Das Konzept des „Benzolrings“ muss sofort entschlüsselt werden. Dazu ist es notwendig, die Struktur des Benzolmoleküls zumindest kurz zu betrachten. Die erste Struktur von Benzol wurde 1865 vom deutschen Wissenschaftler A. Kekule vorgeschlagen:

Zu den wichtigsten aromatischen Kohlenwasserstoffen zählen Benzol C 6 H 6 und seine Homologen: Toluol C 6 H 5 CH 3, Xylol C 6 H 4 (CH 3) 2 usw.; Naphthalin C 10 H 8, Anthracen C 14 H 10 und ihre Derivate.

Die Kohlenstoffatome im Benzolmolekül bilden ein regelmäßiges flaches Sechseck, obwohl es normalerweise als längliches Sechseck dargestellt wird.

Die Struktur des Benzolmoleküls wurde schließlich durch die Reaktion seiner Bildung aus Acetylen bestätigt. Die Strukturformel zeigt drei einfache und drei doppelte alternierende Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Ein solches Bild vermittelt jedoch nicht die wahre Struktur des Moleküls. In Wirklichkeit sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol gleichwertig und haben Eigenschaften, die sich von denen von Einfach- oder Doppelbindungen unterscheiden. Diese Merkmale werden durch die elektronische Struktur des Benzolmoleküls erklärt.

Elektronische Struktur von Benzol

Jedes Kohlenstoffatom in einem Benzolmolekül befindet sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Es ist über drei σ-Bindungen mit zwei benachbarten Kohlenstoffatomen und einem Wasserstoffatom verbunden. Das Ergebnis ist ein flaches Sechseck: alle sechs Kohlenstoffatome und alle σ - S-S-Verbindungen und C-H liegen in derselben Ebene. Die Elektronenwolke des vierten Elektrons (p-Elektron), das nicht an der Hybridisierung beteiligt ist, hat die Form einer Hantel und ist senkrecht zur Ebene des Benzolrings ausgerichtet. Solche p-Elektronenwolken benachbarter Kohlenstoffatome überlappen sich oberhalb und unterhalb der Ringebene.

Dadurch bilden sechs p-Elektronen eine gemeinsame Elektronenwolke und eine einzelne chemische Bindung für alle Kohlenstoffatome. Zwei Bereiche der großen Elektronenebene befinden sich auf beiden Seiten der σ-Bindungsebene.

Die p-Elektronenwolke bewirkt eine Verringerung des Abstands zwischen Kohlenstoffatomen. In einem Benzolmolekül sind sie gleich und betragen 0,14 nm. Im Falle einer Einfach- und Doppelbindung würden diese Abstände 0,154 bzw. 0,134 nm betragen. Das bedeutet, dass im Benzolmolekül keine Einfach- oder Doppelbindungen vorhanden sind. Das Benzolmolekül ist ein stabiler sechsgliedriger Zyklus aus identischen CH-Gruppen, die in derselben Ebene liegen. Alle Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen im Benzol sind äquivalent, was die charakteristischen Eigenschaften des Benzolrings bestimmt. Dies wird am genauesten durch die Strukturformel von Benzol in Form eines regelmäßigen Sechsecks mit einem Kreis im Inneren (I) widergespiegelt. (Der Kreis symbolisiert die Äquivalenz der Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen.) Allerdings wird auch häufig Kekulés Formel zur Angabe von Doppelbindungen (II) verwendet:

Der Benzolring verfügt über bestimmte Eigenschaften, die allgemein als Aromatizität bezeichnet werden.

Homologe Reihen, Isomerie, Nomenklatur

Herkömmlicherweise können die Arenen in zwei Reihen unterteilt werden. Das erste umfasst Benzolderivate (z. B. Toluol oder Biphenyl), das zweite umfasst kondensierte (mehrkernige) Arene (das einfachste davon ist Naphthalin):

Die homologe Reihe von Benzol hat die allgemeine Formel C n H 2 n -6. Als Homologe kommen Benzolderivate in Betracht, bei denen ein oder mehrere Wasserstoffatome durch verschiedene Kohlenwasserstoffreste ersetzt sind. Zum Beispiel C 6 H 5 -CH 3 - Methylbenzol oder Toluol, C 6 H 4 (CH 3) 2 - Dimethylbenzol oder Xylol, C 6 H 5 -C 2 H 5 - Ethylbenzol usw.

Da alle Kohlenstoffatome in Benzol äquivalent sind, weist sein erstes Homolog, Toluol, keine Isomere auf. Das zweite Homologe, Dimethylbenzol, weist drei unterschiedliche Isomere auf relative Position Methylgruppen (Substituenten). Dabei handelt es sich um ein Ortho- (abgekürzt o-) oder 1,2-Isomer, bei dem sich die Substituenten an benachbarten Kohlenstoffatomen befinden. Sind die Substituenten durch ein Kohlenstoffatom getrennt, handelt es sich um ein meta- (abgekürzt m-) oder 1,3-Isomer, sind sie durch zwei Kohlenstoffatome getrennt, handelt es sich um ein para- (abgekürzt p-) oder 1,4-Isomer. In Namen werden Substituenten durch Buchstaben (o-, m-, p-) oder Zahlen bezeichnet.

