خواص شیمیایی. خواص فیزیکی و شیمیایی بنزن

سرفصل

هیدروکربن ساده متعلق به هیدروکربن های معطر، دسته ای از مواد آلی است.

این ماده مایعی شفاف است، رنگ ندارد و بوی شیرینی دارد. بنزن به عنوان یک هیدروکربن غیر اشباع طبقه بندی می شود. فرمول معروف حلقه بنزن توسط لینوس پاولینگ، برنده جایزه نوبل شیمی، پیشنهاد شد. این او بود که پیشنهاد کرد بنزن را به صورت شش ضلعی با دایره ای در داخل به تصویر بکشد. این تصویر درک درستی از عدم وجود پیوندهای دوگانه و وجود یک ابر الکترونی منفرد را ارائه می دهد که تمام 6 اتم کربن را پوشش می دهد.

فرمول

به دست آوردن بنزن

منابع طبیعی

منبع طبیعی بنزن زغال سنگ است. فرآیند کک کردن زغال سنگ توسط مایکل فارادی در سال 1825 کشف شد. او گاز روشنایی مورد استفاده در لامپ های خیابان را مطالعه کرد و توانست بنزن را جداسازی و توصیف کند. امروزه با این روش عملاً بنزن از قطران زغال سنگ بدست نمی آید. راه های ثمربخش دیگری نیز برای دریافت آن وجود دارد.

منابع مصنوعی بدست آوردن

• اصلاح کاتالیزوری مصنوعی بنزین.از فراکسیون های نفتی بنزین برای تولید استفاده می شود. این فرآیند مقادیر زیادی تولوئن تولید می کند. تقاضای زیادی در بازار برای تولوئن وجود ندارد، بنابراین بنزن نیز بیشتر از آن تولید می شود. بنزن از فراکسیون های نفت سنگین به وسیله تجزیه در اثر حرارت از طریق فرآیند دالکیله کردن مخلوط تولوئن و زایلن به دست می آید.
• تهیه به روش Reppe.تا سال 1948 بنزن با استفاده از روش Berthelot با عبور استیلن از روی کربن فعال در دمای 400 درجه سانتی گراد به دست می آمد. بازده بنزن زیاد بود، اما نتیجه ترکیبی چند جزئی از مواد بود که تصفیه آن دشوار بود. در سال 1948، رپ کربن فعال را با نیکل جایگزین کرد. نتیجه بنزن شد. فرآیند نامیده می شود تریمریزاسیون استیلنسه مولکول استیلن به یک بنزن تبدیل می شود:

3C 2 H 2 → C 6 H 6.

خواص بنزن

مشخصات فیزیکی

هنگام سوزاندن، مقدار زیادی دوده آزاد می شود، زیرا هیدروکربن غیر اشباع است (برای برآوردن فرمول استاندارد هیدروکربن های اشباع، فاقد 8 اتم هیدروژن است). در دماهای پایین، بنزن به یک توده کریستالی سفید تبدیل می شود.

خواص شیمیایی

بنزن در حضور کاتالیزورها - معمولاً نمک های Al(3+) یا Fe(3+) تحت واکنش های جایگزینی قرار می گیرد:

• هالوژناسیون یک واکنش کیفی به بنزن با Br2 است:

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

• نیتراسیون برهمکنش با اسید نیتریک است. در شیمی آلی، این فرآیند با حذف گروه OH همراه است:

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

• آلکیلاسیون کاتالیزوری منجر به تولید همولوگ های بنزن - آلکیل بنزن ها می شود:

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

همولوگ های بنزن حاوی یک رادیکال متفاوت از خود بنزن واکنش نشان می دهند. واکنش‌ها متفاوت و اغلب در نور پیش می‌روند:

• هالوژناسیون C 6 H 5 -CH 3 + Br 2 (در نور) = C 6 H 5 -CH 2 Br + HBr .
• نیتراسیون - C 6 H 5 -CH 3 + 3HNO 3 → C 6 H 2 CH 3 (NO 2) 3.

واکنش های اکسیداسیون بنزن بسیار پیچیده است و برای این ماده معمول نیست. اکسیداسیون برای همولوگ ها معمول است. برای مثال، واکنش تولید بنزوئیک اسید در اینجا آمده است:

C 6 H 5 CH 3 + [O] → C 6 H 5 COOH.

فرآیند احتراق یک ماده طبق طرح استاندارد برای همه مواد آلی انجام می شود:

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

واکنش های هیدروژناسیون واکنش پیچیده است؛ کاتالیزور، فشار و دما مورد نیاز است. واکنش های بنزن با هیدروژن باعث تولید سیکلوهگزان می شود:

C 6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12.

و در واکنش با آلکیل بنزن - متیل سیکلوهگزان، که در آن یک اتم هیدروژن با یک گروه رادیکال -CH 3 جایگزین می شود:

C 6 H 5 CH 3 + 3H 2 → C 6 H 11 - CH 3.

کاربردهای بنزن

بنزن به شکل خالص عملاً هرگز استفاده نمی شود. برای تولید ترکیبات مهم دیگری مانند اتیل بنزن که از آن استایرن و پلی استایرن به دست می آید، تولید می شود.

سهم شیر از بنزن برای تولید فنل استفاده می شود که در تولید نایلون، رنگ، آفت کش ها و داروها ضروری است. داروی معروف آسپرین را نمی توان بدون مشارکت فنل به دست آورد.

سیکلوهگزان از بنزن برای تولید پلاستیک و الیاف مصنوعی لازم است؛ از نیتروبنزن برای تولید آنیلین استفاده می شود که برای تولید لاستیک، رنگ و علف کش استفاده می شود.

