrer zunehmenden Reaktivität an, wenn sie in einen Benzolring bromiert werden: a) Benzol; b) Phenol; c) Benzaldehyd; d) Ethylbenzol. Geben Sie eine Erklärung.

13. Nennen Sie die folgenden Kohlenwasserstoffe:

14. Schreiben Sie die Reaktionen von Benzol mit den folgenden Reagenzien auf : a) Kl 2 (Fe); b) 3Cl 2 (Licht); c) HNO 3 (H 2 ALSO 4 ); Tun 2 (Luft) (V 2 UM 5 , 450  C); e) 3O 3 , dann N 2 O(Zn); e) H 2 ALSO 4 (Oleum); g) 3H 2 (Ni, 200 C,P ). Was sind die Merkmale von Additionsreaktionen in Benzol?

15. Schreiben Sie die Reaktionen von Toluol mit den angegebenen Reagenzien auf : a) 3H 2 (Ni, 200 C, 9806,7 kPa); b) KMnO 4 V N 2 UM; c*) Kl 2 , Licht; d*) Kl 2 (Fe); d*) CH 3 Cl(AlCl 3 ); e*) CH 3 COCl (AlCl 3 ); g) HNO 3 (H 2 ALSO 4 ). Geben Sie für mit einem Sternchen gekennzeichnete Reaktionen Mechanismen an.

16. Schreiben Sie die Reaktionen der Nitrierung von Ethylbenzol unter den angegebenen Bedingungen: a) 65 % HNO 3 +H 2 ALSO 4 (konz.); b) 10 % HNO 3 , Heizung, Druck. Bringen Sie die Mechanismen mit.

17. Vergleichen Sie das Verhältnis von Isopropylbenzol zu Brom: a) in Gegenwart AlBr 3 ; b) unter Beleuchtung und Heizung. Geben Sie die Reaktionen und ihre Mechanismen an.

18. Welche Verbindungen werden aus Ethylbenzol gebildet und P -Xylol unter Einwirkung der angegebenen Oxidationsmittel: a) O 3 , dann H 2 O (Zn); b) KMnO 4 in H 2 UM,T ; VC 2 Cr 2 Ö 7 in H 2 ALSO 4 , T ?

19. Durch welche Reaktionen lassen sich folgende Verbindungspaare unterscheiden: a) Ethylbenzol und M -Xylol; b) Ethylbenzol und Styrol; c) Styrol und Phenylacetylen; G) Ö - Und P -Xylole?

20. Welche Verbindungen sind die Produkte der folgenden Reaktionen:

21. Erhalten Sie auf Basis von Benzol und anderen Reagenzien die folgenden Verbindungen: a) P -reibt -Butyltoluol; b) Ethyl- P -Tolylketon; c) Alylbenzol; G) P -Brombenzoesäure.

22. Nennen Sie die Hauptverbindungen, die bei den folgenden Reaktionen entstehen:

DEFINITION

Benzol(Cyclohexatrien - 1,3,5) ist eine organische Substanz, der einfachste Vertreter einer Reihe aromatischer Kohlenwasserstoffe.

Formel – C 6 H 6 (Strukturformel – Abb. 1). Molekulargewicht – 78,11.

Reis. 1. Struktur- und Raumformeln von Benzol.

Alle sechs Kohlenstoffatome im Benzolmolekül befinden sich im sp 2-Hybridzustand. Jedes Kohlenstoffatom bildet 3σ-Bindungen mit zwei anderen Kohlenstoffatomen und einem Wasserstoffatom, die in derselben Ebene liegen. Sechs Kohlenstoffatome bilden ein regelmäßiges Sechseck (σ-Gerüst des Benzolmoleküls). Jedes Kohlenstoffatom hat ein unhybridisiertes p-Orbital, das ein Elektron enthält. Sechs p-Elektronen bilden eine einzelne π-Elektronenwolke (aromatisches System), die als Kreis innerhalb eines Sechsrings dargestellt wird. Der aus Benzol gewonnene Kohlenwasserstoffrest heißt C 6 H 5 - - Phenyl (Ph-).

