Arene: kemijske lastnosti in metode proizvodnje
Aromatične kemijske spojine ali arene so velika skupina karbocikličnih spojin, katerih molekule vsebujejo stabilen cikel šestih atomov ogljika. Imenuje se "benzenski obroč" in povzroča posebne fizične in kemijske lastnosti aren.
Benzen in njegovi različni homologi in derivati so primarno povezani z aromatskimi ogljikovodiki.
Molekule Arena lahko vsebujejo več benzenskih obročev. Takšne spojine se imenujejo večjedrne aromatske spojine. Na primer, naftalen je dobro znano zdravilo za zaščito volnenih izdelkov iz moljev.
Benzen
Ta najpreprostejši predstavnik arenov je sestavljen samo iz benzenskega obroča. Njegova molekularna formula je C 6. 6 . Strukturno formulo benzenske molekule najpogosteje predstavlja ciklična oblika, ki jo je predlagal A. Kekule leta 1865.
Prednost te formule je pravilen odraz sestave in enakovrednosti vseh atomov C in H v obroču. Vendar ni mogla pojasniti številnih kemijskih lastnosti aren, zato je trditev o prisotnosti treh konjugiranih dvojnih vezi C = C napačna. To je postalo znano šele s prihodom moderne komunikacijske teorije.
V tem času je običajno tudi pisanje formule benzena na način, ki ga je predlagal Kekule. Prvič, priročno je pisati enačbe s pomočjo. kemijske reakcije. Drugič, sodobni kemiki vidijo v njem le simbol, ne pa resnične strukture. Struktura molekule benzena se danes prenaša z različnimi strukturnimi formulami.
Struktura benzenskega obroča
Glavna značilnost benzenskega jedra je odsotnost enojnih in dvojnih vezi v njem v tradicionalnem smislu. V skladu s sodobnimi koncepti se zdi, da je benzenska molekula ploski šesterokotnik s stranskimi dolžinami 0,140 nm. Izkazalo se je, da je dolžina vezi C - C v benzenu vmesna vrednost med eno (njena dolžina je 0,154 nm) in dvojna vrednost (0,134 nm). V isti ravnini ležijo C - H vezi, ki tvorijo kot 120 ° z robovi šesterokotnika.
Vsak atom C v strukturi benzena je v sp2-hibridnem stanju. Povezana je s svojimi tremi hibridnimi orbitali z dvema C atomoma v soseščini in enim atomom N. To pomeni, da tvori tri s-vezi. Druga, vendar že ne-hibridizirana 2p-orbitalna lega se prekriva z istimi orbitali sosednjih atomov C (desno in levo). Njegova os je pravokotna na ravnino obroča, zato se prekrivanje orbitalov pojavi nad in pod njo. V tem primeru se oblikuje skupni zaprt sistem π-elektronov. Zaradi ekvivalentnega prekrivanja 2p orbitalov šestih C atomov pride do neke vrste "izenačenja" C-C in C = C vezi.
Rezultat tega procesa je podobnost takih »enih in pol« obveznic z dvojnimi in enojnimi obveznicami. To pojasnjuje dejstvo, da imajo prizorišča kemijske lastnosti, značilne za alkane in alkene.
Energija povezave ogljik-ogljik v benzenskem obroču je 490 kJ / mol. Kakšno je tudi povprečje med energijami enostavnih in večkratnih dvojnih vezi.
Nomenklatura Arena
Osnova za imena aromatskih ogljikovodikov je benzen. Atomi v obroču so oštevilčeni z višjim substituentom. Če so substituenti enakovredni, se oštevilčenje izvede po najkrajši poti.
Za mnoge benzolne homologe se pogosto uporabljajo trivialna imena: stiren, toluen, ksilen itd. Za odraz relativnih položajev substituentov je običajno, da uporabimo predpono, meto, para.
Če v molekuli obstajajo funkcionalne skupine, npr. Karbonil ali karboksil, potem se molekula arene obravnava kot aromatski radikal, ki je z njim povezan. Na primer, -C6'5-fenil, -C6'4-fenilen, C6'5-C2-2-benzil.
Fizične lastnosti
Prvi predstavniki v Ljubljani. T homologne serije Benzen je brezbarvna tekočina s specifičnim vonjem. Njihova teža je lažja od vode, v kateri se praktično ne raztopijo, ampak se dobro raztopijo v večini organskih topil.