Physikalische Eigenschaften

Die ersten Vertreter der homologen Benzolreihe sind farblose Flüssigkeiten mit spezifischem Geruch. Ihre Dichte beträgt weniger als 1 (leichter als Wasser). Nicht in Wasser löslich. Benzol und seine Homologen sind für viele selbst gute Lösungsmittel organische Substanz. Aufgrund des hohen Kohlenstoffgehalts in ihren Molekülen brennen Arenen mit einer rauchigen Flamme.

Chemische Eigenschaften

Aromatizität bestimmt Chemische Eigenschaften Benzol und seine Homologen. Das Sechs-Elektronen-π-System ist stabiler als gewöhnliche Zwei-Elektronen-π-Bindungen. Daher sind Additionsreaktionen für aromatische Kohlenwasserstoffe weniger typisch als für ungesättigte Kohlenwasserstoffe. Die charakteristischsten Reaktionen für Arene sind Substitutionsreaktionen. Somit nehmen aromatische Kohlenwasserstoffe in ihren chemischen Eigenschaften eine Zwischenstellung zwischen gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen ein.

I. Substitutionsreaktionen

1. Halogenierung (mit Cl 2, Br 2)

2. Nitrierung

3. Sulfonierung

4. Alkylierung (Es entstehen Benzolhomologe) – Friedel-Crafts-Reaktionen

Zur Alkylierung von Benzol kommt es auch, wenn es mit Alkenen reagiert:

Styrol (Vinylbenzol) wird durch Dehydrierung von Ethylbenzol gewonnen:

II. Additionsreaktionen

1. Hydrierung

2. Chlorierung

III. Oxidationsreaktionen

1. Verbrennung

2C 6 H 6 + 15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O

2. Oxidation unter dem Einfluss von KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7, HNO 3 usw.

Passiert nicht chemische Reaktion(Ähnlichkeit mit Alkanen).

Eigenschaften von Benzolhomologen

Bei Benzolhomologen werden ein Kern und eine Seitenkette (Alkylreste) unterschieden. Die chemischen Eigenschaften von Alkylradikalen ähneln denen von Alkanen; Der Einfluss des Benzolrings auf sie zeigt sich darin, dass bei Substitutionsreaktionen immer Wasserstoffatome am direkt an den Benzolring gebundenen Kohlenstoffatom beteiligt sind, sowie in der leichteren Oxidation von C-H-Bindungen.

Die Wirkung eines elektronenspendenden Alkylradikals (z. B. -CH 3) auf den Benzolring äußert sich in einer Erhöhung der Wirksamkeit negative Ladungen an Kohlenstoffatomen in ortho- und para-Position; Dadurch wird der Austausch assoziierter Wasserstoffatome erleichtert. Daher können Homologe von Benzol trisubstituierte Produkte bilden (und Benzol bildet normalerweise monosubstituierte Derivate).

Aromatische Kohlenwasserstoffe– Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff, deren Molekül einen Benzolring enthält. Die wichtigsten Vertreter aromatischer Kohlenwasserstoffe sind Benzol und seine Homologen – Produkte des Ersatzes eines oder mehrerer Wasserstoffatome in einem Benzolmolekül durch Kohlenwasserstoffreste.

Die Struktur des Benzolmoleküls

Die erste aromatische Verbindung, Benzol, wurde 1825 von M. Faraday entdeckt. Seine Summenformel wurde etabliert - C 6 H 6. Vergleichen wir seine Zusammensetzung mit der Zusammensetzung gesättigter Kohlenwasserstoff, das die gleiche Anzahl an Kohlenstoffatomen enthält - Hexan (C 6 H 14), dann können Sie sehen, dass Benzol acht Wasserstoffatome weniger enthält. Bekanntlich führt das Auftreten von Mehrfachbindungen und Zyklen zu einer Verringerung der Anzahl der Wasserstoffatome in einem Kohlenwasserstoffmolekül. Im Jahr 1865 schlug F. Kekule seine Strukturformel als Cyclohexanthrien vor – 1, 3, 5.

Somit entspricht das Molekül Kekules Formel, enthält Doppelbindungen, daher muss Benzol ungesättigt sein, d. h. es muss leicht Additionsreaktionen eingehen: Hydrierung, Bromierung, Hydratation usw.

Daten aus zahlreichen Experimenten haben jedoch gezeigt, dass Benzol nur unter rauen Bedingungen (bei hohen Temperaturen und Licht) Additionsreaktionen eingeht und gegen Oxidation beständig ist. Die charakteristischsten Reaktionen dafür sind Substitutionsreaktionen; daher ähnelt Benzol eher marginalen Kohlenwasserstoffen.