Chemische Eigenschaften von Benzol

Benzol zeichnet sich durch Substitutionsreaktionen aus, die über einen elektrophilen Mechanismus ablaufen:

- Halogenierung (Benzol reagiert mit Chlor und Brom in Gegenwart von Katalysatoren - wasserfreies AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3)

C 6 H 6 + Cl 2 = C 6 H 5 -Cl + HCl;

- Nitrierung (Benzol reagiert leicht mit der Nitrierungsmischung – einer Mischung aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure)

- Alkylierung mit Alkenen

C 6 H 6 + CH 2 = CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH(CH 3) 2;

Additionsreaktionen an Benzol führen zur Zerstörung des aromatischen Systems und finden nur unter harschen Bedingungen statt:

— Hydrierung (die Reaktion findet beim Erhitzen statt, der Katalysator ist Pt)

- Zugabe von Chlor (erfolgt unter dem Einfluss von UV-Strahlung unter Bildung eines festen Produkts - Hexachlorcyclohexan (Hexachloran) - C 6 H 6 Cl 6)

Wie jede organische Verbindung unterliegt Benzol einer Verbrennungsreaktion unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser als Reaktionsprodukten (verbrennt mit rauchiger Flamme):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Physikalische Eigenschaften von Benzol

Benzol ist eine farblose Flüssigkeit, hat aber einen spezifischen stechenden Geruch. Bildet mit Wasser eine azeotrope Mischung, mischt sich gut mit Ethern, Benzin und verschiedenen organischen Lösungsmitteln. Siedepunkt – 80,1 °C, Schmelzpunkt – 5,5 °C. Giftig, krebserregend (d. h. fördert die Entstehung von Krebs).

Herstellung und Verwendung von Benzol

Die wichtigsten Methoden zur Gewinnung von Benzol:

— Dehydrocyclisierung von Hexan (Katalysatoren – Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 –(CH 2) 4 -CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2;

— Dehydrierung von Cyclohexan (die Reaktion findet beim Erhitzen statt, der Katalysator ist Pt)

C 6 H 12 → C 6 H 6 + 4H 2;

— Trimerisierung von Acetylen (die Reaktion findet beim Erhitzen auf 600 °C statt, der Katalysator ist Aktivkohle)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

Benzol dient als Rohstoff für die Herstellung von Homologen (Ethylbenzol, Cumol), Cyclohexan, Nitrobenzol, Chlorbenzol und anderen Stoffen. Früher wurde Benzol als Zusatz zu Benzin verwendet, um dessen Oktanzahl zu erhöhen. Heute ist der Benzolgehalt im Kraftstoff jedoch aufgrund seiner hohen Toxizität streng reguliert. Benzol wird manchmal als Lösungsmittel verwendet.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung

Schreiben Sie die Gleichungen auf, mit denen Sie die folgenden Transformationen durchführen können: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Lösung

Um Acetylen aus Methan herzustellen, wird die folgende Reaktion verwendet: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (t = 1400C). Die Herstellung von Benzol aus Acetylen ist durch die Trimerisierungsreaktion von Acetylen möglich, die beim Erhitzen (t = 600 °C) und in Gegenwart von Aktivkohle stattfindet: 3C 2 H 2 → C 6 H 6. Die Chlorierungsreaktion von Benzol zur Herstellung von Chlorbenzol als Produkt wird in Gegenwart von Eisen(III)-chlorid durchgeführt: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

BEISPIEL 2

Übung	Zu 39 g Benzol wurde in Gegenwart von Eisen(III)-chlorid 1 Mol Bromwasser gegeben. Welche Stoffmengen und wie viele Gramm welcher Produkte wurden hergestellt?
Lösung	Schreiben wir die Gleichung für die Reaktion der Benzolbromierung in Gegenwart von Eisen(III)-chlorid: C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Die Reaktionsprodukte sind Brombenzol und Bromwasserstoff. Molmasse von Benzol, berechnet anhand der Tabelle der chemischen Elemente von D.I. Mendelejew – 78 g/mol. Lassen Sie uns die Menge an Benzol ermitteln: n(C 6 H 6) = m(C 6 H 6) / M(C 6 H 6); n(C 6 H 6) = 39 / 78 = 0,5 mol. Den Problembedingungen entsprechend reagierte Benzol mit 1 Mol Brom. Folglich ist Benzol knapp und weitere Berechnungen werden unter Verwendung von Benzol durchgeführt. Gemäß der Reaktionsgleichung n(C 6 H 6): n(C 6 H 5 Br) : n(HBr) = 1:1:1, also n(C 6 H 6) = n(C 6 H 5 Br) =: n(HBr) = 0,5 mol. Dann sind die Massen von Brombenzol und Bromwasserstoff gleich: m(C 6 H 5 Br) = n(C 6 H 5 Br)×M(C 6 H 5 Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Molmassen von Brombenzol und Bromwasserstoff, berechnet anhand der Tabelle der chemischen Elemente von D.I. Mendelejew – 157 bzw. 81 g/mol. m(C 6 H 5 Br) = 0,5 × 157 = 78,5 g; m(HBr) = 0,5×81 = 40,5 g.
Antwort	Die Reaktionsprodukte sind Brombenzol und Bromwasserstoff. Die Massen von Brombenzol und Bromwasserstoff betragen 78,5 bzw. 40,5 g.

