158

Лекция №23 полиядерные ароматические углеводороды

План

1. Полиядерные арены с конденсированными циклами.

2. Полиядерные арены с изолированными циклами.

Полиядерные арены с конденсированными циклами

Классификация, номенклатура, изомерия

Различают три основных типа конденсированных систем: 1) линейно конденсированные (нафталин, антрацен); 2) ангулярно конденсированные (фенантрен); 4) пери-конденсированные (пирен).

Нафталин имеет 4 одинаковых - и 4 одинаковых -положения; существует два монозамещенных нафталина - - и -. Для указания положения заместителей используют также нумерацию атомов в циклах.

Антрацен имеет три набора одинаковых положений: (1-,4-,5-,8-); (2-,3-,6-,7-); (9-,10-). Таким образом, существует три монозамещенных антрацена (1-, 2- и 9-).

Фенантрен содержит 5 пар равноценных положений: 1 и 8, 2 и 7, 3 и 6, 4 и 5, 9 и 10. Для монозамещенных фенантренов существует 5 изомеров.

Методы получения

Г лавным источником конденсированных ароматических углеводородов является каменноугольная смола, которая содержит 8-12% нафталина, 4-5% фенантрена, 1-1,8% антрацена. Нафталин выделяют также из продуктов переработки нефти. Масло, получаемое при каталитическом риформинге бензина обогащено алкилнафталинами, которые переводят в нафталин путем гидродеалкилирования в присутствии смеси оксидов Со и Мо.

Физические свойства и строение

Нафталин, антрацен и фенантрен – бесцветные кристаллические вещества. Фенанатрен имеет более низкую температуру плавления и лучшую растворимость, чем антрацен.

Молекулы нафталина, антрацена и фенантрена имеют плоское строение, однако длины связей С-С в них различны. В нафталине и антрацене наименьшей длиной и наибольшей кратностью обладает связь С(1)-С(2), в фенантрене – связь С(9)-С(10).

Правило Хюккеля об ароматичности замкнутой -электронной системы справедливо для моноциклических систем. На полициклические конденсированные системы оно может быть перенесено при условии, что общие для двух циклов связи не вносят серьезных возмущений в -электронную систему по сравнению с соответствующими аннуленами, а лишь обеспечивают необходимую компланарность. Правило Хюккеля выполняется для полициклических систем, имеющих атомы, общие для двух циклов. Нафталин (содержит 10 -электронов), а также антрацен и фенантрен (содержат по 14 -электронов) являются ароматическими углеводородами. Ароматическими свойствами обладает электронный аналог и изомер нафталина – азулен, содержащий конденсированные семи- и пятичленный циклы. Существенный вклад в его строение вносит биполярная структура, представляющая собой сочетание ядер циклопентадиенил-аниона и катиона тропилия:

а зулен

Для соединений, имеющих атомы, общие для трех циклов, правило Хюккеля неприменимо. Например, пирен является ароматическим углеводородом, хотя его -система содержит 16 электронов, т е. не подчиняется формуле (4n+2).

Конденсированные ароматические углеводороды стабилизированы в меньшей степени, чем бензол. Энергия делокализации нафталина, определенная из теплот гидрирования, составляет 255 кДж/моль, что меньше, чем для двух изолированных бензольных ядер (150 кДж/моль х 2 = 300 кДж/моль). Энергия стабилизации антрацена составляет 350, а фенантрена - 385 кДж/моль, что меньше утроенной энергии стабилизации бензола.

Химические свойства

1. Реакции электрофильного замещения

Нафталин, антрацен и фенантрен вступают в реакции электрофильного замещения легче, чем бензол. Это связано с меньшими потерями энергии стабилизации на стадии образования -комплекса. Потеря энергии стабилизации в результате нарушения ароматической системы при образовании -комплекса в бензоле составляет 150 кДж/моль. Аналогичная величина для нафталина, в котором после разрушения ароматической системы одного кольца остается ароматическая система бензола, составит 255-150 = 105 кДж/моль. В результате нарушения ароматичности центральных колец в антрацене и фенантрене каждый из них будет содержать по два изолированных бензольных ядра и потеря энергии стабилизации составит 350 - 2х150 = 50 кДж/моль для антрацена и 385 - 2х150 = 85 кДж/моль для фенантрена. В случае нарушения ароматичности периферийных ядер в антрацене и фенантрене остается ароматическая система нафталина и потери энергии стабилизации составят 350 – 255 = 95 кДж/моль для анатрацена и 385 – 255 = 130 кДж/моль для фенантрена.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что центральные ядра в антрацене и фенантрене будут более реакционноспособными, чем периферийные. Электрофильное замещение в этих системах в большинстве случаев будет идти в 9,10-положения.

