Арене: хемијске особине и методе производње
Ароматична хемијска једињења, или арене, су велика група карбоцикличних једињења чији молекули садрже стабилан циклус од шест атома угљеника. Зове се "бензенски прстен" и изазива посебне физичке и хемијске особине арена.
Бензен и његови различити хомологи и деривати првенствено се односе на ароматичне угљоводонике.
Молекули Арена могу да садрже неколико бензенских прстена. Таква једињења се називају ароматична једињења са више језгара. На пример, нафтален је добро познати лек за заштиту вунених производа од мољаца.
Бензен
Овај најједноставнији представник арена састоји се само од бензенског прстена. Његова молекуларна формула је Ц 6. 6 . Структурна формула молекула бензена најчешће је представљена цикличном формом коју је предложио А. Кекуле 1865. године.
Предност ове формуле је исправан одраз састава и еквиваленције свих Ц и Х атома у прстену. Међутим, она није могла да објасни многе хемијске особине арена, стога је тврдња о присуству три коњуговане двоструке везе Ц = Ц погрешна. То је постало познато тек са појавом модерне теорије комуникације.
У међувремену је и данас писање формуле бензена на начин који је предложио Кекуле. Прво, згодно је писати једначине са њеном помоћи. хемијске реакције. Друго, модерни хемичари у њему виде само симбол, а не стварну структуру. Структура молекула бензена данас се преноси различитим типовима структурних формула.
Структура бензенског прстена
Главна карактеристика бензенског језгра је одсуство једноструких и двоструких веза у њему у традиционалном смислу. У складу са савременим концептима, молекул бензена изгледа као раван шестерокут са дужинама бочних страна које су једнаке 0.140 нм. Показало се да је дужина везе Ц - Ц у бензену средња вредност између једног (његова дужина је 0.154 нм) и двоструке вредности (0.134 нм). У истој равнини леже Ц-Х везе, које формирају угао од 120 ° са ивицама шестерокута.
Сваки атом Ц у структури бензена је у сп2-хибридном стању. Повезана је кроз своја три хибридна орбитала са два Ц-атома који се налазе у суседству, и један атом Н. То значи да формира три с-везе. Друга, али већ не-хибридизована 2п-орбитална, преклапа се са истим орбиталима суседних Ц атома (десно и лево). Његова оса је окомита на раван прстена, па се преклапање орбитала одвија изнад и испод ње. У овом случају формира се заједнички затворени π-електронски систем. Због еквивалентног преклапања 2п орбитала шест Ц-атома долази до неке врсте "изједначавања" Ц-Ц и Ц = Ц веза.
Резултат овог процеса је сличност таквих „једно-полних“ обвезница са двоструким и појединачним обвезницама. Ово објашњава чињеницу да арене показују хемијска својства карактеристична и за алкане и за алкене.
Енергија везе угљеник-угљеник у бензенском прстену је 490 кЈ / мол. Који је такође просек између енергија једноставних и вишеструких двоструких веза.
Арена номенклатура
Основа имена ароматичних угљоводоника је бензен. Атоми у прстену су нумерисани вишим супституентом. Ако су супституенти еквивалентни, онда се нумерисање врши најкраћим путем.
За многе бензолне хомологе, често се користе тривијална имена: стирен, толуен, ксилен, итд.
Ако у молекули постоје функционалне групе, на пример, карбонил или карбоксил, тада се молекула арене сматра као ароматски радикал повезан са њом. На пример, -Ц6'5-фенил, -Ц6'4-фенилен, Ц6'5-Ц2-2-бензил.
Пхисицал пропертиес
Први представници у хомологне серије Бензен је безбојна течност специфичног мириса. Њихова тежина је лакша од воде, у којој се практично не растварају, већ се добро растварају у већини органских растварача.
Све ароматски угљоводоници они гори са појавом димног пламена, што се објашњава високим садржајем Ц у молекулима. Тачке топљења и кључања се повећавају са повећањем вриједности молекулских маса у хомологној серији бензена.
