-->
|
|
|
Ãëàâà 5. Óãëåâîäîðîäû § 15. Àðîìàòè÷åñêèå óãëåâîäîðîäû. Áåíçîë
Íàçâàíèå «àðîìàòè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ» âîçíèêëî äàâíî, íà ðàííèõ ýòàïàõ ðàçâèòèÿ îðãàíè÷åñêîé õèìèè. Ê íèì îòíîñèëè ñîåäèíåíèÿ, ïîëó÷àþùèåñÿ èç ïðèðîäíûõ ñìîë, ýôèðíûõ ìàñåë, áàëüçàìîâ, îáëàäàþùèõ ïðèÿòíûì çàïàõîì. Âïîñëåäñòâèè îêàçàëîñü, ÷òî ñóùåñòâóåò åù¸ ìíîãî âåùåñòâ, êîòîðûå ïî ñòðîåíèþ è õèìè÷åñêèì ñâîéñòâàì ñõîæè ñ àðîìàòè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè, íî íå èìåþò ïðèÿòíîãî çàïàõà. Îäíàêî èñòîðè÷åñêè ñëîæèâøååñÿ íàçâàíèå òàê è îñòàëîñü. Áîëüøèíñòâî àðîìàòè÷åñêèõ óãëåâîäîðîäîâ îïàñíû äëÿ æèçíè ÷åëîâåêà, îíè òîêñè÷íû, è ðàáîòà ñ íèìè òðåáóåò ñòðîãîãî ñîáëþäåíèÿ ìåð áåçîïàñíîñòè. Òàê, áåíçîë ÿâëÿåòñÿ ÿäîâèòûì âåùåñòâîì, äåéñòâóåò íà ïî÷êè, ïðè äëèòåëüíîì êîíòàêòå èçìåíÿåò ôîðìóëó êðîâè, ìîæåò íàðóøàòü ñòðóêòóðó õðîìîñîì. Áåíçîë — òèïè÷íûé è ïðîñòåéøèé ïðåäñòàâèòåëü àðîìàòè÷åñêèõ óãëåâîäîðîäîâ. Ñòðîåíèå áåíçîëàÌîëåêóëÿðíàÿ ôîðìóëà áåíçîëà Ñ6Í6. Î÷åâèäíî, ÷òî ýòî íåíàñûùåííûé óãëåâîäîðîä — íå õâàòàåò âîñüìè àòîìîâ âîäîðîäà äî ïîëíîãî íàñûùåíèÿ — Ñ6Í14. Äëÿ íåíàñûùåííûõ óãëåâîäîðîäîâ õàðàêòåðíî îáåñöâå÷èâàíèå ðàñòâîðà ïåðìàíãàíàòà êàëèÿ è áðîìíîé âîäû. Ïðîâåðèì ýòî íà îïûòå ñ áåíçîëîì.
Ïðîáëåìà. Ïî÷åìó áåíçîë íå îáåñöâå÷èâàåò áðîìíóþ âîäó è ðàñòâîð ÊÌnO4? Êàêèå ìîæíî ñäåëàòü ïðåäïîëîæåíèÿ î ñòðîåíèè áåíçîëà? Îïûò ïîçâîëÿåò ïðåäïîëîæèòü, ÷òî áåíçîë íå îáðàçóåò ïðÿìóþ èëè ðàçâåòâë¸ííóþ öåïü, â êîòîðîé íàõîäÿòñÿ äâîéíûå èëè òðîéíûå ñâÿçè. Ýòî æå ñàìîå äîêàçûâàåò è ðåàêöèÿ ãèäðèðîâàíèÿ áåíçîëà. Ýêñïåðèìåíòàëüíî òàêæå óñòàíîâëåíî, ÷òî ìîëåêóëà áåíçîëà (1 ìîëü) ïðèñîåäèíÿåò òîëüêî òðè ìîëåêóëû âîäîðîäà (3 ìîëü), â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîëó÷àåòñÿ öèêëè÷åñêîå ñîåäèíåíèå — öèêëîãåêñàí:
Èç ýòîãî ñëåäóåò, ÷òî áåíçîë — óãëåâîäîðîä öèêëè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ. Çíà÷èòåëüíî ïîçæå ðóññêèì ó÷¸íûì Í.Ä. Çåëèíñêèì áûëà ïðîâåäåíà îáðàòíàÿ ðåàêöèÿ — êàòàëèòè÷åñêîå äåãèäðèðîâàíèå öèêëîãåêñàíà.  ðåçóëüòàòå ýòîé ðåàêöèè áûë ïîëó÷åí áåíçîë:
Íåìåöêèé õèìèê Ô.À. Êåêóëå â 1865 ã. âûñêàçàë ïðåäïîëîæåíèå î öèêëè÷åñêîì ñòðîåíèè áåíçîëà ñ ÷åðåäîâàíèåì ïðîñòûõ (îäèíàðíûõ) è äâîéíûõ (êðàòíûõ) ñâÿçåé è ïðåäëîæèë âûðàçèòü ýòî ñòðóêòóðíîé ôîðìóëîé ñëåäóþùèì îáðàçîì (1, 2):
Âñå àòîìû óãëåðîäà â ìîëåêóëå áåíçîëà íàõîäÿòñÿ â sh2-ãèáðèäíîì ñîñòîÿíèè. Êàæäûé àòîì óãëåðîäà îáðàçóåò òðè σ-ñâÿçè: ñ äâóìÿ ñîñåäíèìè àòîìàìè óãëåðîäà è îäíèì àòîìîì âîäîðîäà. Ýòè ñâÿçè ëåæàò â îäíîé ïëîñêîñòè, è óãëû ìåæäó íèìè ðàâíû 120° (ðèñ. 30). Òàêèì îáðàçîì, øåñòü àòîìîâ óãëåðîäà îáðàçóþò ïðàâèëüíûé øåñòèóãîëüíèê. Êðîìå òîãî, êàæäûé àòîì óãëåðîäà èìååò îäíó íåãèáðèäíóþ 2p-îðáèòàëü, íà êîòîðîé íàõîäèòñÿ îäèí ýëåêòðîí.
