Die zyklische Struktur von Benzol wurde zuerst von F.A. Kekulé im Jahr 1865

Friedrich August Kekule von Stradonitz war ein herausragender deutscher Chemiker des 19. Jahrhunderts. 1854 entdeckte er die erste schwefelhaltige organische Verbindung - Thioessigsäure (Thioethansäure). Außerdem stellte er die Struktur von Diazoverbindungen auf. Sein berühmtester Beitrag zur Entwicklung der Chemie ist jedoch die Aufstellung der Struktur von Benzol (1866). Kekule zeigte, dass sich die Doppelbindungen von Benzol um den Ring abwechseln (diese Idee kam ihm zuerst in einem Traum). Später zeigte er, dass die beiden möglichen Doppelbindungsanordnungen identisch sind und dass der Benzolring ein Hybrid zwischen den beiden Strukturen ist. Damit nahm er das Konzept der Resonanz (Mesomerie) vorweg, das Anfang der 1930er Jahre in der Theorie der chemischen Bindung auftauchte.

Wenn Benzol wirklich eine solche Struktur hätte, müssten seine 1,2-disubstituierten Derivate jeweils zwei Isomere haben. Zum Beispiel,

Jedoch kann keines der 1,2-disubstituierten Benzole zwei Isomere isolieren.

Daher schlug Kekule anschließend vor, dass das Benzolmolekül aus zwei Strukturen besteht, die schnell ineinander übergehen:

Beachten Sie, dass solche schematischen Darstellungen von Benzolmolekülen und ihren Derivaten normalerweise nicht die an die Kohlenstoffatome des Benzolrings gebundenen Wasserstoffatome anzeigen.

In der modernen Chemie wird das Benzolmolekül als Resonanzhybrid dieser beiden limitierenden Resonanzformen betrachtet (siehe Abschnitt 2.1). Eine andere Beschreibung des Benzolmoleküls basiert auf einer Betrachtung seiner Molekülorbitale. In Sek. 3.1 wurde darauf hingewiesen, dass die in den -bindenden Orbitalen befindlichen -Elektronen zwischen allen Kohlenstoffatomen des Benzolrings delokalisiert sind und eine -Elektronenwolke bilden. Gemäß dieser Darstellung kann das Benzolmolekül konventionell wie folgt dargestellt werden:

Experimentelle Daten bestätigen das Vorhandensein einer solchen Struktur in Benzol. Wenn Benzol die ursprünglich von Kekule vorgeschlagene Struktur mit drei konjugierten Doppelbindungen hätte, müsste Benzol wie Alkene reagieren. Benzol geht jedoch, wie oben erwähnt, keine Additionsreaktionen ein. Außerdem ist Benzol stabiler, als wenn es drei isolierte Doppelbindungen hätte. In Sek. 5.3 wurde darauf hingewiesen, dass die Enthalpie der Hydrierung von Benzol mit der Bildung von Cyclohexan einen größeren negativen Wert hat

Tabelle 18.3. Länge verschiedener Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen

Reis. 18.6. Die geometrische Struktur des Benzolmoleküls.

Wert als das Dreifache der Hydrierungsenthalpie von Cyclohexen. Die Differenz zwischen diesen Werten wird üblicherweise als Delokalisierungsenthalpie, Resonanzenergie oder Benzolstabilisierungsenergie bezeichnet.

Alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen im Benzolring haben die gleiche Länge, die kleiner ist als die Länge der C-C-Bindungen in Alkanen, aber länger als die Länge der C=C-Bindungen in Alkenen (Tabelle 18.3). Dies bestätigt, dass die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol ein Hybrid zwischen Einfach- und Doppelbindungen sind.

Das Benzolmolekül hat eine flache Struktur, die in Abb. 18.6.

Physikalische Eigenschaften

Unter normalen Bedingungen ist Benzol eine farblose Flüssigkeit, die bei 5,5 °C gefriert und bei 80 °C siedet. Es hat einen charakteristischen angenehmen Geruch, ist aber, wie oben erwähnt, hochgiftig. Benzol ist mit Wasser nicht mischbar, und im Benzolsystem bildet Wasser die Oberseite der beiden Schichten. Es ist jedoch in unpolaren organischen Lösungsmitteln löslich und selbst ein gutes Lösungsmittel für andere organische Verbindungen.

Chemische Eigenschaften

Obwohl Benzol bestimmte Additionsreaktionen eingeht (su), zeigt es darin nicht die für Alkene typische Reaktivität. Beispielsweise entfärbt es kein Bromwasser oder α-Ionen-Lösungen. Außerdem Benzol

geht mit starken Säuren wie Salz- oder Schwefelsäure Additionsreaktionen ein.

Gleichzeitig nimmt Benzol an einer Reihe von elektrophilen Substitutionsreaktionen teil. Aromatische Verbindungen sind die Produkte derartiger Reaktionen, da bei diesen Reaktionen das delokalisierte -Elektronensystem des Benzols erhalten bleibt. Der allgemeine Mechanismus der Substitution eines Wasserstoffatoms an einem Benzolring durch ein Elektrophil ist in Sec. 17.3. Beispiele für die elektrophile Substitution von Benzol sind seine Nitrierung, Halogenierung, Sulfonierung und Friedel-Crafts-Reaktionen.

Nitrierung. Benzol kann nitriert werden (durch Einführen einer Gruppe), indem es mit einer Mischung aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure behandelt wird:

Nitrobenzol

Die Bedingungen für diese Reaktion und ihr Mechanismus sind in Sec. 17.3.