Um diese Diskrepanzen zu erklären, haben viele Wissenschaftler Vorschläge gemacht Verschiedene Optionen Benzolstruktur. Die Struktur des Benzolmoleküls wurde schließlich durch die Reaktion seiner Bildung aus Acetylen bestätigt. In Wirklichkeit sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol gleichwertig und ihre Eigenschaften ähneln weder denen von Einfach- noch von Doppelbindungen.

Derzeit wird Benzol entweder mit der Kekule-Formel oder mit einem Sechseck bezeichnet, in dem ein Kreis dargestellt ist.

Was ist das Besondere an der Struktur von Benzol? Basierend auf den Daten und Berechnungen der Forscher kam man zu dem Schluss, dass sich alle sechs Kohlenstoffatome in einem Zustand befinden sp 2 -Hybridisierung und liegen in der gleichen Ebene. Unhybridisiert P-Orbitale von Kohlenstoffatomen, aus denen Doppelbindungen bestehen (Kekule-Formel), stehen senkrecht zur Ringebene und parallel zueinander.

Sie überlappen einander und bilden ein einziges π-System. Somit ist das in Kekules Formel dargestellte System alternierender Doppelbindungen ein zyklisches System konjugierter, überlappender Bindungen. Dieses System besteht aus zwei toroidalen (Donut-ähnlichen) Bereichen mit Elektronendichte, die auf beiden Seiten des Benzolrings liegen. Daher ist es logischer, Benzol als regelmäßiges Sechseck mit einem Kreis im Zentrum (π-System) darzustellen als als Cyclohexatrien-1,3,5.

Der amerikanische Wissenschaftler L. Pauling schlug vor, Benzol in Form von zwei Grenzstrukturen darzustellen, die sich in der Verteilung der Elektronendichte unterscheiden und sich ständig ineinander umwandeln, d. h. es als eine Zwischenverbindung zu betrachten, die zwei Strukturen „mittelt“.

Bindungslängenmessungen bestätigen diese Annahmen. Es wurde festgestellt, dass alle C-C-Bindungen in Benzol die gleiche Länge haben (0,139 nm). Sie sind etwas kürzer als einfache C-C-Bindungen (0,154 nm) und länger als Doppelbindungen (0,132 nm).

Es gibt auch Verbindungen, deren Moleküle mehrere zyklische Strukturen enthalten.

Isomerie und Nomenklatur

Benzolhomologe zeichnen sich aus durch Isomerie der Position mehrerer Substituenten. Das einfachste Homolog von Benzol – Toluol (Methylbenzol) – weist solche Isomere nicht auf; Das folgende Homolog wird als vier Isomere dargestellt:

Der Name eines aromatischen Kohlenwasserstoffs mit kleinen Substituenten basiert auf dem Wort Benzol. Die Atome im aromatischen Ring sind vom höchsten zum niedrigsten Substituenten nummeriert:

Nach der alten Nomenklatur werden die Positionen 2 und 6 aufgerufen Orthopositionen, 4 - Paar-, und 3 und 5 - Metabestimmungen.

Physikalische Eigenschaften
Benzol und seine einfachsten Homologen sind unter normalen Bedingungen sehr giftige Flüssigkeiten mit einem charakteristischen unangenehmen Geruch. Sie lösen sich schlecht in Wasser, aber gut in organischen Lösungsmitteln.

Chemische Eigenschaften von Benzol

Substitutionsreaktionen. Aromatische Kohlenwasserstoffe unterliegen Substitutionsreaktionen.
1. Bromierung. Bei der Reaktion mit Brom in Gegenwart eines Katalysators, Eisenbromid (ΙΙΙ), kann eines der Wasserstoffatome im Benzolring durch ein Bromatom ersetzt werden:

2. Nitrierung von Benzol und seinen Homologen. Wenn ein aromatischer Kohlenwasserstoff in Gegenwart von Schwefelsäure mit Salpetersäure interagiert (eine Mischung aus Schwefelsäure und Salpetersäure wird als Nitrierungsmischung bezeichnet), wird das Wasserstoffatom durch eine Nitrogruppe -NO2 ersetzt:

Durch Reduktion des bei dieser Reaktion entstehenden Nitrobenzols wird Anilin gewonnen, eine Substanz, die zur Gewinnung von Anilinfarbstoffen verwendet wird:

Diese Reaktion ist nach dem russischen Chemiker Zinin benannt.
Additionsreaktionen. Auch aromatische Verbindungen können Additionsreaktionen an den Benzolring eingehen. Dabei entstehen Cyclohexan bzw. dessen Derivate.
1. Hydrierung. Die katalytische Hydrierung von Benzol erfolgt bei mehr hohe Temperatur als Hydrierung von Alkenen:

2. Chlorierung. Die Reaktion findet bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht statt und ist ein freies Radikal:

Benzolhomologe

Die Zusammensetzung ihrer Moleküle entspricht der Formel C n H 2 n-6. Die nächsten Homologen von Benzol sind:

Alle auf Toluol folgenden Homologen von Benzol haben Isomere. Isomerie kann sowohl mit der Anzahl und Struktur des Substituenten (1, 2) als auch mit der Position des Substituenten im Benzolring (2, 3, 4) in Zusammenhang gebracht werden. Verbindungen der allgemeinen Formel C 8 H 10:

Gemäß der alten Nomenklatur, die zur Angabe der relativen Position zweier identischer oder verschiedener Substituenten am Benzolring verwendet wurde, werden die Präfixe verwendet ortho- (abgekürzt o-) - Substituenten befinden sich an benachbarten Kohlenstoffatomen, Meta-(M-) – durch ein Kohlenstoffatom und Paar— (P-) – Substituenten gegeneinander.
Die ersten Vertreter der homologen Benzolreihe sind Flüssigkeiten mit einem spezifischen Geruch. Sie sind leichter als Wasser. Sie sind gute Lösungsmittel.

Benzolhomologe reagieren Auswechslungen ( Bromierung, Nitrierung). Toluol wird beim Erhitzen durch Permanganat oxidiert:

Benzolhomologe werden als Lösungsmittel zur Herstellung von Farbstoffen, Pflanzenschutzmitteln, Kunststoffen und Medikamenten verwendet.

Aromatische Verbindungen sind solche, deren Moleküle eine zyklische Atomgruppe mit einem besonderen Bindungsmuster enthalten – einen Benzolring. Der internationale Name für aromatische Kohlenwasserstoffe ist Arene.

Der einfachste Vertreter der Arene ist Benzol C 6 H 6 . Die Formel, die die Struktur des Benzolmoleküls widerspiegelt, wurde erstmals vom deutschen Chemiker Kekule (1865) vorgeschlagen:

Die Kohlenstoffatome im Benzolmolekül bilden ein regelmäßiges flaches Sechseck, obwohl es normalerweise als längliches Sechseck dargestellt wird.

Die Struktur des Benzolmoleküls wurde schließlich durch die Reaktion seiner Bildung aus Acetylen bestätigt. Die Strukturformel zeigt drei einfache und drei doppelte alternierende Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Ein solches Bild vermittelt jedoch nicht die wahre Struktur des Moleküls. In Wirklichkeit sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol gleichwertig und haben Eigenschaften, die sich von denen von Einfach- oder Doppelbindungen unterscheiden. Diese Merkmale werden durch die elektronische Struktur des Benzolmoleküls erklärt.

Elektronische Struktur von Benzol.
Jedes Kohlenstoffatom in einem Benzolmolekül befindet sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Es ist über drei σ-Bindungen mit zwei benachbarten Kohlenstoffatomen und einem Wasserstoffatom verbunden. Das Ergebnis ist ein flaches Sechseck: Alle sechs Kohlenstoffatome und alle σ-Bindungen C-C und C-H liegen in derselben Ebene. Die Elektronenwolke des vierten Elektrons (p-Elektron), das nicht an der Hybridisierung beteiligt ist, hat die Form einer Hantel und ist senkrecht zur Ebene des Benzolrings ausgerichtet. Solche p-Elektronenwolken benachbarter Kohlenstoffatome überlappen sich oberhalb und unterhalb der Ringebene . Dadurch bilden sechs p-Elektronen eine gemeinsame Elektronenwolke und eine einzige chemische Bindung für alle Kohlenstoffatome. Zwei Bereiche der großen Elektronenebene liegen auf beiden Seiten der σ-Bindungsebene ./>/>

P-Die Elektronenwolke bewirkt eine Verringerung des Abstands zwischen Kohlenstoffatomen. In einem Benzolmolekül sind sie gleich und betragen 0,14 nm. Im Falle einer Einfach- und Doppelbindung würden diese Abstände 0,154 bzw. 0,134 nm betragen. Das bedeutet, dass im Benzolmolekül keine Einfach- oder Doppelbindungen vorhanden sind. Das Benzolmolekül ist ein stabiler sechsgliedriger Zyklus aus identischen CH-Gruppen, die in derselben Ebene liegen. Alle Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen im Benzol sind äquivalent, was die charakteristischen Eigenschaften des Benzolrings bestimmt. Dies spiegelt sich am genauesten in der Strukturformel von Benzol in Form eines regelmäßigen Sechsecks mit einem Kreis im Inneren wider ( ICH ). (Der Kreis symbolisiert die Äquivalenz der Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen.) Die Kekule-Formel wird jedoch häufig zur Angabe von Doppelbindungen verwendet ( II

Physikalische Eigenschaften

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

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

Die physikalischen Eigenschaften einiger Arenen sind in der Tabelle dargestellt.

Tisch. Physikalische Eigenschaften einiger Arenen

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

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

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

Die meisten aromatischen Kohlenwasserstoffe sind lebensgefährlich und giftig.

