Тема №20 «Ароматические углеводороды» | CHEM-MIND.com

Оглавление

1. Бензол
2. Строение молекулы бензола
3. Изомерия и номенклатура ароматические углеводородов
4. Физические свойства ароматических углеводородов
5. Химические свойства ароматических углеводородов
6. Гомологи бензола
7. Шпаргалка
8. Задания для самопроверки

Бензол

Ароматические углеводороды — соединения углерода и водорода, в молекуле которых имеется бензольное кольцо. Важнейшими представителя­ми ароматических углеводородов являются бензол и его гомологи — продукты замещения одного или более атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные остатки.

Строение молекулы бензола

Первое ароматическое соединение — бензол — было открыто в 1825 г. М. Фарадеем. Была уста­новлена его молекулярная формула — C₆H₆. Если сравнить его состав с составом предельного углево­дорода, содержащего такое же количество атомов углерода, — гексаном (C₆H₁₄), то можно заметить, что бензол содержит на восемь атомов водорода меньше. Как известно, к уменьшению количества атомов водорода в молекуле углеводорода приво­дит появление кратных связей и циклов. В 1865 г. Ф. Кекуле предложил его структурную формулу как циклогексантриена-1,3,5.

Таким образом, молекула, со­ответствующая формуле Кекуле, содержит двойные свя­зи, следовательно, бензол должен иметь ненасыщенный характер, т. е. легко вступать в реакции присоединения:

ги­дрирования, бромирования, гидратации и т. д.

Однако данные многочис­ленных экспериментов по­казали, что бензол вступает в реакции присоединения только в жестких условиях (при высоких температу­рах и освещении), устойчив к окислению. Наиболее ха­рактерными для него явля­ются реакции замещения, следовательно, бензол по характеру ближе к предель­ным углеводородам.

Пытаясь объяснить эти несоответствия, многие ученые предлагали различные варианты структуры бензола. Окончательно строение молекулы бензола было подтверждено реакцией его образования из ацетилена. В действительности углерод-углеродные связи в бензоле равноценны, и их свойства не похо­жи на свойства ни одинарных, ни двойных связей.

В настоящее время бензол обозначают или фор­мулой Кекуле, или шестиугольником, в котором изображают окружность.

Так в чем же особенность структуры бензола?

На основании данных исследований и расче­тов сделан вывод о том, что все шесть углеродных атомов находятся в состоянии sр²-гибридизации и лежат в одной плоскости. Негибридизованные р-орбитали атомов углерода, составляющие двой­ные связи (формула Кекуле), перпендикулярны плоскости кольца и параллельны друг другу.

Они перекрываются между собой, образуя еди­ную π-систему. Таким образом, система череду­ющихся двойных связей, изображенных в фор­муле Кекуле, является циклической системой сопряженных, перекрывающихся между собой π-связей. Эта система представляет собой две то­роидальные (похожие на бублик) области элек­тронной плотности, лежащие по обе стороны бен­зольного кольца. Так, изображать бензол в виде правильного шестиугольника с окружностью в центре (π-система) более логично, чем в виде циклогексантриена-1,3,5.

Американский ученый Л. Полинг предло­жил представлять бензол в виде двух граничных структур, отличающихся распределением элект­ронной плотности и постоянно переходящих друг в друга:

т. е. считать его промежуточным соединением, «усреднением» двух структур.

Данные измерений длин связей подтверждают это предположение. Выяснено, что все связи С—С в бензоле имеют одинаковую длину (0,139 нм). Они несколько короче одинарных С—С связей (0,154 нм) и длиннее двойных (0,132 нм).

Существуют также соединения, молекулы ко­торых содержат несколько циклических структур, например:

Изомерия и номенклатура ароматических углеводородов

Для гомологов бензола характерна изомерия по­ложения нескольких заместителей. Простейший гомолог бензола — толуол (метилбензол) — не име­ет таких изомеров; следующий гомолог представ­лен в виде четырех изомеров:

Основой названия ароматического углеводорода с небольшими заместителями является слово бен­зол. Атомы в ароматическом кольце нумеруют, на­чиная от старшего заместителя к младшему:

Если заместители одинаковые, то нумерацию проводят по самому короткому пути: например, вещество:

называется 1,3-диметилбензол, а не 1,5-диметил­бензол.

По старой номенклатуре положения 2 и 6 на­зывают ортоположениями, 4 — пара-, 3 и 5 — ме­таположениями.

Физические свойства ароматических углеводородов

Бензол и его простейшие гомологи в обычных ус­ловиях — весьма токсичные жидкости с характер­ным неприятным запахом. Они плохо растворяются в воде, но хорошо — в органических растворителях.

Химические свойства ароматических углеводородов

Реакции замещения. Ароматические углеводороды вступают в реакции замещения.

1. Бромирование. При реакции с бромом в присутствии катализатора, бромида железа (III), один из атомов водорода в бензольном кольце может замещаться на атом брома:

2. Нитрование бензола и его гомологов. При вза­имодействии ароматического углеводорода с азот­ной кислотой в присутствии серной (смесь серной и азотной кислот называют нитрующей смесью) происходит замещение атома водорода на нитро­группу — NO

2:

Восстановлением нитробензола получают ани­лин — вещество, которое применяется для полу­чения анилиновых красителей:

Эта реакция носит имя русского химика Зинина.

Реакции присоединения. Ароматические соеди­нения могут вступать и в реакции присоединения к бензольному кольцу. При этом образуются цикло­гексан и его производные.

1. Гидрирование. Каталитическое гидрирование бензола протекает при более высокой температуре, чем гидрирование алкенов:

2. Хлорирование. Реакция идет при освещении ультрафиолетовым светом и является свободнора­дикальной:

Химические свойства ароматических углеводородов — конспект

Гомологи бензола

Состав их молекул отвечает формуле C_nH_2n-6. Ближайшие гомологи бензола:

Все следующие за толуолом гомологи бензола имеют изомеры. Изомерия может быть связана как с числом и строением заместителя (1, 2), так и с положением заместителя в бензольном кольце (2, 3, 4). Соединения общей формулы C₈H₁₀:

По старой номенклатуре,   употребляемой для указания относительного расположения двух одина­ковых или   разных заместителей в бензольном коль­це, используют приставки орто- (сокращенно о-) — заместители расположены у соседних атомов   углерода, мета- (м-) — через   один атом углерода и пара- (п-) — заме­стители   друг против друга.

Первые члены гомоло­гического ряда бензола — жидкости со специфическим запахом. Они легче воды. Являются хорошими растворителями. Гомологи бензола вступают в реак­ции замещения:

бромирование:

нитрование:

Толуол окисляется перманганатом при нагрева­нии:

Шпаргалка

Справочный материал для прохождения тестирования:

Таблица Менделеева Таблица растворимости

www.chem-mind.com

Рациональная номенклатура предельных углеводородов (алканов)

Каждый член ряда метана (со всеми возможными изомерами) имеет особое наименование, оканчивающееся на ан. Корни названий первых четырех гомологов являются случайными. Так, углеводород СН4 называется метаном, С2Н6 — этаном, C3H8— пропаном, С4Н10—бутаном. Названия следующих гомологов производятся от греческих названий чисел: С5Н12 — пентан, С6Н14—гексан, C7H16 — гептан и т. д., с тем исключением, что название углеводорода С9Н20 — нонан производится от латинского числительного, а в названии углеводорода С11Н24 — ундекан имеются латинский и греческий корни (в части иностранной литературы его называют хендекан, чтобы оба корня были греческими). Чтобы отличить по названию отдельные изомеры, употребляются различные приемы. Прежде всего отличают «нормальные углеводороды», или углеводороды с «нормальными» углеродными цепями, т. е. с такими цепями, в которых ни один атом углерода не связан более чем с двумя другими атомами углерода. Строение нормальных углеводородов можно выразить общей формулой СН3—(СН2)m—СН3. Остальные изомеры называются «изоуглеводородами» или углеводородами с «разветвленными» углеродными цепями. Так, из двух изомерных бута-нов один называется нормальным бутаном (обычно пишут н-бутан), другой — изобутаном. Чтобы различить изомерные углеводороды, рационально применять названия, включающие наименования углеводородных остатков (радикалов), входящих в состав молекулы данного углеводорода. Названия радикалов производятся от названий соответствующих углеводородов с изменением окончания ан на ил, например СН3—метил, C2H5—этил и т. п. Исключение составляет радикал С5Н11, для которого принято название амил (а не пентил). Для всех радикалов этого рода принято общее наименование алкилы. Пользуясь такой номенклатурой, один из изомерных пентанов называют диметилэтилметаном, а другой — тетраметилметаном так как первый углеводород можно рассматривать как метан, в котором два атома водорода замещены на метилы и один — на этил, второй углеводород — как метан, в котором все четыре атома водорода замещены на метилы. Предыдущая страница | Сдедующая страница | Содержание

www.xumuk.ru

Алканы

Углеводороды — это органические соединения, состоящие из двух элементов — углерода и водорода. Алканы — название предельных углеводородов по международной номенклатуре. Парафины — исторически сохранившееся название предельных углеводородов.

В молекулах этих соединений все валентные связи углерода и водорода полностью насыщены. Вот почему эти углеводороды не способны к реакциям присоединения. В этой связи данному классу углеводородов можно дать такое определение: Углеводороды с общей формулой C_nH_2n+2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами или алканами (парафинами).

Простейшим представителем предельных углеводородов является метан.

Строение молекулы метана.

Молекулярная формула метана CH₄. Так как в гибридизации участвуют s — электрон и три p — электрона, то такой ее вид называется sp³ — гибридизацией. Валентный угол: 109 градусов.

Гомологи метана.

Существует много углеводородов, сходных с метаном, т.е. гомологов метана (греч. «гомолог» — сходный). В из молекулах имеются два, три, четыре и более атомов углерода. Каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов CH₂. Например, если мысленно к молекуле метана CH₄ добавить группу CH₂ (группу CH₂ называют гомологической разностью), то получается следующий углеводород ряда метана — этан C₂H₆ и т.д.

Гомологический рад метана.

CH₄ — Метан

C₂H₆ — Этан

C₃H₈ — Пропан

C₄H₁₀ — Бутан

C₅H₁₂ — Пентан

C₆H₁₄ — Гексан

C₇H₁₆ — Гептан

C₈H₁₈ — Октан

C₉H₂₀ — Нонан

C₁₀H₂₂ — Декан

Изомерия и номенклатура.

Для составления названий предельных углеводородов с разветвленной цепью принимают, что во всех молекулах атомы водорода замещены различными радикалами. Для определения названий данного углеводорода придерживаются определенного порядка:

1. Выбирают в формуле наиболее длинную углеродную цепь и символы атомов углерода нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление.
2. Называют радикалы (начиная с простейшего) и при помощи цифр указывают место у нумерованных атомов углерода. Если у одного и того же атома углерода находятся два одинаковых радикала, тогда номер повторяют дважды. Число одинаковых радикалов указывают при помощи чисел на греческом языке («ди» — два, «три» — три, «тетра» — четыре и т.д.)
3. Полное название данному углеводороду дают по числу атомов углерода в нумерованной цепи.

Нахождение в природе.

Простейший представитель предельных углеводородов — метан — образуется в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Этим объясняется появление пузырьков газа в заболоченных водоемах. Иногда метан выделяется из каменноугольных пластов и накапливается в шахтах. Метан составляет основную массу природного газа (80 -97%). Он содержится и в газах, выделяющихся при добыче нефти. В состав природного газа и нефтяных газов входят также этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ и некоторые другие. Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержаться в нефти.

Физические свойства.

Метан — газ без цвета и запаха, почти в 2 раза легче воздуха, мало растворим в воде. Этан, пропан, бутан при нормальных условиях — газы, от пентана до пентадекана — жидкости, а следующие гомологи — твердые вещества. С увеличением относительных молекулярных масс предельных углеводородов закономерно повышаются их температуры кипения и плавления.

---

Другие заметки по химии

edu.glavsprav.ru