Nitrobenzol ist eine blassgelbe Flüssigkeit mit charakteristischem Mandelgeruch. Bei der Nitrierung von Benzol wird neben Nitrobenzol auch Kristalle von 1,3-Dinitrobenzol gebildet, das das Produkt der folgenden Reaktion ist:

Halogenierung. Mischt man Benzol im Dunkeln mit Chlor oder Brom, entsteht kein Krebs. In Gegenwart von Katalysatoren mit den Eigenschaften von Lewis-Säuren treten jedoch in solchen Mischungen elektrophile Substitutionsreaktionen auf. Typische Katalysatoren für diese Reaktionen sind Eisen(III)-bromid und Aluminiumchlorid. Die Wirkung dieser Katalysatoren besteht darin, dass sie eine Polarisation in den Halogenmolekülen erzeugen, die dann mit dem Katalysator einen Komplex bilden:

obwohl es keinen direkten Beweis dafür gibt, dass in diesem Fall freie Ionen gebildet werden. Der Mechanismus der Benzolbromierung mit Eisen(III)-bromid als Ionenträger lässt sich wie folgt darstellen:

Sulfonierung. Benzol kann sulfoniert werden (wobei ein Wasserstoffatom darin durch eine Sulfogruppe ersetzt wird), indem seine Mischung mehrere Stunden lang mit konzentrierter Schwefelsäure unter Rückfluss erhitzt wird. Stattdessen kann Benzol im Gemisch mit rauchender Schwefelsäure schonend erhitzt werden. Rauchende Schwefelsäure enthält Schwefeltrioxid. Der Mechanismus dieser Reaktion kann durch das Schema dargestellt werden

Friedel-Crafts-Reaktionen. Friedel-Crafts-Reaktionen wurden ursprünglich als Kondensationsreaktionen zwischen aromatischen Verbindungen und Alkylhalogeniden in Gegenwart eines wasserfreien Aluminiumchlorid-Katalysators bezeichnet.

Bei Kondensationsreaktionen werden zwei Moleküle von Reaktanten (oder ein Reaktant) miteinander kombiniert und bilden ein Molekül einer neuen Verbindung, während ein Molekül einer einfachen Verbindung wie Wasser oder Chlorwasserstoff von ihnen abgespalten (eliminiert) wird .

Gegenwärtig ist die Friedel-Crafts-Reaktion jede elektrophile Substitution einer aromatischen Verbindung, bei der ein Carbokation oder ein hochpolarisierter Komplex mit einem positiv geladenen Kohlenstoffatom die Rolle eines Elektrophils spielt. Das elektrophile Mittel ist üblicherweise ein Alkylhalogenid oder -chlorid einer Carbonsäure, obwohl es beispielsweise auch ein Alken oder ein Alkohol sein kann. Als Katalysator für diese Reaktionen wird üblicherweise wasserfreies Aluminiumchlorid verwendet. Friedel-Crafts-Reaktionen werden üblicherweise in zwei Typen unterteilt: Alkylierung und Acylierung.

Alkylierung. Bei solchen Friedel-Crafts-Reaktionen werden ein oder mehrere Wasserstoffatome im Benzolring durch Alkylgruppen ersetzt. Wenn beispielsweise eine Mischung aus Benzol und Chlormethan in Gegenwart von wasserfreiem Aluminiumchlorid vorsichtig erhitzt wird, entsteht Methylbenzol. Chlormethan spielt bei dieser Reaktion die Rolle eines elektrophilen Mittels. Es wird durch Aluminiumchlorid auf die gleiche Weise polarisiert wie bei Halogenmolekülen:

Der Mechanismus der betrachteten Reaktion kann wie folgt dargestellt werden:

Zu beachten ist, dass bei dieser Kondensationsreaktion zwischen Benzol und Chlormethan ein Chlorwasserstoffmolekül abgespalten wird. Wir stellen auch fest, dass die tatsächliche Existenz eines Metallcarbokations in Form eines freien Ions zweifelhaft ist.

Die Alkylierung von Benzol mit Chlormethan in Gegenwart eines Katalysators - wasserfreies Aluminiumchlorid endet nicht mit der Bildung von Methylbenzol. Bei dieser Reaktion erfolgt eine weitere Alkylierung des Benzolrings, was zur Bildung von 1,2-Dimethylbenzol führt:

Acylierung. Bei solchen Friedel-Crafts-Reaktionen wird ein Wasserstoffatom im Benzolring durch eine Acylgruppe ersetzt, wodurch ein aromatisches Keton entsteht.

Die Acylgruppe hat die allgemeine Formel

Der systematische Name einer Acylverbindung wird gebildet, indem das Suffix und die Endung -ova im Namen der entsprechenden Carbonsäure, von der die gegebene Acylverbindung ein Derivat ist, durch das Suffix -(o)yl ersetzt wird. zum Beispiel

Die Acylierung von Benzol wird unter Verwendung eines Chlorids oder Anhydrids einer Carbonsäure in Gegenwart eines wasserfreien Aluminiumchlorid-Katalysators durchgeführt. zum Beispiel

Diese Reaktion ist eine Kondensation, bei der ein Chlorwasserstoffmolekül abgespalten wird. Beachten Sie auch, dass der Name "Phenyl" häufig verwendet wird, um den Benzolring in Verbindungen zu bezeichnen, in denen Benzol nicht die Hauptgruppe ist:

Additionsreaktionen. Obwohl Benzol am charakteristischsten für elektrophile Substitutionsreaktionen ist, geht es auch einige Additionsreaktionen ein. Einen davon haben wir bereits kennengelernt. Wir sprechen von der Hydrierung von Benzol (siehe Abschnitt 5.3). Wird ein Gemisch aus Benzol und Wasserstoff bei einer Temperatur von 150–160 °C über die Oberfläche eines fein gemahlenen Nickelkatalysators geleitet, läuft eine ganze Reihe von Reaktionen ab, die mit der Bildung von Cyclohexan endet. Die stöchiometrische Gesamtgleichung für diese Reaktion kann wie folgt dargestellt werden:

Unter dem Einfluss von UV-Strahlung oder direkter Sonneneinstrahlung reagiert Benzol auch mit Chlor. Diese Reaktion wird durch einen komplexen radikalischen Mechanismus durchgeführt. Sein Endprodukt ist 1,2,3,4,5,6-Hexachlorcyclohexan:

Eine ähnliche Reaktion findet zwischen Benzol und Brom unter Einwirkung von ultravioletter Strahlung oder Sonnenlicht statt.