ساختار حلقوی بنزن اولین بار توسط F.A. پیشنهاد شد. ککوله در سال 1865

فردریش آگوست ککوله فون استرادونیتز - شیمیدان برجسته آلمانی قرن نوزدهم. در سال 1854، او اولین ترکیب آلی حاوی گوگرد - اسید تیواستیک (اسید تیواتانوئیک) را کشف کرد. علاوه بر این، او ساختار ترکیبات دیازو را ایجاد کرد. با این حال، مشهورترین سهم او در توسعه شیمی، ایجاد ساختار بنزن (1866) است. ککوله نشان داد که پیوندهای دوگانه بنزن به طور متناوب در اطراف حلقه (این ایده برای اولین بار در خواب به ذهن او خطور کرد). او بعداً نشان داد که دو آرایش احتمالی پیوند دوگانه یکسان هستند و حلقه بنزن ترکیبی بین این دو ساختار است. بنابراین، او ایده رزونانس (مزومریسم) را که در نظریه پیوند شیمیایی در اوایل دهه 1930 ظاهر شد، پیش بینی کرد.

اگر بنزن واقعاً چنین ساختاری داشت، پس مشتقات 1،2-دیگر جایگزین آن باید دو ایزومر داشته باشند. مثلا،

با این حال، هیچ یک از بنزن های 1،2-دیگر جایگزین را نمی توان به دو ایزومر جدا کرد.

بنابراین، Kekule متعاقباً پیشنهاد کرد که مولکول بنزن به عنوان دو ساختار وجود دارد که به سرعت به یکدیگر تبدیل می شوند:

توجه داشته باشید که چنین نمایش های شماتیکی از مولکول های بنزن و مشتقات آنها معمولاً نشان دهنده اتم های هیدروژن متصل به اتم های کربن حلقه بنزن نیست.

در شیمی مدرن، مولکول بنزن به عنوان یک هیبرید تشدید کننده از این دو شکل رزونانس محدود در نظر گرفته می شود (به بخش 2.1 مراجعه کنید). توصیف دیگری از مولکول بنزن بر اساس در نظر گرفتن اوربیتال های مولکولی آن است. در بخش 3.1 نشان داده شد که الکترون‌های واقع در اوربیتال‌های پیوند بین تمام اتم‌های کربن حلقه بنزن غیرمحلی شده‌اند و یک ابر الکترونی را تشکیل می‌دهند. مطابق با این نمایش، مولکول بنزن را می توان به طور معمول به صورت زیر نشان داد:

داده های تجربی وجود چنین ساختاری را در بنزن تأیید می کند. اگر بنزن دارای ساختاری بود که ککوله در ابتدا پیشنهاد کرد، با سه پیوند دوگانه مزدوج، پس بنزن باید مانند آلکن‌ها تحت واکنش‌های افزایشی قرار گیرد. با این حال، همانطور که در بالا ذکر شد، بنزن تحت واکنش های افزایشی قرار نمی گیرد. علاوه بر این، بنزن نسبت به زمانی که دارای سه پیوند دوگانه جدا شده باشد، پایدارتر است. در بخش 5.3 نشان داده شد که آنتالپی هیدروژناسیون بنزن برای تشکیل سیکلوهگزان منفی بیشتری دارد.

جدول 18.3. طول پیوندهای مختلف کربن-کربن

برنج. 18.6. ساختار هندسی مولکول بنزن

ارزش آنتالپی هیدروژناسیون سیکلوهگزن بیش از سه برابر است. تفاوت بین این مقادیر معمولاً آنتالپی جابجایی، انرژی تشدید یا انرژی تثبیت بنزن نامیده می شود.

تمام پیوندهای کربن-کربن در حلقه بنزن دارای طول یکسانی هستند که از طول پیوندهای C-C در آلکان ها کوتاه تر است، اما از طول پیوندهای C=C در آلکن ها بیشتر است (جدول 18.3). این تأیید می کند که پیوندهای کربن-کربن در بنزن ترکیبی بین پیوندهای منفرد و دوگانه است.

مولکول بنزن دارای ساختار مسطحی است که در شکل 1 نشان داده شده است. 18.6.

مشخصات فیزیکی

بنزن در شرایط عادی مایعی بی رنگ است که در دمای 5.5 درجه سانتی گراد یخ می زند و در دمای 80 درجه سانتی گراد می جوشد. بوی مطبوعی دارد، اما همانطور که در بالا ذکر شد بسیار سمی است. بنزن با آب مخلوط نمی شود و در سیستم بنزن، آب قسمت بالایی دو لایه را تشکیل می دهد. با این حال، در حلال های آلی غیر قطبی محلول است و خود حلال خوبی برای سایر ترکیبات آلی است.

خواص شیمیایی

اگرچه بنزن تحت واکنش‌های افزودن خاصی قرار می‌گیرد (به زیر مراجعه کنید)، اما واکنش‌پذیری معمول آلکن‌ها را نشان نمی‌دهد. به عنوان مثال، آب برم یا محلول -یون را تغییر رنگ نمی دهد. علاوه بر این، بنزن نیست

با اسیدهای قوی مانند اسید کلریدریک یا سولفوریک وارد واکنش های افزودنی می شود.

