Для ароматических соединений характерна ароматичность, т.е. совокупность структурных, энергетических свойств и особенностей реакционной способности циклических структур с системой сопряженных связей. В более узком смысле этот термин относится только к бензоидным соединениями (аренам), в основе структуры которых лежит бензольное кольцо, одно или несколько, в том числе конденсированных, т.е. имеющих два общих атома углерода.
Главные ароматические углеводороды каменноугольной смолы.
Ароматические углеводороды, содержащиеся в каменноугольной смоле, имеют одно или несколько шестичленных колец, которые обычно изображают в структурных формулах с тремя чередующимися двойными связями, - это бензол (т. кип. 80° С), нафталин (т. кип. 218° С, т. пл. 80° С), дифенил (т. кип. 259° С, т. пл. 69° С), флуорен (т. кип. 295° С, т. пл. 114° С), фенантрен (т. кип. 340° С, т. пл. 101° С), антрацен (т. кип. 354° С, т. пл. 216° С), флуорантен (т. пл. 110° С), пирен (т. пл. 151° С), хризен (т. пл. 255° С) (см. также формулы в табл. 4, разд. III).
Резонанс в ароматических системах.
На первый взгляд может показаться, что это сильно ненасыщенные соединения, однако двойные связи в них всех, за исключением 9,10-двойной связи фенантрена, исключительно инертны. Это отсутствие реакционной способности или ненормально низкий характер двоесвязности приписывают "резонансу". Резонанс подразумевает, что гипотетические двойные связи не локализованы в специфических или формальных связях. Они делокализованы по всем кольцевым атомам углерода, и невозможно точно изобразить электронную структуру таких молекул единственной формулой обычного типа. Везде, где возможно написать для молекулы две (или больше) структуры, которые обладают равной или приблизительно равной энергией и которые отличаются только положениями, приписываемыми электронам, обнаруживается, что реальная молекула более стабильна, чем должна была бы быть любая из структур, и обладает свойствами, промежуточными между ними. Приобретенная таким образом дополнительная стабильность называется энергией резонанса. Этот принцип следует из квантовой механики и отражает невозможность точного описания многих из таких микроскопических систем, как атомы и молекулы, простыми схемами. На основании следующих доказательств можно утверждать, что бензол C6H6 является плоским шестичленным кольцом, содержащим три чередующиеся с простыми двойные связи: гидрирование в жестких условиях превращает его в циклогексан C6H12; озонолиз дает глиоксаль OHC-CHO; дипольные моменты дихлорпроизводных C6H4Cl2 могут быть точно рассчитаны из дипольного момента монохлорбензола, если предположить, что кольцо является плоским правильным шестиугольником. Такой молекуле можно приписать структуру
Обе эти кекулевские структуры (по имени предложившего их Ф.Кекуле) одинаковы по энергии и делают одинаковый вклад в истинную структуру. Ее можно изобразить как
приписывая полудвоесвязный характер каждой углерод-углеродной связи. Тщательный анализ, проведенный Л.Полингом, показал, что небольшой вклад вносят также дьюаровские структуры:
Было найдено, что энергия резонанса системы составляет 39 ккал/моль, и, следовательно, бензольная двойная связь стабильнее, чем олефиновая. Поэтому любая реакция, состоящая в присоединении к одной из двойных связей и ведущая к структуре
потребовала бы преодоления высокого энергетического барьера, поскольку две двойные связи в циклогексадиене
Стабилизированы энергией резонанса всего лишь 5 ккал/моль. Для нафталина можно написать три структуры:
Поскольку все они имеют приблизительно одинаковую энергию, истинная структура является средним арифметическим всех трех и может быть написана как
причем дроби указывают степень двоесвязности каждой углерод-углеродной связи. Энергия резонанса составляет 71 ккал/моль. В общем, для бензола пишется только одна кекулевская структура, а первая из написанных выше структур используется для изображения нафталина. Сходным образом изображается структура антрацена (см. табл. 4 в разд. III).
А. АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ БЕНЗОЛЬНОГО РЯДА
1. Углеводороды бензольного ряда.
Бензол и его гомологи имеют общую формулу CnH2n - 6. Гомологи состоят из бензольного кольца и одной или нескольких алифатических боковых цепей, присоединенных к его углеродным атомам вместо водорода. Простейший из гомологов - толуол C6H5CH3 - содержится в каменноугольной смоле и имеет существенное значение как исходное соединение для получения взрывчатого вещества тринитротолуола (см. разд. IV-3.А.2 "Нитросоединения") и капролактама. Следующая формула в ряду, C8H10, отвечает четырем соединениям: этилбензолу C6H5C2H5 и ксилолам C6H4(CH3)2. (Высшие гомологи представляют меньший интерес.) Когда к кольцу присоединены два заместителя, возникает возможность изомерии положения; так, существуют три изомерных ксилола: Другие важные бензольные углеводороды включают ненасыщенный углеводород стирол C6H5CH=CH2, используемый в производстве полимеров; стильбен C6H5CH=CHC6H5; дифенилметан (C6H5)2CH2; трифенилметан (C6H5)3CH; дифенил C6H5-C6H5.