Oxidation. Benzol und der Benzolring in anderen aromatischen Verbindungen sind im Allgemeinen selbst durch so starke Oxidationsmittel wie eine saure oder alkalische Lösung von Kaliumpermanganat gegen Oxidation beständig. Benzol und andere aromatische Verbindungen verbrennen jedoch an Luft oder Sauerstoff zu einer sehr rauchigen Flamme, die typisch für Kohlenwasserstoffe mit einem hohen relativen Kohlenstoffgehalt ist.

Die erste Gruppe von Reaktionen sind Substitutionsreaktionen. Wir sagten, dass Arene keine Mehrfachbindungen in der Molekülstruktur haben, sondern ein konjugiertes System von sechs Elektronen enthalten, das sehr stabil ist und dem Benzolring zusätzliche Festigkeit verleiht. Daher tritt bei chemischen Reaktionen zunächst die Substitution von Wasserstoffatomen auf und nicht die Zerstörung des Benzolrings.

Substitutionsreaktionen sind uns bereits begegnet, wenn wir von Alkanen sprechen, aber bei ihnen liefen diese Reaktionen nach einem radikalischen Mechanismus ab, während Arene durch einen ionischen Mechanismus von Substitutionsreaktionen gekennzeichnet sind.

Zuerst chemische Eigenschaft - Halogenierung. Substitution eines Wasserstoffatoms durch ein Halogenatom - Chlor oder Brom.

Die Reaktion läuft beim Erhitzen und immer unter Beteiligung eines Katalysators ab. Im Fall von Chlor kann es sich um Aluminiumchlorid oder Eisenchlorid handeln. Der Katalysator polarisiert das Halogenmolekül, wodurch heterolytische Bindungen aufgebrochen werden und Ionen erhalten werden.

Das positiv geladene Chloridion reagiert mit Benzol.

Erfolgt die Reaktion mit Brom, so wirkt Eisentribromid oder Aluminiumbromid als Katalysator.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Reaktion mit molekularem Brom und nicht mit Bromwasser stattfindet. Benzol reagiert nicht mit Bromwasser.

Die Halogenierung von Benzolhomologen hat ihre eigenen Eigenschaften. Im Toluolmolekül erleichtert die Methylgruppe die Substitution im Ring, die Reaktivität steigt und die Reaktion verläuft unter milderen Bedingungen, also bereits bei Raumtemperatur.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Substitution immer in ortho- und para-Position erfolgt, sodass ein Isomerengemisch erhalten wird.

Zweite Eigenschaft - Nitrierung von Benzol, die Einführung einer Nitrogruppe in den Benzolring.

Es bildet sich eine schwere gelbliche Flüssigkeit mit dem Geruch von Bittermandeln - Nitrobenzol, daher kann die Reaktion für Benzol qualitativ sein. Zur Nitrierung wird ein Nitriergemisch aus konzentrierter Salpeter- und Schwefelsäure verwendet. Die Reaktion wird durch Erhitzen durchgeführt.

Ich erinnere daran, dass für die Nitrierung von Alkanen in der Konovalov-Reaktion verdünnte Salpetersäure ohne Zusatz von Schwefelsäure verwendet wurde.

Sowohl bei der Nitrierung von Toluol als auch bei der Halogenierung entsteht ein Gemisch aus ortho- und para-Isomeren.

Dritter Eigenschaft - Alkylierung von Benzol mit Halogenalkanen.

Diese Reaktion ermöglicht die Einführung eines Kohlenwasserstoffradikals in den Benzolring und kann als Methode zur Herstellung von Benzolhomologen angesehen werden. Aluminiumchlorid wird als Katalysator verwendet, der die Zersetzung des Haloalkan-Moleküls in Ionen fördert. Es muss auch geheizt werden.

Vierte Eigenschaft - Alkylierung von Benzol mit Alkenen.

Auf diese Weise können beispielsweise Cumol oder Ethylbenzol gewonnen werden. Der Katalysator ist Aluminiumchlorid.

2. Additionsreaktionen an Benzol

Die zweite Gruppe von Reaktionen sind Additionsreaktionen. Wir haben gesagt, dass diese Reaktionen nicht charakteristisch sind, aber sie sind unter ziemlich harten Bedingungen mit der Zerstörung der Pi-Elektronenwolke und der Bildung von Sechs-Sigma-Bindungen möglich.

Fünfte Eigenschaft in der allgemeinen Liste - Hydrierung, Addition von Wasserstoff.

Temperatur, Druck, Katalysator Nickel oder Platin. Toluol kann in gleicher Weise reagieren.

sechste Eigenschaft - Chlorierung. Bitte beachten Sie, dass wir speziell über die Wechselwirkung mit Chlor sprechen, da Brom an dieser Reaktion nicht teilnimmt.

Die Reaktion läuft unter harter UV-Bestrahlung ab. Es entsteht Hexachlorcyclohexan, ein anderer Name für Hexachloran, ein Feststoff.

Es ist wichtig, sich daran für Benzol zu erinnern nicht möglich Additionsreaktionen von Halogenwasserstoffen (Hydrohalogenierung) und Addition von Wasser (Hydratation).

3. Substitution in der Seitenkette von Benzolhomologen

Die dritte Gruppe von Reaktionen betrifft nur Benzol-Homologe – dies ist eine Substitution in der Seitenkette.

siebte eine Eigenschaft in der allgemeinen Liste ist die Halogenierung am alpha-Kohlenstoffatom in der Seitenkette.

Die Reaktion findet beim Erhitzen oder Bestrahlen immer nur am Alpha-Kohlenstoff statt. Wenn die Halogenierung fortgesetzt wird, kehrt das zweite Halogenatom in die Alpha-Position zurück.

4. Oxidation von Benzolhomologen

Die vierte Gruppe von Reaktionen ist die Oxidation.

Der Benzolring ist zu stark, also Benzol oxidiert nicht Kaliumpermanganat - verfärbt seine Lösung nicht. Es ist sehr wichtig, sich daran zu erinnern.

Andererseits werden Benzolhomologe beim Erhitzen mit einer angesäuerten Kaliumpermanganatlösung oxidiert. Und das ist die achte chemische Eigenschaft.