Herstellung von Arenen (Benzol und seine Homologen)

Im Labor

1. Fusion von Benzoesäuresalzen mit festen Alkalien

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

Natriumbenzoat

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

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

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

In der Industrie

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

1. Dehydrocyclisierung von Alkanen mit mehr als 6 Kohlenstoffatomen:

C6H14 T , Kat→C 6 H 6 + 4H 2

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

3С 2 H 2 600°C, Akt. Kohle→C 6 H 6

3. Dehydrierung Cyclohexan und seine Homologen:

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

C6H12 t, kat→C 6 H 6 + 3H 2

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

Methylcyclohexantoluol

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

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

Chlorethan Ethylbenzol

Chemische Eigenschaften von Arenen

ICH. OXIDATIONSREAKTIONEN

1. Verbrennung (rauchende Flamme):

2C6H6 + 15O2 T→12CO 2 + 6H 2 O + Q

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

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

A) in saurer Umgebung zu Benzoesäure

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

Homologe von Benzol mit einer Seitenkette ergeben Benzoesäure:

Homologe mit zwei Seitenketten ergeben zweibasige Säuren:

5C 6 H 5 -C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 +28H 2 O

5C 6 H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 +14H 2 O

Vereinfacht :

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

B) in neutralen und leicht alkalischen bis Benzoesäuresalzen

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

II. Additionsreaktionen (härter als Alkene)

1. Halogenierung

C 6 H 6 +3Cl 2 H ν → C6H6Cl6 (Hexachlorcyclohexan - Hexachloran)

2. Hydrierung

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

3. Polymerisation

III. Substitutionsreaktionen – Ionenmechanismus (leichter als Alkane)

1. Halogenierung -

A ) Benzol

C6H6+Cl2 AlCl 3 → C 6 H 5 -Cl + HCl (Chlorbenzol)

C6H6 + 6Cl2 t,AlCl3→C 6 Cl 6 + 6HCl( Hexachlorbenzol)

C 6 H 6 + Br 2 t,FeCl3→ C 6 H 5 -Br + HBr( Brombenzol)

b) Benzolhomologe bei Bestrahlung oder Erhitzen

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

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

c) Benzolhomologe in Gegenwart eines Katalysators

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

2. Nitrierung (mit Salpetersäure)

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

Nitrobenzol - Geruch Mandeln!

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

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

Anwendung von Benzol und seinen Homologen

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

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

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

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

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

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

VIDEO-ERLEBNISSE

ARENEN
Arene sind Kohlenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel C n H 2 n - 6, deren Moleküle einen oder mehrere Benzolringe enthalten.
Struktur von Benzol
Der Hauptvertreter der Arene ist Benzol – C 6 H 6 . Diese Verbindung ist in ihrer Zusammensetzung ungesättigt; es fehlen 8 Wasserstoffatome, um alle Bindungen der Kohlenstoffatome vollständig abzusättigen. Im Jahr 1911 wurde Benzol aus Cyclohexan gewonnen (Zelinsky-Reaktion), was ein Argument für die Hypothese der zyklischen Struktur von Benzol war. Später wurde die umgekehrte Reaktion durchgeführt – die Hydrierung von Benzol (Sabatier-Reaktion). Im Jahr 1865 Deutscher Chemiker A. Kekule schlug die Strukturformel von Benzol vor:

Nach der Formel von Kekule hat Benzol 3 Doppelbindungen und muss daher Additionsreaktionen eingehen. Benzol führt jedoch nicht zu den für ungesättigte Verbindungen typischen Reaktionen (es verfärbt Bromwasser und Kaliumpermanganatlösung nicht). Diese Tatsache widerspricht Kekules Formel. Darüber hinaus erklärt diese Formel nicht die hohe Stabilität des Benzolrings.

Nach modernen Vorstellungen hat das Benzolmolekül die Struktur eines flachen Sechsecks mit gleichen Seiten. Die Kohlenstoffatome in Benzol befinden sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Dabei Hybridorbitale bilden gewöhnlich - Bindungen, und die nicht-hybride überlappt mit zwei anderen nicht-hybriden Orbitalen benachbarter Kohlenstoffatome. Als Ergebnis entsteht eine einzelne Wolke aus delokalisierten - Elektronen (Abbildung 5). Infolge einer solchen gleichmäßigen Überlappung der 2p-Orbitale aller sechs Kohlenstoffatome kommt es zur „Ausrichtung“ von Einfach- und Doppelbindungen, das heißt, es gibt keine klassischen Doppel- und Einfachbindungen im Benzolmolekül. Um die Gleichmäßigkeit der Elektronendichte im Benzolmolekül hervorzuheben, wird die folgende Strukturformel vorgeschlagen:

Arenen tragen auch den Trivialnamen „aromatische Kohlenwasserstoffe“. Der Begriff „Aromatizität“ wird nicht mit dem Geruch von Kohlenwasserstoffen in Verbindung gebracht, obwohl viele von ihnen ihn haben. „Aromatizität“ bezieht sich auf bestimmte Strukturmerkmale von Kohlenwasserstoffen, von denen das wichtigste die gleichmäßige Verteilung der Elektronendichte im Molekül ist. Darüber hinaus gehorchen aromatische Verbindungen der Regel von E. Hückel: Planare monozyklische Verbindungen mit einem konjugierten Elektronensystem können aromatisch sein, wenn die Anzahl dieser Elektronen 4n+2 beträgt (wobei n = 0,1,2 usw.).
Isomerität und Nomenklatur der Arene
Gemäß der systematischen Nomenklatur gelten Arene als Benzolderivate. Die Namen werden aus den Namen der Reste der Seitenketten unter Hinzufügung der Endung gebildet Benzol.

CH 3 C 2 H 5

Methylbenzol Ethylbenzol
Wenn am Benzolring zwei Substituenten vorhanden sind, können diese sich in ihren relativen Positionen im Ring unterscheiden. Wenn also zwei Wasserstoffatome durch Methylradikale ersetzt werden, können drei Isomere gebildet werden (ortho-, meta- und para-).
CH 3 CH 3 CH 3

CH 3

Ortho-Xylol, Meta-Xylol, Para-Xylol

(1,2 - Dimethylbenzol) (1,3-Dimethylbenzol) (1,4 - Dimethylbenzol)

Der Benzolring ist so nummeriert, dass die Ziffernsumme minimal ist. Viele Arene haben Trivialnamen, die sehr häufig verwendet werden (Methylbenzol – Toluol; Dimethylbenzol – Xylol).

Isomerie in der homologen Benzolreihe kann sowohl mit der Anzahl und Struktur der Substituenten als auch mit ihrer Position im Benzolring in Verbindung gebracht werden.

EIGENSCHAFTEN VON ARENS

1. Chemische Eigenschaften von Benzol.
Trotz der formalen Ungesättigtheit sind Substitutionsreaktionen eher für Benzol typisch. Dies wird durch die Strukturmerkmale des Benzolrings erklärt. In Gegenwart von FeBr 3- und AlCl 3-Katalysatoren können Wasserstoffatome im Benzolmolekül durch Halogenatome ersetzt werden. Diese Reaktionen laufen praktisch unter normalen Bedingungen ab.
C 6 H 6 + Br 2 FeBr 3 C 6 H 5 Br + HBr
Wenn Benzol mit Salpetersäure in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure als wasserentziehendem Mittel reagiert, entsteht Nitrobenzol:
C 6 H 6 + HNO 3 50 C C 6 H 5 NEIN 2 + H 2 Ö
In Gegenwart von wasserfreiem Aluminiumchlorid als Katalysator kann die Reaktion stattfinden Alkylierung Benzol (Friedel-Crafts-Reaktion). Dadurch wird ein Kohlenwasserstoffrest an den Benzolring angelagert.

AlCl3

H + Cl CH 3 CH 3 + HCl

Additionsreaktionen sind bei Benzol weniger verbreitet, kommen aber vor. So erfolgt die katalytische Hydrierung von Benzol in Gegenwart von Nickel- (150 o) oder Platin- (50 o) Katalysatoren. Benzol wird in Cyclohexan umgewandelt.

3H 2

Bei starke Beleuchtung(UV-Bestrahlung) In Abwesenheit von Sauerstoff kann Benzol Chlor hinzufügen und so ein Cyclohexan-Derivat bilden – Hexachlorcyclohexan (Hexachloran).

MIT 6 N 6 + 3H 2 hv C 6 H 6 Cl 6
Bei Zusatzreaktionen wird das aromatische System zerstört.

2. Chemische Eigenschaften von Benzolhomologen.
Benzolhomologe sind chemisch aktiver als Benzol selbst. Dies wird durch den Einfluss des Kohlenwasserstoffrestes auf den Benzolring erklärt. Radikale sind elektronenspendende Substituenten, das heißt, sie liefern Elektronen an den Benzolring und stören so die gleichmäßige Verteilung der Elektronendichte im Ring in den ortho- und para-Positionen. An diesen Positionen erhöht sich die Elektronendichte und der Einbau von Substituenten wird erleichtert. Toluol (Methylbenzol) nitrat beispielsweise sehr leicht, auch ohne Erhitzen. Dabei entsteht Trinitrotoluol.

