Арены и бензол

Формула бензола C₆H₆ содержит заметно меньше водорода, чем формула гексана C₆H₁₄. Но бензол не повторяет поведение обычного алкена с несколькими двойными связями. Его шесть атомов углерода образуют особую устойчивую электронную систему. Чтобы правильно предсказывать реакции, нужно учитывать эту систему, а не только подсчитывать недостающие атомы H.

Арены и бензольное кольцо

Арены — ароматические углеводороды. В начальном курсе их рассматривают прежде всего на примере бензола и его производных, содержащих бензольное кольцо и состоящих только из углерода и водорода.

Слово «ароматический» обозначает особенности электронного строения, а не обязательный приятный запах. Не каждое кольцо является ароматическим: циклогексан также имеет шесть атомов C в цикле, но другую систему связей и формулу C₆H₁₂.

В молекуле бензола атомы углерода образуют плоский правильный шестиугольник. Каждый связан с двумя соседними C и одним H; углы близки к 120°. В школьной модели каждый C находится в sp²-состоянии. Оставшиеся p-орбитали взаимодействуют вокруг всего кольца, образуя общую систему с шестью π-электронами.

Все шесть связей C–C в бензоле равноценны. Две формулы с чередующимися одинарными и двойными связями — способы представить одну делокализованную систему, а не две молекулы, быстро превращающиеся друг в друга.

Для краткой записи кольцо иногда обозначают шестиугольником с окружностью. Делокализация связана с дополнительной устойчивостью. Поэтому реакции, сохраняющие ароматическое кольцо, часто протекают легче, чем присоединение, которое нарушает его систему.

Названия, гомологи и изомеры

Замена одного H бензола на CH₃ даёт метилбензол, или толуол; замена на C₂H₅ — этилбензол. Формулы удобно записывать через фенильный фрагмент C₆H₅–:

C₆H₅–CH₃ — толуол, C₇H₈.

C₆H₅–CH₂–CH₃ — этилбензол, C₈H₁₀.

Для углеводородов с одним бензольным кольцом и насыщенными ациклическими боковыми цепями общая формула — C_nH_2n−6, n ≥ 6. Она не является формулой всех ароматических веществ: несколько колец или дополнительные кратные связи меняют соотношение атомов.

Если в кольце два одинаковых заместителя, важны их взаимные положения. Для диметилбензолов, или ксилолов, существуют три варианта:

Позиции 1,5 для двух одинаковых групп не создают четвёртый изомер: после перенумерации кольца это вариант 1,3. При одном заместителе все исходные положения H бензола равноценны, поэтому отдельные позиционные изомеры метилбензола не возникают.

Характерные реакции бензола

Для бензола характерно электрофильное замещение: атом H кольца заменяется другой группой. Например, бромирование проводят при подходящем катализе, обычно FeBr₃:

C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (FeBr₃).

Один атом Br входит в кольцо вместо H; второй образует HBr. Это не присоединение Br₂ с превращением бензола в обычный дибромид. Без необходимого катализа бензол при комнатной температуре не обесцвечивает бромсодержащий реагент так, как типичный алкен.

Нитрование вводит группу NO₂. В кислой среде при участии серной кислоты суммарное уравнение записывают так:

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O (H₂SO₄).

Продукт — нитробензол. Сохранившееся число атомов углерода не означает, что любое соединение с шестью C является углеводородом: нитробензол содержит также N и O.

Присоединение к бензолу возможно, но требует специальных условий. При полном каталитическом гидрировании с нагреванием и повышенным давлением образуется циклогексан:

C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂.

Продукт имеет углеродное кольцо, но уже не ароматичен. При полном сгорании бензола образуются углекислый газ и вода:

2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O.

Кольцо и боковая цепь

У толуола различают реакции ароматического кольца и метильной группы. При хлорировании с FeCl₃ преимущественно замещается H кольца, причём образуется смесь позиционных продуктов. В условиях радикального процесса, например при освещении, возможно замещение H боковой цепи:

C₆H₅CH₃ + Cl₂ → C₆H₅CH₂Cl + HCl (свет, первая ступень).

При дальнейшем замещении состав продуктов меняется. Одинаковые исходные формулы без указания условий не задают единственный продукт. Бензол и многие его гомологи плохо растворяются в воде; применение в синтезе связано с их конкретными свойствами, а не с принадлежностью к «пахучим веществам».

Три разобранных примера

1. Какие арены имеют C₈H₁₀?

После выделения бензольного кольца остаются два атома C для насыщенных заместителей. Они могут образовать одну этильную группу или две метильные. В первом случае получается этилбензол; во втором — три ксилола. Итого четыре структурных изомера среди рассматриваемых одноядерных аренов. Формула сама по себе не исключает другие, неароматические классы.

2. Масса продукта монобромирования

Для 7,8 г бензола M ≈ 78 г/моль. Если образуется только продукт монобромирования и превращение полное, при достаточном количестве Br₂:

n(C₆H₆) = 7,8 / 78 = 0,10 моль.

m(C₆H₅Br) ≈ 0,10 · 157 = 15,7 г.

Масса продукта больше массы бензола, поскольку часть брома вошла в его состав. Это теоретический расчёт по заданной модели.

3. Расход водорода

Для полного гидрирования 3,9 г бензола нужно втрое больше молей H₂:

n(H₂) = 3 · (3,9 / 78) = 0,15 моль; m(H₂) ≈ 0,30 г.

Коэффициент 3 соответствует превращению ароматической системы в насыщенное кольцо.

Частые ошибки

• Считать бензол обычным циклогексатриеном с тремя независимыми алкеновыми связями.
• Приписывать ароматичность любому циклическому соединению.
• Записывать один H₂ для полного гидрирования бензола.
• Не различать замещение в кольце и в боковой цепи толуола.

Пять заданий

1. Чему равна молекулярная формула этилбензола?
2. Почему 1,2-, 1,3- и 1,4-диметилбензолы различаются, хотя имеют одинаковый состав?
3. Какой тип превращения приводит от бензола и Br₂ к бромбензолу?
4. Сколько O₂ требуется для полного сгорания 0,20 моль бензола?
5. Какой фрагмент толуола меняется при первой ступени радикального хлорирования на свету?

Ответы с объяснениями

1. C₈H₁₀: фрагмент C₆H₅ и группа C₂H₅ дают восемь C и десять H.
2. У них разный порядок соединения атомов: метильные группы занимают разные относительные положения в кольце. Это позиционные структурные изомеры.
3. Замещение H на Br при подходящем катализе. Ароматическое кольцо сохраняется, побочный продукт — HBr.
4. По коэффициентам на моль бензола нужно 7,5 моль кислорода:

   n(O₂) = 0,20 · 7,5 = 1,50 моль.

5. Метильная боковая цепь CH₃ превращается в CH₂Cl. Это отличается от каталитического замещения H самого кольца.

Связанные темы и источники

Сравните алкены, алкины и виды изомерии; происхождение сырья раскрывает статья о природном газе, нефти и угле.

Для проверки фактов: OpenStax — строение и устойчивость бензола и ароматическое замещение.