Es stellt sich heraus, Benzoesäure. Es wird eine Verfärbung der Lösung beobachtet. In diesem Fall bricht die Kohlenstoffkette des Substituenten, egal wie lang sie ist, immer nach dem ersten Kohlenstoffatom und das Alpha-Atom wird unter Bildung von Benzoesäure zu einer Carboxylgruppe oxidiert. Der Rest des Moleküls wird zur entsprechenden Säure oder, wenn es nur ein Kohlenstoffatom ist, zu Kohlendioxid oxidiert.

Wenn das Benzolhomologe mehr als einen Kohlenwasserstoffsubstituenten am aromatischen Ring aufweist, erfolgt die Oxidation nach den gleichen Regeln – der Kohlenstoff in der Alpha-Position wird oxidiert.

In diesem Beispiel wird eine zweibasige aromatische Säure erhalten, die als Phthalsäure bezeichnet wird.

In besonderer Weise bemerke ich die Oxidation von Cumol, Isopropylbenzol, mit Luftsauerstoff in Gegenwart von Schwefelsäure.

Dies ist das sogenannte Cumol-Verfahren zur Herstellung von Phenol. Mit dieser Reaktion hat man in der Regel bei der Herstellung von Phenol zu tun. Das ist der industrielle Weg.

neunte Eigenschaft - Verbrennung, vollständige Oxidation mit Sauerstoff. Benzol und seine Homologen verbrennen zu Kohlendioxid und Wasser.

Schreiben wir die Gleichung für die Verbrennung von Benzol in allgemeiner Form.

Nach dem Massenerhaltungssatz sollten links so viele Atome sein wie rechts Atome. Denn bei chemischen Reaktionen gehen Atome schließlich nirgendwohin, sondern die Reihenfolge der Bindungen zwischen ihnen ändert sich einfach. Es gibt also so viele Kohlendioxidmoleküle wie Kohlenstoffatome in einem Arenmolekül, da das Molekül ein Kohlenstoffatom enthält. Das sind n CO 2 -Moleküle. Es werden halb so viele Wassermoleküle wie Wasserstoffatome vorhanden sein, dh (2n-6) / 2, was n-3 bedeutet.

Links und rechts befinden sich gleich viele Sauerstoffatome. Auf der rechten Seite befinden sich 2n von Kohlendioxid, weil in jedem Molekül zwei Sauerstoffatome enthalten sind, plus n-3 von Wasser, also insgesamt 3n-3. Auf der linken Seite gibt es die gleiche Anzahl von Sauerstoffatomen - 3n-3, was bedeutet, dass es halb so viele Moleküle gibt, weil das Molekül zwei Atome enthält. Das sind (3n-3)/2 Sauerstoffmoleküle.

Damit haben wir die Gleichung für die Verbrennung von Benzolhomologen in allgemeiner Form zusammengestellt.

Benzol-Homologe können je nach Art des Reagens in zwei Richtungen unter Beteiligung eines aromatischen Kerns und einer Seitenkette (Alkylgruppen) reagieren.

1. Reaktionen am aromatischen Kern

Aufgrund der Donatorwirkung der Alkylgruppe gehen die Reaktionen S E ArH um orth- und Paar- Positionen des aromatischen Kerns, wobei die Bedingungen milder sind als für Benzol.

a) Halogenierung

b) Nitrierung

Beachten Sie, wie die Temperatur der Nitrierungsreaktionen steigt, wenn die Zahl der Akzeptorgruppen (-NO 2) zunimmt.

c) Sulfonierung

Die Reaktion erzeugt überwiegend P-Isomer.

d) Alkylierung

e) Acylierung

2. Seitenkettenreaktionen

Das Alkylfragment des Benzolmoleküls geht unter Beteiligung eines Kohlenstoffatoms in Reaktionen S R ein α -Stellung (Benzylstellung).

Die Oxidation aller Homologen des Benzols KMnO 4 /100°C führt zur Bildung von Benzoesäure.

verdichtete Arenen

Kondensierte Arenen sind aromatische Systeme (n=2 und 3). Der Aromatizitätsgrad kondensierter Arene ist geringer als bei Benzol. Sie sind durch elektrophile Substitutionsreaktionen, Additions- und Oxidationsreaktionen gekennzeichnet, die unter milderen Bedingungen als bei Benzol ablaufen.

Reaktivität von Naphthalin

S E ArH-Reaktionen für Naphthalin verlaufen hauptsächlich gemäß α -Position, mit Ausnahme der Sulfonierung. Die elektrophile Addition von Ad E erfolgt an den Positionen 1,4, während Naphthalin die Eigenschaften von konjugierten Dienen aufweist.

1. Elektrophile Substitutionsreaktionen,S E ArH

2. Reaktionen der elektrophilen Addition, Reduktion und Oxidation.

Reaktivität von Anthracen und Phenanthren

Die Reaktionen der elektrophilen Substitution S E ArH und der elektrophilen Addition Ad E für Anthracen laufen überwiegend an den Positionen 9 und 10 ab (siehe Schema unten).

Die Reaktionen der elektrophilen Substitution S E ArH und der elektrophilen Addition Ad E für Phenanthren verlaufen wie für Anthracen überwiegend an den Positionen 9 und 10 (siehe folgendes Diagramm).

Oxidations- und Reduktionsreaktionen für Anthracen und Phenanthren.

Strukturen einiger auf Naphthalin basierender Arzneimittel, Anthracen und Phenanthren

Naphthyzin(Nafazolin, Sanorin)

vasokonstriktorische Wirkung(Behandlung von Rhinitis, Sinusitis)

(die übergeordnete Struktur ist im Titel unterstrichen, achten Sie auf die Nummerierung)

Naftifin

antimykotisch Wirkung (Behandlung von Dermatitis)

Nabumeton

entzündungshemmende, antipyretische, analgetische Wirkung(Behandlung von Osteoarthritis, rheumatoider Arthritis).