3HNO 3 NO 2 NO 2 + 3H 2 O

Die Halogenierung von Benzolhomologen verläuft je nach Reaktionsbedingungen unterschiedlich. Bei Beleuchtung ersetzt ein Halogen den Wasserstoff im Radikal und wird in Gegenwart eines Katalysators in den Benzolring eingebaut:
CH3CH2Cl

Cl 2 hv + HCl

Cl 2 + HCl

Es ist bekannt, dass der Einfluss von Atomen und Atomgruppen in Molekülen organischer Substanzen gegenseitig ist. Daher beeinflussen in Molekülen von Benzolhomologen nicht nur Radikale die Aktivität des Benzolrings, sondern der Ring beeinflusst auch die Aktivität von Radikalen. Sie verringern insbesondere die Widerstandsfähigkeit von Radikalen gegenüber Oxidation. Wenn man beispielsweise eine Lösung von Kaliumpermanganat zu Toluol hinzufügt und die Mischung erhitzt, verschwindet die violette Farbe der Lösung allmählich. Dies geschieht aufgrund der Oxidation der Methylgruppe.

Bei der Oxidationsreaktion von Toluol mit Kaliumpermanganat wird die Methylgruppe zu einer Carboxylgruppe oxidiert – es entsteht Benzoesäure. Das Schema dieser Reaktion ist wie folgt:

CH 3 COOH

Die verbleibenden Reaktionsprodukte hängen vom gewählten Oxidationsmittel und der Umgebung ab, in der die Reaktion stattfindet. Andere Homologe mit einer Seitenkette werden auf ähnliche Weise oxidiert. Homologe mit zwei Seitenketten ergeben zweibasische Phthalsäure.

CH 3 COOH

CH 3 COOH

Benzol und seine Homologen verbrennen an der Luft mit einer stark rauchigen Flamme, die mit einem hohen Kohlenstoffanteil verbunden ist.

2C 6 H 6 + 15O 2 · 12CO 2 + 6H 2 O
3. Physikalische Eigenschaften von Arenen.
Die unteren Vertreter der homologen Benzolreihe sind meist Flüssigkeiten mit charakteristischem Geruch. Kohlenwasserstoffe, die nicht mehr als einen Benzolring enthalten, sind im Allgemeinen leichter als Wasser. Arene sind in Wasser unlöslich, aber in organischen Lösungsmitteln gut löslich und sind selbst solche. Die physikalischen Eigenschaften einiger Vertreter von Arenen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

MÖGLICHKEITEN, ARENS ZU ERHALTEN

1. 
   In der Industrie werden 90 % des produzierten Benzols bei der Verarbeitung von Kohlenteer bei seiner Fraktionierung isoliert. Eine weitere Arenquelle ist Öl, das durch einfache Destillation, Pyrolyse und katalytisches Cracken daraus isoliert wird.
2. 
   Aromatisierung von Paraffinen (katalytische Reformierung):

CH 3 CH 3

Pt, 350 °C

Methylcyclohexan Methylbenzol
Wenn Cyclohexan auf ähnliche Weise dehydriert wird, entsteht Benzol.

1. 
   Homologe von Benzol können durch die Friedel-Crafts-Reaktion erhalten werden (siehe Abschnitt über die Eigenschaften von Benzol).
2. 
   Wurtz-Fittig-Reaktion. Diese Reaktion ähnelt der Wurtz-Reaktion in der Reihe der Alkane:

+ 2Na + Br C 2 H 5 + 2NaBr

Br C 2 H 5

1. 
   Synthese aus Salzen aromatischer Carbonsäuren:

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

6. Synthese aus Acetylen. Zelinskys Reaktion.

3 Gleichstrom

ARENEN IN DER NATUR. ANWENDUNG VON ARENS.
Gelegentlich sind Arene in freier Form in der Zusammensetzung von Ölen enthalten. Darüber hinaus bilden sie innerhalb von Kohlen komplexe Strukturen. Arenen werden in verschiedenen Branchen sehr häufig eingesetzt. Benzol ist ein Rohstoff für die Herstellung verschiedener chemischer Produkte: Nitrobenzol, Anilin, Chlorbenzol, Styrol. Toluol wird zur Herstellung von Farbstoffen, Arzneimitteln und Sprengstoffen (Toluol, TNT) verwendet und ist außerdem Ausgangsprodukt für die Herstellung synthetischer Waschmittel und Caprolactam. Ist ein gutes Lösungsmittel. Aus Xylolen werden Stoffe hergestellt, die als Ausgangsstoffe für die Herstellung synthetischer Fasern (Lavsan) dienen.

MULTICORE-ARENEN
Mehrkernige aromatische Verbindungen enthalten mehrere Benzolringe. Je nach Art der Struktur werden Verbindungen mit kondensierten und nicht kondensierten Benzolkernen unterschieden. Die einfachsten und praktisch wichtigsten sind Naphthalin und Anthracen.

• 
  NAPHTHALIN

- ANTHRACEN

Naphthalin – farblos kristalline Substanz, ziemlich flüchtig (Schmelzpunkt - 80 ° C). Dient als Rohstoff für die Synthese von Phthalsäureanhydrid, Phthalsäure und anderen Produkten. Wird im Alltag zur Abwehr von Motten und anderen Insekten eingesetzt. Im chemischen Verhalten hat es viel mit Benzol gemeinsam, geht aber leichter Substitutionsreaktionen ein als Benzol selbst.

