Заняття №7 (2 години, аудиторне). Зміст Тема: Арени

План:

1. Теоретична частина заняття.

2. Виконання лабораторних дослідів.

Ароматичні вуглеводні, або арени, - органічні сполуки, в основі будови яких лежать бензольні ядра (прості і конденсовані). Крім таких ядер арени можуть містити бічні ланцюги, що бувають насиченими і ненасиченими. До найважливіших аренів належать бензол та його гомологи: толуол, ксилол, нафталін, антрацен та їх похідні. Розрізняють одно- (бензол, толуол, ксилол) і двох ядерні (дифеніл) арени, а також ароматичні вуглеводні зі спряженими ядрами (нафталін, антрацен, фенантрен, бензпірен).

Для аренів характерна ароматичність. Вона пов’язана зі зниженням запасу енергії молекули кожного арену, спричиненого де локалізацією його π – електронів. Така делокалізація призводить до вирівнювання С-С зв’язків у бензольному ядрі. Довжина такого зв’язку дорівнює 0,139 нм (одинарного в молекулі алкану – 0,154 нм, подвійного в молекулі алкену – 0,133 нм).

Поняття ароматичності вперше сформулював німецький фізик і хімік-теоретик Е. Хюккель (1930). Це стало правилом Хюккеля: плоскі моноциклічні спряжені системи з кількістю π – електронів, що дорівнює 4 _{n + 2} , будуть ароматичними. Ароматичні плоскі молекули повинні мати плоский С – скелет і число усуспільнених електронів, що дорівнює 4 _{n + 2} ,де n = 0,1,2,3 і т.д. Кількість таких електронів може бути 6, 10, 14 і т.д. p – Електрони, втягнуті в замкнений ланцюг спряження, зумовлюють підвищену термодинамічну стійкість ядер.

Енергію, що витрачається молекулою арену в результаті делокалізації p – електронів, називають енергією спряження, або енергією резонансу. Для бензолу така енергія дорівнює150,7 кДж/моль. Саме цю кількість енергії потрібно витратити на руйнування ароматичної системи бензолу.

Така електронна будова пояснює особливості хімічних властивостей аренів. Насамперед, арени надзвичайно стійкі сполуки (наприклад, бензол розкладається за температури 900⁰С). Арени не можуть вступати в реакції приєднання, оскільки це призвело б до порушень спряження електронів у складі бензольного ядра. Для алканів характерні реакції заміщення. Найбільш вираженими з них є реакції електрофільного заміщення, де в ролі замісників виступають карбокатіона, нітрокатіони, сульфокатіони та інші.

Отже, для аренів характерні реакції заміщення гідрогену бензольного ядра на галогени, нітро- і сульфогрупи. В цьому разі вони за властивостями нагадують алкани. Незважаючи на наявність у складі бензольного ядра трьох подвійних зв’язків, арени стійкі за звичайних умов до реакцій приєднання і окислення. Гомологи бензолу, що мають у складі своїх молекул бічні ланцюги у вигляді радикалів, порівняно легко вступають у реакції окиснення атомарним оксигеном. За наявності відповідних каталізаторів арени здатні вступати в реакції приєднання галогенів, гідрогену тощо. При дії на них озону утворюються озон іди.

Гідроген у молекулі аренів може заміщуватися на інші атоми та функціональні групи. Кожний замісник у бензольному ядрі має певну спрямовувальну, або орієнтувальну, дію, за якою їх поділяють на замісники першого роду і замісники другого роду.