Nadolol

(der Begriff cis bezeichnet in diesem Fall die gegenseitige Anordnung von Hydroxylgruppen)

hypotensiv(senkt den Blutdruck) und antiarrhythmische Wirkung

Morphin, Codein

Sicherheitsfragen zum Kapitel "ARENA"

1. Welche Eigenschaften von Benzol unterscheiden es von anderen ungesättigten Verbindungen - Alkenen, Alkinen? Was bedeutet der Begriff „aromatische Verbindung“?

2. Schreiben Sie die Strukturformeln der Verbindungen auf: a) Ethylbenzol; b) 1,3-Dimethylbenzol ( m -Xylol); c) 1,3,5-Trimethylbenzol (Mesitylen); d) Isopropylbenzol (Cumol); e) 3-Phenylpentan; f) Vinylbenzol (Styrol); g) Phenylacetylen; h) Trance -Diphenylethylen ( Trance -Stilben).

3. Beschreiben Sie die Strukturmerkmale von Verbindungen, die Aromatizität aufweisen. Geben Sie die Hückel-Regel an. Welche der folgenden Verbindungen sind aromatisch?

4. Vergleichen Sie das Verhältnis von Cyclohexen und Benzol mit den folgenden Reagenzien unter den angegebenen Bedingungen : a) Br 2 (H 2 O.20 C); b) KMnO 4 (H 2 Ach, 0 C); CH 2 SO 4 (Konz.), 20 C; d) h 2 (PD, 30 C); Vor 3 , dann h 2 O(Zn); e) HBr.

5. Schreiben Sie die Strukturformeln von monosubstituiertem Benzol, das bei den Reaktionen von Benzol mit den folgenden Reagenzien entsteht: a) h 2 SO 4 (Konz.); b) HNO 3 ; H 2 SO 4 (Konz.); c) Br 2 /fe; d)Kl 2 /AlCl 3 ; e)CH 3 Br/AlBr 3 ; e)CH 3 COCl/AlCl 3 . Nennen Sie die Reaktionen und ihre Produkte. Geben Sie jeweils an, mit welchem ​​Elektrophil Benzol reagiert.

6. Geben Sie ein allgemeines Schema für die Wechselwirkung von Benzol mit einem elektrophilen Reagenz an ( E + ). Nennen Sie Zwischenkomplexe. Welcher Schritt bestimmt normalerweise die Geschwindigkeit einer Reaktion? Geben Sie ein Diagramm der Änderung der potentiellen Energie der betrachteten Reaktion an.

7. Definieren Sie die folgenden Konzepte: a) Übergangszustand; b) Zwischenverbindung; c) -Komplex; d) -Komplex. Welche davon sind identisch? Veranschaulichen Sie diese Konzepte am Beispiel der Bromierung von Benzol in Gegenwart eines Katalysators. FebBr 3 .

8. Vergleichen Sie am Beispiel der Reaktionen von Ethen und Benzol mit Brom den Mechanismus der elektrophilen Addition in Alkenen mit dem Mechanismus der elektrophilen Substitution in der aromatischen Reihe. In welchem ​​Stadium wird der Unterschied beobachtet und warum?

9. Beschreiben Sie mit induktiven und mesomeren Effekten die Wechselwirkung des Substituenten mit dem Benzolring in den angegebenen Verbindungen:

Beachten Sie die elektronenspendenden (ED) und elektronenziehenden (EA) Substituenten.

10. Schreiben Sie die Mononitrierungsschemata für die folgenden Verbindungen: a) Phenol; b) Benzolsulfonsäuren; c) Isopropylbenzol; d) Chlorbenzol. Für welche Verbindung sollte die relative Substitutionsrate am höchsten sein und warum?

11. Die Bildung welcher Produkte sollte während der Monosulfonierung von Verbindungen erwartet werden: a) Toluol; b) Nitrobenzol; c) Benzoesäure; d) Brombenzol? Welche Verbindung sollte am einfachsten sulfoniert werden? Wieso den?

12. Ordnen Sie die folgenden Verbindungen nach der Zunahme ihrer Reaktivität an, wenn sie zu einem Benzolring bromiert werden: a) Benzol; b) Phenol; c) Benzaldehyd; d) Ethylbenzol. Erklärungen geben.

13. Nennen Sie die folgenden Kohlenwasserstoffe:

14. Schreiben Sie die Reaktionen von Benzol mit den folgenden Reagenzien auf : a) Kl 2 (Fe); b) 3Cl 2 (hell); c) HNO 3 (H 2 SO 4 ); d) Ach 2 (Luft) (v 2 Ö 5 , 450  C); e) 3O 3 , dann h 2 O(Zn); f) h 2 SO 4 (Oleum); g) 3H 2 (Ni, 200 c,p ). Was ist die Besonderheit von Additionsreaktionen in Benzol?

15. Schreiben Sie die Reaktionen von Toluol mit den angegebenen Reagenzien auf : a) 3H 2 (Ni, 200 C, 9806,7 kPa); b) KMnO 4 in H 2 Ö; c*) Kl 2 , hell; d*) Kl 2 (Fe); e*) CH 3 Cl (AlCl 3 ); e*) CH 3 COCl(AlCl 3 ); g) HNO 3 (H 2 SO 4 ). Geben Sie für die mit einem Sternchen markierten Reaktionen die Mechanismen an.

16. Schreiben Sie die Reaktionen der Nitrierung von Ethylbenzol unter den angegebenen Bedingungen auf: a) 65 % HNO 3 +H 2 SO 4 (Konz.); b) 10 % HNO 3 , Heizung, Druck. Mechanismen bringen.

17. Vergleichen Sie das Verhältnis von Isopropylbenzol zu Brom: a) in Gegenwart von AlBr 3 ; b) bei Beleuchtung und Erwärmung. Geben Sie die Reaktionen und ihre Mechanismen an.

18. Welche Verbindungen entstehen aus Ethylbenzol und P -Xylol unter Einwirkung der angegebenen Oxidationsmittel: a) Ach 3 , dann h 2 O(Zn); b) KMnO 4 in h 2 Ö,t ; VK 2 Kr 2 Ö 7 in h 2 SO 4 , t ?

19. Anhand welcher Reaktionen lassen sich folgende Verbindungspaare unterscheiden: a) Ethylbenzol und m -Xylol; b) Ethylbenzol und Styrol; c) Styrol und Phenylacetylen; G) Über - und P -Xylole?

