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 отримання використовують 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:

C 6 H 6 + Br 2 = C 6 H 5 Br + 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, що містять радикал, реагує не так як сам бензол. Реакції йдуть по-іншому і часто на світлі:

• галогенування З 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 у бензольному кільці мають однакову довжину, яка менша, ніж довжина зв'язків С-Св 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 системабензолу. 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 з 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 і закінчення -ова в назві відповідної карбонової кислоти, похідною якої є дана ацил'на сполука, 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, яка завершується утворенням циклогексану. Сумарне стехіометричне рівняння цієї реакції можна так:

Під дією ультрафіолетового випромінювання або прямого сонячного світла бензол вступає також у реакцію приєднання з хлором. Ця реакція здійснюється за складним радикальному механізму. 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 розчин калію перманганату. 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.

Перша група реакцій – реакції заміщення. Ми говорили, що арени не мають кратних зв'язків у структурі молекули, а містять сполучену систему із шести електронів, яка дуже стабільна і надає додаткової міцності бензольному кільцю. Тому в хімічних реакціях відбувається насамперед заміщення атомів водню, а чи не руйнація бензольного кільця.

З реакціями заміщення ми вже стикалися при розмові про алкани, але для них ці реакції йшли радикальним механізмом, а для аренів характерний іонний механізм реакцій заміщення.

Першехімічна властивість - галогенування. Заміщення атома водню на атом галогену - хлору чи брому.

Реакція йде при нагріванні та обов'язково за участю каталізатора. У випадку хлору це може бути хлорид алюмінію або хлорид заліза три. Каталізатор поляризує молекулу галогену, внаслідок чого відбувається гетеролітичний розрив зв'язку та виходять іони.

Позитивно заряджений іон хлору і входить у реакцію з бензолом.

Якщо реакція відбувається з бромом, каталізатором виступає бромід заліза три або бромід алюмінію.

Важливо, що реакція відбувається з молекулярним бромом, а чи не з бромною водою. З бромною водою бензол не реагує.

У галогенування гомологів бензол є свої особливості. У молекулі толуолу метильна група полегшує заміщення в кільці, реакційна здатність підвищується, і реакція йде в м'якіших умовах, тобто вже за кімнатної температури.

Важливо, що заміщення завжди відбувається в орто-і пара-положеннях, тому виходить суміш ізомерів.

Другевластивість - нітрування бензолу, введення нітрогрупи в бензольне кільце.

Утворюється важка жовта рідина із запахом гіркого мигдалю — нітробензол, тому реакція може бути якісною на бензол. Для нітрування використовується нітруюча суміш концентрованої азотної та сірчаної кислот. Реакція проводиться під час нагрівання.

Нагадаю, що для нітрування алканів у реакції Коновалова використовувалася розбавлена ​​азотна кислота без додавання сірчаної.

При нітруванні толуолу, як і при галогенуванні, утворюється суміш орто- і параізомерів.

Третєвластивість - алкілування бензолу галогеналканами.

Ця реакція дозволяє ввести вуглеводневий радикал у бензольне кільце і може вважатися способом отримання гомологів бензолу. Як каталізатор використовується хлорид алюмінію, що сприяє розпаду молекули галогеналкану на іони. Також необхідне нагрівання.

Четвертевластивість - алкілування бензолу алкенами.

Таким способом можна отримати, наприклад, кумол або етилбензол. Каталізатор - хлорид алюмінію.

2. Реакції приєднання до бензолу

Друга група реакцій – реакції приєднання. Ми говорили, що ці реакції не характерні, але вони можливі за досить жорстких умов із руйнуванням пі-електронної хмари та утворенням шести сигма-зв'язків.

П'ятевластивість у загальному списку - гідрування, приєднання водню.

Температура, тиск, нікель каталізатор або платина. Так само здатний реагувати толуол.

Шостевластивість - хлорування. Зверніть увагу, що йдеться саме про взаємодію із хлором, оскільки бром у цю реакцію не вступає.

Реакція протікає при твердому ультрафіолетовому опроміненні. Утворюється гексахлорциклогексан, інша назва гексахлоран, тверда речовина.

Важливо пам'ятати, що для бензолу не можливіреакції приєднання галогеноводородів (гідрогалогенування) та приєднання води (гідратація).