Хемијска својства бензена
Од различитих хемијских својстава арена, реакције супституције треба посебно поменути. Врло значајне су и неке реакције адиције које се одвијају под посебним условима и процесима оксидације.
Реакције замене
Прилично мобилни π-електрони бензенског прстена, могу активно да реагују са нападним електрофилима. Сама бензенска језгра у бензену и ланац угљоводоника који је повезан са њом у својим хомологима учествују у таквој електрофилној супституцији. Механизам овог процеса је детаљно проучаван органском хемијом. Хемијска својства арена повезаних са електрофилним нападом се манифестују кроз три фазе.
- Прва фаза. Појава π-комплекса услед везивања π-електронског система бензенског језгра за Кс + честицу, која се везује за шест π-електрона.
- Друга фаза Транзиција π-комплекса у с, услед ослобађања пара од шест π-електрона пара да би се формирала ковалентна Ц-Кс веза. А остале четири су прерасподељене између пет Ц атома у бензенском прстену.
- Трећа фаза. У пратњи брзе елиминације протона из с-комплекса.
Бромирање бензена у присуству гвожђа или алуминијум бромида без загревања доводи до производње бромобензена:
Ц 6 + 6 + Бр 2 -> Ц 6-5 -Бр + Бр.
Нитрација са смешом азотне и сумпорне киселине доводи до стварања једињења са нитро групом у прстену:
Ц 6 + 6 + ООНО 2 -> Ц 6 — 5 - НО 2 + 2 О.
Сулфонирање се врши помоћу бисулфонијум-јона који је резултат реакције:
3Η 2 СО 4 3 СО 3 + + + Η 3 О + 2 ΗСО 4 - ,
или сумпор триоксид.
Одговара овој хемијској особини реакције арена:
Ц6Х6 + С03Х + - Ц6Х5-С03Х + Х + .
Реакције алкил и ацил супституције, или Фриедел-Црафтс реакција, се изводе у присуству анхидрованог АлЦл3.
Ове реакције су мало вероватне за бензен и настављају се са потешкоћама. Додавање водоникових халогенида и воде бензену се не дешава. Међутим, при веома високим температурама у присуству платине могућа је реакција хидрогенације:
Ц6 = 6 + 3Х2-> Ц6Х12.
Под ултраљубичастим зрачењем, молекули хлора се могу придружити молекулу бензена:
Ц 6 + 6 + 3Цл 2 -> Ц 6 Цл 6 Цл 6 .
Оксидационе реакције
Бензен је високо отпоран на оксидациона средства. Дакле, он не обезбоји ружичасти раствор калијум перманганата. Међутим, у присуству ванадијум оксида, може се оксидовати ваздухом из кисика до малеинске киселине:
С 6 Н 6 + 4О -> СООΗ-СΗ = СΗ-СООΗ.
У ваздуху, бензен гори са појавом чађе:
2Ц 6 + 6 + 3О2 → 12Ц + 6Η 2 О.
Хемијске особине арена
- Замена
- Халогенирање се може одвијати на различите начине у зависности од услова реакције. У присуству одговарајућег гвожђа или алуминијум халида, супституција ће се одвијати у прстену према механизму који је детаљно описан горе. У циљу увођења атома халогена у бочни ланац, реакција се изводи загревањем без катализатора или на светлу.
- Нитрација ароматских угљоводоника са нитронијум-јоном, који се формира мешањем сумпорне и азотне киселине, доводи до повезивања нитро групе са бензенским језгром. Веза нитро групе са бочним ланцем је могућа за време Коновалове реакције. 2. Оксидација. Ово хемијско својство арена може се посматрати са две тачке гледишта. Са једне стране, они се прилично лако оксидују, а бочни ланац је изложен дејству да формира карбоксилну групу. Ако су два супституента повезана са прстеном у ароматском угљоводоничном молекулу, тада се формира дибазична киселина. С друге стране, они, као и бензен, сагоревају формирањем чађе и воде.
