Хімічні властивості. Фізичні та хімічні властивості бензолу

Заголовок

Простий вуглеводень. Належить до ароматичних вуглеводнів, класу органічних речовин.

Речовина є прозорою рідиною, не має кольору, має солодкуватий характерний запах. Бензол відносять до ненасичених вуглеводнів. Знаменита формула бензольного кільця була запропонована нобелівським лауреатом у галузі хімії – Лайнусом Полінгом. Саме він запропонував зображати бензол у вигляді шестигранника з коло всередині. Це зображення дає розуміння про відсутність подвійних зв'язків та наявність єдиної електронної хмари, в яку охоплено всі 6 атомів вуглецю.

Формула

Одержання бензолу

Природні джерела отримання

Природне джерело отримання бензолу – це кам'яне вугілля. Процес коксування кам'яного вугілля був відкритий Майклом Фарадеєм далекого 1825 року. Він вивчав світильний газ, який використовували у ліхтарях вуличного освітлення, зміг виділити та описати бензол. Нині цим способом із кам'яновугільної смоли бензол практично не отримують. Існує безліч інших продуктивніших способів його отримання.

Штучні джерела отримання

• Штучний каталітичний риформінг бензину.Для одержання використовуються бензинові нафтові фракції. У цьому процесі утворюється велика кількість толуолу. Попит на ринку для толуолу невеликий, тому з нього також далі отримують бензол. З важких фракцій нафти піролізом через процес деалкілування суміші толуолу, ксилолу одержують бензол.
• Отримання методом Реппе.До 1948 за методом Бертло отримували бензол, пропускаючи ацетилен над активованим вугіллям при температурі 400°C. Вихід бензолу був великий, але виходила багатокомпонентна суміш речовин, що важко піддається очищенню. У 1948 році Реппе замінив активоване вугілля нікелем. В результаті на виході виходив бензол. Процес називається тримеризацією ацетелену– три молекули ацетилену перетворюються на одну бензолу:

3С 2 Н 2 → С 6 H 6 .

Властивості бензолу

Фізичні властивості

При горінні виділяється велика кількість кіптяви, тому що ненасичений вуглеводень (йому не вистачає 8 атомів водню, щоб відповідати стандартній формулі граничних вуглеводнів). За низьких температур бензол стає білою кристалічною масою.

Хімічні властивості

Бензол входить у реакції заміщення у присутності каталізаторів – зазвичай це солі Al(3+) чи Fe(3+):

• Галогенування – якісна реакція на бензол із Br 2:

C6H6+Br2=C6H5Br+HBr.

• Нітрування - взаємодія з азотною кислотою. В органічній хімії цей процес супроводжується відщепленням OH-групи:

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

• Каталітичне алкілування призводить до отримання гомологів бензолу – алкілбензолів:

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

Гомологи бензолу, які містять радикал, реагує не так як сам бензол. Реакції йдуть по-іншому і часто на світлі:

• галогенування 6 H 5 -CH 3 + Br 2 (на світлі) = З 6 H 5 -CH 2 Br + HBr;
• нітрування - С 6 H 5 -CH 3 + 3HNO 3 → C 6 H 2 CH 3 (NO 2) 3 .

Реакції окислення бензолу йдуть дуже складно та не характерні для цієї речовини. Окислення притаманно гомологів. Ось, наприклад, реакція одержання бензойної кислоти:

6 H 5 CH 3 + [O] → C 6 H 5 COOH.

Процес горіння речовини відбувається за стандартною схемою для всіх органічних речовин:

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

Реакція гідрування. Реакція проходить складно, потрібні каталізатори, тиск, температура. У реакціях бензолу з воднем виходить циклогексан:

6 H 6 + 3H 2 → C 6 H 12 .

А в реакціях з алкілбензолом – метилциклогексан, де один атом водню заміщається на радикальну групу -СН 3:

6 H 5 CH 3 + 3H 2 → C 6 H 11 -CH 3 .

Застосування бензолу

Бензол у чистому вигляді практично не використовується. Його виробляють для інших важливих сполук, таких як, наприклад, етилбензол, з якого отримують стирол і полістирол.

Левову частку бензолу пускають виробництва фенолу, необхідний виробництві капрону, барвників, пестицидів, ліків. Відомі ліки аспірин неможливо отримувати без участі фенолу.