20. Welche Verbindungen sind die Produkte der folgenden Reaktionen:

21. Auf der Grundlage von Benzol und anderen Reagenzien die folgenden Verbindungen erhalten: a) P -tert -Butyltoluol; b) Ethyl- P - Tolylketon; c) Alkylbenzol; G) P - Brombenzoesäure.

22. Nennen Sie die Hauptverbindungen, die bei den folgenden Reaktionen entstehen:

Eine solche Verbindung wie Benzol erwarb Frau Chemie in ihrem Haushalt erst 1833 endgültig und unwiderruflich. Benzol ist eine Verbindung, die einen aufbrausenden, ja sogar explosiven Charakter hat. Wie hast du das herausgefunden?

Geschichte

Johann Glauber wandte sich 1649 einer Verbindung zu, die sich während der Arbeit des Chemikers an Steinkohlenteer erfolgreich gebildet hatte. Aber es wollte inkognito bleiben.

Nach etwa 170 Jahren, genauer gesagt Mitte der zwanziger Jahre des 19. Jahrhunderts, wurde durch Zufall Benzol aus dem Leuchtgas, nämlich aus dem freigesetzten Kondensat, gewonnen. Solche Bemühungen verdankt die Menschheit Michael Faraday, einem Wissenschaftler aus England.

Der Staffelstab für den Erwerb von Benzol wurde von der Deutschen Eilgard Mitscherlich abgefangen. Dies geschah während der Verarbeitung von wasserfreien Calciumsalzen der Benzoesäure. Vielleicht erhielt die Verbindung deshalb einen solchen Namen - Benzol. Als Option nannte der Wissenschaftler es jedoch Benzin. Weihrauch, falls aus dem Arabischen übersetzt.

Benzol brennt schön und hell, im Zusammenhang mit diesen Beobachtungen riet Auguste Laurent, es "Fen" oder "Benzol" zu nennen. Hell, glänzend - wenn aus dem Griechischen übersetzt.

Basierend auf der Meinung des Konzepts der Natur der elektronischen Bindung, der Qualitäten von Benzol, stellte der Wissenschaftler das Molekül der Verbindung in Form des folgenden Bildes zur Verfügung. Das ist ein Sechseck. Darin ist ein Kreis eingeschrieben. Das Vorstehende legt nahe, dass Benzol eine integrale Elektronenwolke hat, die sicher sechs (ohne Ausnahme) Kohlenstoffatome des Zyklus enthält. Es gibt keine festen binären Bindungen.

Benzol wurde früher als Lösungsmittel behandelt. Aber im Grunde war er, wie man so schön sagt, kein Mitglied, hat nicht mitgemacht, war nicht beteiligt. Aber das ist im 19. Jahrhundert. Wesentliche Änderungen fanden im XX. Die Eigenschaften von Benzol drücken die wertvollsten Qualitäten aus, die ihm geholfen haben, populärer zu werden. Die sich als hoch herausstellende Oktanzahl ermöglichte die Verwendung als Brennstoffelement zum Betanken von Autos. Diese Aktion war der Anstoß für den weitgehenden Rückzug von Benzol, dessen Gewinnung als Nebenprodukt der Verkokung bei der Stahlerzeugung erfolgt.

In den vierziger Jahren wurde Benzol in der Chemie zur Herstellung von schnell explodierenden Substanzen verwendet. Das 20. Jahrhundert krönte sich damit, dass die erdölverarbeitende Industrie so viel Benzol produzierte, dass es begann, die chemische Industrie zu beliefern.

Charakterisierung von Benzol

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe sind Benzol sehr ähnlich. Beispielsweise charakterisiert sich die Kohlenwasserstoffreihe von Ethylen selbst als ein ungesättigter Kohlenwasserstoff. Es hat eine Additionsreaktion. Benzol tritt dank der Atome, die sich in derselben Ebene befinden, bereitwillig in all dies ein. Und tatsächlich - die konjugierte Elektronenwolke.

Wenn in der Formel ein Benzolring vorkommt, dann können wir zu dem elementaren Schluss kommen, dass es sich um Benzol handelt, dessen Strukturformel genau so aussieht.

Physikalische Eigenschaften

Benzol ist eine farblose Flüssigkeit, hat aber einen unangenehmen Geruch. Benzol schmilzt, wenn die Temperatur 5,52 Grad Celsius erreicht. Siedet bei 80,1. Die Dichte beträgt 0,879 g/cm 3 , die Molmasse 78,11 g/mol. Beim Brennen raucht es stark. Bildet beim Eindringen von Luft explosive Verbindungen. Gesteine ​​(Benzin, Äther und andere) lassen sich problemlos mit der beschriebenen Substanz kombinieren. Mit Wasser entsteht eine azeotrope Verbindung. Die Erwärmung vor dem Beginn der Verdampfung erfolgt bei 69,25 Grad (91 % Benzol). Bei 25 Grad Celsius können 1,79 g/l in Wasser gelöst werden.

Chemische Eigenschaften

Benzol reagiert mit Schwefel- und Salpetersäure. Und auch mit Alkenen, Halogenen, Chloralkanen. Charakteristisch für ihn ist die Substitutionsreaktion. Die Drucktemperatur beeinflusst den Durchbruch des Benzolrings, der unter ziemlich harschen Bedingungen stattfindet.

Wir können jede Benzolreaktionsgleichung genauer betrachten.

1. Elektrophile Substitution. Brom wechselwirkt in Gegenwart eines Katalysators mit Chlor. Das Ergebnis ist Chlorbenzol:

С6H6+3Cl2 → C6H5Cl + HCl

2. Friedel-Crafts-Reaktion oder Benzolalkylierung. Das Auftreten von Alkylbenzolen erfolgt aufgrund der Kombination mit Alkanen, die Halogenderivate sind:

C6H6 + C2H5Br → C6H5C2H5 + HBr

3. Elektrophile Substitution. Hier ist die Reaktion von Nitrierung und Sulfonierung. Die Benzolgleichung sieht folgendermaßen aus:

C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O

C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O

4. Benzol beim Brennen:

2C6H6 + 15O2 → 12CO2 + 6H2O

Unter bestimmten Bedingungen weist es einen für gesättigte Kohlenwasserstoffe charakteristischen Charakter auf. Die p-Elektronenwolke, die sich in der Struktur der betrachteten Substanz befindet, erklärt diese Reaktionen.

Verschiedene Arten von Benzol hängen von einer speziellen Technologie ab. Daher stammt auch die Kennzeichnung von Petroleumbenzol. Zum Beispiel gereinigt und höher gereinigt, für die Synthese. Ich möchte die Homologen von Benzol und insbesondere ihre chemischen Eigenschaften gesondert erwähnen. Dies sind Alkylbenzole.

Benzol-Homologe reagieren viel wahrscheinlicher. Aber die obigen Reaktionen von Benzol, nämlich Homologen, finden mit einem gewissen Unterschied statt.

Halogenierung von Alkylbenzolen

Die Form der Gleichung ist wie folgt:

С6H5-CH3 + Br = C6H5-CH2Br + HBr.

Das Einsaugen von Brom in den Benzolring wird nicht beobachtet. Es geht in die Kette an der Seite. Aber dank des Al(+3)-Salz-Katalysators tritt Brom kühn in den Ring ein.

Nitrierung von Alkylbenzolen

Dank Schwefel- und Salpetersäure werden Benzole und Alkylbenzole nitriert. Reaktive Alkylbenzole. Aus den drei vorgestellten werden zwei Produkte erhalten – dies sind para- und ortho-Isomere. Sie können eine der Formeln schreiben:

C6H5 - CH3 + 3HNO3 → C6H2CH3 (NO2)3.

Oxidation

Für Benzol ist dies nicht akzeptabel. Aber Alkylbenzole reagieren bereitwillig. Zum Beispiel Benzoesäure. Die Formel ist unten:

C6H5CH3 + [O] → C6H5COOH.

Alkylbenzol und Benzol, ihre Hydrierung

In Gegenwart eines Verstärkers beginnt Wasserstoff mit Benzol zu reagieren, was zur Bildung von Cyclohexan führt, wie oben diskutiert. In ähnlicher Weise werden Alkylbenzole leicht in Alkylcyclohexane umgewandelt. Um Alkylcyclohexan zu erhalten, ist es erforderlich, das gewünschte Alkylbenzol einer Hydrierung zu unterwerfen. Grundsätzlich ist es ein notwendiges Verfahren zur Herstellung eines reinen Produktes. Und das sind nicht alle Reaktionen von Benzol und Alkylbenzol.

Benzol-Produktion. Industrie

Die Grundlage einer solchen Produktion basiert auf der Verarbeitung von Komponenten: Toluol, Naphtha, Teer, der beim Kohlecracken freigesetzt wird, und andere. Daher wird Benzol in petrochemischen, metallurgischen Unternehmen hergestellt. Es ist wichtig zu wissen, wie man Benzol mit unterschiedlichen Reinheitsgraden erhält, da die Marke dieses Stoffes direkt vom Herstellungsprinzip und dem Verwendungszweck abhängt.

Der Löwenanteil entsteht durch thermokatalytische Reformierung des Caustobiolit-Anteils, Abkochen bei 65 Grad, Extraktwirkung, Destillation mit Dimethylformamid.

Bei der Herstellung von Ethylen und Propylen fallen flüssige Produkte an, die bei der Zersetzung anorganischer und organischer Verbindungen unter Wärmeeinwirkung entstehen. Von diesen wird Benzol isoliert. Aber leider gibt es nicht so viel Ausgangsmaterial für diese Möglichkeit der Benzolproduktion. Daher wird die für uns interessante Substanz durch Umformung hergestellt. Durch dieses Verfahren wird das Benzolvolumen erhöht.

Durch Dealkylierung bei einer Temperatur von 610-830 Grad mit einem Pluszeichen in Gegenwart von Dampf, der beim Kochen von Wasser und Wasserstoff entsteht, wird Benzol aus Toluol gewonnen. Es gibt eine andere Option - katalytisch. Wenn die Anwesenheit von Zeolithen oder alternativ Oxidkatalysatoren beobachtet wird, unterliegt sie einem Temperaturregime von 227–627 Grad.

Es gibt einen anderen, älteren Weg, Benzol zu entwickeln. Mit Hilfe der Absorption durch organische Absorber wird es aus dem Endprodukt der Kohleverkokung isoliert. Das Produkt ist Dampfgas und wurde vorgekühlt. Beispielsweise wird Öl verwendet, dessen Quelle Öl oder Kohle ist. Bei der Destillation mit Wasserdampf wird der Scavenger abgetrennt. Hydrotreating hilft, Rohbenzol von überschüssigen Stoffen zu befreien.

Rohstoffe Kohle

In der Metallurgie wird bei der Verwendung von Kohle, genauer gesagt ihrer Trockendestillation, Koks gewonnen. Während dieses Vorgangs ist die Luftzufuhr begrenzt. Vergessen Sie nicht, dass Kohle auf eine Temperatur von 1200-1500 Grad Celsius erhitzt wird.

Kohlechemisches Benzol muss gründlich gereinigt werden. Es ist notwendig, Methylcyclohexan und seinen Begleiter n-Heptan unbedingt loszuwerden. sollten ebenfalls entfernt werden. Benzol muss einem Prozess der Trennung, Reinigung unterzogen werden, der mehr als einmal durchgeführt wird.

Die oben beschriebene Methode ist die älteste, verliert aber mit der Zeit ihre hohe Stellung.

Ölfraktionen

0,3-1,2% - solche Indikatoren für die Zusammensetzung unseres Helden in Rohöl. Spärliche Indikatoren, um Finanzen und Kräfte zu investieren. Es ist am besten, ein industrielles Verfahren zur Verarbeitung von Erdölfraktionen zu verwenden. Das ist katalytische Reformierung. In Gegenwart eines Aluminium-Platin-Rhenium-Verstärkers steigt der Prozentsatz des Einschlusses aromatischer Kohlenhydrate und der Indikator, der die Fähigkeit des Kraftstoffs bestimmt, sich während seiner Kompression nicht spontan zu entzünden, steigt.

Pyrolyseharze

Wenn unser Ölprodukt aus nicht festen Rohstoffen gewonnen wird, nämlich durch Pyrolyse von Propylen und Ethylen, die bei der Herstellung anfallen, dann ist dieser Ansatz am akzeptabelsten. Aus dem Pyrokondensat wird nämlich Benzol freigesetzt. Die Zersetzung bestimmter Fraktionen erfordert Hydrotreating. Schwefel und ungesättigte Mischungen werden während der Reinigung entfernt. Im ersten Ergebnis wurde der Gehalt an Xylol, Toluol, Benzol notiert. Mit Hilfe einer extraktiven Destillation wird die BTX-Gruppe abgetrennt und Benzol gewonnen.

Hydrodealkylierung von Toluol

Die Protagonisten des Prozesses, ein Cocktail aus Wasserstoffstrom und Toluol, werden dem Reaktor erhitzt zugeführt. Toluol strömt durch das Katalysatorbett. Dabei wird die Methylgruppe unter Bildung von Benzol abgespalten. Hier gibt es eine bestimmte Art der Reinigung. Das Ergebnis ist eine hochreine Substanz (zur Nitrierung).

Toluol-Disproportionierung

Infolge der Abstoßung der Methylklasse findet eine Bildung zu Benzol statt, Xylol wird oxidiert. Bei diesem Verfahren wurde eine Transalkylierung beobachtet. Die katalytische Wirkung beruht auf Palladium, Platin und Neodym, die sich auf Aluminiumoxid befinden.

Toluol und Wasserstoff werden dem Reaktor mit einem stabilen Katalysatorbett zugeführt. Sein Zweck besteht darin, zu verhindern, dass sich Kohlenwasserstoffe auf der Katalysatorebene absetzen. Der Strom, der den Reaktor verlässt, wird gekühlt, und Wasserstoff wird sicher für die Rückführung zurückgewonnen. Was übrig bleibt, wird dreimal destilliert. In der Anfangsphase werden nichtaromatische Verbindungen zurückgezogen. Benzol wird als zweites extrahiert, und der letzte Schritt ist die Extraktion von Xylolen.

Acetylen-Trimerisierung

Dank der Arbeit des französischen Physikochemikers Marcelin Berthelot begann die Herstellung von Benzol aus Acetylen. Aber gleichzeitig hebt sich ein schwerer Cocktail von vielen anderen Elementen ab. Die Frage war, wie man die Reaktionstemperatur senken kann. Die Antwort wurde erst Ende der vierziger Jahre des 20. Jahrhunderts erhalten. V. Reppe fand einen geeigneten Katalysator, es stellte sich heraus, dass es sich um Nickel handelte. Trimerisierung ist die einzige Möglichkeit, Benzol aus Acetylen zu gewinnen.

Die Bildung von Benzol erfolgt mit Hilfe von Aktivkohle. Bei hohen Heizraten geht Acetylen über die Kohle. Benzol wird freigesetzt, wenn die Temperatur mindestens 410 Grad beträgt. Gleichzeitig werden noch eine Vielzahl aromatischer Kohlenwasserstoffe geboren. Daher wird eine gute Ausrüstung benötigt, die in der Lage ist, Acetylen qualitativ zu reinigen. Bei einem so aufwändigen Verfahren wie der Trimerisierung wird viel Acetylen verbraucht. Um 15 ml Benzol zu erhalten, werden 20 Liter Acetylen genommen. Sie können sehen, wie es in der Reaktion aussieht, die nicht lange dauern wird.

3C2H2 → C6H6 (Zelinsky-Gleichung).

3CH → CH = (t,kat) = C6H6.

Wo wird Benzol verwendet?

Benzol ist eine ziemlich beliebte Erfindung der Chemie. Besonders oft wurde bemerkt, wie Benzol bei der Herstellung von Cumol, Cyclohexan, Ethylbenzol verwendet wurde. Zur Herstellung von Styrol ist Ethylbenzol unverzichtbar. Ausgangsstoff für die Herstellung von Caprolactam ist Cyclohexan. Bei der Herstellung eines thermoplastischen Harzes wird Caprolactam verwendet. Die beschriebene Substanz ist bei der Herstellung verschiedener Farben und Lacke unverzichtbar.

Wie gefährlich ist benzol

Benzol ist eine giftige Substanz. Die Manifestation eines Unwohlseins, das von Übelkeit und starkem Schwindel begleitet wird, ist ein Zeichen einer Vergiftung. Auch der Tod ist nicht ausgeschlossen. Das Gefühl unbeschreiblicher Freude ist bei einer Benzolvergiftung nicht weniger beunruhigend.

Flüssiges Benzol verursacht Hautreizungen. Benzoldämpfe dringen leicht sogar durch intakte Haut. Bei möglichst kurzfristigem Kontakt mit einer Substanz in geringer Dosis, aber regelmäßig, lassen unangenehme Folgen nicht lange auf sich warten. Dies kann eine Läsion des Knochenmarks und akute Leukämie verschiedener Art sein.

Außerdem macht die Substanz beim Menschen abhängig. Benzol wirkt wie ein Dope. Tabakrauch erzeugt ein teerähnliches Produkt. Als sie es untersuchten, kamen sie zu dem Schluss, dass der Inhalt des letzteren für den Menschen nicht sicher ist. Neben Nikotin wurde auch das Vorhandensein von aromatischen Kohlenhydraten vom Benzpyren-Typ festgestellt. Eine Besonderheit von Benzpyren sind Karzinogene. Sie haben eine sehr schädliche Wirkung. Sie verursachen zum Beispiel Krebs.

Trotzdem ist Benzol ein Ausgangsstoff für die Herstellung verschiedener Arzneimittel, Kunststoffe, synthetischer Kautschuke und natürlich Farbstoffe. Dies ist die häufigste Erfindung der Chemie und der aromatischen Verbindung.