Правила оријентације
Који положај (о-, м- или п-) замјеник ће заузети током интеракције електрофилног агенса са бензенским прстеном одређен је правилима:
- ако већ постоји било који супституент у бензенском језгру, онда је он тај који усмерава долазећу групу на одређену позицију;
- Сви оријентациони супституенти су подељени у две групе: Оријентанти прве врсте усмеравају долазну групу атома на орто и пара позиције (—Н2, –ОΗ, –ЦΗ3, –Ц2Х5, халогени); Оријентанти друге врсте усмјеравају долазне замјене на мета позицију (-Н02, -СО3 —, —ЦΗО, –ЦООΗ).
Оријентанти су овде наведени по реду смањене силе.
Важно је напоменути да је ово раздвајање супституената групе условљено, због чињенице да је у већини реакција уочено формирање сва три изомера. Оријентанти утичу само на то који ће се изомери добити у већим количинама.
Геттинг Аренас
Главни извори арена су суха дестилација угља и прерада нафте. Угљени катран садржи огромну количину свих врста ароматичних угљоводоника. Неке врсте уља садрже до 60% арена, које се лако изолују једноставном дестилацијом, пиролизом или пуцањем.
Синтетичке методе производње и хемијске особине арена су често међусобно повезане. Бензен, као и његови хомологи, добија се на један од следећих метода.
1. Реформа нафтних деривата. Дехидрогенација алкана је најважнија индустријска метода за синтезу бензена и многих његових хомолога. Реакција се врши проласком гасова преко загрејаног катализатора (Пт, Цр 2 О 3 , оксиди Мо и В) при т = 350–450 о Ц:
Ц 6 Х 14 -> Ц 6 + 6 + 4Η 2 .
2. Реакција Вурз-Фиттига. Изводи се кроз фазу добијања органометалних једињења. Као резултат, реакција може произвести неколико производа.
3. Тримеризација ацетилена. Сам ацетилен, као и његови хомологи, могу да формирају арене када се загреју са катализатором:
3Ц 2 - 2 -> Ц 6. 6 .
4. Фриедел-Црафтс реакција. Изнад је разматрана хемијска својства арена, метода производње и трансформације хомолога бензена.
5. Припрема одговарајућих соли. Бензен се може разликовати дестилацијом соли. бензојева киселина са алкалијама:
Ц6 — 5 - ЦООНа + НаОΗ -> Ц6 + 6 + На2ЦО3.
6 Кетоне Рецовери:
Ц 6 – 5 –ЦО - ЦΗ 3 + Зн + 2ΗЦл -> Ц 6 5 –ЦΗ 2 –ЦΗ 3 + 2 О + ЗнЦл 2 ;
ЦΗ 3 –Ц 6 – 5 –ЦО - ЦΗ 3 + НΗ 2 –НΗ 2 -> ЦΗ 3 –Ц 6 5 –ЦΗ 2 –ЦΗ 3 + 2 О.
Користите арене
Хемијске особине и примена арена су директно међусобно повезане, јер се већина ароматичних једињења користи за даљу синтезу у хемијској производњи и не користи се у готовом облику. Изузетак су супстанце које се користе као растварачи.
Бензен Ц6-6 се углавном користи у синтези етилбензена, кумена и циклохексана. На основу тога добијају интермедијере за производњу разних полимера: гуме, пластике, влакана, бојила, површински активне материје, инсектициде, лекове.
Толуен Ц6Х5-ЦХ3 се користи у производњи боја, лекова и експлозива.
Ксилени С 6 ( 4 (С) 3 ) 2 у мешовитом облику (технички ксилен) користе се као растварачи или као почетни препарати за синтезу органских супстанци.
Изопропил бензен (или кумен) Ц6-4ЦΗ (ЦΗ3) 2 је почетни реагенс за синтезу фенола и ацетона.
Винилбензен (стирен) Ц 6 Η 5 -ЦΗ = Η 2 је сировина за производњу најважнијег полимерног материјала - полистирена.