Получение.
Бензольные углеводороды получают следующими методами: 1) дегидрогенизация и циклизация парафинов, например:
2) синтез Вюрца - Фиттига:
3) реакция Фриделя - Крафтса с алкилгалогенидами или олефинами:
4) синтез кетонов по Фриделю - Крафтсу с последующим восстановлением по Клемменсену (обработка амальгамой цинка и кислотой), которое превращает карбонильную группу в метиленовое звено:
5) дегидрогенизация алициклических углеводородов:
7) перегонка фенолов с цинковой пылью (метод полезен для установления структуры, но редко применяется в синтезе) например:
Применимы также и другие методы, приведенные выше для получения алифатических углеводородов (например, восстановление галогенидов, спиртов, олефинов). Реакции углеводородов бензольного ряда можно подразделить на реакции боковой цепи и реакции кольца. За исключением положения, соседнего с кольцом, боковая цепь ведет себя по существу как парафин, олефин или ацетилен в зависимости от своей структуры. Углерод-водородные связи на углероде, соседнем с кольцом, однако, заметно активированы, особенно по отношению к таким реакциям с участием свободных радикалов, как галогенирование и окисление. Так, толуол и высшие гомологи легко хлорируются и бромируются галогенами на солнечном свету:
В случае толуола можно ввести второй и третий галогены. Эти a-хлорсоединения легко гидролизуются щелочами:
Толуол нетрудно окислить до бензойной кислоты C6H5COOH. Высшие гомологи при окислении претерпевают расщепление боковой цепи до карбоксильной группы, образуя бензойную кислоту. Главной реакцией кольца является ароматическое замещение, при котором протон замещается положительным атомом или группой, произведенной из кислотного или "электрофильного" реагента:
Типичные примеры такого замещения: а) нитрование, Ar-H + HNO3 -> Ar-NO2 + H2O; б) галогенирование, Ar-H + X2 -> Ar-X + HX; в) алкилирование олефинами и алкилгалогенидами по Фриделю - Крафтсу (как указано выше); г) ацилирование по Фриделю - Крафтсу,
Д) сульфирование, Ar-H + H2SO4 (дымящая) -> ArSO3H + H2O. Введение первого заместителя не встречает осложнений, поскольку все положения в бензоле эквивалентны. Введение второго заместителя происходит в различные положения по отношению к первому заместителю в первую очередь в зависимости от природы группы, уже имеющейся в кольце. Природа атакующего реагента играет второстепенную роль. Группы, которые увеличивают электронную плотность в ароматическом кольце -O-, -NH2, -N(CH3)2, -OH, -CH3, -OCH3, -NHCOCH3 активируют орто- и пара-положения и направляют следующую группу главным образом в эти позиции. Напротив, группы, которые оттягивают на себя электроны кольца
Сильнее всего дезактивируют по отношению к электрофильной атаке орто- и пара-положения, поэтому замещение направляется главным образом в мета-положение. Промежуточными по своему поведению являются некоторые группы, которые благодаря противоположным электронным влияниям дезактивируют кольцо по отношению к дальнейшему замещению, но остаются орто-пара-ориентантами: -Cl, -Br, -I и -CH=CHCOOH. Эти принципы важны для синтеза в ароматическом ряду. Так, чтобы получить п-нитробромбензол
,
необходимо сначала бромировать кольцо и затем нитровать его. Обратный порядок операции дает мета-изомер. При жестких условиях кольцо можно "заставить" проявить свой скрытый ненасыщенный характер. С очень активными платиновыми катализаторами при давлении водорода в несколько атмосфер можно добиться гидрирования бензола в циклогексан (но никогда не удается получить продукты частичного гидрирования вроде циклогексадиена). Продолжительная обработка хлором и бромом на солнечном свету ведет к образованию гексагалогеноциклогексанов.
2. Замещенные бензола. Номенклатура.
