Арены (ароматические углеводороды) — углеводороды, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. Общая формула гомологов бензола — CnH2n−6, где n ≥ 6.
Загадка бензола
Бензол C6H6 выделил Майкл Фарадей в 1825 году. По составу он сильно непредельный — на восемь атомов водорода меньше, чем у гексана. Но ведёт себя совсем не как алкен: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия и охотнее вступает в замещение, чем в присоединение.
В 1865 году Фридрих Август Кекуле предложил формулу бензола — шестичленный цикл с чередующимися двойными и одинарными связями. Она объясняла состав, но не объясняла свойства: при трёх двойных связях бензол должен был бы легко присоединять бром. Кроме того, опыт показал, что все шесть связей C–C в бензоле одинаковы.
Единая π-система
Все шесть атомов углерода в бензоле находятся в состоянии sp²-гибридизации. Каждый образует три σ-связи — с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода — под углом 120°. Все двенадцать атомов лежат в одной плоскости: молекула — правильный плоский шестиугольник.
Шесть негибридных p-орбиталей перпендикулярны плоскости кольца и перекрываются со всеми соседями одновременно. Возникает единое кольцевое π-облако из шести электронов — над и под плоскостью цикла. π-Электроны не закреплены за отдельными связями, а равномерно распределены по кольцу.
Устойчивую плоскую циклическую систему с шестью делокализованными π-электронами называют ароматической. Такая система очень выгодна по энергии, и бензол старается её сохранить. Поэтому для него характерно замещение (кольцо остаётся целым), а присоединение, разрушающее ароматичность, идёт только в жёстких условиях. Кольцо в формулах часто изображают шестиугольником с окружностью внутри.
| Связь | Длина, нм |
|---|---|
| C–C в алканах | 0,154 |
| C–C в бензоле | 0,139 |
| C=C в алкенах | 0,134 |
Гомологи бензола и номенклатура
Гомологи бензола получаются заменой атомов водорода кольца на алкильные группы. Их называют как производные бензола с указанием заместителей, но у многих есть привычные тривиальные названия.
| Формула | Систематическое название | Тривиальное название |
|---|---|---|
| C6H5–CH3 | метилбензол | толуол |
| C6H5–C2H5 | этилбензол | — |
| C6H4(CH3)2 | 1,2-, 1,3-, 1,4-диметилбензол | о-, м-, п-ксилол |
| C6H5–CH(CH3)2 | изопропилбензол | кумол |
| C6H5–CH=CH2 | винилбензол | стирол (не гомолог — есть двойная связь в цепи) |
Остаток бензола C6H5– называют фенилом, остаток толуола по метильной группе C6H5–CH2– — бензилом.
Орто-, мета-, пара-
Если в кольце два заместителя, возможны три взаимных положения. Их обозначают номерами или приставками:
- орто- (о-) — заместители у соседних атомов, положение 1,2;
- мета- (м-) — через один атом, положение 1,3;
- пара- (п-) — напротив друг друга, положение 1,4.
Изомерия
У гомологов бензола есть изомерия строения и числа боковых цепей и изомерия взаимного расположения заместителей в кольце. Например, составу C8H10 отвечают четыре арена: этилбензол и три ксилола — орто, мета и пара.
Физические свойства
- Бензол и его ближайшие гомологи — бесцветные жидкости с характерным запахом, легче воды и в ней не растворяются; хорошие растворители.
- Бензол кипит при 80 °C, а замерзает уже при 5,5 °C.
- Бензол ядовит и канцерогенен: его пары вызывают поражение кроветворной системы. Толуол значительно менее токсичен и поэтому вытеснил бензол как растворитель.
Главное в параграфе
- Арены — углеводороды с бензольным кольцом; гомологи бензола — CnH2n−6.
- В бензоле все атомы C — sp², молекула плоская, все связи C–C одинаковы (0,139 нм).
- Шесть π-электронов образуют единое кольцевое облако — ароматическую систему; поэтому бензол склонен к замещению, а не к присоединению.
- Положения двух заместителей: орто (1,2), мета (1,3), пара (1,4). Толуол — метилбензол, ксилолы — диметилбензолы.
Проверь себя: строение аренов
Задание 11 ЕГЭ — строение и изомерия, в том числе ароматических углеводородов.