Циклогексан з бензолу необхідний виробництва пластмас і штучних волокон, нітробензол йде вироблення аніліну, який використовують із виробництва каучуків, барвників і гербіцидів.

Циклічну структуру бензолу вперше запропонував Ф.А. Кекуле 1865 р.

Фрідріх Август Кекуле фон Страдоніц – видатний німецький хімік ХІХ ст. У 1854 р. він виявив першу органічну сполуку, що містить сірку - тіооцтову кислоту (тіоетанову кислоту). Крім того, він встановив структуру діазосполуки. Олнако його найвідомішим внеском у розвиток хімії є встановлення структури бензолу (1866). Кекуле показав, що подвійні зв'язки бензолу чергуються по кільцю (ця ідея вперше виникла уві сні). Пізніше він показав, що два можливі розташування подвійних зв'язків ідентичні і що бензольне кільце є гібридом між цими двома структурами. Таким чином, він передбачив уявлення про резонанс (мезомерію), яке з'явилося в теорії хімічного зв'язку на початку 1930-х років.

Якби бензол дійсно мав таку структуру, то його 1,2-дизаміщені похідні мали б по два ізомери. Наприклад,

Однак у жодного з 1,2-дизаміщених бензолів не вдається виділити два ізомери.

Тому згодом Кекуле припустив, що молекула бензолу існує як дві структури, що швидко переходять одна в одну:

Зауважимо, що у таких схематичних зображеннях молекул бензолу та його похідних зазвичай не вказуються атоми водню, приєднані до вуглецевих атомів бензольного кільця.

У сучасній хімії молекулу бензолу розглядають як резонансний гібрид цих двох граничних резонансних форм (див. разд. 2.1). Інший опис молекули бензолу ґрунтується на розгляді її молекулярних орбіталей. У розд. 3.1 було зазначено, що -електрони, що знаходяться на -зв'язувальних орбіталях, справакалізовані між усіма атомами вуглецю бензольного кільця і ​​утворюють електронну хмару. Відповідно до такого подання молекулу бензолу можна умовно зобразити наступним чином:

Експериментальні дані підтверджують наявність у бензолу саме такої структури. Якби бензол мав структуру, яку припустив спочатку Кекуле, з трьома пов'язаними подвійними зв'язками, то бензол повинен був вступати в реакції приєднання подібно до алкенів. Однак, як було зазначено вище, бензол не вступає в реакції приєднання. Крім того, бензол має більшу стійкість, ніж якби він мав три ізольовані подвійні зв'язки. У розд. 5.3 було зазначено, що ентальпія гідрування бензолу з утворенням циклогексану має більшу негативність

Таблиця 18.3. Довжина різних вуглець-вуглецевих зв'язків

Мал. 18.6. Геометрична будова молекули бензолу.

значення, ніж потрійна ентальпія гідрування циклогексену. Різницю цих величин прийнято називати ентальпією ділалізації, резонансною енергією або енергією стабілізації бензолу.

Усі вуглець-вуглецеві зв'язки в бензольному кільці мають однакову довжину, яка менша, ніж довжина зв'язків С-С в алканах, але більша, ніж довжина зв'язків С=С в алкенах (табл. 18.3). Це служить підтвердженням того, що вуглець-вуглецеві зв'язки в бензолі є гібридом між простими і подвійними зв'язками.

Молекула бензолу має плоску структуру, зображену на рис. 18.6.

Фізичні властивості

Бензол за нормальних умов – безбарвна рідина, яка замерзає при 5,5 °С і кипить при 80 °С. Він має характерний приємний запах, але, як зазначалося вище, дуже токсичний. Бензол не поєднується з водою і в системі бензол вода утворює верхній із двох шарів. Однак він розчиняється в неполярних органічних розчинниках і сам є добрим розчинником інших органічних сполук.

Хімічні властивості

Хоча бензол вступає у певні реакції приєднання (див. нижче), він не виявляє в них типової для алкенів реакційної здатності. Наприклад, він не знебарвлює бромну воду або розчин-іонів. Крім того, бензол не

вступає в реакції приєднання з сильними кислотами, наприклад, з соляною або сірчаною кислотою.