3. Заміщення у бічній ланцюгу гомологів бензолу

Третя група реакцій стосується лише гомологів бензолу – це заміщення у боковому ланцюзі.

Сьомевластивість у загальному списку - галогенування по альфа-атому вуглецю в боковому ланцюзі.

Реакція відбувається при нагріванні або опроміненні і завжди тільки альфа-вуглецю. При продовженні галогенування, другий атом галогену знову стане в альфа-положення.

4. Окислення гомологів бензолу

Четверта група реакцій – окислення.

Бензольне кільце занадто міцне, тому бензол не окислюєтьсяперманганатом калію - не знебарвлює його розчин. Це дуже важливо пам'ятати.

Проте гомологи бензолу окислюються підкисленим розчином перманганату калію при нагріванні. І це восьма хімічна властивість.

Виходить бензойна кислота. Спостерігається знебарвлення розчину. При цьому, яким би довгим не був вуглецевий ланцюг заступника, завжди відбувається його розрив після першого атома вуглецю і альфа-атом окислюється до карбоксильної групи з утворенням бензойної кислоти. Частина молекули, що залишилася, окислюється до відповідної кислоти або, якщо це тільки один атом вуглецю, до вуглекислого газу.

Якщо гомолог бензолу має більше одного вуглеводневого заступника у ароматичного кільця, то окислення відбувається за тими самими правилами - окислюється вуглець, що знаходиться в альфа-положенні.

У цьому прикладі виходить двоосновна ароматична кислота, яка називається фталева кислота.

Особливо відзначу окислення кумолу, ізопропілбензолу, киснем повітря в присутності сірчаної кислоти.

Це так званий кумольний спосіб одержання фенолу. Як правило, стикатися з цією реакцією доводиться у питаннях, що стосуються отримання фенолу. Це промисловий метод.

Дев'ятевластивість - горіння, повне окиснення киснем. Бензол та його гомологи згоряють до вуглекислого газу та води.

Запишемо рівняння горіння бензолу у загальному вигляді.

За законом збереження маси атомів зліва має бути стільки ж, скільки атомів праворуч. Адже в хімічних реакціях атоми нікуди не подіються, а просто змінюється порядок зв'язків між ними. Отже молекул вуглекислого газу буде стільки ж, скільки і атомів вуглецю в молекулі арена, оскільки до складу молекули входить один атом вуглецю. Тобто n молекул CO2. Молекул води буде вдвічі менше, ніж атомів водню, тобто (2n-6)/2, отже n-3.

Атомів кисню ліворуч і праворуч однакова кількість. Справа їх 2n з вуглекислого газу, тому що в кожній молекулі два атоми кисню, плюс n-3 з води, разом 3n-3. Зліва атомів кисню стільки ж — 3n-3, отже молекул вдвічі менше, оскільки у складі молекули входять два атома. Тобто (3n-3)/2 молекул кисню.

Таким чином, ми склали рівняння згоряння гомологів бензолу у загальному вигляді.

Таким з'єднанням, як бензол, пані Хімія у своєму господарстві остаточно й безповоротно набула лише 1833 року. Бензол – це з'єднання, яке має запальний, можна сказати, навіть вибуховий характер. Як це з'ясували?

Історія

Йоган Глаубер в 1649 звернув свою увагу на з'єднання, яке благополучно утворилося, коли хімік займався обробкою кам'яновугільної смоли. Але воно забажало залишитися інкогніто.

Через близько 170 років, а якщо бути набагато точнішим, в середині двадцятих років XIX століття, з волі випадку зі світильного газу, а саме з конденсату, вилучили бензол. Таким старанням людство завдячує Майклу Фарадею, вченому з Англії.

Естафету з придбання бензолу перехопив німець Ейльгард Мічерліх. Це сталося, коли відбувався процес обробки безводних солей кальцію бензойної кислоти. Можливо, тому з'єднанню дали таку назву - бензол. Ще як варіант учений називав його бензином. Пахощі, якщо в перекладі з арабської.

Бензол гарно і яскраво горить, у зв'язку з цими спостереженнями Огюст Лоран порадив назвати його фен або бензен. Яскравий, блискучий – якщо перекласти з грецької мови.