در همان زمان، بنزن در تعدادی از واکنش‌های جایگزینی الکتروفیلی شرکت می‌کند. محصولات این نوع واکنش ترکیبات معطر هستند، زیرا در این واکنش ها سیستم الکترونیکی بنزن غیرمحلی باقی می ماند. مکانیسم کلی برای جایگزینی اتم هیدروژن روی حلقه بنزن با الکتروفیل در بخش توضیح داده شده است. 17.3. نمونه هایی از جایگزینی الکتروفیل بنزن عبارتند از نیتراسیون، هالوژناسیون، سولفوناسیون و واکنش فریدل کرافت.

نیتراسیون بنزن را می توان با استفاده از مخلوطی از اسیدهای نیتریک و سولفوریک غلیظ نیترات کرد (گروهی که به آن اضافه می شود):

نیتروبنزن

شرایط این واکنش و مکانیسم آن در بخش توضیح داده شده است. 17.3.

نیتروبنزن مایعی زرد کم رنگ با بوی بادام است. هنگامی که بنزن نیترات می شود، علاوه بر نیتروبنزن، کریستال هایی از 1،3-دی نیتروبنزن نیز تشکیل می شود که محصول واکنش زیر است:

هالوژناسیون اگر در تاریکی بنزن را با کلر یا برم مخلوط کنید، هیچ واکنشی رخ نخواهد داد. با این حال، در حضور کاتالیزورهای دارای خواص اسیدهای لوئیس، واکنش های جایگزینی الکتروفیل در چنین مخلوط هایی رخ می دهد. کاتالیزورهای معمولی برای این واکنش ها برمید آهن (III) و کلرید آلومینیوم هستند. عملکرد این کاتالیزورها به این صورت است که در مولکول های هالوژن پلاریزاسیون ایجاد می کنند که سپس با کاتالیزور کمپلکسی تشکیل می دهند:

اگرچه شواهد مستقیمی مبنی بر تشکیل یون های آزاد در این مورد وجود ندارد. مکانیسم برم بندی بنزن با استفاده از برمید آهن (III) به عنوان یک حامل یونی را می توان به صورت زیر نشان داد:

سولفوناسیون. بنزن را می توان با رفلاکس کردن مخلوط آن با اسید سولفوریک غلیظ به مدت چند ساعت سولفونه کرد (یک اتم هیدروژن را با یک گروه سولفو جایگزین کرد). در عوض، بنزن را می توان به دقت در مخلوطی با اسید سولفوریک دود گرم کرد. اسید سولفوریک دود دار حاوی تری اکسید گوگرد است. مکانیسم این واکنش را می توان با نمودار نشان داد

واکنش های Friedel-Crafts. واکنش‌های فریدل کرافت در ابتدا واکنش‌های تراکم بین ترکیبات معطر و آلکیل هالیدها در حضور یک کاتالیزور کلرید آلومینیوم بدون آب نامیده می‌شد.

در واکنش‌های تراکم، دو مولکول از معرف‌ها (یا یک معرف) با یکدیگر ترکیب می‌شوند و مولکولی از یک ترکیب جدید را تشکیل می‌دهند، در حالی که یک مولکول از برخی ترکیبات ساده مانند آب یا کلرید هیدروژن از آنها جدا می‌شود (از بین می‌رود).

در حال حاضر، واکنش Friedel-Crafts به هر گونه جایگزینی الکتروفیل یک ترکیب معطر گفته می شود که در آن نقش یک الکتروفیل توسط یک کربوکاتیون یا یک کمپلکس بسیار قطبی شده با یک اتم کربن با بار مثبت ایفا می شود. عامل الکتروفیلیک، به عنوان یک قاعده، یک آلکیل هالید یا کلرید مقداری کربوکسیلیک اسید است، اگرچه می تواند به عنوان مثال، یک آلکن یا یک الکل نیز باشد. معمولاً از کلرید آلومینیوم بی آب به عنوان کاتالیزور برای این واکنش ها استفاده می شود. واکنش های فریدل کرافت معمولاً به دو نوع آلکیلاسیون و آسیلاسیون تقسیم می شوند.

آلکیلاسیون در این نوع واکنش فریدل کرافت، یک یا چند اتم هیدروژن روی حلقه بنزن با گروه های آلکیل جایگزین می شود. به عنوان مثال، هنگامی که مخلوطی از بنزن و کلرومتان به آرامی در حضور کلرید آلومینیوم بی آب گرم می شود، متیل بنزن تشکیل می شود. کلرومتان نقش یک عامل الکتروفیل را در این واکنش ایفا می کند. توسط کلرید آلومینیوم به همان شیوه مولکول های هالوژن قطبی می شود:

مکانیسم واکنش مورد بررسی را می توان به صورت زیر ارائه کرد:

لازم به ذکر است که در این واکنش تراکمی بین بنزن و کلرومتان، یک مولکول کلرید هیدروژن حذف می شود. همچنین توجه داشته باشید که وجود واقعی کربوکاتیون فلز به شکل یون آزاد مشکوک است.

آلکیلاسیون بنزن با کلرومتان در حضور کاتالیزور - کلرید آلومینیوم بی آب منجر به تشکیل متیل بنزن نمی شود. در این واکنش، آلکیلاسیون بیشتر حلقه بنزن رخ می دهد که منجر به تشکیل 1،2-دی متیل بنزن می شود:

اسیلاسیون. در این نوع واکنش فریدل کرافت، یک اتم هیدروژن روی حلقه بنزن با یک گروه آسیل جایگزین می شود و در نتیجه یک کتون معطر تشکیل می شود.

