Ароматические углеводороды презентация

Аренами (ароматическими углеводородами) называют углеводороды, содержащие в молекуле циклогексатриеновый, бензольный цикл. Общая формула СnH2n-6 План: 1. Актуализация знаний 2. Строение бензола. Ароматичность 3. Номенклатура и изомерия 4. Физические свойства 5. Способы получения 6. Химические свойства 7. Отдельные представители 8. Контрольные вопросы

Физические свойства аренов Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие нерастворимые в воде вещества, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны. Бензол токсичен (поражает почки, печень, кровь).

История открытия Аренов Бензол был открыт еще в 1649 г. немецким химиком, аптекарем Иоганном Глаубером в результате перегонки каменноугольной смолы. Однако, тогда еще ничего не было известно о его составе. 

История открытия Аренов

История открытия Аренов

Ароматичность. Правило Э. Хюккеля

Строение бензола. Ароматичность

Строение бензола. Ароматичность

Классификация

Изомерия

Изомерия

Номенклатура Систематические названия строят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова бензол (корень). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Нумерацию кольца проводят так, чтобы номера радикалов были наименьшими. Для дизамещенных бензолов R-C6H4-R используется также и другой способ построения названий, при котором положение заместителей указывают перед тривиальным названием соединения приставками:

Номенклатура

Способы получения

Способы получения Приведите уравнения реакций: 1. дегидрирования циклогексана; 2. дегидроциклизации гексана и гептана; 3. тримеризации ацетилена и пропина-1; 4. декарбоксилирования натриевой соли бензоата натрия (натриевой соли бензойной кислоты.

Способы получения

Способы получения Дегидроциклизация гексана : Дегидроциклизация гептана:

Способы получения Тримеризация ацетилена - способ Н.Д. Зелинского Б.А. Казанского (1922) Тримеризация пропина-1:

Способы получения Декарбоксилирование солей бензойной кислоты при сплавлении с гидроксидом натрия:

Химические свойства аренов По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести пи-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов. Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности. Для них наиболее характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно, реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом. Наличие областей повышенной p-электронной плотности с двух сторон плоского ароматического цикла ведет к тому, что бензольное кольцо является нуклеофилом и в связи с этим склонно подвергаться атаке электрофильным реагентом. Таким образом, для ароматических соединений наиболее типичны реакции электрофильного замещения. Механизм электрофильного замещения обозначается символом SЕ (по первым буквам английских терминов: S – substitution [замещение], E – electrophil [электрофил]). Другие реакции (присоединение, окисление) идут с трудом.

Химические свойства аренов Механизм реакций электрофильного замещения. Арены вступают в ионные реакции, протекающие по механизму электрофильного замещения (SE). 1 стадия: образование π-комплекса, при котором ароматическая система не нарушается, эта стадия протекает быстро. 2 стадия: образование Ϭ-комплекса (карбокатиона) идет медленно. Образуется ковалентная связь между электрофильным реагентом и атомом углерода. Связь образуется за счет 2 электронов кольца, остальные 4 электрона распределяются между пятью атомами углерода, ароматическая система нарушается. Аатом углерода переходит в sp3-гибридное состояние. 3 стадия: отщепление протона Нарушение ароматичности энергетически не выгодно, поэтому структура Ϭ-комплекса менее устойчива; -для восстановления ароматичности происходит отщепление протона от атома углерода, связанного с электрофильным реагентом. 2 электрона возвращаются в π-систему.

I. Реакции замещения в бензольном кольце

Механизм реакции

I. Реакции замещения в бензольном кольце

Механизм реакции

I. Реакции замещения в бензольном кольце 3. Алкилирование (реакция Фриделя-Крафтса) Замещение атома водорода в бензольном кольце на алкильную группу (алкилирование) происходит под действием алкилгалогенидов или алкенов в присутствии катализаторов (кислот Льюиса):

Замещение в алкилбензолах Гомологи бензола (алкилбензолы) С6Н5–R более активно вступают в реакции замещения по сравнению с бензолом. Например, при нитровании толуола С6Н5CH3 (70°С) происходит замещение не одного, а трех атомов водорода с образованием 2,4,6-тринитротолуола. При бромировании толуола также замещаются три атома водорода. Здесь ярко проявляется взаимное влияние атомов в молекуле на реакционную способность вещества. С одной стороны, метильная группа СH3 (за счет +I-эффекта) повышает электронную плотность в бензольном кольце в положениях 2, 4 и 6 и облегчает замещение именно в этих положениях:

Химические свойства толуола Под влиянием бензольного кольца метильная группа СH3 в толуоле становится более активной в реакциях окисления и радикального замещения по сравнению с метаном СH4 Толуол, в отличие от метана, окисляется в мягких условиях (обесцвечивает подкисленный раствор KMnO4 при нагревании). Легче, чем в алканах, протекают реакции радикального замещения в боковой цепи алкилбензолов. Это объясняется тем, что на лимитирующей стадии легко (при невысокой энергии активации) образуется радикал бензил ·CH2-C6H5. Он более стабилен, чем алкильные свободные радикалы (·СН3, ·СH2R), т.к. его неспаренный электрон делокализован за счет взаимодействия с p-электронной системой бензольного кольца

II. Реакции присоединения к аренам В реакции присоединения, приводящие к разрушению ароматической структуры бензольного кольца, арены могут вступать с большим трудом. 1) Гидрирование Присоединение водорода к бензолу и его гомологам происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов.