Спираючись на думку поняття про природу електронного зв'язку, якості бензолу, вчений надав молекулу сполуки у вигляді наступного образу. Це шестикутник. У нього вписано коло. Вищесказане говорить про те, що бензол має цілісну електронну хмару, яка благополучно укладає шість (без винятку) атомів вуглецю циклу. Скріплених бінарних зв'язків немає.

З бензолом раніше працювали як із розчинником. А здебільшого, як кажуть, не перебував, не брав участі, не залучався. Але це у ХІХ столітті. У XX відбулися суттєві зміни. Властивості бензолу виражають найцінніші якості, які допомогли йому стати популярнішим. Октанове число, яке виявилося високим, надало можливість застосовувати його як елемент палива для заправки автомобілів. Це явище послужило поштовхом великого вилучення бензолу, видобуток його здійснюється як вторинний продукт коксування виробництва сталі.

До сорокових років у хімічній сфері бензол почав споживатись у виготовленні речовин, які швидко вибухають. XX століття увінчало себе тим, що нафтопереробна промисловість виробила бензолу стільки, що почала постачати хімічну індустрію.

Характеристика бензолу

Ненасичені вуглеводні дуже схожі на бензол. Наприклад, вуглеводневий ряд етилену характеризує себе як ненасичений вуглеводень. Йому властива реакція приєднання. Бензол охоче вступає у все це завдяки атомам, які знаходяться в одній площині. І як факт - сполучена електронна хмара.

Якщо у формулі є бензольне кільце, отже, можна дійти елементарного висновку, що це - бензол, структурна формула якого виглядає саме так.

Фізичні властивості

Бензол - це рідина, яка не має кольору, зате має гідний жалю запах. Плавиться бензол, коли температура сягає 5,52 градусів за Цельсієм. Кипить при 80,1. Щільність становить 0,879 г/см 3 маса молярна дорівнює 78,11 г/моль. При горінні сильно коптить. Формує вибухонебезпечні з'єднання, коли проникає повітря. породи (бензин, ефір та інші) з описовою речовиною з'єднуються без проблем. Азеотропна сполука створюється з водою. Нагрівання до початку пароутворення відбувається при 69,25 градусів (91% бензолу). При 25 градусах Цельсію може розчинятися у воді 1,79 г/л.

Хімічні властивості

Бензол реагує із сірчаною та азотною кислотою. А також із алкенами, галогенами, хлоралканами. Реакція заміщення – ось що йому властиво. Температура тиску впливає на прорив кільця бензолу, який проходить у досить різких умовах.

Кожне рівняння реакції бензолу ми можемо розглянути детальніше.

1. Електрофільне заміщення. Бром, за наявності каталізатора, взаємодіє із хлором. В результаті одержуємо хлоробензол:

С6H6+3Cl2 → C6H5Cl + HCl

2. Реакція Фріделя-Крафтса, або алкілування бензолу. Поява алкілбензолів відбувається завдяки поєднанню з алканами, які є галогенопохідними:

C6H6 + C2H5Br → C6H5C2H5 + HBr

3. Електрофільне заміщення. Тут йде реакція нітрування та сульфування. Виглядати рівняння бензолу буде так:

C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O

4. Бензол при горінні:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

За певних умов виявляє характер, властивий насиченим вуглеводням. П-електронна хмара, яка знаходиться в будові речовини, що розглядається, пояснює ці реакції.

Від технології залежать різні види бензолу. Звідси походить маркування нафтового бензолу. Наприклад, очищений і вищої очистки, для синтезу. Хотілося б окремо відзначити гомологи бензолу, а якщо конкретніше – їх Хімічні властивості. Це алкілбензол.

Гомологи бензолу набагато охочіше реагують. Але вищесказані реакції бензолу, а саме гомологів, проходять з деякою відмінністю.

Галогенування алкілбензолів

Вид рівняння наступний:

C6H5-CH3 + Br = C6H5-CH2Br + HBr.

Прагнення брому в кільце бензолу немає. Він виходить у ланцюжок збоку. Проте завдяки каталізатору солі Al(+3) бром сміливо йде в кільце.