Íåãèáðèäíàÿ ð-ýëåêòðîííàÿ îðáèòàëü êàæäîãî àòîìà óãëåðîäà ïåðåêðûâàåòñÿ ðÿäîì íàõîäÿùèìèñÿ íåãèáðèäíûìè ð-ýëåêòðîííûìè îáëàêàìè ñëåâà è ñïðàâà, îáðàçóåòñÿ åäèíîå π-ýëåêòðîííîå îáëàêî, ñîñòîÿùåå èç øåñòè ýëåêòðîíîâ. Ýëåêòðîííàÿ ïëîòíîñòü â í¸ì ðàñïðåäåëåíà ðàâíîìåðíî (ðèñ. 31). Âñå ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè óãëåðîäà îäèíàêîâûå. Ïåðåêðûâàíèå ïðîèñõîäèò íàä è ïîä ïëîñêîñòüþ σ-ñâÿçåé. Ñ ïîäîáíûì ÿâëåíèåì âû óæå çíàêîìèëèñü ïðè èçó÷åíèè äèåíîâûõ óãëåâîäîðîäîâ, ñîäåðæàùèõ ñîïðÿæ¸ííûå äâîéíûå ñâÿçè (ñì. § 13).
Èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî â áåíçîëå íåò ïðîñòûõ è äâîéíûõ ñâÿçåé, ïîä âëèÿíèåì π-ýëåêòðîííîãî îáëàêà ÿäðà àòîìîâ óãëåðîäà ñáëèæàþòñÿ, è ðàññòîÿíèå ìåæäó öåíòðàìè ñîñåäíèõ àòîìîâ óãëåðîäà ñîêðàùàåòñÿ è ñòàíîâèòñÿ îäèíàêîâûì — 0,139 íì. Âñïîìíèì, ÷òî äëèíà îäèíàðíîé ñâÿçè Ñ—Ñ ðàâíà 0,154 íì, à äâîéíîé ñâÿçè Ñ=Ñ — 0,134 íì. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ èñïîëüçóþò ñëåäóþùèå ñîâðåìåííûå ñòðóêòóðíûå ôîðìóëû ìîëåêóëû áåíçîëà:
×àùå âñåãî ïîëüçóþòñÿ ôîðìóëîé â âèäå ïðàâèëüíîãî øåñòèóãîëüíèêà ñ îêðóæíîñòüþ â öèêëå. Ýëåêòðîííîå ñòðîåíèå áåíçîëà îáúÿñíÿåò çàãàäêè ìîëåêóë áåíçîëà:
Ïëîñêîñòü, â êîòîðîé ðàñïîëîæåíû àòîìû óãëåðîäà, íàçûâàåòñÿ áåíçîëüíûì ÿäðîì èëè áåíçîëüíûì êîëüöîì. Áåíçîëüíîå ÿäðî — ýòî ïðî÷íàÿ ñèñòåìà. Ñâÿçü â áåíçîëüíîì ÿäðå ÷àñòî íàçûâàþò àðîìàòè÷åñêîé. Äåëîêàëèçîâàííàÿ π-ñâÿçü (ñì. ðèñ. 31, á, â) — ãëàâíûé ïðèçíàê ïðèíàäëåæíîñòè âåùåñòâ ê ãðóïïå àðîìàòè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Ïî ìåæäóíàðîäíîé íîìåíêëàòóðå àðîìàòè÷åñêèå óãëåâîäîðîäû íàçûâàþòñÿ àðåíàìè.
Èçâåñòíû òàêæå íåáåíçîèäíûå àðîìàòè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, íàïðèìåð ãåòåðîöèêëè÷åñêèå. Ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà áåíçîëàÁåíçîë — ýòî ëåãêîêèïÿùàÿ (òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ 80,1 °Ñ) áåñöâåòíàÿ æèäêîñòü, íå ðàñòâîðÿåòñÿ â âîäå. Èìååò ñïåöèôè÷åñêèé çàïàõ. Ïðè îõëàæäåíèè ëåãêî çàñòûâàåò è ïðåâðàùàåòñÿ â áåëóþ êðèñòàëëè÷åñêóþ ìàññó ñ òåìïåðàòóðîé ïëàâëåíèÿ 5,5 °Ñ. Õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà áåíçîëà1. Ðåàêöèÿ ãîðåíèÿ Êàê âñå óãëåâîäîðîäû, áåíçîë ñãîðàåò ñ îáðàçîâàíèåì óãëåêèñëîãî ãàçà è âîäû: 2Ñ6Í6 + 15O2 → 12ÑÎ2 + 6Í2O Áåíçîë ãîðèò êîïòÿùèì ïëàìåíåì. Çàäàíèå. Âû÷èñëèòå ìàññîâóþ äîëþ (%) óãëåðîäà â áåíçîëå. 2. Ðåàêöèè çàìåùåíèÿ Íàëè÷èå π-ýëåêòðîííîãî îáëàêà â áåíçîëüíîì êîëüöå, à òàêæå åãî ïðîñòðàíñòâåííàÿ äîñòóïíîñòü ñîçäàþò ïðåäïîñûëêè äëÿ ïðîòåêàíèÿ ðåàêöèé çàìåùåíèÿ. Äëÿ àðåíîâ õàðàêòåðíû ðåàêöèè ýëåêòðîôèëüíîãî çàìåùåíèÿ â áåíçîëüíîì êîëüöå. Âàæíåéøèìè èç òàêèõ ðåàêöèé ÿâëÿþòñÿ: ãàëîãåíèðîâàíèå è íèòðîâàíèå. À. Ãàëîãåíèðîâàíèå Áåíçîë ïðè îáû÷íûõ óñëîâèÿõ íå îáåñöâå÷èâàåò áðîìíóþ âîäó, íî ïðè íàãðåâàíèè â ïðèñóòñòâèè æåëåçíûõ ñòðóæåê âñòóïàåò â ðåàêöèþ, ïðè ýòîì îáðàçóåòñÿ òÿæ¸ëàÿ æèäêîñòü áðîìáåíçîë — ÑáÍ5Âr:
Á. Íèòðîâàíèå Ïðè äåéñòâèè íà áåíçîë íèòðóþùåé ñìåñè (êîíöåíòðèðîâàííûå ñåðíàÿ è àçîòíàÿ êèñëîòû) è ïðè íàãðåâàíèè ïðîèñõîäèò ðåàêöèÿ çàìåùåíèÿ, íèòðîãðóïïà àçîòíîé êèñëîòû — NO2 çàìåùàåò àòîì âîäîðîäà â ìîëåêóëå áåíçîëà:
Ïðè ýòîì îáðàçóåòñÿ æåëòîâàòàÿ òÿæ¸ëàÿ æèäêîñòü, íåðàñòâîðèìàÿ â âîäå, ñ çàïàõîì ãîðüêîãî ìèíäàëÿ — íèòðîáåíçîë C6H5NO2 êîòîðàÿ èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå ðàñòâîðèòåëÿ, à òàêæå äëÿ ïîëó÷åíèÿ àíèëèíà. 3. Ðåàêöèè ïðèñîåäèíåíèÿ Ïðîáëåìà. Áåíçîë ñ áîëüøèì òðóäîì âñòóïàåò â ðåàêöèè ïðèñîåäèíåíèÿ. Ïî÷åìó ýòî ïðîèñõîäèò? Ðåàêöèè ïðèñîåäèíåíèÿ àðåíîâ ñâÿçàíû ñ ðàçðóøåíèåì óñòîé÷èâîé ñèñòåìû áåíçîëüíîãî êîëüöà. Îíè ýíåðãåòè÷åñêè íåâûãîäíû è ïðîòåêàþò òîëüêî ïðè íàãðåâàíèè èëè ïðè îáëó÷åíèè. À. Ãàëîãåíèðîâàíèå Ðåàêöèÿ ïðèñîåäèíåíèÿ õëîðà ê áåíçîëó èä¸ò ïðè ÓÔ-îáëó÷åíèè è òåìïåðàòóðå êèïåíèÿ áåíçîëà. Ïðè ýòîì îáðàçóåòñÿ ãåêñàõëîðöèêëîãåêñàí:
Ãåêñàõëîðöèêëîãåêñàí — ÿäîõèìèêàò, êîòîðûé äî íåäàâíåãî âðåìåíè èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ çàùèòû ðàñòåíèé îò íàñåêîìûõ, íî îí îïàñåí äëÿ æèçíè ÷åëîâåêà, à ïîòîìó çàìåí¸í íà áîëåå áåçîïàñíûå è ëåãêî ðàçëàãàåìûå ïåñòèöèäû. Á. Ãèäðèðîâàíèå Ýòà ðåàêöèÿ èä¸ò â ïðèñóòñòâèè êàòàëèçàòîðîâ (Pt, Ni) è ïðè íàãðåâàíèè:
|
|
|