Лабораторная работа № 4. Арены (Ароматические углеводороды)

Методика проведения исследования:

Цель работы: изучение химических свойств аренов на примере бензена и нафталена.

Оборудование: пробирки, водяная баня, спиртовки, стеклянные палочки.

Реактивы: бензен; бромная вода, насыщенный раствор; железные опилки; толуен; раствор брома в четыреххлористом углероде; о-ксилен; перманганат калия, 0,5%-ный раствор; серная кислота, 10%-ный раствор; кислота серная концентрированная (ρ=1,84 г/ мл³); нафтален (порошок); раствор брома в четыреххлористом углероде; азотная кислота (ρ=1,4 г/мл³).

Методика проведения исследования:

Опыт 1. ОТНОШЕНИЕ БЕНЗЕНА К БРОМУ.

Выполнение работы.

В пробирке встряхивают 10 капель бензена с 10 каплями бромной воды. Окраска брома не исчезает, так как бром с бензеном при обычных условиях не взаимодействует, хотя бензен при этом окрашивается в желто-бурый цвет благодаря растворению брома.

Присутствие катализаторов способствует реакции замещения атомов во­дорода в ядре бензена.

В пробирку к 10 каплям бензена прибавляют 10 капель раствора брома в четыреххлористом углероде и добавляют 0,5 г железных опилок в качест­ве катализатора. Смесь нагревают на водяной бане и наблюдают за выделением бромистого водорода, что указывает на происходящее бромирование бензена. Бромирование бензена приводит к образованию бромбензена. При дальнейшем галогенировании образуется смесь, состоящая из орто-дибромбензена и пара-дибромбензена.

Химизм процесса:

ОПЫТ 2. ОТНОШЕНИЕ ГОМОЛОГОВ БЕНЗЕНА К БРОМУ.

Выполнение работы.

Гомологи бензена галогенируются значительно легче, чем бензен. Причем в зависимости от условий галоген замещает атомы водорода в бензеновом ядре или в боковой цепи.

К 10 каплям толуена прибавляют 10-15 капель раствора брома в четыреххлористом углероде, вносят 0,1-0,2 г железных опилок и смесь нагревают. Постепенно наблюдается исчезновение окраски брома и энергичное выделение бромистого водорода. При этом образуются орто- и пара-бром-толуены:

CH₃

CH₃

CH₃

-2HBr

Br

2

+

2Br₂

+

Br

Если реакцию бромирования толуена вести при нагревании и на свету в отсутствии катализаторов, то бром замещает водород в боковой цепи с образованием бромистого бензила:

ОПЫТ 3. ОКИСЛЕНИЕ БЕНЗЕНА И ЕГО ГОМОЛОГОВ.

Выполнение работы.

В пробирку наливают 10 капель бензена и прибавляют 10 капель 0,5% раствора перманганата калия, 2-3 капли 10% раствора серной кислоты и взбалтывают. Изменения окраски перманганата калия не наблюдается даже при нагревании, что указывает на устойчивость бензенового ядра к окислителям.

Гомологи бензена способны окисляться с образованием ароматических карбоновых кислот.

Берут две пробирки. В одну пробирку наливают 10 капель толуена, во вторую – столько же орто-ксилена. В каждую добавляют по 1 капле 0,5 % раствора перманганата калия и 2-3 капли 10% раствора серной ки­слоты. При встряхивании и осторожном нагревании окраска перманганата калия изменяется, и выделяется бурая двуокись марганца. Каждая боковая цепь при этом окисляется в карбоксильную группу. Толуен окисляется до бензойной кислоты, а орто-ксилен - до фталевой кислоты:

ОПЫТ 4. БРОМИРОВАНИЕ НАФТАЛЕНА.

Выполнение работы.

В сухую пробирку помещают несколько кристаллов нафталена, приливают 4 капли раствора брома и энергично встряхивают содержимое пробирки. Нафтален постепенно растворяется и бромируется на холоде. Доказательством того, что нафтален бромируется, служит исчезновение окраски брома и выделение пузырьков бромистого водорода, дымящего на воздухе.

В другую пробирку помещают такое же количество нафталена и брома и нагревают содержимое пробирки до кипения. Бромирование нафталена идет значительно быстрее при нагревании.

Химизм процесса:

При действии на нафтален хлора или брома получаются α - галогенопроизводные, β– изомеры получают путем диазореакции. Для нафталена характерна повышенная реакционная способность α - положения в реакциях замещения.

ОПЫТ 5. НИТРИРОВАНИЕ НАФТАЛЕНА.

Выполнение работы.

В пробирку помещают несколько кристаллов нафталена и приливают 5 капель азотной кислоты. Содержимое пробирки перемешивают стеклянной палоч­кой и нагревают в слабо кипящей водяной бане 1-2 мин. Горячий раствор выливают в пробирку с холодной водой. Нитронафтален опускается на дно в виде оранжевой маслянистой жидкости, затвердевающей при взбалтывании.

Химизм процесса:

Нитрование нафталена идет значительно легче, чем в ряду бензола. Поэтому вместо нитрующей смеси можно применять концентрированную азотную кислоту. При нитровании нафталена получается α - нитронафтален. Более энергичное нитрование приводит к образованию 1,5- и 1,8-динитронафталенов; β - нитронафтален получается диазотированием β – нафтиламина в азотнокислом растворе в присутствии оксида меди (I) Cu₂O (обмен диазо-группы на NO₂).

ОПЫТ 6. СУЛЬФИРОВАНИЕ НАФТАЛЕНА.

Выполнение работы.

В сухую пробирку помещают несколько кристаллов нафталена, нагревают в пламени горелки до плавления и охлаждают. К затвердевшему нафталену приливают 5 капель концентрированной серной кислоты и осторожно нагревают смесь при постоянном взбалтывании до получения однородной массы. После этого дают содержимому пробирки остыть. К полученной сульфомассе добавляют 6 капель воды, слегка нагревают и охлаждают до 10 – 12⁰С. Выделяются кристаллы β- нафталенсульфокислоты.

Химизм процесса:

Если на нафтален действовать серной кислотой при 80⁰С, получается почти исключительно α–нафталенсульфокислота. При 160⁰С получается β-нафталенсульфокислота. При промежуточных температурах получается равновесная смесь обоих изомеров:

Сульфокислоты нафталена – важнейшие промежуточные соединения для получения более сложных производных ряда нафталена.