2. Изомерия и номенклатура

При замещении водородных атомов в молекуле бензола различными радикалами образуются гомологи бензола: метилбензол (толуол) и этилбензол, пропилбензол и т.д. Если в молекуле бензола атомы водорода замещены двумя радикалами, то образуются ор-

то-, мета- и пара-производные бензола. Другой способ наименования таких веществ состоит в том, что атомы углерода в формулах нумеруют. Обозначения орто, мета и пара пишут сокращенно: о-, м-, n-. Известны ароматические соединения, в боковых цепях которых имеются радикалы непредельных углеводородов. Простейшим представителем таких углеводородов является винилбензол, или стирол (С₆Н₅ ─ СН = СН₂).

3. Получение

Важнейшими источниками ароматических углеводородов являются каменноугольная смола, газы, образующиеся при коксовании (пиролизе) углей, продукты переработки нефти.

1. Ученый Н. Д. Зелинский доказал, что бензол образуется из циклогексана, выделяемого из некоторых сортов нефти

С₆Н₁₂ С₆Н₆ + 3Н₂↑

2. В присутствии оксидных катализаторов н-гексан тоже превращается в бензол

С₆Н₁₄ С₆Н₆ + 4Н₂↑

3. Если пропустить ацетилен при 450—500 °С над активированным углем, то он превращается в бензол

3НС ≡ СН С₆Н₆

4. Перегонка солей бензойной кислоты со щелочами

+ +

5. Гомологи бензола получают по реакции Шарля Вюрца (1817-1884) – Рудольфа Фиттига (1835-1910)

+2NaCℓ + CℓCH₃ → + 2NaCℓ

хлорбензол толуол

6. По реакции Шарля Фриделя (1832-1899) - Джеймса Крафтса (1839-1917) – Гавриила Гаврииловича Густавсона (1842-1908), реакции алкилирования бензола протекает по схеме

+ + НСℓ

бензол толуол

7. Алкилирование бензола непредельными соединениями протекает по схеме

+

бензол изопропилбензол (кумол)

4. Химические свойства

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делока-лизация шести π-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов.

Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности. Для них наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Наличие областей повышенной π-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для ароматических соединений наиболее типичны реакции электро-фильного замещения. Другие реакции (присоединение, окисление) идут с трудом:

1. Галогенирование. Замещение атома водорода в бензольном кольце на галоген происходит в присутствии катализаторов (кислот Гильберта Льюиса (1875-1946))

_{С6Н6 + Cℓ2 C6H5Cℓ + HCℓ}

хлорбензол

2. Нитрование. Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот)

С₆Н₆ + НОNO₂ C₆H₅NO₂ + H₂O

нитробензол

3. Алкилирование (реакция Фриделя-Крафтса). Замещение атома водорода в бен-зольном кольце на алкильную группу (алкилирование) происходит под действием алкилгалогенидов или алкенов в присутствии катализаторов (кислот Льюиса) (см. получение).

4. Реакции замещения производных бензола. Метильный радикал в молекуле толуола - донор электронов (индуктивное влияние (I+)) смещает электронную плотность в сторону бензольного кольца. Это приводит к повышению электронной плотности в орто- и пара-положениях, тем самым облегчая реакции электрофильного замещения в этих положениях. Поэтому, если бензол нитруется, галогенируется с образованием монозаме-щенных производных, то толуол нитруется и галогенируется, с образованием трех заме-щенных

О₂N NO₂

+ + 3Н₂О

NO₂

тринитротолуол