Physikalische Eigenschaften

Benzol und seine nächsten Homologen sind farblose Flüssigkeiten mit spezifischem Geruch. Aromatische Kohlenwasserstoffe sind leichter als Wasser und lösen sich darin nicht auf, sind aber in organischen Lösungsmitteln – Alkohol, Ether, Aceton – leicht löslich.

Benzol und seine Homologen sind selbst gute Lösungsmittel für viele organische Substanzen. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts in ihren Molekülen brennen alle Arenen mit einer rauchigen Flamme.

Die physikalischen Eigenschaften einiger Arenen sind in der Tabelle dargestellt.

Tisch. Physikalische Eigenschaften einiger Arenen

Name	Formel	t°.pl., °C	t°.b.p., °C
Benzol	C6H6	5,5	80,1
Toluol (Methylbenzol)	C 6 H 5 CH 3	95,0	110,6
Ethylbenzol	C 6 H 5 C 2 H 5	95,0	136,2
Xylol (Dimethylbenzol)	C 6 H 4 (CH 3) 2
ortho-		25,18	144,41
Meta-		47,87	139,10
Paar-		13,26	138,35
Propylbenzol	C 6 H 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Cumol (Isopropylbenzol)	C 6 H 5 CH(CH 3) 2	96,0	152,39
Styrol (Vinylbenzol)	C 6 H 5 CH=CH 2	30,6	145,2

Benzol – niedrig siedend ( TBallen= 80,1°C), farblose Flüssigkeit, unlöslich in Wasser

Aufmerksamkeit! Benzol – Gift, wirkt sich auf die Nieren aus, verändert die Blutformel (bei längerer Exposition), kann die Struktur der Chromosomen stören.

Die meisten aromatischen Kohlenwasserstoffe sind lebensgefährlich und giftig.

Herstellung von Arenen (Benzol und seine Homologen)

Im Labor

1. Fusion von Benzoesäuresalzen mit festen Alkalien

C6H5-COONa + NaOH t → C 6 H 6 + Na 2 CO 3

Natriumbenzoat

2. Wurtz-Fitting-Reaktion: (hier ist G Halogen)

C 6H 5 -G + 2N / A + R-G →C 6 H 5 - R + 2 N / AG

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

In der Industrie

• durch fraktionierte Destillation und Reformierung aus Öl und Kohle isoliert;
• aus Steinkohlenteer und Kokereigas

1. Dehydrocyclisierung von Alkanen mit mehr als 6 Kohlenstoffatomen:

C6H14 T , Kat→C 6 H 6 + 4H 2

2. Trimerisierung von Acetylen(nur für Benzol) – R. Zelinsky:

3С 2 H 2 600°C, Akt. Kohle→C 6 H 6

3. Dehydrierung Cyclohexan und seine Homologen:

Der sowjetische Akademiker Nikolai Dmitrievich Zelinsky stellte fest, dass Benzol aus Cyclohexan entsteht (Dehydrierung von Cycloalkanen).

C6H12 t, kat→C 6 H 6 + 3H 2

C6H11-CH3 T , Kat→C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

Methylcyclohexantoluol

4. Alkylierung von Benzol(Herstellung von Benzolhomologen) – r Friedel-Crafts.

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

Chlorethan Ethylbenzol

Chemische Eigenschaften von Arenen

ICH. OXIDATIONSREAKTIONEN

1. Verbrennung (rauchende Flamme):

2C6H6 + 15O2 T→12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. Unter normalen Bedingungen verfärbt Benzol Bromwasser und eine wässrige Lösung von Kaliumpermanganat nicht

3. Benzolhomologe werden durch Kaliumpermanganat oxidiert (Kaliumpermanganat verfärbt sich):

A) in saurer Umgebung zu Benzoesäure

Wenn Benzolhomologe Kaliumpermanganat und anderen starken Oxidationsmitteln ausgesetzt werden, werden die Seitenketten oxidiert. Egal wie komplex die Kette des Substituenten ist, sie wird zerstört, mit Ausnahme des a-Kohlenstoffatoms, das zu einer Carboxylgruppe oxidiert wird.

