Ароматические углеводороды

Ароматическими углеводородами называются соединения, молекулы которых содержат особую циклическую группировку из шести атомов углерода – бензольное ароматическое ядро. Простейшим ароматическим углеводородом является бензол, состав которого отвечает формуле С₆Н₆.

Химические свойства

В молекуле бензола каждый из шести атомов углерода, находящийся в состоянии sp²-гибридизации, располагается под углом 120⁰ друг к другу, а вместе они образуют плоское шестичленное кольцо. Негибридизированные р-электроны располагаются перпендикулярно к плоскости бензольного кольца и равномерно перекрываются друг с другом над и под этой плоскостью. В результате образуется единая замкнутая система нелокализованных π-электронов и происходит «выравнивание» одинарных и двойных связей, т.е. в молекуле бензола отсутствуют классические двойные и одинарные связи. Поэтому для бензола и его гомологов не типичны реакции присоединения и окисления. Для ароматических углеводородов характерны реакции электрофильного замещения водорода на другие атомы или группы атомов.

1. Реакции электрофильного замещения. К ним относятся реакции галогенирования, нитрования, сульфирования, алкилирования и др.

а) Галогенирование: C₆H₆ + Br₂ C₆H₅−Br + HBr

бензол бромбензол

б) Нитрование: С₆Н₆ + HNO₃ C₆H₅−NO₂ + H₂O

нитробензол

в) Алкилирование: C₆H₆ + CH₃Cl C₆H₅−CН₃+ HCl

метилбензол (толуол)

C₆H₆ + CH₂=CH₂ C₆H₅−C₂H₅

этилбензол

2. Реакции присоединения. Эти реакции протекают с большим трудом. Только в особых условиях (высокая температура, облучение УФ светом, катализатор) бензол может проявлять слабо выраженный непредельный характер и присоединять водород или галогены:

С₆Н₆ + 3Н₂ С₆Н₁₂

+ 3Н₂

бензол циклогексан

С₆Н₆ + 3Cl₂ C₆H₆Cl₆

+ 3Cl₂

бензол

гексахлорциклогексан

Гомологи бензола

Гомологи бензола – это ароматические углеводороды, в бензольном кольце которых один или несколько атомов водорода замещены на алкильные радикалы.

Общая формула соединений гомологического ряда бензола C₆H_2n-6,

где n = 6,7,8,9…Простейшим гомологом бензола является метилбензол, или толуол С₆Н₅−СН₃.

Для гомологов бензола характерны те же реакции, что и для самого бензола. Однако они имеют особенность, которая заключается в том, что имеющийся в кольце заместитель оказывает влияние на положение вновь входящего заместителя. Имеется две группы заместителей.

Заместители первого рода:−OH, −NH₂, −Cl, −Br, −I, −CH₃ и другие алкилы. Эти заместители, обладая электронодонорными свойствами, смещают электронную плотность в сторону бензольного кольца. Активируя кольцо, они облегчают вхождение электрофильных реагентов и ориентируют их в орто-( 1,2) и пара-(1,4) положение.

Заместители второго рода: −NO₂, −SO₃H, −C≡N, −COOH, −CHO. Эти заместители смещают электронную плотность от бензольного кольца, т.е. обладают электроноакцепторными свойствами. Они дезактивируют бензольное кольцо, затрудняя вхождение электрофильных реагентов. При этом вновь входящий заместитель будет ориентирован в мета-(1,3) положение.

Если сравнить реакционную способность к электрофильному замещению бензола C₆H₆, нитробензола C₆H₅−NO₂, толуола C₆H₅−CH₃, анилина C₆H₅−NH₂, то наиболее реакционноспособным будет анилин, затем идет метилбензол, далее сам бензол и замыкает этот ряд нитробензол.

Химические свойства

Для гомологов бензола характерны реакции:

1. Реакции электрофильного замещения. Алкильная группа (например, −СН₃) является заместителем первого рода, поэтому в таких реакциях гомологи бензола образуют орто- и пара-продукты.

а ) Нитрование. При нитровании толуола сначала образуется смесь орто- и пара-нитротолуолов:

толуол орто-нитротолуол пара-нитротолуол

(метилбензол) (орто-нитрометилбензол) (пара-нитрометилбензол)

При дальнейшем нитровании орто- и пара-соединения превращаются в 2,4,6 тринитротолуол (тротил):

толуол

тринитротолуол (тротил)

б) Галогенирование. При галогенировании толуола с участием катализатора реакция протекает так же, как и нитрование и образуется смесь орто- и пара-хлортолуолов.

Если хлорирование толуола проводится без катализатора, то на хлор замещаются атомы водорода в боковой цепи:

+ HCl

метилбензол хлорметилбензол

2. Реакции окисления. Толуол и другие гомологи бензола окисляются легче, чем сам бензол. Окислению подвергаются боковые заместители, например:

С₆Н₅−СН₃ + 3[O] → C₆H₅−COOH + H₂O

бензойная кислота

НЕФТЬ

В состав любой нефти входят алканы (парафины), циклоалканы (нафтены) и ароматические углеводороды. Добываемая сырая нефть содержит много воды, отделив которую, получают товарную нефть, идущую на переработку. В результате первичной переработки (дистилляции) нефть разделяется на отдельные фракции, содержащие углеводороды с разным числом атомов углерода: петролейный эфир – С₄-С₇; бензин – С₅-С₉; лигроин – С₈-С₁₂; керосин – С₉-С₁₆; газойль – С₁₅-С₂₀; мазут – свыше С₁₇.