Разом з тим бензол бере участь у низці реакцій електрофільного заміщення. Продуктами реакцій цього є ароматичні сполуки, оскільки у цих реакціях зберігається делокализованная -електронна система бензолу. Загальний механізм заміщення атома водню на бензольному кільці якимсь електрофілом описаний в розд. 17.3. Прикладами електрофільного заміщення бензолу є його нітрування, галогенування, сульфування та реакції Фріделя-Крафтса.

Нітрування. Бензол можна нітрувати (вводити в нього групу), обробляючи його сумішшю концентрованих азотної та сірчаної кислот:

Нітробензол

Умови проведення цієї реакції та її механізм описані в розд. 17.3.

Нітробензол блідо-жовта рідина з характерним мигдальним запахом. При нітруванні бензолу крім нітробензолу утворюються ще кристали 1,3-динітробензолу, який є продуктом наступної реакції:

Галогенування. Якщо змішати бензол у темряві із хлором чи бромом, не відбудеться жодної ракації. Однак у присутності каталізаторів, що мають властивості кислот Льюїса, у таких сумішах протікають реакції електрофільного заміщення. Типовими каталізаторами цих реакцій є бромід заліза (III) та хлорид алюмінію. Дія цих каталізаторів полягає в тому, що вони створюють поляризацію в молекулах галогенів, які потім утворюють комплекс з каталізатором:

хоча прямих доказів те, що у своїй утворюються вільні іони немає. Механізм бромування бензолу за допомогою броміду заліза (III) у ролі переносника іонів можна представити так:

Сульфування. Бензол можна сульфувати (заміщати в ньому атом водню на сульфогрупу) шляхом кип'ятіння зі зворотним холодильником протягом кількох годин його суміші з концентрованою сірчаною кислотою. Натомість бензол можна обережно нагрівати в суміші з сірчаною кислотою, що димить. Димна сірчана кислота містить триоксид сірки. Механізм цієї реакції можна подати схемою

Реакції Фріделя-Крафтса. Реакціями Фріделя-Крафтса спочатку називали реакції конденсації між ароматичними сполуками та алкілгалогенідами у присутності каталізатора-безводного хлориду алюмінію.

У реакціях конденсації дві молекули реагентів (або одного реагенту) з'єднуються між собою, утворюючи молекулу нової сполуки, при цьому від них відщеплюється (елімінує) молекула будь-якої простої сполуки, наприклад, води або хлороводню.

В даний час реакцією Фріделя-Крафтса називають будь-яке електрофільне заміщення ароматичного з'єднання, в якому роль електрофіла грає будь-який карбактіон або сильно поляризований комплекс з позитивно зарядженим атомом вуглецю. Електрофільним агентом, як правило, служить алкілгалогенід або хлорид будь-якої карбонової кислоти, хоча так само ним може бути, наприклад, алкен або спирт. Як каталізатор цих реакцій зазвичай використовується безводний хлорид алюмінію. Реакції Фріделя-Крафтса прийнято поділяти на два типи: алкілування та ацилювання.

Алкілювання. У реакціях Фріделя-Крафтса цього типу відбувається заміщення одного або кількох атомів водню в бензольному кільці на алкільні групи. Наприклад, при обережному нагріванні суміші бензолу з хлорометаном у присутності безводного хлориду алюмінію утворюється метилбензол. Хлорометан грає у цій реакції роль електрофільного агента. Він поляризується хлоридом алюмінію так само, як це відбувається з молекулами галогенів:

Механізм аналізованої реакції може бути представлений наступним чином:

Слід звернути увагу, що в цій реакції конденсації між бензолом і хлорометаном відбувається відщеплення молекули хлороводню. Відзначимо також, що реальне існування метального карбкатіону у вигляді вільного іона є сумнівним.

Алкілювання бензолу хлорометаном у присутності каталізатора - безводного хлориду алюмінію не завершується утворенням метилбензолу. У цій реакції відбувається подальше алкілювання бензольного кільця, що призводить до утворення 1,2-диметилбензолу:

Ацилювання. У реакціях Фріделя-Крафтса цього типу відбувається заміщення атома водню в бензольному кільці на ацильную групу, у результаті утворюється ароматичний кетон.

