Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Краткий курс органической химии (Для студентов-иностранцев). Учебное пособие
.pdf
41
2.6. Ароматические углеводороды
Ароматические углеводороды (арены) – это карбоциклические углеводороды, в молекулах которых содержатся ядра
бензола:
.
Aromatic hydrocarbons (arenes) are carbocyclic hydrocarbons
whose molecu l es contain benz ene pois on s.
Les hydrocarbures ar omatiques (arènes) sont des hydrocarbures
carbociqu es d ont les mol écu les conti enn ent du benz èn e.
ﺔﯿﻧﻮﺑﺮﻛ ﺔﯿﻘﻠﺣ تﺎﻧﻮﺑﺮﻛورﺪﯿھ ﻲھ (ﺲﯿﻨﯾرأ) ﺔﯾﺮﻄﻌﻟا تﺎﻧﻮﺑﺮﻛورﺪﯿﮭﻟا
.ﻦﯾﺰﻨﺑ ىﻮﻧ ﻰﻠﻋ ﺎﮭﺗﺎﺌﯾﺰﺟ يﻮﺘﺤﺗ
Ароматические углеводороды бывают: моноциклические
(содержащие одно ядро бензола) и полициклические (содержащие два или несколько ядер бензола).
В полициклических ароматических углеводородах ядра бензола могут быть соединены простой связью (дифенил и его
производные) или иметь несколько общих атомов углерода.
Моноциклические ароматические углеводороды – это гомологи бензола, у которого один или несколько атомов водорода
замещены углеводородными радикалами. Бензол – бесцветная,
летучая, огнеопасная жидкость со специфическим сладкова-
тым запахом. В воде практически нерастворим. Жидкий бензол и
его пары ядовиты. Общая формула гомологов бензола СnН
п ≥ 6. При названии ароматического соединения роль главного
фрагмента молекулы отводится бензольному кольцу. В том
случае, когда ароматическое кольцо содержит несколько заместителей, углеродным атомам бензольного кольца присваивают
номера в направлении по часовой стрелки или против, так, чтобы
сумма номеров атомов углерода, связанных с заместителями, была
минимальной (табл. 10).
2n-6
, где
42
Таблица 10
Формулы и названия некоторых гомологов бензола
Формула Название
эмпирическая структурная тривиальное международное
С6Н
6
С6Н5СН
С6Н4(СН3)
С6Н5 – СН = СН
3
2
Бензол
Толуол
о-Ксилол
(орто-ксилол)
м-Ксилол
(мета-ксилол)
п-Ксилол
(пара-ксилол)
2
Стирол
Бензол
Метилбензол
1,2-Диметил-
бензол
1,3-Диметил-
бензол
1,4-Диметил-
бензол
Винилбензол
У ароматических углеводородов, имеющих два или более
заместителей в ядре, возможна изомерия взаимного положения.
Например, 1,2-диметилбензол существует в виде трех изомеров:
орто-ксилола (заместители находятся в положении 1,2); мета-
ксилола (заместители находятся в положении 1,3); пара-ксилола
(заместители находятся в положении 1,4).
43
В молекуле бензола каждый атом углерода находится в состоя-
нии sр2-гибридизации. Он связан с двумя соседними атомами
углерода и атомом водорода тремя σ-связями. В результате образуется плоский шестиугольник: все шесть атомов углерода и все σ-связи
С – С и С – Н лежат в одной плоскости. Электронное облако
четвертого электрона имеет форму гантели и ориентировано
перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Такие р-электронные облака соседних атомов углерода перекрываются над и под
плоскостью кольца. В результате из шести электронов возникает
шестиэлектронная π-связь, общая для всех атомов углерода (рис 6).
Рис. 6. Строение молекулы бензола
Наиболее характерны для аренов реакции замещения, которые протекают легче, чем у предельных углеводородов:
- галогенирование - замещение атомов водорода в бен-
зольном ядре галогенами в присутствии катализаторов (Fe,
FeCl3, A1C13):
С6Н6+ Br
катализ
С6Н5Br + HBr;
2
бромбензол
- нитрование – замещение атомов водорода в бензольном ядре
нитрогруппой – NO2 (в присутствии концентрированной серной
кислоты):
C6H6 + HONO2 → C6H5NO2 + H2O;
нитробензол
44
- сульфирование – замещение атомов водорода в бензоль-
ном ядре остатком серной кислоты – сульфогруппой – SO2OH:
C6H6 + HOSO3H → C6H5SO3H + H2O;
бензолсульфокислота
Гидрирование бензола протекает в присутствии никеля или
платины при температуре около 200оС и давлении около 5000 кПа:
.