Нітрування алкілбензолів

Завдяки сірчаній та азотній кислотам нітруються бензоли та алкілбензоли. Реакційноздатні алкілбензоли. Виходять два продукти з представлених трьох - це пара-і орто-ізомери. Можна записати одну з формул:

C6H5 - CH3 + 3HNO3 → C6H2CH3 (NO2)3.

Окислення

Для бензолу це неприйнятно. Натомість алкілбензоли реагують охоче. Наприклад, бензойна кислота. Формула наведена нижче:

C6H5CH3 + [O] → C6H5COOH.

Алкілбензол та бензол, їх гідрування

У присутності підсилювача водень починає реагувати з бензолом, внаслідок чого утворюється циклогексан, як говорилося вище. Подібним чином алкібензоли без проблем перетворюються на алкілциклогексани. Для отримання алкілциклогексану потрібно гідрувати потрібний алкілбензол. Здебільшого це необхідна процедура виробництва безпримесного продукту. І це далеко не всі реакції бензолу та алкілбензолу.

Виробництво бензолу. Промисловість

Фундамент такого виробництва ґрунтується на тому, щоб переробити складові: толуолу, нафти, смоли, що виділяється при крекінгу вугілля, та інших. Тому бензол виробляється на нафтохімічних, металургійних підприємствах. Важливо знати, як отримати бензол різного ступеня очищення, адже від принципу виготовлення та призначення випливає пряма залежність марки цієї речовини.

Левову частку виготовляють термокаталітичним реформінгом каустобіолітної частини, що википає при 65 градусах, має ефект екстракту, дистиляції з диметилформамідом.

При виробленні етилену та пропілену отримують рідкі продукти, які утворюються в ході розпаду неорганічних та органічних сполук під впливом тепла. Із них і виділяють бензол. Але, на жаль, вихідного матеріалу для цього варіанта видобутку бензолу не так уже й багато. Тому речовину, яка нас цікавить, видобувають риформінгом. Завдяки такому способу обсяг бензолу збільшується.

Шляхом деалкілування при температурі 610-830 градусів зі знаком плюс, за наявності пари, що утворюється при кипінні води та водню, з толуолу одержують бензол. Є ще варіант – каталітичний. Коли спостерігається наявність цеолітів, або, як варіант, оксидних каталізаторів, при дотриманні температурного режиму 227-627 градусів.

Існує ще один, більш старий спосіб розробки бензолу. За допомогою абсорбції поглиначами органічного походження його виділяють із кінцевого результату коксування кам'яного вугілля. Продукт парогазовий і заздалегідь зазнав охолодження. Наприклад, у хід пускається олія, джерелом якої є нафта або кам'яне вугілля. Коли перегонка здійснюється з водяною парою, поглинач відокремлюється. Гідроочищення допомагає сирому бензолу звільнити від зайвих речовин.

Кам'яновугільна сировина

У металургії при використанні кам'яного вугілля, а якщо уточнити - його суху перегонку, отримують кокс. Під час цієї процедури обмежується надходження повітря. Не слід забувати і те, що до температури 1200-1500 за Цельсієм нагрівається вугілля.

Вуглехімічний бензол потребує досконалого очищення. Потрібно позбутися обов'язково від метилу циклогексану та його товариша н-гептану. теж мають бути вилучені. Бензол має чекати процес поділу, очищення, який здійснюватиметься не один раз.

Метод, описаний вище, найстаріший, але після часу він втрачає свої високі позиції.

Нафтові фракції

0,3-1,2% - такі показники складу нашого героя у необробленій нафті. Мізерні показники, щоб вкладати фінанси та сили. Найкраще задіяти промислову процедуру з переробки нафтових фракцій. Тобто каталітичний риформінг. За наявності алюмо-платино-рениевого підсилювача зростає відсоток вміщення ароматичних вуглеводів, і зростає показник, що визначає можливості палива не самозайматися при його стисканні.

Смоли піролізу

Якщо видобувати наш нафтопродукт з нетвердої сировини, а саме шляхом піролізу, що виникають при виготовленні пропілену та етилену, то цей підхід виявиться найбільш прийнятним. Якщо бути точним, бензол виділяється із піроконденсату. Розкладання певних часток потребує гідроочищення. При очищенні усуваються сірчисті та ненасичені суміші. У вихідному результаті помічено вміст ксилолу, толуолу, бензолу. За допомогою перегону, який є екстактивним, БТК-група поділяється та виходить бензол.