گروه آسیل دارای فرمول کلی است

نام سیستماتیک یک ترکیب آسیل با جایگزینی پسوند و پایان -ova در نام اسید کربوکسیلیک مربوطه که این ترکیب آسیلی مشتق آن است، با پسوند -(o) yl تشکیل می‌شود. مثلا

اسیلاسیون بنزن با استفاده از کلرید یا انیدرید هر اسید کربوکسیلیک در حضور یک کاتالیزور، کلرید آلومینیوم بی آب انجام می شود. مثلا

این واکنش یک تراکم است که در آن یک مولکول کلرید هیدروژن حذف می شود. همچنین توجه داشته باشید که نام "فنیل" اغلب برای اشاره به حلقه بنزن در ترکیباتی که بنزن گروه اصلی نیست استفاده می شود:

واکنش های افزایشی اگرچه بنزن بیشتر با واکنش‌های جایگزینی الکتروفیل مشخص می‌شود، اما برخی از واکنش‌های افزودن را نیز متحمل می‌شود. ما قبلاً با یکی از آنها آشنا شده ایم. ما در مورد هیدروژنه شدن بنزن صحبت می کنیم (به بخش 5.3 مراجعه کنید). هنگامی که مخلوطی از بنزن و هیدروژن روی سطح کاتالیزور نیکل ریز آسیاب شده در دمای 150-160 درجه سانتیگراد عبور داده می شود، یک توالی کامل از واکنش ها رخ می دهد که با تشکیل سیکلوهگزان پایان می یابد. معادله کلی استوکیومتری این واکنش را می توان به صورت زیر نشان داد:

هنگامی که بنزن در معرض اشعه ماوراء بنفش یا نور مستقیم خورشید قرار می گیرد، با کلر نیز واکنش نشان می دهد. این واکنش از طریق یک مکانیسم رادیکال پیچیده رخ می دهد. محصول نهایی آن 1،2،3،4،5،6-هگزاکلروسیکلوهگزان است:

واکنش مشابهی بین بنزن و برم تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش یا نور خورشید رخ می دهد.

اکسیداسیون. بنزن و حلقه بنزن در سایر ترکیبات معطر، به طور کلی، در برابر اکسیداسیون حتی توسط عوامل اکسید کننده قوی مانند محلول اسیدی یا قلیایی پرمنگنات پتاسیم مقاوم هستند. با این حال، بنزن و سایر ترکیبات معطر در هوا یا اکسیژن می سوزند و شعله ای بسیار دودی تولید می کنند که نمونه ای از هیدروکربن های با محتوای کربن نسبی بالا است.

همولوگ های بنزن بسته به ماهیت معرف قادر به واکنش در دو جهت با مشارکت یک هسته آروماتیک و یک زنجیره جانبی (گروه های آلکیل) هستند.

1. واکنش روی حلقه معطر

با توجه به اثر دهنده گروه آلکیل، واکنش های S E ArH به داخل ادامه می یابد ارتو- و جفتموقعیت حلقه معطر، در حالی که شرایط ملایم تر از بنزن است.

الف) هالوژناسیون

ب) نیتراسیون

توجه کنید که چگونه با افزایش تعداد گروه های پذیرنده (-NO2)، دمای واکنش های نیتراسیون افزایش می یابد.

ج) سولفوناسیون

واکنش عمدتا تولید می کند پ-ایزومر

د) آلکیلاسیون

ه) اسیلاسیون

2. واکنش های زنجیره جانبی

قطعه آلکیل مولکول بنزن وارد واکنش های SR می شود که شامل اتم کربن در α موقعیت (موقعیت بنزیلیک).

اکسیداسیون همه همولوگ های بنزن با KMnO 4 / 100 درجه سانتی گراد منجر به تشکیل اسید بنزوئیک می شود.

عرصه های متراکم

آرن های متراکم سیستم های معطر هستند (n=2 و 3). درجه معطر بودن آرن های تغلیظ شده کمتر از بنزن است. آنها با واکنش های جایگزینی الکتروفیلیک، واکنش های افزودن و اکسیداسیون مشخص می شوند که در شرایط ملایم تر از بنزن رخ می دهند.

واکنش پذیری نفتالین

واکنش‌های S E ArH برای نفتالین عمدتاً مطابق با آن پیش می‌رود α موقعیت، به استثنای سولفوناسیون. افزودن الکتروفیل Ad E در موقعیت های 1،4 رخ می دهد، با نفتالین که خواص دی ان های کونژوگه را نشان می دهد.

1. واکنش های جایگزینی الکتروفیلیک،اس E ArH

2. واکنش های الکتروفیل افزودن، احیا و اکسیداسیون.

واکنش پذیری آنتراسن و فنانترن

واکنش های جایگزینی الکتروفیل، S E ArH و افزودن الکتروفیل، Ad E برای آنتراسن عمدتاً در موقعیت های 9 و 10 رخ می دهد (نمودار زیر را ببینید).

واکنش های جایگزینی الکتروفیل، S E ArH و افزودن الکتروفیل، Ad E برای فنانترن عمدتاً در موقعیت های 9 و 10 مانند آنتراسن رخ می دهد (نمودار زیر را ببینید).

واکنش های اکسیداسیون و کاهش آنتراسن و فنانترن.

ساختار برخی از داروهای مبتنی بر نفتالین، آنتراسن و فنانترن

نفتیزین(نافازولین، سانورین)

اثر منقبض کننده عروق(درمان رینیت، سینوزیت)

(ساختار اصلی در عنوان تاکید شده است، به شماره گذاری توجه کنید)

نفتیفین

ضد قارچعمل (درمان درماتیت)

نابومتون

اثر ضد التهابی، تب بر، ضد درد(درمان آرتروز، آرتریت روماتوئید).

نادولول

(اصطلاح cis، در این مورد، موقعیت نسبی گروه های هیدروکسیل را نشان می دهد)

افت فشار خون(فشار خون را کاهش می دهد) و اثر ضد آریتمی

مورفین، کدئین

سوالات آزمون فصل "ARENAS"

1. چه خواصی از بنزن آن را از سایر ترکیبات غیر اشباع - آلکن ها، آلکین ها متمایز می کند؟ اصطلاح "ترکیب معطر" به چه معناست؟

2. فرمول ساختاری ترکیبات را بنویسید: الف) اتیل بنزن. ب) 1،3-دی متیل بنزن ( متر زایلن)؛ ج) 1،3،5-تری متیل بنزن (مزیتلن). د) ایزوپروپیل بنزن (کومن)؛ ه) 3- فنیل پنتان. و) وینیل بنزن (استایرن)؛ ز) فنیل استیلن؛ ح) ترنس -دی فنیل اتیلن ( ترنس -استیلبن).

3. ویژگی های ساختاری ترکیباتی که معطر بودن را نشان می دهند را شرح دهید. قانون هوکل را تدوین کنید. کدام یک از ترکیبات زیر معطر هستند:

4. نسبت سیکلوهگزن و بنزن را با معرف های زیر در شرایط نشان داده شده مقایسه کنید. : الف) برادر 2 (H 2 O, 20 ج)؛ ب) KMnO 4 (H 2 O.0 ج)؛ ج) ن 2 بنابراین 4 (مجموع) ، 20 ج د) اچ 2 (PD, 30 ج)؛ قبل از 3 ، سپس اچ 2 O(Zn)؛ و) HBr.

5- فرمول های ساختاری بنزن های تک جایگزینی که در واکنش های بنزن با معرف های زیر ایجاد می شوند را بنویسید: الف) ن 2 بنابراین 4 (مجموع)؛ ب) HNO 3 ; ن 2 بنابراین 4 (مجموع)؛ ج) برادر 2 / Fe; د) Cl 2 /AlCl 3 ; ه) CH 3 Br/AlBr 3 ; ه) CH 3 COCl/AlСl 3 . واکنش ها و فرآورده های آنها را نام ببرید. نشان دهید که در هر مورد خاص، بنزن با کدام الکتروفیل واکنش می دهد.

6. یک طرح کلی برای برهمکنش بنزن با یک معرف الکتروفیل ارائه دهید ( E + ). مجتمع های میانی را نام ببرید. کدام مرحله معمولاً سرعت یک واکنش را تعیین می کند؟ نموداری از تغییر انرژی پتانسیل واکنش مورد بررسی ارائه دهید.

7. مفاهیم زیر را تعریف کنید: الف) حالت گذار. ب) اتصال میانی؛ ج)  - پیچیده; د)-مختلط. کدام یک از آنها یکسان هستند؟ این مفاهیم را با استفاده از مثال برم بندی بنزن در حضور یک کاتالیزور نشان دهید. فوریه 3 .

8. با استفاده از مثال واکنش اتن و بنزن با برم، مکانیسم افزودن الکتروفیل در آلکن ها را با مکانیسم جایگزینی الکتروفیل در سری آروماتیک مقایسه کنید. تفاوت در چه مرحله ای مشاهده می شود و چرا؟

9. با استفاده از اثرات القایی و مزومریک، برهمکنش جانشین با حلقه بنزن را در ترکیبات نشان داده شده شرح دهید:

جایگزین های الکترون دهنده (ED) و الکترون گیر (EA) را برچسب گذاری کنید.

10. طرح های تک نیتراسیون ترکیبات را بنویسید: الف) فنل. ب) اسیدهای بنزن سولفونیک؛ ج) ایزوپروپیل بنزن؛ د) کلروبنزن. نرخ نسبی جایگزینی برای کدام ترکیب باید بیشترین باشد و چرا؟

11. تشکیل چه محصولاتی باید در طول مونو سولفوناسیون ترکیبات انتظار داشت: الف) تولوئن. ب) نیتروبنزن؛ ج) اسید بنزوئیک؛ د) برموبنزن؟ کدام ترکیب باید راحت‌تر سولفونه شود؟ چرا؟

12. ترکیبات زیر را به ترتیب افزایش واکنش پذیری در هنگام برم کردن آنها به یک حلقه بنزن ترتیب دهید: الف) بنزن. ب) فنل؛ ج) بنزآلدئید؛ د) اتیل بنزن. توضیح بدید

13- هیدروکربن های زیر را نام ببرید:

14- واکنش های بنزن را با معرف های زیر بنویسید : الف) کل 2 (Fe)؛ ب) 3Cl 2 (سبک)؛ ج) HNO 3 (H 2 بنابراین 4 ) انجام دادن 2 (هوا) (V 2 در باره 5 , 450  ج)؛ ه) 3O 3 ، سپس N 2 O (Zn)؛ ه) H 2 بنابراین 4 (اولیوم)؛ g) 3H 2 (Ni, 200 جپ ). ویژگی های واکنش های افزودن در بنزن چیست؟

15- واکنش های تولوئن را با معرف های نشان داده شده بنویسید : الف) 3 ساعت 2 (Ni, 200 C، 9806.7 کیلو پاسکال)؛ ب) KMnO 4 V ن 2 در باره؛ ج*) Cl 2 ، سبک؛ د*) کل 2 (Fe)؛ د*) CH 3 Cl(AlCl 3 ) ه*) CH 3 COCl (AlCl 3 ) ز) HNO 3 (H 2 بنابراین 4 ). برای واکنش هایی که با ستاره مشخص شده اند، مکانیسم هایی را ارائه دهید.