Электрофильное замещение в нафталине протекает преимущественно в - положение. Направление атаки электрофила определяется относительной стабильностью -комплексов, ведущих к продуктам замещения по - и - положениям. Для аренониевого иона, образующегося при атаке по -положению, можно изобразить две энергетически выгодные резонансные структуры, в которых не затрагивается ароматическая система второго кольца, тогда как при атаке по -положению - только одну.

Энергетически менее выгодные резонансные структуры, в которых нарушена ароматичность обоих колец, полностью исключить нельзя, однако их вклад в резонансную стабилизацию невелик.

Нафталин нитруется в более мягких условиях, чем бензол, с образованием в качестве основного продукта -нитронафталина.

Галогенирование нафталина также идет гораздо легче, чем галогенирование бензола. Последний можно использовать как растворитель в этих реакциях. Бром реагирует более селективно, чем хлор.

Состав продуктов ацилирования нафталина зависит от природы растворителя.

Возможно такая селективность ацилирования нафталина связана с большим объемом комплекса CH₃COCl ^. AlCl₃ ^. PhNO₂ по сравнению с комплексом CH₃COCl ^. AlCl₃ ^. CS₂.

Сульфирование нафталина является классическим примером проявления термодинамического контроля состава продуктов реакции. В очень мягких условиях образуется только -нафталинсульфокислота. Этому условию отвечает сульфирование нафталина хлорсульфоновой кислотой при низких температурах. Соотношение изомеров при сульфировании 96%-ной серной кислотой зависит от температуры: в мягких условиях преобладает продукт кинетического контроля - -нафталинсульфокислота, в более жестких условиях преобладает термодинамически более стабильная -нафталинсульфокислота.

Антрацен и фенантрен. Электрофильное замещение в этих конденсированных системах может протекать как по классическому механизму S_EAr с образованием аренониевых ионов, так и по механизму присоединения-отщепления.

Доказано, что галогенирование и нитрование антрацена в мягких условиях протекают через промежуточное образование продуктов 9,10-присоединения, которые легко превращаются в 9-производные антрацена.

Приведенные примеры демонстрируют "диеновый" характер антрацена и его склонность к реакциям 1,4-присоединения, характерным для сопряженных диенов.

В то же время, ацилирование антрацена проводят в условиях, типичных для процессов S_E(Ar).

В фенантрене углерод-углеродная связь 9-10 проявляет свойства двойной связи в алкенах. Так, бромирование фенантрена при низкой температуре в растворе CCl₄ приводит к преимущественному образованию продукта 9,10-присоединения.

В более жестких условиях или в присутствии кислоты Льюиса образуется только 9-бромфенантрен.

Экспериментальные данные показывают, что не всегда можно заранее предсказать результат конкретной реакции электрофильного замещения в конденсированных системах. Например, ацилирование фенантрена не приводит к образованию 9-ацетилфенантрена, а протекает следующим образом:

2) Окисление

Окисление конденсированных ароматических углеводородов приводит к различным продуктам в зависимости от используемого реагента и условий реакции. Реагенты на основе хрома (VI) в кислой среде окисляют нафталин и алкилнафталины до нафтохинонов, тогда как бихромат натрия в водном растворе окисляет только алкильные группы. Окисление нафталина перманганатом калия в щелочной среде сопровождается деструкцией одного ароматического кольца с образованием моноциклических дикарбоновых кислот:

Антрацен гладко окисляется бихроматом натрия в серной кислоте или оксидом хрома (VI) в уксусной кислоте до антрахинона:

3. Гидрирование

Конденсированные ароматические углеводороды гидрируется легче, чем бензол. При каталитическом гидрировании нафталина происходит последовательное восстановление ароматических колец.

А нтрацен и фенантрен гидрируются до 9,10-дигидропроизводных.