Присоединение галогенов (например, хлора) к бензолу происходит при освещении реакционной смеси солнечным светом, в
результате чего образуется гексахлорциклогексан:
+ 3Cl
2
Бензол очень устойчив к окислителям. В отличие от непредельных углеводородов он не обесцвечивает бромную воду и раствор
КМпО4. Бензол окисляется кислородом. На воздухе он горит
коптящим пламенем:
2С6Н6+ 3О2→12С + 6Н2О.
Ароматические углеводороды могут вступать как в реакции
замещения, так и в реакции присоединения.
В молекуле бензола электронная плотность равномерно
распределена по всему кольцу. Наличие в молекуле бензола
какого-либо заместителя приводит к перераспределению электронной плотности кольца. Если в бензольном ядре есть уже
какой-либо заместитель, то второй заместитель занимает опреде-
45
ленное положение. Так, заместители первого рода ( углеводородные
радикалы, галогены, группы –OH, –NH2, –NHR, –NR2)направляют
вводимые группы в орто- и пара-положения. Заместители второго
рода (–NR3+, –NО2, –SО2H, –CN, –CHO, –COR, –COOH, –COOR,
–CC13) направляют вводимые заместители в мета-положение.
Бензол и ряд его гомологов получают из каменноугольной смолы ,
образующейся при коксовании угля.
Арены получают из алканов при специальной обработке
(температура 500оС, давление 2500-5000 кПа) следующими
реакциями:
- дегидрогенизации: С6H12 → C6H6 + 3H2;
- дегидроциклизации: С7H16 → C6H5CH3 + 4H2.
Бензол по способу Н. Д. Зелинского и Б. А. Казанского получают,
пропуская ацетилен через трубку с активным углем при
температуре 600оС:
3CН ≡ СН → С6Н6.
Бензол и его гомологи используют для получения нитробензола,
хлорбензола, красителей, лекарственных веществ. Многие гетерофункциональные производные бензола применяются в медицинской практике в качестве лекарственных препаратов. Это производные п-аминофенола – парацетамол и фенацетин; п-аминобензойной кислоты – анестезин и новокаин; сульфаниловой
кислоты – сульфаниламиды и т.п. Важное значение имеет производное бензола – стирол (C6H5 – CH = CH2). При нагревании и
применении катализаторов процесс полимеризации стирола
протекает быстро и сопровождается образованием полистирола:
nC6H5 – CH = CH2→ (– CH – CH2–)n.
С6H
5
Полистирол – бесцветная твердая пластмасса, обладающая
хорошими электроизоляционными свойствами. Из него изготовляют электро- и радиодетали, трубы, краны, посуду и др., а также
применяют для производства пенопластов. В зависимости от
соотношения бутадиена и стирола при полимеризации образуется
каучук с различными физико-химическими свойствами.
46
Задачи и упражнения для самостоятельной работы
1. При сгорании вещества массой 0,0016 кг (относительная
плотность по водороду 8) образуется оксид углерода (IV) массой
0,0044 кг и вода массой 0,0036 кг. Выведите молекулярную
формулу вещества.
2. В результате реакции галогенирования метана массой
8,0 г хлором массой 106,5 г образовался галогенпроизводный
продукт массой 59,75 г. Определите химическую формулу образующегося вещества.
3. Смесь этана и этена объемом 3 дм3 пропустили через раствор бромной воды объемом 25 0 см3 (ρ = 1220 кг/м3) с массовой
долей брома 3 % масс. В результате получили дибромэтан массой
0,0047 кг. Определите массовую долю каждого углеводорода в
смеси и массу непрореагировавшего брома.
4. Какую массу бромной воды с массовой долей брома
1,6 % масс. при нормальных условиях может обесцветить пропен
объемом 1,12 дм3?