Vse aromatski ogljikovodiki gorijo s pojavom dimnega plamena, kar je razloženo z visoko vsebnostjo C v molekulah. Točke taljenja in vrelišča se povečujejo z naraščanjem vrednosti molekulskih mas v homologni seriji benzena.
Kemijske lastnosti benzena
Od različnih kemijskih lastnosti prizorišč je treba ločeno omeniti reakcije substitucije. Zelo pomembne so tudi nekatere reakcije adicije, ki se pojavijo pri posebnih pogojih in oksidacijskih procesih.
Nadomestne reakcije
Precej mobilni π-elektroni benzenskega obroča so sposobni zelo aktivno reagirati z napadajočimi elektrofili. Sama benzenska jedro v benzenu in ogljikovodikova veriga, povezana z njim v svojih homologih, sodelujejo pri takšni elektrofilni substituciji. Mehanizem tega procesa podrobno proučuje organska kemija. Kemijske lastnosti aren, povezanih z elektrofilnim napadom, se kažejo v treh stopnjah.
- Prva faza. Pojav π-kompleksa zaradi vezave π-elektronskega sistema benzenskega jedra na X + delce, ki se veže na šest π-elektronov.
- Druga faza Prehod π-kompleksa v s, zaradi sproščanja para šestih π-elektronov v paru, da se tvori kovalentna C-X vez. Drugi štirje so prerazporejeni med pet C atomi v benzenskem obroču.
- Tretja faza. Spremlja ga hitra eliminacija protonov iz s-kompleksa.
Bromiranje benzena v prisotnosti železovih ali aluminijevih bromidov brez segrevanja povzroči proizvodnjo bromobenzena:
C6 + 6 + Br2 -> C6-5 -Br + Br.
Nitracija z mešanico dušikove in žveplove kisline vodi v tvorbo spojin z nitro skupino v obroču:
C 6 + 6 + OONO 2 -> C 6 — 5 - NO 2 + 2 O.
Sulfoniranje poteka z bisulfonijevim ionom, ki izhaja iz reakcije:
3Η 2 SO 4 ⇄ SO 3 + + + Η 3 O + + 2 4SO 4 - ,
ali žveplovega trioksida.
Ustreza tej kemijski lastnosti reakcije arene:
C6H6 + S03H + - C6H5-S03H + H + .
Reakcije alkilne in acilne substitucije ali Friedel-Craftsove reakcije izvedemo v prisotnosti brezvodnega AlCl3.
Te reakcije so malo verjetne za benzen in nadaljujejo s težavo. Dodatek vodikovih halogenidov in vode v benzen se ne pojavi. Vendar je pri zelo visokih temperaturah v prisotnosti platine možna reakcija hidrogeniranja:
C6_6 + 3H2-> C6H12.
Pri ultravijoličnem obsevanju se lahko molekule klora pridružijo molekuli benzena:
C6 = 6 + 3Cl2-> C6 = 6C1.
Oksidacijske reakcije
Benzen je zelo odporen na oksidacijska sredstva. Torej ne obarva rožnate raztopine kalijevega permanganata. V prisotnosti vanadijevega oksida pa se lahko kisik v zraku oksidira v maleinsko kislino:
С 6 Н 6 + 4O -> SOOΗ-С СО = СΗ-СООΗ.
V zraku opekline benzena z videzom saj:
2C 6 + 6 + 3O2 → 12C + 6Η2O.
Kemijske lastnosti aren
- Zamenjava
- Halogeniranje lahko poteka na različne načine, odvisno od pogojev reakcije. V prisotnosti ustreznega železovega ali aluminijevega halogenida bo substitucija potekala v obroču po mehanizmu, ki je podrobno opisan zgoraj. Da bi v stransko verigo uvedli atom halogena, reakcijo izvedemo s segrevanjem brez katalizatorjev ali na svetlobi.
- Nitracija aromatskih ogljikovodikov z nitronijevim ionom, ki nastane z mešanjem žveplove in dušikove kisline, vodi do povezave nitro skupine z benzenskim jedrom. Povezava nitro skupine s stransko verigo je možna med konovalovsko reakcijo. 2. Oksidacija. To kemijsko lastnost arenes lahko gledamo z dveh vidikov. Na eni strani so precej enostavno oksidirani in stranska veriga je izpostavljena delovanju, da tvori karboksilno skupino. Če sta dva substituenta povezana z obročem v aromatski ogljikovodikovi molekuli, potem nastane dvobazna kislina. Po drugi strani pa, tako kot benzen, gorijo z nastajanjem saj in vode.