II. Реакции присоединения к аренам 2) Радикальное хлорирование В условиях радикальных реакций (ультрафиолетовый свет, повышенная температура) возможно присоединение галогенов к ароматическим соединениям. Практическое значение имеет радикальное хлорирование бензола для получения "гексахлорана" (средство борьбы с вредными насекомыми). В случае гомологов бензола более легко происходит реакция радикального замещения атомов водорода в боковой цепи

III. Реакции окисления аренов Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и т.п.). Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций окисления других органических соединений. В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко. При действии раствора KMnO4 и нагревании в гомологах бензола окислению подвергаются только боковые цепи

Применение ароматических углеводородов Бензол используется как исходный продукт для получения различных ароматических соединений – нитробензола, хлорбензола, анилина, фенола, стирола и т.д., применяемых в производстве лекарств, пластмасс, красителей, ядохимикатов и многих других органических веществ.

Применение ароматических углеводородов Толуол С6Н5-СН3 применяется в производстве красителей, лекарственных и взрывчатых веществ (тротил, тол). Ксилолы С6Н4(СН3)2 в виде смеси трех изомеров (орто-, мета- и пара-ксилолов) – технический ксилол – применяется как растворитель и исходный продукт для синтеза многих органических соединений. Изопропилбензол (кумол) С6Н4-СН(СН3)2 – исходное вещество для получения фенола и ацетона. Винилбензол (стирол) C6H5-CН=СН2 используется для получения ценного полимерного материала полистирола

Правила ориентации Заместители, имеющиеся в бензольном ядре, направляют вновь вступающую группу в определенные положения, т.е. оказывают ориентирующее действие. По своему направляющему действию все заместители делятся на две группы: ориентанты первого рода и ориентанты второго рода. Ориентанты 1-го рода (орто-пара-ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в орто- и пара-положения. К ним относятся электронодонорные группы (электронные эффекты групп указаны в скобках): -R (+I); -OH (+M,-I); -OR (+M,-I); -NH2 (+M,-I); -NR2 (+M,-I) +M-эффект в этих группах сильнее, чем -I-эффект. Ориентанты 1-го рода повышают электронную плотность в бензольном кольце, особенно на углеродных атомах в орто- и пара-положениях, что благоприятствует взаимодействию с электрофильными реагентами именно этих атомов.

Правила ориентации Ориентанты 2-го рода (мета-ориентанты) направляют последующее замещение преимущественно в мета-положение. К ним относятся электроноакцепторные группы: -NO2 (–M, –I); -COOH (–M, –I); -CH=O (–M, –I); -SO3H (–I); -NH3+ (–I); -CCl3 (–I). Ориентанты 2-го рода уменьшают электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто- и пара-положениях. Поэтому электрофил атакует атомы углерода не в этих положениях, а в мета-положении, где электронная плотность несколько выше

Отдельные представители Бензол – бесцветная жидкость с характерным запахом, не растворяется в воде. Получают их каменноугольной смолы. Является сырьем для получения стирола, анилина. Применяется для синтеза красителей, ПАВ, фармацевтических препаратов. Бензол сильный яд. При концентрации от 10 до 25 мг/л наступает острое отравление (голово- кружение, судороги, бессознательное состояние). При хроническом отравлении поражаются почки, печень, костный мозг.

Отдельные представители Толуол – бесцветная жидкость, не растворяется в воде, проявляет слабое наркотическое действие. Служит растворителем, в качестве добавок к моторному топливу. Является сырьём для получения нитротолуолов, бензойной кислоты, сахарина.

Кумол (изопропил бензол) используется для получения фенола и ацетона. N-Цимол (1-метил-4изопропилбензол) содержится в растениях и может быть выделен из эфирных масел (эвкалиптового и тминового). Его строение родственно терпенам. Цимол представляет собой бесцветную подвижную жидкость с ароматическим запахом (чистый n-Цимол имеет слабый цитрусовый запах). Нерастворим в воде, растворим в этаноле и других органических растворителях. Ограниченно применяется при составлении парфюмерных композиций и пищевых эссенций.

Нафталин – бесцветные пластинки (t пл. 80 градусов), легко возгоняется, не растворяется в воде, растворяется в органических растворителях. Легче бензола, вступает в реакции электрофильного замещения, широко используется в химии красителей.

Антрацен и фенантрен (t пл. 217 и 100), выделяют из каменноугольной смолы. Кристаллические вещества. Антрацен используется при производстве красителей Фенантрен – основа стероидов, выполняющих роль гормонов в организме. Многие применяются как лекарственные препараты: гидрокортизон, эстрадиол.

Синтез лекарственных препаратов на основе аренов и их производных Толуол n-аминобензойная кислота (ПАБК) ПАБК Анестезин Новокаин этиловый эфир ПАБК β-диэтиламиноэтиловый эфир ПАБК II. Анилин сульфаниловая кислота сульфаниламиды 1. стрептоцид 2. сульфазин 3. сульфадиметокисн антибактериальная 4. сульфапиридазин активность 5. этазол 6. норсульфазол III. Сырье для производства лекарств. Бензол, толуол, ксилол – растворители при клинических исследованиях; при биохимичнских исследованиях биологических жидкостей человека.