5. Какой углеводород ряда алкенов был взят для бромирования, если 3,3 г его присоединяют 20 г брома?
6. Составьте уравнения реакций следующих превращений:
этилен → этанол → бутадиен → синтетический каучук. Рассчитайте молекулярную массу полученного полимера, если степень
полимеризации п = 2500.
7. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно отличить две жидкости: гексан и гексадиен-1,2?
8. Составьте структурные формулы веществ: 2,2-диметилбутина; 4-метилпентина-1; 1-метилбутина-1; 1,4-дихлобутина-2.
9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: метан → ацетилен →
винилхлорид → полихлорвинил → винилацетилен → хлоропрен
→ хлоропреновый каучук.
10. Определите объем кислорода, необходимый для сжигания этана массой 15 г при нормальных условиях.
11. Какую массу метана можно получить при взаимодействии 36 г карбида алюминия и 108 г воды?
47
12. Сколько теплоты выделяется при сжигании бензола массой 0,036 кг, если тепловой эффект реакции горения бензола
составляет 3267,7 кДж/моль?
13. Определите массу бензола, который можно получить из
ацетилена объемом 44,8 дм3, если массовая доля выхода бензола
от теоретически возможного равна 40 %.
14. Напишите уравнение реакций: а) хлорбензола с азотной
кислотой, б) толуола с хлором.
15. Алкан имеет относительную плотность по воздуху 4,414.
Определите формулу алкана и назовите его.
16. При сгорании алкана массой 8,60 г при нормальных условиях выделилось 13,44 дм3 оксида углерода (IV) и 12,66 г воды.
Определите формулу алкана.
17. Из этина объемом 6,72 дм3 при нормальных условиях
получили 5,00 см3 бензола, плотность которого равна 0,88 г/см3.
Определите массовую долю выхода продукта.
18. Какая масса бензола потребуется для получения 300 кг
анилина, если массовая доля выхода продукта составляет 75 %.
19. Смесь этана и этена объемом 3 дм3 при нормальных условиях пропустили через раствор бромной воды объемом 250 см
плотностью 1,22 г/см3 с массовой долей брома 3 %. В результате
получили дибромэтан массой 4,7 г. Определите массовую долю
каждого углеводорода в смеси.
20. Какой объем воздуха (н. у.) потребуется для сжигания
смеси, состоящей из 5 дм3 метана и 15 дм3 ацетилена, если массовая доля кислорода в воздухе составляет 2 1 % по объему?
21. При гидрировании ацетилена объемом 67,2 дм3 (н. у.)
получили смесь этана и этилена, которая обесцвечивает раствор
брома в тетрахлориде углерода, содержащий 0,01 моль брома.
Определите процентное содержание этана и этилена в указанной
смеси газов.
22. Смесь бензола с циклогексаном массой 4, 39 г обесцвечивает бромную воду массой 125 г с массовой долей брома 3,2 %.
Определите массовую долю бензола в смеси.
23. Углеводород массой 12,5 г при н.у. занимает объем
5 дм3. Массовая доля водорода в нем равна 14,29 %. Выведите
молекулярную формулу углеводорода.
3
48
ГЛАВА 3. СПИРТЫ
3.1. Классификация и номенклатура спиртов
Спирты – это производные углеводородов, в которых один
или несколько атомов водорода замещены на функциональную
группу – гидроксигруппу (–ОН).
Alcoh ols a re d eriva ti ves of h ydroca rbon s in whi ch on e or m ore h y-
drogen atoms are replaced by a functional group – a hydroxy group (–OH).
Les alcools sont des dérivés d'hydrocarbures dans lesquels un ou plusieurs atomes d'hydrogène sont substitués à un groupe fonctionnel –
le groupe hydroxyle (–OH).
وأ ةﺪﺣاو ﻦﯿﺟورﺪﯿھ ةرذ لاﺪﺒﺘﺳا ﻢﺘﯾ ﺚﯿﺣ تﺎﻧﻮﺑﺮﻛورﺪﯿﮭﻟا ﻦﻣ تﺎﻘﺘﺸﻣ ﻲھ تﻻﻮﺤﻜﻟا
.
