Ароматичні вуглеводні, звані ще аренами, представлені органічними речовинами. В складі їх молекул присутні одна або кілька бензольних ядер (кілець). Бензол, також званий бензеном, – перший представник гомологічного ряду аренів. Хімічні властивості, будова молекули та типи хімічних зв’язків в його молекулі мають ряд особливостей. Ми розглянемо їх в нашій статті, а також познайомимося з іншими сполуками, що входять до групи ароматичних вуглеводнів.
Як встановили структурну формулу аренів
У 1865 році німецький вчений Ф. Кекуле запропонував просторову модель найпростішого арена – бензолу. Вона мала вигляд плоского шестикутника, у вершинах якого перебували атоми вуглецю, які з’єднувалися між собою трьома простими та подвійними зв’язками, що чергуються один з одним. Однак виявлені експериментальним шляхом хімічні властивості аренів не відповідали запропонованої Ф. Кекуле формулою. Наприклад, бензол не обесцвечивал розчин перманганату калію і бромну воду, що вказувало на відсутність в молекулах аренів пі-зв’язків. Яке ж будову бензолу насправді? Ні одинарних, ні подвійних зв’язків у ароматичних вуглеводнів немає. Дослідним шляхом встановлено, що ці сполуки містять між атомами вуглецю рівноцінний тип хімічного зв’язку, що отримала назву полуторним, або ароматичної. Саме тому вони не вступають в реакцію окислення з розчинами KMnO4 і Br2. Виведена загальна формула аренів – c n h 2n-6. Усі специфічні властивості ароматичних сполук можна пояснити їх електронним будовою, яке ми розглянемо далі.
Електронна формула
На прикладі бензолу встановимо, як пов’язані між собою атоми карбону. З’ясувалося, що всі шість вуглецевих атомів знаходяться у вигляді sp2-гібридизації. Карбон сполучений з атомом водню і двома сусідніми вуглецевими атомами трьома сигма-зв’язками. Ось завдяки чому формується плоска шестикутна форма молекули. Однак у кожного карбонового атома залишається ще по одній негативно зарядженої частинки, не задіяної в гібридизації. Її електронне хмара має вигляд гантелі і розташовується над і під площиною шестикутника, званого бензольным кільцем. Далі усі шість гантелей перекриваються і утворюють загальну ароматичну (полуторну) зв’язок. Саме вона і обумовлює всі фізичні і хімічні характеристики речовин. Таке електронна будова аренів.
Що таке бензол?
Краще зрозуміти особливості ароматичних вуглеводнів допоможе знайомство з першим представником цього класу – бензеном. Легко рухлива, горюча безбарвна рідина зі своєрідним запахом, не розчинна у воді, – це бензол. Як саме з’єднання, так і його токсичні пари. Згідно з загальною формулою аренів кількісний і якісний склад молекули речовини можна виразити в такому вигляді: C6H6. Як і для інших ароматичних вуглеводнів – толуолу, антрацену або нафталіну, для бензолу типовими будуть реакції горіння і заміщення атомів водню бензольного ядра. Особливістю жорсткого окислення всіх ароматичних сполук є сильно закіптюжене полум’я. Суміш парів бензолу з повітрям вибухонебезпечна, тому всі досліди з речовиною в лабораторії проводяться тільки у витяжній шафі. Бензол, як і інші ароматичні речовини, не приєднує ні воду, ні галогеноводороды. Він також не знебарвлює розчин перманганату калію і бромну воду. Гомологи бензолу, наприклад толуол або кумол, можуть окислюватися, в цьому випадку реакції піддається не саме бензольное кільце, а тільки радикал.
Хімічні властивості аренів
До яких же реакцій здатні сполуки, що містять у своєму складі бензольні кільця і полуторну зв’язок між атомами вуглецю? Це, насамперед, реакції заміщення, що проходять у них набагато легше, ніж у алканів. Уявімо запис каталітичної реакції між бензолом і бромом з участю броміду тривалентного заліза, що призводить до утворення бромбензола – нерозчинної у воді безбарвної рідини:
C6H6+ Br2→ C6H5Br +HBr
Якщо в процесі застосовувати хлористий алюміній як каталізатор, можна добитися повного заміщення в молекулі бензолу всіх водневих атомів. В цьому випадку утворюється гексахлорбензол, безбарвні кристали якого застосовують методи захисту насіння культурних рослин і в процесах обробки деревини для продовження термінів її зберігання. Для більш повної характеристики аренів додамо деякі факти. Щоб ароматичні сполуки могли приєднувати інші речовини, наприклад хлор, потрібні спеціальні умови. В нашому випадку це буде ультрафіолетове опромінення реагуючої суміші. Продуктом реакції буде гексахлорциклогексану, або, як його ще називають, гексахлоран. Це відоме у сільському господарстві засіб – інсектицид, який застосовується для боротьби з комахами-шкідниками.