Гідродеалкілування толуолу

Головні герої процесу, коктейль із водневого потоку та толуолу, подаються нагрітими в реактор. Толуол проходить через шар каталізатора. Під час цього процесу метильна група відокремлюється із формуванням бензолу. Тут доречний певний спосіб очищення. Результатом стає високочиста речовина (для нітрування).

Диспропорціонування толуолу

У результаті відторгнення мітильного класу відбувається творення до бензолу, окислюється ксилол. У цьому процесі було помічено переалкілування. Дія каталізації відбувається завдяки паладію, платині та неодиму, які знаходяться на оксиді алюмінію.

У реактор зі стійким шаром каталізатора подається талуол та водень. Його мета – утримати осідання на площину каталізатора вуглеводнів. Потік, що виходить із реактора, піддається охолодженню, а на рецикл благополучно витягується водень. Те, що залишилося, переганяється тричі. На початковій стадії вилучаються сполуки, які є неароматичними. Другим видобувається бензол, і останній крок – це виділення ксилолів.

Ацетилену тримеризація

Завдяки працям французького фізико-хіміка Марселен Бертло з ацетилену стали виготовляти бензол. Але при цьому виділявся важкий коктейль із багатьох інших елементів. Постало питання, як знизити температуру реакції. Відповідь було отримано лише наприкінці сорокових років ХХ століття. В. Реппе знайшов відповідний каталізатор, ним виявився нікель. Тримеризація - це єдиний варіант отримати з ацетилену бензол.

Утворення бензолу відбувається за допомогою активованого вугілля. При високих показниках теплоти над вугіллям проходить ацетилен. Бензол виділяється, якщо температура становить щонайменше 410 градусів. При цьому ще народжуються різноманітні ароматичні вуглеводні. Тому потрібна хороша апаратура, яка здатна якісно очистити ацетилен. За такого трудомісткого способу, як тримеризація, ацетилену витрачається дуже багато. Щоб одержати 15 мл бензолу, береться 20 літрів ацетилену. Можна переглянути, як це виглядає в реакція, не змусить себе довго чекати.

3C2H2 → C6H6 (рівняння Зелінського).

3CH → CH = (t, kat) = C6H6.

Де використовується бензол

Бензол - це досить популярне дітище хімії. Особливо часто було помічено, як бензол використовували у виготовленні кумолу, циклогексану, етилбензолу. Для створення стиролу без етилбензолу не обійтись. Вихідним матеріалом у тому, щоб виробити капролактам, служить циклогексан. Виготовляючи термопластичну смолу, застосовують саме капролактам. Описувана речовина є незамінною при виготовленні різних фарб, лаків.

Наскільки небезпечний бензол

Бензол – це токсична речовина. Прояв відчуття нездужання, яке супроводжується нудотою та сильним запамороченням – це ознака отруєння. Не виключається навіть смерть. Почуття невимовного захоплення - це не менш тривожні дзвіночки при отруєнні бензолом.

Бензол у рідкому стані викликає подразнення шкіри. Бензольні пари легко проникають навіть через непошкоджений шкірний покрив. При самих недовгострокових контактах з речовиною в невеликій дозі, але на регулярній основі, неприємні наслідки не забаряться. Це може бути ураження кісткового мозку та лейкози гострого характеру різного виду.

До того ж, речовина викликає залежність у людини. Бензол діє як дурман. З тютюнового диму виходить дьогтеподібний продукт. Код його вивчили, то дійшли висновку, що зміст останнього небезпечний для людини. Виявилося, крім присутності нікотину, ще й наявність ароматичних вуглеводів виду бензпірену. Відмінною рисою бензпірену є канцерогенні речовини. Дію вони мають дуже шкідливе. Наприклад, викликають онкологічні захворювання.

Незважаючи на сказане вище, бензол є стартовою сировиною для виробництва різноманітних лікарських препаратів, пластмас, гуми синтетичного походження і, звичайно ж, барвників. Це найпоширеніше дітище хімії та ароматична сполука.

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 в 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 препаратів 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: