Текст учебника. Урок 8. Арены. Бензол: строение и свойства

Арены. Бензол: строение и свойства

Арены. Бензол: молекулярная и структурная формула

Арены (ароматические углеводороды) – это класс углеводородов, в молекулах которых содержится одно или несколько бензольных колец. Простейшим и самым важным представителем этого класса является бензол.

Молекулярная формула бензола — C₆H₆. Эта формула указывает на высокую ненасыщенность вещества. Если сравнить его с предельным углеводородом гексаном (C₆H₁₄), становится ясно, что бензолу для насыщения не хватает 8 атомов водорода. Однако его химические свойства кардинально отличаются от свойств непредельных углеводородов, например, этилена C₂H₄. В чём же причина этой аномалии? Ответ кроется в особом строении молекулы бензола.

Строение бензольного кольца. Сопряжение.

В 1865 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле предложил циклическую формулу бензола с чередующимися одинарными и двойными связями. Однако дальнейшие исследования показали, что все связи между атомами углерода в бензоле равноценны и имеют одинаковую длину, промежуточную между длиной одинарной и двойной связи.

Современные представления о строении бензола:

1. Атомы углерода в молекуле бензола находятся в состоянии sp²-гибридизации.

2. Каждый атом углерода образует три σ-связи: две с соседними атомами углерода и одну с атомом водорода. Все эти связи лежат в одной плоскости, а углы между ними составляют 120°.

3. Шесть атомов углерода и шесть атомов водорода образуют плоский правильный шестиугольник.

4. Негибридные p-орбитали каждого атома углерода расположены перпендикулярно плоскости кольца и параллельно друг другу. Они попарно перекрываются не между двумя, а между всеми шестью атомами углерода, образуя единое π-электронное облако (делокализованную связь), которое охватывает всё бензольное кольцо.

Это явление взаимодействия множества соседних p-орбиталей в циклической системе называется сопряжением. Энергия такой сопряжённой системы значительно ниже, чем энергия системы с локализованными двойными связями, что придаёт молекуле бензола особую устойчивость (ароматичность).

Строение бензола принято изображать в виде правильного шестиугольника с окружностью внутри, которая символизирует единое π-электронное облако и равноценность всех связей.

Химические свойства бензола

Уникальное строение молекулы бензола — наличие устойчивой сопряжённой системы — определяет его химические свойства. Для бензола наиболее характерны реакции замещения, которые протекают легче, чем реакции присоединения, так как в результате замещения ароматическая система сохраняется.

Реакции замещения

1. Галогенирование
Бензол вступает в реакции с хлором или бромом только в присутствии катализаторов — галогенидов алюминия или железа(III) (AlCl₃, FeBr₃). Катализатор поляризует молекулу галогена, способствуя атаке электрофильной частицей электроноизбыточного бензольного кольца.

C₆H₆ + Br₂ →(FeBr₃)→ C₆H₅Br + HBr

Продукт реакции: бромбензол.
Важно: в отличие от алкенов, бензол не обесцвечивает бромную воду без катализатора.

2. Нитрование
Бензол реагирует с азотной кислотой при нагревании и в присутствии концентрированной серной кислоты, которая выступает в роли водоотнимающего средства. Смесь концентрированных азотной и серной кислот называется нитрующей смесью.

C₆H₆ + HNO₃ (конц.) →(H₂SO₄, t°)→ C₆H₅NO₂ + H₂O

Продукт реакции: нитробензол — желтоватая жидкость с запахом горького миндаля.

Реакции присоединения

Реакции присоединения к бензолу идут с трудом, так как они приводят к разрушению устойчивой ароматической системы и требуют жёстких условий (высокие температура, давление, катализаторы).

Гидрирование
Присоединение водорода к бензолу происходит при нагревании под давлением в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt, Pd). В результате бензол превращается в предельный циклический углеводород — циклогексан.

C₆H₆ + 3H₂ →(t°, p, Ni)→ C₆H₁₂

Горение
Как и большинство углеводородов, бензол горит на воздухе ярким коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода в его молекуле.

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O

Вывод

Таким образом, химическое поведение бензола является прямым следствием его особого электронного строения. Устойчивая сопряжённая система делает реакции замещения, сохраняющие ароматичность, энергетически более выгодными, чем реакции присоединения, разрушающие её. Это фундаментальное свойство известно как ароматичность и является общим для всех аренов.