Ацильна група має загальну формулу

Систематична назва ацильного з'єднання утворюється шляхом заміни суфікса та закінчення -ова в назві відповідної карбонової кислоти, похідною якої є дана ацил'на сполука, на суфікс -(о) іл. Наприклад

Ацилювання бензолу проводиться за допомогою хлориду або ангідриду будь-якої карбонової кислоти в присутності безводного каталізатора хлориду алюмінію. Наприклад

Ця реакція є конденсацією, в якій відбувається відщеплення молекули хлороводню. Зазначимо також, що назва «феніл» часто використовується для позначення бензольного кільця в сполуках, де бензол не є головною групою:

Реакція приєднання. Хоча для бензолу найбільш характерні реакції електрофільного заміщення, він також вступає в деякі реакції приєднання. З одного з них ми вже познайомилися. Йдеться про гідрування бензолу (див. Розд. 5.3). При пропущенні суміші бензолу з воднем над поверхнею тонкоподрібненого нікелевого каталізатора при температурі 150-160 °С відбувається ціла послідовність реакцій, що завершується утворенням циклогексану. Сумарне стехіометричне рівняння цієї реакції можна наступним чином:

Під дією ультрафіолетового випромінювання або прямого сонячного світла бензол також вступає в реакцію приєднання з хлором. Ця реакція здійснюється за складним радикальним механізмом. Її кінцевим продуктом є 1,2,3,4,5,6-гексахлороциклогексан:

Аналогічна реакція протікає між бензолом та бромом під дією ультрафіолетового випромінювання або сонячного світла.

Окислення. Бензол і бензольна кільце в інших ароматичних сполуках, взагалі кажучи, стійкі до окислення навіть такими сильними окислювачами, як кислий або лужний перманганат калію. Однак бензол та інші ароматичні сполуки згоряють у повітрі або в кисні з утворенням дуже димного полум'я, що характерно для вуглеводнів з високим відносним вмістом вуглецю.

Гомологи бензолу здатні реагувати за двома напрямками за участю ароматичного ядра та бічного ланцюга (алкільних груп) залежно від природи реагенту.

1.Реакції з ароматичного ядру

За рахунок донорного ефекту алкільної групи реакції S E ArH йдуть у орто- І параположення ароматичного ядра, при цьому умови м'якші ніж для бензолу.

а) галоїдування

б) нітрування

Зверніть увагу, як у міру збільшення числа акцепторних груп (-NO 2) підвищується температура реакцій нітрування.

в) сульфування

У реакції переважно утворюється п-Ізомер.

г) алкілювання

д) ацилювання

2.Реакції з бокового ланцюга

Алкільний фрагмент молекули бензолу вступає в реакції S R за участю атома вуглецю α -положенні (бензильне становище).

Окислення всіх гомологів бензолу KMnO 4 /100°C призводить до утворення бензойної кислоти.

Конденсовані арени

Конденсовані арени є ароматичними системами (n=2 та 3). Ступінь ароматичності конденсованих арен нижче, ніж для бензолу. Їх характерні реакції електрофільного заміщення, реакції приєднання і окислення, які у більш м'яких умовах, ніж бензолу.

Реакційна здатність нафталіну

Реакції S E ArH для нафталіну йдуть, головним чином, α -положення, за винятком сульфування. Електрофільне приєднання Ad E протікає за положеннями 1,4, причому нафталін виявляє властивості сполучених дієнів.

1. Реакції електрофільного заміщення,S E ArH

2.Реакції електрофільного приєднання, відновлення та окислення.

Реакційна здатність антрацену та фенантрену

Реакції електрофільного заміщення, S E ArH і електрофільного приєднання Ad E для антрацену протікають переважно за положеннями 9 і 10 (див. наведену нижче схему).

Реакції електрофільного заміщення, S E ArH і електрофільного приєднання Ad E для фенантрену протікають переважно за положеннями 9 і 10, як і для антрацену (див. нижче наведену схему).

Реакції окислення та відновлення для антрацену та фенантрену.

Структури деяких лікарських засобів на основі нафталіну, антрацену та фенантрену

Нафтізін(Нафазолін, санорин)

судинозвужувальну дію(лікування ринітів, синуситів)

(у назві підкреслено родоначальну структуру, зверніть увагу на нумерацію)

Нафтіфін

протигрибковедія (лікування дерматитів)

Набуметон

протизапальну, жарознижувальну, аналгетичну дію(Лікування остеоартриту, ревматоїдного артриту).