Pravila orientacije
Kateri položaj (o-, m- ali p-), ki ga bo namestnik imel med interakcijo elektrofilnega sredstva z benzenskim obročem, določa pravila:
- če v benzenskem jedru že obstaja kateri koli substituent, potem je tisti, ki usmeri prihajajočo skupino na določeno pozicijo;
- Vsi usmerjevalni substituenti so razdeljeni v dve skupini: Orientanti prve vrste usmerjajo prihajajočo skupino atomov na orto in para položaje (—N , 2 , –OΗ, –CΗ3, –C2H5, halogeni); Orientanti druge vrste usmerjajo vhodne nadomestke v meta pozicijo (-N02, -SO 3 — , —CΗO, –COOΗ).
Orientanti so navedeni v vrstnem redu padajoče vodilne sile.
Treba je omeniti, da je ta ločitev substituentov skupine pogojna, ker v večini reakcij opazimo nastanek vseh treh izomerov. Orientanti vplivajo le na to, kateri od izomerov bodo pridobljeni v večjih količinah.
Pridobivanje Arenas
Glavni viri prizorišč so suha destilacija premoga in rafiniranje nafte. Premogov katran vsebuje veliko količino vseh vrst aromatskih ogljikovodikov. Nekatere vrste olja vsebujejo do 60% aren, ki jih je enostavno izolirati z enostavno destilacijo, pirolizo ali razpokanjem.
Sintetične proizvodne metode in kemijske lastnosti aren so pogosto medsebojno povezane. Benzen in njegove homologe dobimo z eno od naslednjih metod.
1. Reforma naftnih derivatov. Dehidrogeniranje alkanov je najpomembnejša industrijska metoda za sintezo benzena in mnogih njegovih homologov. Reakcijo izvedemo s prenosom plinov preko segretega katalizatorja (Pt, Cr 2 O 3 , oksidi Mo in V) pri t = 350–450 o C:
C6H14-> C6'6 + 4'2.
2. Reakcija Würz-Fittiga. Izvaja se skozi fazo pridobivanja organokovinskih spojin. Posledično lahko reakcija proizvede več proizvodov.
3. Trimerizacija acetilena. Acetilen, kot tudi njegovi homologi, lahko tvorijo arene pri segrevanju s katalizatorjem:
3C 2 - 2 -> C 6. 6 .
4. Friedel-Craftsova reakcija. Zgoraj smo upoštevali kemijske lastnosti aren, metodo proizvodnje in transformacijo homologov benzena.
5. Priprava ustreznih soli. Benzen lahko ločimo z destilacijo soli. benzojske kisline z alkalijami:
C6_5-COONa + Na02-> C6'6 + Na2C03.
6 Obnovitev ketona:
C 6 – 5 - CO - CΗ 3 + Zn + 2ΗCl -> C 6 5 - C 2 2 - C 3 3 + 2 O + ZnCl 2 ;
CΗ 3 –C 6 – 5 –CO - CΗ 3 + NΗ 2 –NΗ 2 -> CΗ 3 –C 6 5 –CΗ 2 –CΗ 3 + 2 O.
Uporabite arene
Kemijske lastnosti in aplikacije arenesov so neposredno medsebojno povezane, saj se večina aromatskih spojin uporablja za nadaljnjo sintezo v kemični proizvodnji in se ne uporabljajo v končni obliki. Izjeme so snovi, ki se uporabljajo kot topila.
Benzen C6-6 se uporablja predvsem v sintezi etilbenzena, kumena in cikloheksana. Na njegovi podlagi dobijo vmesne produkte za izdelavo različnih polimerov: gume, plastike, vlaken, barvil, površinsko aktivnih snovi, insekticidov, zdravil.
Toluen C6H5-CH3 se uporablja pri izdelavi barvil, zdravil in eksplozivov.
Xylenes С 6 ( 4 (Η 3 ) 2 v mešani obliki (tehnični ksilen) se uporablja kot topilo ali kot začetni pripravek za sintezo organskih snovi.
Izopropil benzen (ali kumen) C6-4CΗ (CΗ3) 2 je začetni reagent za sintezo fenola in acetona.
Vinilbenzen (stiren) C 6 Η 5 -CΗ = Η 2 je surovina za proizvodnjo najpomembnejšega polimernega materiala - polistirena.