16- واکنش های نیتراسیون اتیل بنزن را در شرایط مشخص شده بنویسید: الف) 65% HNO 3 +H 2 بنابراین 4 (مجموع)؛ ب) 10% HNO 3 ، گرمایش، فشار. مکانیسم ها را بیاورید.

17. نسبت ایزوپروپیل بنزن به برم را مقایسه کنید: الف) در حضور AlBr 3 ; ب) تحت روشنایی و گرمایش. واکنش ها و مکانیسم آنها را بیان کنید.

18. از اتیل بنزن چه ترکیباتی به وجود می آید و پ - زایلن تحت تأثیر عوامل اکسید کننده مشخص شده: الف) O 3 ، سپس اچ 2 O(Zn)؛ ب) KMnO 4 در اچ 2 در باره،تی ; VC 2 Cr 2 O 7 در اچ 2 بنابراین 4 , تی ?

19. با چه واکنش هایی می توان جفت ترکیبات زیر را تشخیص داد: الف) اتیل بنزن و متر - زایلن؛ ب) اتیل بنزن و استایرن. ج) استایرن و فنیل استیلن. ز) O - و پ زایلن ها؟

20- محصولات واکنش های زیر کدام ترکیبات هستند:

21. بر اساس بنزن و هر معرف دیگر، ترکیبات زیر را بدست آورید: الف) پ -مالش - بوتیل تولوئن؛ ب) اتیل پ تولیل کتون؛ ج) آلیل بنزن؛ ز) پ -بروموبنزوئیک اسید

22- ترکیبات اصلی تشکیل شده در واکنش های زیر را نام ببرید:

تعریف

بنزن(سیکلوهگزاترین - 1،3،5) یک ماده آلی، ساده ترین نماینده تعدادی از هیدروکربن های معطر است.

فرمول - C 6 H 6 (فرمول ساختاری - شکل 1). وزن مولکولی - 78.11.

برنج. 1. فرمول های ساختاری و فضایی بنزن.

هر شش اتم کربن موجود در مولکول بنزن در حالت هیبریدی sp 2 قرار دارند. هر اتم کربن با دو اتم کربن دیگر و یک اتم هیدروژن که در همان صفحه قرار دارد، پیوند 3 σ ایجاد می کند. شش اتم کربن یک شش ضلعی منظم (σ-اسکلت مولکول بنزن) را تشکیل می دهند. هر اتم کربن دارای یک اوربیتال p هیبرید نشده حاوی یک الکترون است. شش الکترون p یک ابر الکترونی واحد (سیستم معطر) را تشکیل می دهند که به صورت دایره ای در داخل یک حلقه شش عضوی به تصویر کشیده می شود. رادیکال هیدروکربنی به دست آمده از بنزن C 6 H 5 - - فنیل (Ph-) نامیده می شود.

خواص شیمیایی بنزن

بنزن با واکنش‌های جایگزینی مشخص می‌شود که از طریق مکانیسم الکتروفیلی رخ می‌دهند:

- هالوژناسیون (بنزن با کلر و برم در حضور کاتالیزورها واکنش می دهد - AlCl3، FeCl3، AlBr3 بی آب)

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

- نیتراسیون (بنزن به راحتی با مخلوط نیترات کننده واکنش می دهد - مخلوطی از اسیدهای نیتریک و سولفوریک غلیظ)

- آلکیلاسیون با آلکن ها

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

واکنش های افزودن به بنزن منجر به تخریب سیستم معطر می شود و فقط در شرایط سخت رخ می دهد:

- هیدروژناسیون (واکنش هنگام گرم شدن رخ می دهد، کاتالیزور Pt است)

- افزودن کلر (تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش با تشکیل یک محصول جامد رخ می دهد - هگزا کلرو سیکلوهگزان (هگزاکلران) - C 6 H 6 Cl 6)

مانند هر ترکیب آلی، بنزن تحت یک واکنش احتراق با تشکیل دی اکسید کربن و آب به عنوان محصولات واکنش (با شعله دودی می سوزد):

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

خواص فیزیکی بنزن

بنزن مایعی بی رنگ است، اما بوی تند خاصی دارد. یک مخلوط آزئوتروپیک با آب تشکیل می دهد، به خوبی با اترها، بنزین و حلال های آلی مختلف مخلوط می شود. نقطه جوش - 80.1 درجه سانتیگراد، نقطه ذوب - 5.5 درجه سانتیگراد. سمی، سرطان زا (یعنی باعث پیشرفت سرطان می شود).

تهیه و استفاده از بنزن

روشهای اصلی بدست آوردن بنزن:

- هیدروسایکل زدایی هگزان (کاتالیزورها - Pt, Cr3O2)

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

- هیدروژن زدایی سیکلوهگزان (واکنش هنگام گرم شدن رخ می دهد، کاتالیزور پلاتین است)

C 6 H 12 → C 6 H 6 + 4H 2;

تریمریزاسیون استیلن (واکنش زمانی رخ می دهد که تا دمای 600 درجه سانتیگراد گرم شود، کاتالیزور کربن فعال است)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

بنزن به عنوان ماده خام برای تولید همولوگ ها (اتیل بنزن، کومن)، سیکلوهگزان، نیتروبنزن، کلروبنزن و سایر مواد عمل می کند. قبلاً از بنزن به عنوان افزودنی برای بنزین برای افزایش عدد اکتان آن استفاده می شد، اما اکنون به دلیل سمیت بالای آن، میزان بنزن در سوخت به شدت تنظیم شده است. گاهی اوقات از بنزن به عنوان حلال استفاده می شود.