Надолов

(термін цис, в даному випадку, позначає взаємне розташування гідроксильних груп)

гіпотензивне(знижує артеріальний тиск) та антиаритмічна дія

Морфін, кодеїн

Контрольні питання до глави «АРЕНИ»

1. Які властивості бензолу відрізняють його від інших ненасичених сполук-алкенів, алкінів? Що означає термін "ароматична сполука"?

2. Напишіть структурні формули сполук: а) етилбензолу; б) 1,3-диметилбензолу ( м -ксилолу); в) 1,3,5-триметилбензолу (мезитилену); г) ізопропілбензолу (кумолу); д) 3-фенілпентану; е) вінілбензолу (стиролу); ж) фенілацетилену; з) транс -дифенілетилену ( транс -Стильбена).

3. Охарактеризуйте особливості будови сполук, що виявляють ароматичність. Сформулюйте правило Хюккеля. Які з наведених нижче сполук є ароматичними:

4. Порівняйте ставлення циклогексену та бензолу до наступних реагентів у зазначених умовах : а) Br 2 (H 2 O, 20 C); б) KMnO 4 (H 2 O, 0 C); в) Н 2 SO 4 (Конц.) , 20 C; г) H 2 (Pd, 30 C); д) Про 3 , потім H 2 O(Zn); е) HBr.

5. Напишіть структурні формули монозаміщених бензолу, що утворюються в реакціях бензолу з наступними реагентами: а) Н 2 SO 4 (Конц.); б) HNO 3 ; Н 2 SO 4 (Конц.); в) Br 2 / Fe; г) Cl 2 /AlCl 3 ; д) СН 3 Br/AlBr 3 ; e) СН 3 COCl/AlСl 3 . Назвіть реакції та їх продукти. Укажіть, з яким електрофілом реагує бензол у кожному конкретному випадку.

6. Наведіть загальну схему взаємодії бензолу з електрофільним реагентом ( Е + ). Назвіть проміжні комплекси. Яка стадія зазвичай визначає швидкість реакції? Наведіть графік зміни потенційної енергії аналізованої реакції.

7. Дайте визначення наступним поняттям: а) перехідний стан; б) проміжне з'єднання; в) -комплекс; г)-комплекс. Які є тотожними? Проілюструйте ці поняття з прикладу бромування бензолу у присутності каталізатора FeBr 3 .

8. На прикладі реакцій етену та бензолу з бромом порівняйте механізм електрофільного приєднання у алкенів з механізмом електрофільного заміщення в ароматичному ряді. На якій стадії спостерігається різницю і чому?

9. За допомогою індуктивних та мезомерних ефектів опишіть взаємодію заступника з бензольним кільцем у зазначених сполуках:

Позначте електронодонорні (ЕД) та електроноакцепторні (ЕА) заступники.

10. Напишіть схеми мононітрування сполук: а) фенолу; б) бензолсульфокислоти; в) ізопропілбензолу; г) хлорбензолу. Для якого з'єднання відносна швидкість заміщення має бути найбільшою і чому?

11. Утворення яких продуктів слід очікувати при моносульфуванні сполук: а) толуолу; б) нітробензолу; в) бензойної кислоти; г) бромбензол? Яка сполука має сульфуватися найлегше? Чому?

12. Наступні сполуки розташуйте в ряд зі збільшенням реакційної здатності при бромуванні їх у бензольне кільце: а) бензол; б) фенол; в) бензальдегід; г) етилбензол. Дайте пояснення.

13. Назвіть такі вуглеводні:

14. Напишіть реакції бензолу з наступними реагентами : а) Cl 2 (Fe); б) 3Cl 2 (Світло); в) HNO 3 (H 2 SO 4 ); г) Про 2 (повітря) (V 2 Про 5 , 450  C); д) 3О 3 потім Н 2 Про (Zn); е) H 2 SO 4 (Олеум); ж) 3Н 2 (Ni, 200 C,p ). У чому полягає особливість реакцій приєднання у бензолу?