Як і для чого отримують нітробензол?
Продовжимо огляд хімічних властивостей аренів. Застосовуючи в одній реакції концентровані азотну і сульфатну кислоти (нітрит суміш), можна з бензолу отримати важливий для органічного синтезу продукт – нітробензол. Це рідина блідо-жовтого кольору, масляниста на вигляд, має мигдальний запах. Вона нерозчинна у воді, але часто використовується як розчинник для багатьох органічних речовин: лаків, жирів і т. д. Нітробензол є многотоннажным продуктом, так як використовується в якості сировини для отримання аніліну. Ця речовина настільки значуще для хімічної промисловості, що варто зупинитися на ньому більш докладно. Відомим російським хіміком Н.Н. Зініним в 1842 році з нітробензолу реакцією відновлення сульфідом амонію був отриманий анілін. У сучасних умовах набув поширення контактний метод, при якому суміш парів водню і нітробензолу пропускають при температурі 300 °C над каталізатором. Отриманий ароматичний амін в подальшому використовують для виробництва вибухових речовин, барвників, лікарських препаратів.
З чого добувають ароматичні вуглеводні?
Найбільш перспективним є одержання аренів з продукту коксування кам’яного вугілля і в процесі нафтопереробки. Циклопарафины, що містяться в кам’яновугільній смолі, піддають гідрогенізації над каталізатором при температурі до 300 °C, продуктом реакції буде бензол. Дегідрування алканів також призводить до утворення ароматичних вуглеводнів. Реакція Зелінського-Казанського бензол отримують з этина, пропускаючи його через трубку з активованим вугіллям, розігріту до 600 °C. Одержання аренів, наприклад толуолу, здійснюють за допомогою реакції Фріделя – Крафтса. Можна також добувати метилбензол (толуол), використовуючи гептан. Отримані види аренів застосовують як розчинники і добавки до моторного палива, у виробництві анілінових барвників і отрутохімікатів.
Нафталін
В 50-70-х роках минулого століття одним з улюблених засобів захисту хутряних і вовняних виробів від молі в побуті був нафталін. При його тривалому застосуванні одяг набувала характерний, дуже стійкий запах. Однак більш важливим є застосування нафталіну в якості сировини для синтезу лікарських засобів, барвників, вибухових речовин. Основні способи його отримання засновані на переробці продуктів нефтеперегонки і відходів етиленового виробництва – піролізної смоли. Речовина, на відміну від бензолу, містить два бензольних ядра, тому реакції нітрування і галогенирования проходять у нього швидше. Продовжуючи наводити приклади аренів, зупинимося на ще одному важливому для промисловості ароматичному вуглеводні – винилбензоле.
Стірол
Сучасна індустрія будівельних матеріалів неможлива без полімерних матеріалів: легенів в обробці, міцних і зносостійких. Полімери, отримані з вінілбензола, наприклад, такі, як пінопласт (спінений полістирол), пластики САН і АБС, що використовуються у виробництві натяжних стель, підлогових покриттів, утеплювачів стін. Стирол отримують з етилбензолу у вигляді безбарвної, горючої рідини зі своєрідним запахом. Надалі її піддають полімеризації і видобувають тверду склоподібну масу – полістирол. Він і служить вихідним продуктом у виробництві вищеназваних будівельних матеріалів. Вінілбензол застосовують в якості розчинника використовують поряд з бутадієном у реакції полімеризації, що призводить до синтезу бутадієн-стирольних каучуків.
Номенклатура ароматичних сполук
Назва аренів за міжнародною класифікацією ІЮПАК включає в себе позначення заступника, до якого додають слово “бензол”. Наприклад, C6H5CH3 – метилбензол, C6H5C2H3 – вінілбензол. У цих сполук є і тривіальні назви, так, перше з’єднання іменують толуолом, друге – стиролом. Арени можуть містити два заступника, наприклад два метильних радикала. Вони здатні приєднуватися до карбоновому циклу в трьох позиціях: при 1 і 2 вуглецевих атомах, тоді говорять про ортоположении заступників. Якщо радикали розташовуються при 1 і 3 карбонових частинках, то мова йде про місцезнаходження заступників, при 1 і 4 атомах вуглецю – це паразамещение. Вищі гомологи бензолу можна представити як похідні насичених вуглеводнів, у молекулах яких один атом водню заміщений фенильным радикалом C6H5-. Наприклад, з’єднання з формулою C6H5C6H13 буде мати назву “фенилгексан”.
У нашій статті ми вивчили хімічні властивості аренів, а також дали характеристику їх властивостей і застосування в промисловості.
