Тема 16. Арены Содержание темы: Ароматические

Тема 16.
Арены
Содержание темы: Ароматические углеводороды, особенности их электронного
строения. Номенклатура, изомерия, получение и химические свойства. Индуктивный и
мезомерный эффекты. Электронодонорные и электроноакцепторные заместители.
Правила ориентации.
Арены — ароматические углеводороды, общая формула CnH2n–6. Первый член
гомологического ряда — бензол, C6 H6:
• 6 атомов углерода в молекуле бензола находятся в соcтоянии sp2-гибридизации;
• все гибридные орбитали расположены в одной плоскости, поэтому все σ-связи
(C–C и C–H) лежат в одной плоскости;
• 6 негибридных p-орбиталей перпендикулярны плоскости углеродного кольца;
• негибридные орбитали перекрываются над и под плоскостью углеродного
кольца, образуя энергетически выгодную замкнутую (ароматическую) сопряженнную
систему из шести электронов (делокализованную π-связь);
• основной тип реакций аренов — электрофильное замещение; атомы водорода в
кольце могут замещаться на атомы галогенов, -NO2, алкильные группы.
Электронный эффект- смещение электронной плотности в молекуле под влиянием
заместителя.
Индуктивный эффект (I) – смещение электронной плотности по цепи σ-связей.
Мезомерный эффект (М) – влияние заместителя на распределение электронной
плотности, передаваемое по π-связям (системе сопряжения).
Заместители подразделяют на электронодонорные (ЭД) и электроноакцепторные (ЭА)
в зависимости от проявляемого ими эффекта.
Электронодонорные заместители повышают электронную плотность в остальной
части молекулы и ориентируют введение группы в орто- или пара-положения
бензольного кольца (Alk-, -ОН, -NH2).
Электроноакцепторные заместители снижают электронную плотность в остальной
части молекулы и ориентируют введение группы в мета-положение бензольного кольца
(-NO2, -COOH, -C(O)H).
Получение ароматических углеводородов
3HC CH
C, 500°C
CH 2=CH 2, AlCl3
;
t°, катализатор
- 3H2
CH 2CH3
; н-С6Н14
+СН3Сl
t°, катализатор
AlCl3
- HCl
- 4H2
CH 3
Химические свойства бензола
Cl2, AlCl3
- HCl
HNO3, H2SO4
Cl
CH3
CH3 CH=CH2, AlCl3
NO2
- H2O
+ 3H2 (Р, катализ)
CH
CH3
Cl
+ 3Cl2 (солнечный свет)
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl
6CO2 + 3H2O
C6 H6 + 7,5O2
горит коптящим пламенем
Химические свойства гомологов бензола
CH3
CH2Cl
+Cl2/ h ν
–HCl
+Cl2/AlCl3
CH3
–HCl
KMnO4/H2O
t°
CH3
Cl
и
смесь
Cl
COOH
1.
2.
Домашнее задание для подготовки к занятию:
Проработайте главу 11, §11.6 ОХ и материал лекций.
Допишите уравнения реакций, укажите условия и катализаторы:
H2
O2
Cl2
HNO3
а)
;
б)
; в)
; г)
.
САРС «Арены»
1. Напишите структурные формулы всех изомерных ароматических углеводородов с
общей формулой C9 H12 и назовите их.
2. Объясните, как метильная и фенильная группы в толуоле влияют на свойства друг
друга. Подтвердите ваш ответ химическими уравнениями.
3. Напишите уравнения трех химических реакций, которые могут быть использованы
для получения толуола. Укажите условия реакций.
4. Напишите уравнения реакций этилбензола с бромом. Укажите условия реакций и
объясните, почему образуются различные продукты.
5. Напишите уравнения реакций, соответствущих следующим превращениям:
а) CH4 → CH3Br → C2H6 → C2 H4 → C2 H4Cl2 → C2 H2 → C6H6 → нитробензол;
б) метан → ацетилен → бензол → циклогексан;
в) хлороэтан → этен → 1,2-дихлороэтан → ацетилен → бензол → хлоробензол.
Укажите условия реакций и катализаторы.
6. Какие химические реакции могут быть использованы, чтобы отличить стирол от
этилбензола?
7. Предложите несколько веществ, которые будут реагировать и с бензолом, и с
этеном. Напишите уравнения реакций, укажите их условия.
8. Предложите схему получения 4-нитробензойной кислоты из изопропилбензола в две
стадии. Объясните ваш ответ. Назовите промежуточный продукт.
9. Напишите реакции получения следующих соединений из неорганических веществ:
а) этилбензола; б) стирола; в) 1-нитро-2-хлоробензола; г) 1-нитро-3-хлоробензола.
10. Какие реагенты были использованы в реакциях, если продуктами реакций были:
а) 2- и 4-хлоротолуол, HCl; б) бромобензол и HBr; в) 2,4,6-тринитротолуол и H2O.
Напишите уравнения реакций, укажите условия и катализаторы.
11. После реакции 5.3 г арена со смесью концентрированных азотной и серной кислот
было получено 7.55 г смеси мононитропроизводных. Напишите структурные формулы
исходных соединений.
12. 29.4 г смеси бензола с толуолом обработали 120 мл раствора смеси азотной и серной
кислот с плотностью 1.5 г/мл и массовой долей серной кислоты 40%. После проведения
реакции массовая доля серной кислоты в неорганическом слое увеличилась до 42.78%.
Определите массовые доли веществ в исходной смеси углеводородов, если известно, что
реакции протекают только до мононитропроизводных, а выходы в реакциях нитрования
бензола и толуола составляют 70% и 80% соответственно. (Ответ: 53.06%, 46.94%).
13. Объем водорода, необходимый для полного гидрирования смеси ацетилена, пропена
и паров бензола, вдвое больше объема этой смеси при тех же условиях. Определите
состав исходной смеси веществ в массовых долях, если известно, что для сжигания 9.3 г
смеси продуктов гидрирования требуется 23.52 л кислорода (н.у.). (Ответ: 46.43%,
18.75%, 34.82%).
Пример билета контрольной работы «Углеводороды»
1. Напишите структурные формулы и названия изомеров состава С4 Н8. Для одного из
них напишите уравнения реакций с водой, водородом, бромной водой, бромоводородом,
водным раствором перманганата калия.
Предложите последовательность реакций, позволяющих получить 2-бромо-42.
нитробензойную кислоту из толуола в три стадии. Назовите промежуточные соединения.
3. Осуществите превращения: пропанол-2 → пропен → 1,2-дибромопропан → пропин
→ 2-хлоропропен→2-хлоропропан→ 2,3-диметилбутан → 2-бромо-2,3-диметилбутан →
2,3-диметилбутен-2 → 2,3-дибромо-2,3-диметилбутан → 2,3-диметилбутен-2.