15. Напишіть реакції толуолу із зазначеними реагентами : а) 3Н 2 (Ni, 200 C, 9806,7 кПа); б) KMnO 4 в Н 2 Про; в *) Сl 2 , Світло; г*) Cl 2 (Fe); д*) СН 3 Cl (AlCl 3 ); e*) СН 3 COCl (AlCl 3 ); ж) HNO 3 (H 2 SO 4 ). Для реакцій, позначених зірочкою, наведіть механізми.

16. Напишіть реакції нітрування етилбензолу у вказаних умовах: а) 65% HNO 3 + H 2 SO 4 (Конц.); б) 10% HNO 3 , Нагрівання, тиск. Наведіть механізми.

17. Порівняйте ставлення ізопропілбензолу до брому: а) у присутності AlBr 3 ; б) при освітленні та нагріванні. Наведіть реакції та їх механізми.

18. Які сполуки утворюються з етилбензолу та п -ксилолу при дії зазначених окислювачів: а) Про 3 , потім H 2 Про (Zn); б) КMnO 4 в H 2 О,t ; в) До 2 Cr 2 O 7 в H 2 SО 4 , t ?

19. За допомогою яких реакцій можна розрізнити такі пари сполук: а) етилбензол і м -ксилол; б) етилбензол та стирол; в) стирол та фенілацетилен; г) про - І п -ксилоли?

20. Які сполуки є продуктами наведених нижче реакцій:

21. Виходячи з бензолу та будь-яких інших реагентів, отримайте наведені нижче сполуки: а) п -трет -бутілтолуол; б) етил- п -толілкетон; в) алілбензол; г) п -бромбензойну кислоту.

22. Назвіть основні сполуки, які утворюються у таких реакціях:

ВИЗНАЧЕННЯ

Бензол(циклогексатрієн – 1,3,5) – органічна речовина, найпростіший представник ряду ароматичних вуглеводнів.

Формула – С6Н6 (структурна формула – рис. 1). Молекулярна вага – 78, 11.

Мал. 1. Структурні та просторові формули бензолу.

Всі шість атомів вуглецю в молекулі бензолу знаходяться у sp 2 гібридному стані. Кожен атом вуглецю утворює 3σ-зв'язки з двома іншими атомами вуглецю та одним атомом водню, що лежать в одній площині. Шість атомів вуглецю утворюють правильний шестикутник (?-скелет молекули бензолу). Кожен атом вуглецю має одну негібридизовану р-орбіталь, на якій знаходиться один електрон. Шість р-електронів утворюють єдину π-електронну хмару (ароматичну систему), яку зображують кружальцем усередині шестичленного циклу. Вуглеводневий радикал, отриманий від бензолу носить назву C 6 H 5 - феніл (Ph-).

Хімічні властивості бензолу

Для бензолу характерні реакції заміщення, що протікають по електрофільному механізму:

— галогенування (бензол взаємодіє з хлором та бромом у присутності каталізаторів – безводних AlCl 3 , FeCl 3 , AlBr 3)

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

- нітрування (бензол легко реагує з нітруючою сумішшю - суміш концентрованих азотної та сірчаної кислот)

- Алкілювання алкенами

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

Реакції приєднання до бензолу призводять до руйнування ароматичної системи та протікають лише у жорстких умовах:

- гідрування (реакція протікає при нагріванні, каталізатор - Pt)

- приєднання хлору (протікає під дією УФ-випромінювання з утворенням твердого продукту - гексахлорциклогексану (гексахлорану) - C 6 H 6 Cl 6)

Як і будь-яке органічне з'єднання бензол вступає в реакцію горіння з утворенням як продукти реакції вуглекислого газу і води (горить полум'ям, що коптить):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Фізичні властивості бензолу

Бензол - рідина без кольору, але має специфічний різкий запах. Утворює з водою азеотропну суміш, добре змішується з ефірами, бензином та різними органічними розчинниками. Температура кипіння – 80,1С, плавлення – 5,5С. Токсичний, канцероген (тобто сприяє розвитку онкологічних захворювань).

