Ароматические углеводороды (арены)

Простейшим представителем аренов является бензол:

Для бензола и его гомологов выполняются следующие 3 главных критерия ароматичности:

1. Все атомы углерода находятся в sp² – гибридизации. Следовательно, - остов молекулы плоский, циклический.

2. Число р-электронов соответствует правилу Хюккеля (4n+2). Правило Хюккеля выполняется при любом натуральном числеn= 0, 1, 2 и т.д. В данном случае в бензоле 6электронов (n=1)

3. Единая, замкнутая, сопряженная - система охватывает все атомы цикла.

Химические свойства

Ароматические соединения обладают рядом специфических свойств.

1. Высокая термодинамическая устойчивость.

2. Устойчивость к действию окислителей.

3. Реакции электрофильного замещения (S_E).

Реакции электрофильного замещения

1. Галогенирование:

FeCl₃

+Cl₂+HCl

хлорбензол

Роль катализатора (FeCl₃,ZnCl₂,AlCl₃) заключается в поляризации молекулы галогена и выделении электрофилаCl⁺

^+ClCl^-…. FeCl₃ Cl⁺ + FeCl^-₄

2. Нитрование:

H₂SO₄

+ ^- HO⁺NO₂ + H₂O

нитробензол

3. Сульфирование:

+^-HO-⁺SO₃H+H₂O

бензолсульфокислота

4. Алкилирование:

 ⁺-ZnCl₂

+ СH₃ Cl+HCl

толуол (метилбензол)

Введение алкильных групп (метильной, изопропильной) усиливает токсическое действие бензола. Гомологи бензола и его производные также вступают в реакции S_E, но с разной скоростью. Скорость реакции и ориентация входящего в кольцо заместителя (электрофила) зависят от влияния уже имеющихся заместителей.

Заместители Iрода (NH₂,OH,OCH₃ и др.) – электронодоноры, увеличивают электронную плотность в кольце, облегчают реакциюS_Eи ориентируют входящий электрофил в орто- и пара-положения.

Названия приставок для дизамещенных производных бензола.

орто орто

мета мета

пара

Заместители 2 рода ( -cooh, -so3h, -cho, -no2 и др.) – электроноакцепторы, уменьшают электронную плотность в кольце, затрудняют реакцию se и ориентируют электрофил в мета-положение.

бензальдегид м-хлорбензальдегид

-M, -I(Э.А)

5. Окисление аренов.Бензол устойчив к действию окислителей, но его гомологи, содержащие алифатический радикал, легко окисляются до бензойной кислоты:

KMnO₄

+CO₂+H₂O

T⁰

Какой бы длинной ни была боковая цепь, она окисляется до карбоксильной группы.

Глоссарий

Конфигурация– это пространственное расположение атомов в молекуле.

Конформация– это различные геометрические формы молекулы, возникающие в результате вращения вокруг одинарных связей.

Полярность связи– неравномерное распределение электронной плотности между двумя различными по электроотрицательности связанными атомами.

Электроотрицательность– способность атома в молекуле удерживать валентные электроны.

Поляризуемость– смещение электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе, и другой реагирующей частицы.

Донорно-акцепторная(координационная) связь– это разновидность ковалентной связи, образующаяся за счет пары электронов одного из партнеров по связи.

Водородная связь– это связь между водородом, являющимся положительным концом диполя одной молекулы, и сильно электроотрицательным элементом

этой же или другой молекулы, являющимся отрицательным концом диполя. Природа

связи – диполь-дипольное притяжение.

Делокализация– это распределение электронной плотности по сопряженной системе.

Сопряженные системы – это соединения с чередующимися кратными и простыми связями, или кратными связями и атомами с р-орбиталями.

Индуктивный эффект[I] - это передача электронного влияния заместителя по углеродной цепи.

Мезомерный эффект[M] – это передача электронного влияния заместителей по сопряженной системе.

Ароматическая система– это замкнутая сопряженная система, отвечающая критериям ароматичности.

Гидрофильные группы – это группы, имеющие сродство к Н₂О. Они полярны, могут быть заряжены или нейтральны. Например, -⁺NH₃, -COO^-, -OH, -SH, и др.

Гидрофобные группы– это группы, не имеющие сродства к воде, неполярные.

Например: -CH₃, С₆Н₅- и др.

Нуклеофильные реагенты (нуклеофилы) – отрицательно заряженные частицы (анионыH^-,Cl^-,HO^-) или нейтральные молекулы с избытком электронной плотности: (NH₃,H₂Oи др.). ОбозначаютсяNu^-или:Nu.

Электрофильные реагенты ( электрофилы)– положительно заряженные частицы (катионы Н⁺, СН₃⁺, Сl⁺) или нейтральные молекулы с недостатком электронной плотности (SO₃,AlCl₃,FeCl₃). Обозначаются символом Е⁺или Е.