Anthracen ist eine kristalline Substanz mit einem Schmelzpunkt von 213 °C. Es wird aus Steinkohlenteer gewonnen. Sehr wichtig haben verschiedene Anthracen-Derivate. Hierzu zählen beispielsweise Anthrachinon, Alizarin etc. Alizarin ist der häufigste Dioxyanthrachinonfarbstoff und wird zum Färben von Wolle und Baumwolle verwendet. Alizarin wurde erstmals aus der Krappwurzel isoliert. Alizarin ist ein Beizfarbstoff. Er bemalt es leuchtend rot mit Aluminiumbeize, braun mit Chrombeize und lila mit Eisenbeize.

AUFGABEN UND ÜBUNGEN ZUR VERSTÄRKUNG DES THEMA

1. 
   Welche Kohlenwasserstoffe werden Arene genannt?
2. 
   Beschreiben Sie die Strukturmerkmale des Benzolmoleküls.
3. 
   Name die wichtigsten Wege Um Arene zu erhalten, geben Sie die entsprechenden Reaktionsgleichungen an.
4. 
   Charakterisieren Sie am Beispiel von Benzol die wichtigsten chemischen Eigenschaften von Arenen. Erklären Sie, warum Substitutionsreaktionen typischer für Benzol sind. Erklären Sie, warum Benzol unter normalen Bedingungen resistent gegen Oxidationsmittel ist.
5. 
   Was sind die Unterschiede zwischen den chemischen Eigenschaften von Benzolhomologen und den Eigenschaften von Benzol selbst? Erklären Sie, was diese Unterschiede verursacht.
6. 
   Schreiben Sie Formeln für die folgenden Stoffe auf: Brombenzol; 1,3 - Dimethylbenzol; 1,3-Dimethyl-4-chlorbenzol; Propylbenzol; 1,3 - Dinitrobenzol.
7. 
   Schreiben Sie Gleichungen für Wechselwirkungsreaktionen auf:

Benzol mit Chlor (in Gegenwart eines Katalysators);

Methylbenzol mit Wasserstoff;

Methylbenzol mit Chlor (unter Beleuchtung);

Ethylbenzol mit Salpetersäure

Benzol mit Chlorethan (in Gegenwart von Aluminiumchlorid)

Durch Dehydrierung von Cyclohexan erhaltenes Benzol mit einem Volumen von 151 ml und einer Dichte von 0,779 g/ml wurde einer Chlorierung unter Licht unterzogen. Es entstand ein Chlorderivat mit einem Gewicht von 300 g. Bestimmen Sie die Ausbeute des Reaktionsprodukts.

Welches Luftvolumen wird (bei Normalbedingungen) benötigt, um 1,4-Dimethylbenzol mit einem Gewicht von 5,3 g zu verbrennen? Volumenanteil Der Sauerstoffgehalt der Luft beträgt 21 %.

85 g Benzol reagierten mit konzentrierter Salpetersäure mit einem Gewicht von 160 g. Welches Produkt wurde gebildet und welche Masse hat es?

Welches Volumen Wasserstoff (n.o.) entsteht bei der Cyclisierung und Dehydrierung von n-Hexan mit einem Volumen von 200 ml und einer Dichte von 0,66 g/ml? Die Reaktion verläuft mit einer Ausbeute von 65 %.

Bei der Oxidation einer Mischung aus Benzol und Toluol mit einer Kaliumpermanganatlösung beim Erhitzen wurden nach dem Ansäuern 8,54 g einbasige organische Säure erhalten. Wenn diese Säure mit einem Überschuss einer wässrigen Natriumbicarbonatlösung interagiert, wird ein Gas freigesetzt, dessen Volumen 19-mal geringer ist als das Volumen desselben Gases, das bei der vollständigen Verbrennung des ursprünglichen Kohlenwasserstoffgemisches entsteht. Bestimmen Sie die Zusammensetzung der Ausgangsmischung (in Gew.-%).

Das bei der Herstellung von Brombenzol aus 22,17 ml Benzol (Dichte – 0,8 g/ml) freigesetzte Gas wurde mit 4,48 Liter Isobuten umgesetzt. Welche Verbindungen wurden gebildet und wie groß ist ihre Masse, wenn man davon ausgeht, dass die Ausbeute an Brombenzol 80 % der Theorie betrug und die Reaktion mit Isobuten mit quantitativer Ausbeute erfolgt.

Eine Mischung aus Benzol, Cyclohexan und Cyclohexen fügt bei Behandlung mit Bromwasser 16 g Brom hinzu; Bei der katalytischen Dehydrierung des Ausgangsgemisches entstehen 39 g Benzol und Wasserstoff, deren Volumen doppelt so groß ist wie das Wasserstoffvolumen, das zur vollständigen Hydrierung des Auerforderlich ist. Bestimmen Sie die Zusammensetzung der Ausgangsmischung.