Одержання та застосування бензолу

Основні способи одержання бензолу:

- Дегідроциклізація гексану (каталізатори - Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 -(CH 2) 4 -CH 3 → З 6 Н 6 + 4H 2;

- дегідрування циклогексану (реакція протікає при нагріванні, каталізатор - Pt)

6 Н 12 → 6 Н 6 + 4H 2 ;

- Тримеризація ацетилену (реакція протікає при нагріванні до 600С, каталізатор - активоване вугілля)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

Бензол служить сировиною для виробництва гомологів (етилбензолу, кумолу), циклогексану, нітробензолу, хлорбензолу та інших речовин. Раніше бензол використовували як присадку до бензину для підвищення його октанового числа, проте зараз, у зв'язку з його високою токсичністю вміст бензолу в паливі строго нормується. Іноді бензол використовують як розчинник.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання

Запишіть рівняння, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Рішення

Для отримання ацетилену з метану використовують наступну реакцію: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3Н 2 (t = 1400C). Одержання бензолу з ацетилену можливе за реакцією тримеризації ацетилену, що протікає при нагріванні (t = 600C) та у присутності активованого вугілля: 3C 2 H 2 → C 6 H 6 . Реакція хлорування бензолу з отриманням продукту хлорбензолу здійснюється в присутності хлориду заліза (III): C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

ПРИКЛАД 2

Завдання	До 39 г бензолу у присутності хлориду заліза (III) додали 1 моль бромної води. Яка кількість речовини та скільки грамів яких продуктів при цьому вийшло?
Рішення	Запишемо рівняння реакції бромування бензолу у присутності хлориду заліза (III): C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Продуктами реакції є бромбензол та бромоводень. Молярна маса бензолу, розрахована з допомогою таблиці хімічних елементів Д.І. Менделєєва – 78 г/моль. Знайдемо кількість речовини бензолу: n(C 6 H 6) = m(C 6 H 6) / M(C 6 H 6); n(C 6 H 6) = 39/78 = 0,5 моль. За умовою завдання бензол вступив у реакцію з 1 моль брому. Отже, бензол перебуває в нестачі і подальші розрахунки будемо робити за бензолом. Відповідно до рівняння реакції n(C 6 H 6): n(C 6 H 5 Br) : n(HBr) = 1:1:1, отже n(C 6 H 6) = n(C 6 H 5 Br) = : n(HBr) = 0,5 моль. Тоді, маси бромбензолу та бромоводню будуть рівні: m(C 6 H 5 Br) = n(C 6 H 5 Br)×M(C 6 H 5 Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Молярні маси бромбензолу та бромоводню, розраховані з використанням таблиці хімічних елементів Д.І. Менделєєва – 157 та 81 г/моль, відповідно. m(C6H5Br) = 0,5×157 = 78,5 г; m(HBr) = 0,5×81 = 40,5г.
Відповідь	Продуктами реакції є бромбензол та бромоводень. Маси бромбензолу та бромоводню – 78,5 та 40,5 г, відповідно.

Фізичні властивості

Бензол та його найближчі гомологи – безбарвні рідини зі специфічним запахом. Ароматичні вуглеводні легші за воду і в ній не розчиняються, проте легко розчиняються в органічних розчинниках – спирті, ефірі, ацетоні.

Бензол та його гомологи самі є добрими розчинниками для багатьох органічних речовин. Усі арени горять коптючим полум'ям через високий вміст вуглецю в їх молекулах.

Фізичні властивості деяких арен представлені в таблиці.

Таблиця. Фізичні властивості деяких аренів

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

Бензол - легкокипляча ( tстос= 80,1°С), безбарвна рідина, що не розчиняється у воді

Увага! Бензол – отрута, діє нирки, змінює формулу крові (при тривалому впливі), може порушувати структуру хромосом.

Більшість ароматичних вуглеводнів небезпечні для життя, токсичні.

Отримання аренів (бензолу та його гомологів)

В лабораторії

1. Сплавлення солей бензойної кислоти з твердими лугами

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

бензоат натрію

2. Реакція Вюрца-Фіттінга: (тут Г - галоген)

З 6H 5 -Г + 2Na + R-Г →C 6 H 5 - R + 2 NaГ

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

У промисловості

• виділяють з нафти та вугілля методом фракційної перегонки, риформінгом;
• з кам'яновугільної смоли та коксового газу

1. Дегідроциклізацією алканівз числом атомів вуглецю більше 6:

C 6 H 14 t , kat→C 6 H 6 + 4H 2

2. Тримеризація ацетилену(тільки для бензолу) – нар. Зелінського:

3С 2 H 2 600°C, Акт. вугілля→C 6 H 6

3. Дегідруваннямциклогексану та його гомологів:

Радянський академік Микола Дмитрович Зелінський встановив, що бензол утворюється із циклогексану (дегідрування циклоалканів

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. Алкілювання бензолу(Отримання гомологів бензолу) - р Фріделя-Крафтса.

