АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Федеральное агентство по образованию
Томский государственный
архитектурно-строительный университет
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ
Методические указания к лабораторной работе
Составитель Н.С. Елугачёва
Томск 2007
Ароматические соединения: методические указания к лабораторной работе / Сост. Н.С. Елугачёва – Томск: Изд-во Том.
гос. архит.-строит. ун-та, 2007. – 9 с.
Рецензент к.б.н., доцент Т.М. Южакова
Редактор Е.Ю. Глотова
Методические указания к лабораторной работе «Ароматические
соединения» по дисциплине «Органическая химия».
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям: 270112 «Водоснабжение и водоотведение», 280202 «Инженерная защита окружающей среды», 280102
«Безопасность технологических процессов и производств», 270106
«Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Печатаются по решению методического семинара кафедры химии № 9 от 2.07.2006 г.
Утверждены и введены в действия проректором по учебной работе В.С. Плевковым
с 01.01.2007
по 01.01.2012
Подписано в печать Формат 60х90/16.
Бумага офсет. Гарнитура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л. 0,47. Тираж 100 экз. Заказ №
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.
Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
2
Ароматические соединения
1. Цель работы: Практически познакомиться с некоторыми способами получения ароматических углеводородов и
изучить их важнейшие химические свойства.
2. Задачи:
– лабораторным способом получить бензол, провести реакцию нитрования;
– провести реакцию бромирования толуола и установить
влияние катализатора на характер образующихся продуктов;
– провести реакцию нитрования нафталина;
– изучить отношение ароматических углеводородов к окислителям.
3. Реактивы и оборудование: бензоат натрия, натронная
известь, концентрированная серная кислота, азотная кислота,
толуол, бромная вода, железные опилки, нафталин, перманганат
калия, пробирки с газоотводными трубками, водяная баня.
4. Общие сведения
Ароматическими углеводородами (аренами) называются
углеводороды с замкнутой π-сопряженной системой. Классический представитель аренов – бензол (C 6 H 6 ).
Способы получения бензола
1. Ароматизация гексана:
CH2
CH2
CH2
CH3 Cr O , to, p
2 3
+ 4H2.
CH3
CH2
гексан
бензол
2. Дегидрирование циклогексана:
3
CH2
CH2
CH2
CH2
Ni
+ 4H2.
CH2
CH2
циклогексан
бензол
3. Тримеризация ацетилена над активированным углем
(реакция Зелинского):
0
3CH
CH
t , Cактив. уголь
.
бензол
ацетилен
4. В лабораторных условиях бензол можно получить по
реакции:
CO ONa
+ NaOH CaO
+ Na2CO3.
бензол
бензоат натрия
Способы получения гомологов бензола
1. Реакция Вюрца – Фиттига:
C2H5
Br
+ 2Na + Br
C2H5
-2NaBr
бромбензол
.
этилбензол
2. Алкилирование бензола галогеналканами или алкенами
в присутствии безводного хлорида алюминия.
H
+ CH3CH2Cl
бензол
4
C2H5
AlCl3
+ HCl.
этилбензол
H
CH
+ CH3 CH
CH2
бензол
AlCl3
CH3
CH3
изопропилбензол
кумол
Химические свойства аренов
1. Реакции замещения
1.1. Галогенирование бензола и толуола в присутствии катализаторов (Fe; FeCl3 ; FeBr 3 ; AlBr 3 ; I 2 ):
H
Cl
t, FeCl3
+ HCl;
+ Cl2
бензол
хлорбензол
CH3
CH3
+ 2Br2
FeBr3
Br
о-бромтолуол
- 2HBr
CH3
толуол
Br п-бромтолуол
В присутствии катализаторов реакция протекает даже при
комнатной температуре.
1.2. Галогенирование толуола в отсутствии катализатора,
при нагревании:
CH3
+ Cl2
толуол
t0
CH2Cl
+ HCl.
бензилхлорид
Бензол в таких условиях не галогенируется.
1.3. Галогенирование нафталина:
5
8(α)
Br
1(α)
7(β)
2 (β)
+ HBr.
+ Br2
6(β)
3(β)
5(α) 4(α)
нафталин
α−бромнафталин
1.4. Нитрование:
+ HNO3
NO2
H2SO4
бензол
+ H2O.
нитробензол
2. Реакции присоединения. Ароматические соединения с
большим трудом вступают в реакции присоединения.
Гидрирование. Присоединение водорода к бензолу и его
гомологам происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов.
0
+ 3H2
CH2
t , p, Ni
CH2
CH2
CH2
;
CH2
CH2
циклогексан
бензол
CH3
+ 3H2
метилбензол
0
CH3
t , p, Ni
метилциклогексан
3. Реакции окисления аренов
3.1. Горение.
2C6H6 + 15O2
12CO2 + 6H2O.
3.2. Окисление перманганатом калия
Несмотря на то, что бензол не взаимодействует с перманганатом калия, его гомологи сравнительно легко окисляются:
6
C6H5 CH3
+ KMnO4, H2SO4
- MnSO4, K2SO4, H2O
C6H5COOH.
бензойная кислота
5. Порядок выполнения работы
Опыт 1. Получение и нитрование бензола
В пробирку 1 (рис. 1) помещают тщательно растертую
смесь, состоящую из 1 г бензоата натрия и 2 г натронной извести. Закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец газоотводной трубки опускают на дно пробирки – приемник
2, охлажденную водой со льдом. Пробирку со смесью сначала
равномерно прогревают, а затем сильно нагревают часть пробирки, заполненную реакционной смесью. Образующийся бензол собирается в пробирке - приемнике. Его обнаруживают по
запаху и горючести. Для этого стеклянную палочку смачивают
образовавшимся дистиллятом и подносят к пламени горелки.
Что происходит? Напишите уравнения реакций.
1
2
Рис. 1. Схема установки для получения бензола:
1 – пробирка с бензоатом натрия и натронной извести;
2 – пробирка с концентрированной серной и азотной кислотами
К полученному бензолу прибавляют 1 мл концентрированной азотной кислоты и 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Пробирку закрывают и нагревают на водяной бане 5 – 10 мин,
периодически встряхивая. После окончания реакции содержимое
7
пробирки осторожно выливают в стакан с ледяной водой. Что
происходит? Рассмотрите механизм реакции нитрования бензола.
Опыт 2. Бромирование толуола
Берут две пробирки. В каждую наливают по 1 мл толуола
и 1 мл брома. Одну из них нагревают до кипения, в другую, не
нагревая, добавляют 0,05 г железных опилок и в обоих случаях
наблюдают за протеканием реакции и записывают уравнения.
Опыт 3. Нитрование нафталина
В пробирку насыпают 0,5 г нафталина и приливают 2 – 3
мл концентрированной азотной кислоты. Смесь перемешивают
и нагревают на водяной бане до полного растворения нафталина. После этого нагревание продолжают еще 2 – 3 мин, а затем
содержимое пробирки выливают в стакан с 50 мл холодной воды. Что происходит? Напишите уравнение реакции.
Опыт 4. Отношение ароматических углеводородов к
окислителям
В две пробирки помещают 0,5 мл толуола и 0,5 мл бензола.
В каждую добавляют 0,5 мл раствора перманганата калия, 1 мл
раствора 20%-й серной кислоты. Полученные смеси нагревают на
водяной бане. Сравните отношение гомологов бензола к процессам окисления. В необходимом случае напишите уравнения реакций.
6. Контрольные вопросы
1. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) втор-бутилбензол; б) трифенилметан; в) м-ксилол; г) 1,3,5триэтилбензол; д) кумол.
2. Напишите структурные формулы следующих соединений:
а) изопропилбензол; б) п-метилэтилбензол; в) 4-этилстирол; г) мцимол; д) 1-нафтил.
8
3. Какие углеводороды образуются при действии металлического натрия на смесь следующих веществ: а) иодбензол и
иодистый пропил; б) бромбензол и бромистый этил.
4. С помощью реакции Вюрца – Фиттига получите изобутилбензол.
5. Напишите формулы строения промежуточных и конечных продуктов в следующей схеме:
+C2H5Br
[AlCl3]
+HNO
A H SO 3
2
4
B
+KMnO4
C.
7. Список рекомендуемой литературы:
1. Артеменко, А.И. Органическая химия: учеб. для строит.
спец. вузов / А.И. Артеменко. – 5-е изд., испр.– М.: Высш. шк.,
2005. – 605 с.
2. Грандберг, И.И. Практические работы и семинарские занятия по органической химии: пособие для студ. вузов / И.И.
Грандберг. – 4-е изд., перераб. и доп.– М.: Дрофа, 2001. – 352 с.
3. Нейланд О.Я. Органическая химия: учеб. для хим. спец.
вузов / О.Я. Нейланд. – М.: Высш. шк., 1990. – 751 с.
9