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

ورزش	معادلاتی را بنویسید که می توان از آنها برای انجام تبدیل های زیر استفاده کرد: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.
راه حل	برای تولید استیلن از متان از واکنش زیر استفاده می شود: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (t = 1400C). تولید بنزن از استیلن توسط واکنش سه‌شدن استیلن امکان‌پذیر است، که هنگام گرم شدن (t = 600C) و در حضور کربن فعال رخ می‌دهد: 3C 2 H 2 → C 6 H 6. واکنش کلرزنی بنزن برای تولید کلروبنزن به عنوان یک محصول در حضور کلرید آهن (III) انجام می شود: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

مثال 2

ورزش	به 39 گرم بنزن در حضور کلرید آهن (III)، 1 مول آب برم اضافه شد. چه مقدار ماده و چند گرم از چه محصولاتی تولید شد؟
راه حل	اجازه دهید معادله واکنش بنزن برماسیون در حضور کلرید آهن (III) را بنویسیم: C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. محصولات واکنش برموبنزن و هیدروژن برومید هستند. جرم مولی بنزن با استفاده از جدول عناصر شیمیایی توسط D.I. مندلیف - 78 گرم در مول. بیایید مقدار بنزن را پیدا کنیم: n(C6H6) = m(C6H6) / M(C6H6); n(C 6 H 6) = 39 / 78 = 0.5 مول. با توجه به شرایط مسئله، بنزن با 1 مول برم واکنش داد. در نتیجه، بنزن با کمبود مواجه است و محاسبات بعدی با استفاده از بنزن انجام خواهد شد. طبق معادله واکنش n(C 6 H 6): n(C 6 H 5 Br) : n(HBr) = 1: 1: 1، بنابراین n(C 6 H 6) = n (C 6 H 5 Br) =: n(HBr) = 0.5 مول. سپس جرم برموبنزن و هیدروژن برومید برابر خواهد بود: m(C6H5Br) =n(C6H5Br)×M(C6H5Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). جرم مولی برموبنزن و برمید هیدروژن، با استفاده از جدول عناصر شیمیایی توسط D.I. مندلیف - به ترتیب 157 و 81 گرم در مول. m(C 6 H 5 Br) = 0.5 × 157 = 78.5 گرم؛ m(HBr) = 0.5×81 = 40.5 گرم.
پاسخ	محصولات واکنش برموبنزن و هیدروژن برومید هستند. جرم برموبنزن و هیدروژن برومید به ترتیب 78.5 و 40.5 گرم است.

مشخصات فیزیکی

بنزن و نزدیکترین همولوگ های آن مایعات بی رنگ با بوی خاصی هستند. هیدروکربن های معطر سبک تر از آب هستند و در آن حل نمی شوند، اما به راحتی در حلال های آلی - الکل، اتر، استون حل می شوند.

بنزن و همولوگ های آن خود حلال های خوبی برای بسیاری از مواد آلی هستند. همه عرصه ها به دلیل محتوای کربن بالا در مولکول هایشان با شعله دودی می سوزند.

خواص فیزیکی برخی از عرصه ها در جدول ارائه شده است.

جدول. خواص فیزیکی برخی از میدان ها

نام	فرمول	t°.pl., درجه سانتی گراد	b.p., درجه سانتی گراد
بنزن	C6H6	5,5	80,1
تولوئن (متیل بنزن)	C 6 H 5 CH 3	95,0	110,6
اتیل بنزن	C 6 H 5 C 2 H 5	95,0	136,2
زایلن (دی متیل بنزن)	C 6 H 4 (CH 3) 2
ارتو-		25,18	144,41
متا		47,87	139,10
جفت-		13,26	138,35
پروپیل بنزن	C 6 H 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
کومن (ایزوپروپیل بنزن)	C 6 H 5 CH(CH 3) 2	96,0	152,39
استایرن (وینیل بنزن)	C 6 H 5 CH = CH 2	30,6	145,2

بنزن – جوش کم ( تیعدل= 80.1 درجه سانتیگراد)، مایع بی رنگ، نامحلول در آب

توجه! بنزن - سم، بر کلیه ها تأثیر می گذارد، فرمول خون را تغییر می دهد (با قرار گرفتن در معرض طولانی مدت)، می تواند ساختار کروموزوم ها را مختل کند.

بیشتر هیدروکربن های معطر تهدید کننده زندگی و سمی هستند.

تهیه آرن ها (بنزن و همولوگ های آن)

در آزمایشگاه

1. ادغام نمک های اسید بنزوئیک با مواد قلیایی جامد

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

بنزوات سدیم

2. واکنش Wurtz-Fitting: (در اینجا G هالوژن است)

ج 6اچ 5 -G + 2Na + آر-G →سی 6 اچ 5 - آر + 2 Naجی

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

در صنعت

• جداسازی شده از نفت و زغال سنگ با تقطیر جزئی و اصلاح.
• از قطران زغال سنگ و گاز کوره کک

1. هیدروسایکل زدایی آلکان هابا بیش از 6 اتم کربن:

C6H14 تی , کت→ C 6 H 6 + 4H 2

2. تریمریزاسیون استیلن(فقط برای بنزن) – آر. زلینسکی:

3С 2 H 2 600 درجهسی، عمل کنید زغال سنگ→ C 6 H 6

3. هیدروژن زداییسیکلوهگزان و همولوگ های آن:

نیکلای دیمیتریویچ زلینسکی، آکادمیک شوروی، ثابت کرد که بنزن از سیکلوهگزان (هیدروژن زدایی سیکلوآلکان ها) تشکیل می شود.

