Ароматические углеводороды (арены)

Общая формула аренов С_nН_2n-6. Это углеводороды, в молекулах которых присутствует бензольное кольцо:

Простейшие представители этого класса углеводородов:

 

 

Названия гомологов бензола строятся следующим образом:

- при наличии одного заместителя в ароматическом кольце называют сначала заместитель, затем добавляют бензол:

- при наличии двух заместителей положение заместителей нумеруется. При этом может быть три варианта взаимного расположения заместителей:

Кроме того, для обозначения положений 1, 2- может применяться приставка орто-, для 1, 3-- приставка мета-, для 1, 4- - приставка пара-;

- при наличии трех и более заместителей также нумеруется положение заместителей. Из возможных порядков заместителей выбирается тот, при котором сумма номеров заместителей будет наименьшей. Например:

Природные источники ароматических углеводородов:

а) Каменноугольная смола, которая получается при сухой перегонке каменного угля.

б) Нефть. Содержание ароматических углеводородов в нефтях составляет от 5 до 35%.

Из синтетических методов получения ароматических углеводородов нельзя не отметить следующие:

1. Получение из алканов, имеющих в цепи не менее шести атомов углерода, реакцией дегидроциклизации. Эту реакцию проводят при температуре 450-500°С на окисных катализаторах (Сr₂O₃ на Аl₂О₃).

2. При температуре 300°С на катализаторах Pt, Pd или Ni циклогексан дегидрируется до бензола:

Последние две реакции являются основными, за счет которых получаются ароматические углеводороды в промышленном процессе каталитического риформинга (платформинга).

3. При пропускании ацетилена над активированным углем при 600°С получается бензол.

4. Гомологи бензола можно получить алкилированием бензольного кольца по реакции Фриделя- Крафтса:

В бензольном кольце имеется замкнутая система из 6 p-электронов, равномерно распределенных по всей плоскости кольца. Этим объясняют­ся специфические свойства ароматических углеводородов. По строению бензол и его гомологи являются непредельными соединениями. Однако в обычных условиях бензол не присоединяет бром (не обесцвечивает бром­ную воду), не окисляется перманганатом калия (КМnO₄). В отдельных случаях бензол способен к реакциям присоединения, однако они идут в более жестких условиях для бензола, чем для непредельных углеводородов.

Так, молекула бензола присоединяет 3 молекулы водорода с образо­ванием циклогексана, однако эта реакция идет при температуре 180-200°С на катализаторах Ni, Pt, Pd.

Но в целом для ароматических углеводородов более характерны реакции замещения.

1. В присутствии катализаторов хлор и бром замещают атомы водорода в молекуле бензола

2. С НСl и НВr бензол не реагирует, а с концентрированной H₂SO₄ происходит замещение атома водорода на сульфогруппу (-SО₃Н) и образуется бензолсульфокислота:

Эта реакция идет при комнатной температуре.

3. При действии на бензол смеси конц. Н₂SО₄ и конц. НNO₃ (нитрующей смеси) происходит замещение в бензоле атома водорода на нитрогруппу -NO₂:

Необходимо отметить, что если в бензольном кольце уже есть заместители (группы –СН₃, -СН₂-СН₃, -NO₂, -SO₃, -Вr и т.д.), они по-разному будут влиять на реакционную способность ароматического кольца в реакциях замещения. По своему действию на реакционную способность бензола все заместители делятся на две группы.

Заместители I рода. Это -СН₃, -СН₂-СН₃, -Сl, -Вr, -I, -ОН, -NH₂. Эти заместители облегчают введение следующего электрофильного заместителя в ароматическое кольцо и направляют его в орто- или пара-положение. Например, толуол нитруется легче, чем бензол. Нитрогруппа при этом встает в орто- или пара-положение по отношению к группе –СН₃ и в результате образуется смесь орто- (I) и паранитротолуолов (II).

Заместители II рода. Это группы –NО₂, -SO₃H, -CHO, -СООН. Они затрудняют введение следующего электрофильного заместителя в ароматическое кольцо и направляют его в мета-положение по отношению к имеющемуся в кольце заместителю. Например, нитробензол нитруется труднее, чем бензол (необходимы более жесткие условия), и новая нитрогруппа (-NО₂) встает в мета-положение по отношению к имеющейся в кольце нитрогруппе.

4. Бензольное кольцо устойчиво к воздействию температуры. Бензол при температурах крекинга (450-500°С) не расщепляется, а в основном конденсируется с образованием кокса.

5. Бензольное кольцо также устойчиво к действию окислителей. При действии сильных окислителей гомологи бензола окисляются по боковым цепям с образованием карбоновой кислоты (чаще всего бензойной).

Сам бензол подвергается окислению только в специфических условиях - при окислении кислородом воздуха при высокой температуре в присутствии оксида ванадия (V).