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

хлоретан етилбензол

Хімічні властивості аренів

I. РЕАКЦІЇ ОКИСЛЕННЯ

1. Горіння (вогне полум'я):

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

2. Бензол за звичайних умов не знебарвлює бромну воду та водний розчин марганцівки

3. Гомологи бензолу окислюються перманганатом калію (знебарвлюють марганцівку):

А) у кислому середовищі до бензойної кислоти

При дії на гомологи бензолу перманганату калію та інших сильних окислювачів бічні ланцюги окислюються. Яким би складним не був ланцюг заступника, він руйнується, за винятком a-атома вуглецю, який окислюється в карбоксильну групу.

Гомологи бензолу з одним бічним ланцюгом дають бензойну кислоту:

Гомологи, що містять два бічні ланцюги, дають двоосновні кислоти:

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

Спрощено :

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

Б) у нейтральній та слаболужній до солей бензойної кислоти

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COOК + K ВІН + 2MnO 2 + H 2 O

II. РЕАКЦІЇ ПРИЄДНАННЯ (важче, ніж у алкенів)

1. Галогенування

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

2. Гідрування

C 6 H 6 + 3H 2 t , PtабоNi→C 6 H 12 (циклогексан)

3. Полімеризація

III. РЕАКЦІЇ ЗАМІЩЕННЯ - Іонний механізм (легше, ніж у алканів)

б) гомологів бензолу при опроміненні чи нагріванні

За хімічними властивостями алкільні радикали подібні до алканів. Атоми водню у яких заміщаються на галоген по свободно-радикальному механізму. Тому відсутність каталізатора при нагріванні або УФ-опроміненні йде радикальна реакція заміщення в бічному ланцюгу. Вплив бензольного кільця на алкільні заступники призводить до того, що завжди заміщається атом водню у атома вуглецю, безпосередньо пов'язаного з бензольним кільцем (a -атома вуглецю).

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

в) гомологів бензолу у присутності каталізатора

C 6 H 5 -CH 3 + Cl 2 AlCl 3 → (суміш орту, пара похідних) +HCl

2. Нітрування (з азотною кислотою)

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

нітробензол - запах мигдалю!

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

2,4,6-тринітротолуол (тол, тротил)

Застосування бензолу та його гомологів

Бензол C 6 H 6 хороший розчинник. Бензол як добавка покращує якість моторного палива. Служить сировиною для отримання багатьох ароматичних органічних сполук - нітробензолу C 6 H 5 NO 2 (розчинник, з нього одержують анілін), хлорбензолу C 6 H 5 Cl, фенолу C 6 H 5 OH, стиролу і т.д.

Толуол C 6 H 5 -CH 3 - розчинник, використовується при виробництві барвників, лікарських та вибухових речовин (тротил (тол), або 2,4,6-тринітротолуол ТНТ).

Ксилоли C 6 H 4 (CH 3) 2 . Технічний ксилол – суміш трьох ізомерів ( орто-, мета- І пара-ксилолів) – застосовується як розчинник і вихідний продукт для синтезу багатьох органічних сполук.

Ізопропілбензол C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 служить отримання фенолу і ацетону.

Хлорпохідні бензолувикористовують для захисту рослин. Так, продукт заміщення в бензолі атомів Н атомами хлору - гексахлорбензол 6 Сl 6 - фунгіцид; його застосовують для сухого протруювання насіння пшениці та жита проти твердої сажки. Продукт приєднання хлору до бензолу – гексахлорциклогексан (гексахлоран) С6Н6Сl6 – інсектицид; його використовують для боротьби зі шкідливими комахами. Згадані речовини відносяться до пестицидів – хімічних засобів боротьби з мікроорганізмами, рослинами та тваринами.

Стирол C 6 H 5 – CH = CH 2 дуже легко полімеризується, утворюючи полістирол, а кополімеризуючись з бутадієном – бутадієнстирольні каучуки.

ВІДЕО-ДОСВІТИ