Homologe von Benzol mit einer Seitenkette ergeben Benzoesäure:

Homologe mit zwei Seitenketten ergeben zweibasische Säuren:

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

Vereinfacht :

C6H5-CH3+3O KMnO4→C 6 H 5 COOH + H 2 O

B) in neutralen und leicht alkalischen bis Benzoesäuresalzen

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

II. Additionsreaktionen (härter als Alkene)

1. Halogenierung

C 6 H 6 +3Cl 2 H ν → C 6 H 6 Cl 6 (Hexachlorcyclohexan - Hexachloran)

2. Hydrierung

C6H6 + 3H2 T , PtoderNi→C 6 H 12 (Cyclohexan)

3. Polymerisation

III. Substitutionsreaktionen – Ionenmechanismus (leichter als Alkane)

b) Benzolhomologe bei Bestrahlung oder Erhitzen

Die chemischen Eigenschaften von Alkylradikalen ähneln denen von Alkanen. Die Wasserstoffatome in ihnen werden durch einen Mechanismus freier Radikale durch Halogen ersetzt. Daher findet in Abwesenheit eines Katalysators beim Erhitzen oder bei UV-Bestrahlung eine radikalische Substitutionsreaktion in der Seitenkette statt. Der Einfluss des Benzolrings auf Alkylsubstituenten führt dazu Das Wasserstoffatom wird immer durch das Kohlenstoffatom ersetzt, das direkt an den Benzolring gebunden ist (a-Kohlenstoffatom).

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

c) Benzolhomologe in Gegenwart eines Katalysators

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (oderta-Mischung, Paar von Derivaten) +HCl

2. Nitrierung (mit Salpetersäure)

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

Nitrobenzol - Geruch Mandeln!

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

2,4,6-Trinitrotoluol (Tol, TNT)

Anwendung von Benzol und seinen Homologen

Benzol C 6 H 6 ist ein gutes Lösungsmittel. Benzol verbessert als Zusatzstoff die Qualität von Kraftstoffen. Es dient als Rohstoff für die Herstellung vieler aromatischer organischer Verbindungen – Nitrobenzol C 6 H 5 NO 2 (Lösungsmittel, aus dem Anilin gewonnen wird), Chlorbenzol C 6 H 5 Cl, Phenol C 6 H 5 OH, Styrol usw.

Toluol C 6 H 5 –CH 3 – Lösungsmittel, das bei der Herstellung von Farbstoffen, Arzneimitteln und Sprengstoffen (TNT (TNT) oder 2,4,6-Trinitrotoluol-TNT) verwendet wird.

Xylole C6H4(CH3)2. Technisches Xylol ist eine Mischung aus drei Isomeren ( ortho-, Meta- Und Paar-Xylole) – werden als Lösungsmittel und Ausgangsprodukt für die Synthese vieler organischer Verbindungen verwendet.

Isopropylbenzol C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 wird zur Herstellung von Phenol und Aceton verwendet.

Chlorierte Derivate von Benzol zum Pflanzenschutz eingesetzt. Somit ist das Produkt des Ersatzes von H-Atomen in Benzol durch Chloratome Hexachlorbenzol C 6 Cl 6 – ein Fungizid; Es wird zur Trockenbehandlung von Weizen- und Roggensamen gegen Brandflecken eingesetzt. Das Produkt der Addition von Chlor an Benzol ist Hexachlorcyclohexan (Hexachloran) C 6 H 6 Cl 6 – ein Insektizid; Es wird zur Bekämpfung schädlicher Insekten eingesetzt. Die genannten Stoffe gehören zu den Pestiziden – chemischen Mitteln zur Bekämpfung von Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren.

Styrol C 6 H 5 – CH = CH 2 polymerisiert sehr leicht unter Bildung von Polystyrol und bei der Copolymerisation mit Butadien zu Styrol-Butadien-Kautschuken.

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