ﺔﯿﻔﯿظو ﺔﻋﻮﻤﺠﻤﺑ ﺮﺜﻛأ -ﻲﺴﻛورﺪﯿھ ﺔﻋﻮﻤﺠﻣ(HO–)
Спирты относятся к кислородсодержащим органическим
соединениям. Общая формула спиртов: R(OH)m, где R – углеводородный радикал; m – число гидроксильных групп, которое определяется атомность спирта:
- одноатомные (R(OH) – одна гидроксигруппа);
- двухатомные (R(OH)2 – две гидроксигруппы);
- трехатомные (R(OH)3 – три гидроксигруппы) и т.д.
В зависимости от положения ОН-группы (от того, при ка-
ком углеродном атоме – первичном, вторичном, третичном –
стоит гидроксильная группа) различают:
- первичные спирты с общей формулой R – CH2 – OH;
R
- вторичные спирты с общей формулой CH – OH;
R
R
- третичные спирты с общей формулой R – C – OH.
R
В зависимости от характера углеводородного радикала
спирты бывают предельные (алканолы), непредельные (алкенолы
и алкинолы), ароматические (аренолы) и фенолы.
49
В основу названий спиртов положены названия соответст-
вующих углеводородов с прибавлением окончания – ол. Цифрой
указывается положение группы –OH. Нумерация начинается с
конца, к которому ближе расположена гидроксигруппа (табл. 11).
Таблица 11
Формулы и названия некоторых спиртов
Формула Название
эмпирическая структурная тривиальное международное
1 2 3 4
CH3OH CH3 – OH Метиловый спирт Метанол
С2H5OH CH3 – CH2 – OH Этиловый спирт Этанол
С3H7OH CH3 – CH3 – CH2 – OH
н-Пропиловый
спирт
CH3 – CH – CH
׀
3
Изопропиловый
спирт
OH
С4H9OH CH3 – (CH2)2 – CH2 – OH
н-Бутиловый
спирт
CH3 – CH – CH2 – OH
׀
Изобутиловый
спирт
CH
CH3 – CH – CH2 – CH
׀
втор-Бутиловый
3
спирт
OH
СH
׀
CH3 – CH – CH
3
3
трет-Бутиловый
спирт
׀
OH
С3H5OH CH2 = CH – CH2 – OH Аллиловый
спирт
С3H3OH HC ≡ C – CH2 – OH Пропаргиловый
спирт
C2H4(OH)
C3H5(OH)3HO – CH2 – CH – CH2 – OH
HO – CH2 – CH2 – OH Этиленгликоль Этандиол-1,2
2
Глицерин Пропантриол-
׀
OH
Пропанол-1
Пропанол -2
Бутанол-1
2-Метил-
пропанол-1
Бутанол-2
Бутанол-3
Пропен-2-ол-1
Пропин-2-ол-1
1,2,3
50
Окончание табл.11
1 2 3 4
СH2 – OH
C6H5CH2OН
C6H5OH
C7H7OH
OH
OH
СН
Бензиловый
спирт
Фенол,
карболовая
кислота
3
о-Крезол 2-Метилфенол
Фенилметанол
Фенол
Спирты образуют гомологические ряды, в которых каждый
последующий член отличается от предыдущего на гомологическую разность =CH2. Например, одноатомные предельные спирты
образуют гомологический ряд с общей формулой CnH
OH. Его
2n+1
представители: метанол CH3OH, этанол C2H5OH, пропанол
C3H7OH, бутанол C4H9OH и др.
Одноатомные непредельные спирты образуют гомологиче-
ские ряды с общими формулами CnH
OH для алкенолов (напри-
2n-1
мер, аллиловый спирт CH2 = CH – CH2 – OH) и CnHnOH для
алкинолов (например, пропаргиловый спирт HC ≡ C – CH2 – OH).
Спирт CH2= CH – OH не существует вследствие неустойчивости
спиртов с гидроксигруппой у двойной связи.
Двухатомные предельные спирты образуют гомологический
ряд с общей формулой CnH2n(OH)2. Первый его представитель –
этиленгликоль CH2OH – CH2OH.
Трехатомные предельные спирты образуют гомологический
ряд с общей формулой CnH
(OH)3. Первый его представитель –
2n-1
глицерин CH2OH – CHOH – CH2OH.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]