C6H12 تی، کت→ C 6 H 6 + 3H 2

C6H11-CH3 تی , کت→ C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

متیل سیکلوهگزانتولوئن

4. آلکیلاسیون بنزن(تهیه همولوگ های بنزن) – r Friedel-Crafts.

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

کلرواتان اتیل بنزن

خواص شیمیایی آرن ها

من. واکنش های اکسیداسیون

1. احتراق (شعله دود):

2C6H6 + 15O2 تی→ 12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. در شرایط عادی، بنزن آب برم و محلول آبی پرمنگنات پتاسیم را تغییر رنگ نمی دهد.

3. همولوگ های بنزن توسط پرمنگنات پتاسیم اکسید می شوند (پرمنگنات پتاسیم را تغییر رنگ می دهند):

الف) در یک محیط اسیدی به اسید بنزوئیک

هنگامی که همولوگ های بنزن در معرض پرمنگنات پتاسیم و سایر عوامل اکسید کننده قوی قرار می گیرند، زنجیره های جانبی اکسید می شوند. مهم نیست که زنجیره جایگزین چقدر پیچیده باشد، به استثنای اتم کربن a که به یک گروه کربوکسیل اکسید می شود، از بین می رود.

همولوگ های بنزن با یک زنجیره جانبی اسید بنزوئیک می دهند:

همولوگ های حاوی دو زنجیره جانبی اسیدهای دی بازیک می دهند:

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

ساده شده :

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

ب) در نمک های خنثی و کمی قلیایی به اسید بنزوئیک

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

II. واکنش های افزودنی (سخت تر از آلکن ها)

1. هالوژناسیون

C 6 H 6 + 3Cl 2 ساعت ν → C 6 H 6 Cl 6 (هگزا کلرو سیکلوهگزان - هگزاکلران)

2. هیدروژناسیون

C6H6 + 3H2 تی , Ptیانی→ C 6 H 12 (سیکلوهگزان)

3. پلیمریزاسیون

III. واکنش های جایگزینی – مکانیسم یونی (سبک تر از آلکان ها)

ب) همولوگ های بنزن در اثر تابش یا حرارت دادن

خواص شیمیایی رادیکال های آلکیل مشابه آلکان ها است. اتم های هیدروژن در آنها با مکانیسم رادیکال آزاد با هالوژن جایگزین می شوند. بنابراین، در غیاب کاتالیزور، با گرم شدن یا تابش اشعه ماوراء بنفش، یک واکنش جایگزینی رادیکال در زنجیره جانبی رخ می دهد. تأثیر حلقه بنزن بر جایگزین های آلکیل منجر به این واقعیت می شود که اتم هیدروژن همیشه در اتم کربنی که مستقیماً به حلقه بنزن متصل است (اتم کربن a-carbon) جایگزین می شود.

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

ج) همولوگ های بنزن در حضور کاتالیزور

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (مخلوط orta، جفت مشتقات) +HCl

2. نیتراسیون (با اسید نیتریک)

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

نیتروبنزن - بو بادام ها!

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

2،4،6-ترینیتروتولوئن (tol، TNT)

کاربرد بنزن و همولوگ های آن

بنزن C 6 H 6 یک حلال خوب است. بنزن به عنوان یک افزودنی باعث بهبود کیفیت سوخت موتور می شود. این ماده خام برای تولید بسیاری از ترکیبات آلی معطر - نیترو بنزن C 6 H 5 NO 2 (حلالی که از آن آنیلین به دست می آید) ، کلروبنزن C 6 H 5 Cl ، فنل C 6 H 5 OH ، استایرن و غیره استفاده می شود.

تولوئن C 6 H 5 - CH 3 - حلال، مورد استفاده در تولید رنگ، دارویی و مواد منفجره (TNT (TNT) یا 2،4،6-trinitrotoluene TNT).

زایلن ها C6H4(CH3)2. زایلن فنی مخلوطی از سه ایزومر ( ارتو-, متا- و جفتزایلن ها) - به عنوان حلال و محصول اولیه برای سنتز بسیاری از ترکیبات آلی استفاده می شود.

ایزوپروپیل بنزن C 6 H 5 - CH(CH 3) 2 برای تولید فنل و استون استفاده می شود.

مشتقات کلردار بنزنبرای حفاظت از گیاهان استفاده می شود. بنابراین، محصول جایگزینی اتم های H در بنزن با اتم های کلر، هگزاکلروبنزن C 6 Cl 6 - یک قارچ کش است. برای درمان خشک دانه های گندم و چاودار در برابر لجن استفاده می شود. محصول افزودن کلر به بنزن هگزاکلروسیکلوهگزان (هگزاکلران) C 6 H 6 Cl 6 - یک حشره کش است. برای کنترل حشرات مضر استفاده می شود. مواد ذکر شده متعلق به آفت کش ها - ابزارهای شیمیایی برای مبارزه با میکروارگانیسم ها، گیاهان و حیوانات است.

استایرن C 6 H 5 - CH = CH 2 به راحتی پلیمریزه می شود و پلی استایرن را تشکیل می دهد و هنگام کوپلیمریزاسیون با بوتادین، لاستیک های استایرن-بوتادین.

تجربیات ویدیویی