Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 17. ГОМОЛОГИ БЕНЗЕНУ

Склад молекул, ізомерія, номенклатура. Унаслідок заміщення в молекулі бензену атомів Гідрогену на алкільні групи утворюються гомологи бензену, наприклад:

Загальна формула гомологів бензену — СnН2n-6, де n > 6.

Гомологам бензену властива структурна ізомерія, зумовлена числом і положенням замісників у бензеновому ядрі:

У назвах гомологів бензену місце замісника позначають цифрою, причому відлік ведуть від замісника, який за абеткою називають раніше. У традиційних назвах двозаміщених похідних бензену використовують також префікси орто-, мета- й пара-.

У загальному вигляді арени позначають як Ar-Н (арил-аш). Найпростіший структурний фрагмент С6Н5—, що утворюється відщепленням одного атома Гідрогену від бензенового кільця, називають феніл і позначають Ph-.

Орієнтація замісників у бензеновому ядрі. Реакції заміщення в бензеновому ядрі мають істотні особливості, якщо в цьому ядрі вже є замісник. Продукт реакції залежить від того, який це замісник та яка його електронна природа.

У симетричній молекулі бензену під упливом замісника порушується рівномірний розподіл π-електронної густини, відбувається її перерозподіл так, що одні атоми Карбону стають активнішими, інші — пасивнішими в реакціях подальшого заміщення. Тому нова група-замісник займає не будь-яке, а цілком визначене положення щодо наявного замісника (у положенні 1): орто-, мета- або пара-положення:

За орієнтувальною дією замісники поділяють на замісники І роду (вони орієнтують в орто- і пара-положення) і ІІ роду (вони орієнтують у мета-положення). Наприклад:

замісники І роду: —СН3, —ОН, —NH2;

замісники ІІ роду: —NO2, —SO3H, —COOH, —CHO.

Замісники І роду є донорами електронів, за рахунок яких електронна густина бензенового ядра зростає, зокрема в орто- й пара-положеннях. Саме в цих положеннях відбуваються реакції електрофільного заміщення:

Замісники ІІ роду є акцепторами електронів, вони відтягують до себе електронну густину бензенового ядра, зменшуючи її в орто- й пара-положеннях. У мета-положенні вона виявляється вищою, тому електрофільне заміщення відбувається саме тут:

Замісники І роду посилюють реакційну здатність бензенового ядра, а ІІ роду — дезактивують його. Звідси можна припустити, що толуен буде активнішим, ніж бензен, а нітробензен — менш активним у реакціях електрофільного заміщення.

Справді, нітрування бензену відбувається за нагрівання із сумішшю сульфатної та нітратної кислот, а толуен нітрується розбавленою нітратною кислотою. Водночас увести ще одну нітрогрупу до нітробензену важче, ніж добути сам нітробензен.

Слід пам’ятати, що правила орієнтування неоднозначні. Замісники І і ІІ роду визначають лише переважний напрямок реакції, оскільки разом із основним продуктом утворюються ізомерні сполуки. У разі нітрування толуену й нітробензену о-, м-, n-ізомери утворюються в такому співвідношенні:

Згідно з теорією будови органічних сполук у молекулах має місце взаємний уплив атомів. Орієнтувальна дія замісників у бензеновому ядрі є лише одним із виявів цього взаємного впливу. Зі свого боку, бензенове ядро впливає на заміщувальну групу. Розглянемо на прикладі толуену вплив бензенового ядра на метильну групу.

Молекулу толуену можна розглядати як похідну сполуку метану, в якому один атом Гідрогену заміщений на фенільну групу.

Як відомо, метан стійкий проти дії окисників, зокрема не знебарвлює розчин калій перманганату, отже, не окиснюється ним. Проведемо (віртуально) подібний дослід із толуеном: до толуену добавимо підкислений розчин калій перманганату фіолетового кольору, нагріємо суміш і переконаємося, що вона поступово знебарвлюється. Це засвідчує окиснення толуену. Метильна група перетворюється на карбоксильну — СООН:

Отже, бензенове ядро впливає на метильну групу, через це толуен легко окиснюється.

Добування. Основну кількість ароматичних вуглеводнів у світі добувають з нафти. Оскільки в сирій нафті міститься мало цих сполук, то щоб збільшити вихід цінних продуктів, нафтові фракції піддають процесу ароматизації, у результаті чого алкани й циклоалкани перетворюються на бензен, толуен, ксилени тощо. Відбувається реакція дегідроциклізації:

Як і бензен, його гомологи добувають також із продуктів переробки кам’яного вугілля.

До синтетичних методів належить один із варіантів реакції Вюрца: суміш галогенопохідних алканів і аренів обробляють металічним натрієм (реакція Вюрца—Фіттіга):

Які ще продукти можуть утворитися внаслідок цієї реакції? Складіть відповідні рівняння реакцій.

Гомологи бензену утворюються також за реакцією Фріделя—Крафтса, названою на честь її відкривачів. Реакція полягає в дії галогеналканів на бензен за наявності каталізатора:

Застосування. Толуен застосовують для виробництва лаків, вибухових речовин (тринітротолуену), лікарських засобів, інших органічних сполук.

Завдання для самоконтролю

1. Наведіть декілька формул гомологів бензену.

2. Який вид ізомерії властивий гомологам бензену?

3. Напишіть формули ізомерів пропілбензену. Назвіть їх.

4. Як поділяються замісники за їхньою орієнтувальною дією?

5. Як упливає метильна група на розподіл електронної густини в молекулі толуену?

6. Як упливає бензенове ядро на метильну групу в молекулі толуену?

7. Поясніть уплив нітрогрупи на бензенове ядро.

8. Наведіть приклад реакції дегідроциклізації.

9. Наведіть рівняння синтезу толуену за реакціями Вюрца—Фіттіга, Фріделя—Крафтса.

10. Укажіть кінцевий продукт перетворень за схемою.

А толуен

Б етилбензен

В метилбензен

Додаткові завдання

11. Складіть формули ізомерів наведених нижче сполук:

Назвіть ізомери.

12. У чому полягає відмінність між замісниками (орієнтантами) І та ІІ роду? Поясніть їхній уплив на конкретних прикладах.

13. Яка сполука нітрується легше: а) бензен чи толуен; б) бензен чи нітробензен?

14. Зробіть припущення щодо будови продукту нітрування фенолу, формула якого

15. Чи є гомологом бензену сполука стирен (стирол)

Як відбуватиметься гідрування цієї сполуки? Складіть відповідне рівняння реакції.

16. Складіть схему генетичних зв’язків між групами вуглеводнів, що ви їх вивчали.

17. У результаті дії на бензен масою 39 г надлишку хлороетану за наявності каталізатора утворився етилбензен. Визначте масу продукту реакції у грамах.

А 70

Б 53

В 80

Г 85,5

18. Обчисліть об’єм водню, що виділиться внаслідок каталітичного дегідрування метилциклогексану масою 196 г.

19. Складіть рівняння реакцій за такою схемою хімічних перетворень:

С2Н2—>С6Н6—>С6Н5Br—>С6Н5СН3—>С6Н5СООН