1) Монозамещенные бензола можно рассматривать как производные бензола, например этилбензол C6H5-C2H5, или как фенилпроизводные алифатических углеводородов, например 2-фенилбутан C6H5-CH(CH3)C2H5, если у них нет тривиальных названий (например, толуол, ксилол). Галогено- и нитропроизводные называют как производные бензола, например нитробензол C6H5NO2, бромбензол C6H5Br. Другие монозамещенные бензола обозначают особыми названиями: фенол C6H5OH, анизол C6H5OCH3, анилин C6H5NH2, бензальдегид C6H5CH=O. 2) В дизамещенных соединениях указывают относительные положения заместителей орто (о), мета (м) и пара (п), как в ксилолах (см. разд. IV-3.А.1). Порядок старшинства в выборе первого заместителя является следующим: COOH, CHO, COR, SO3H, OH, R, NH2, галоген и NO2. Например
Широко используются некоторые тривиальные названия, например,
3) В случае трех и более заместителей для обозначения положений используются цифры (от 1 до 6). При выборе первого заместителя применяются те же правила старшинства, например:
4) Заместители в боковой цепи: такие соединения обычно называют как арилпроизводные алифатических соединений. Примерами могут служить a-фенилэтиламин (C6H5)CH(NH2)CH3 и a-фенилмасляная кислота C2H5CH(C6H5)COOH. Существуют многочисленные тривиальные названия (например, миндальная кислота C6H5CH(OH)COOH), которые будут рассмотрены при обсуждении соответствующих соединений. Галогенопроизводные получают следующими методами: 1) прямое галогенирование кольца
(Br2 реагирует сходным образом); 2) замещение диазониевой группы (см. ниже "Ароматические амины") галогенид-ионом:
(при X = Cl- и Br- должны быть использованы в качестве катализаторов медь или CuX). Атомы галогенов в ароматических галогенидах очень инертны к действию оснований. Поэтому реакции замещения, аналогичные реакциям алифатических галогенидов, редко оказываются практически полезными в случае арилгалогенидов. В промышленности гидролиз и аммонолиз хлорбензола достигается в жестких условиях. Замещение нитрогруппой в п- или о-положении активирует галоген по отношению к основаниям. Из бром- и иодбензолов можно приготовить реактив Гриньяра. Хлорбензол не образует реактивов Гриньяра, но из него можно получить фениллитий. Эти ароматические металлоорганические соединения по свойствам похожи на алифатические аналоги. Нитросоединения обычно получают прямым нитрованием кольца (см. разд. IV-3.А.1, "Реакции") смесью концентрированных азотной и серной кислот. Реже их готовят окислением нитрозосоединений (C6H5NO). Введение одной нитрогруппы в бензол протекает относительно просто. Вторая входит более медленно. Третью удается ввести только при продолжительной обработке смесью дымящих азотной и серной кислот. Это общий эффект м-ориентирующих групп; они всегда снижают способность кольца к дальнейшему замещению. Тринитробензолы ценятся как взрывчатые вещества. Для осуществления их синтеза нитрование обычно проводят не на самом бензоле, а на таких его производных, как толуол или фенол, в которых о,п-ориентирующие заместители могут активировать кольцо. Общеизвестными примерами служат 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота) и 2,4,6-тринитротолуол (тротил). Единственные полезные реакции нитросоединений - это реакции их восстановления. Сильные восстанавливающие агенты (активированный катализаторами водород, олово и соляная кислота, бисульфид-ион) превращают их прямо в амины. Контролируемое электролитическое восстановление позволяет выделить следующие промежуточные стадии:
Бисульфид аммония является специфическим реагентом для превращения динитросоединений в нитроанилины, например:
Ароматические амины.
Первичные амины получают восстановлением соответствующих нитросоединений. Они представляют собой очень слабые основания (K = 10-10). N-алкиланилины можно приготовить алкилированием первичных аминов. Они по большинству реакций напоминают алифатические амины, за исключением взаимодействия с азотистой кислотой и с окислителями. С азотистой кислотой в кислой среде (при 0-5° С) первичные амины дают устойчивые соли диазония (C6H5N=N+X-), имеющие много важных синтетических приложений. Замещение диазониевой группы галогеном уже обсуждалось. Эта группа может быть также заменена на цианид-ион (с CuCN в качестве катализатора) с получением ароматических нитрилов (C6H5CN). Кипящая вода превращает соли диазония в фенолы. В кипящем спирте эта группа замещается на водород:
В почти нейтральном растворе диазониевые соли сочетаются с фенолами (и многими аминами), давая азокрасители:
Эта реакция имеет огромное значение для промышленности синтетических красителей. Восстановление бисульфитом ведет к арилгидразинам C6H5NHNH2. Вторичные ариламины, подобно алифатическим вторичным аминам, дают N-нитрозосоединения. Третичные ариламины C6H5NRRў, однако, дают п-нитрозоариламины (например, п-ON-C6H4NRR"). Эти соединения имеют некоторое значение для приготовления чистых вторичных алифатических аминов, поскольку они легко гидролизуются до вторичного амина RRўNH и п-нитрозофенола. Окисление ароматических аминов может затрагивать не только аминогруппу, но и п-положение кольца. Так, анилин при окислении превращается во множество продуктов, включая азобензол, нитробензол, хинон (
И анилиновый черный краситель). Арилалкиламины (например, бензиламин C6H5CH2NH2) обнаруживают те же свойства и реакции, что и алкиламины с той же молекулярной массой. Фенолы, ароматические гидроксисоединения, у которых гидроксильная группа присоединена прямо к кольцу. Они значительно более кислотны, чем спирты, располагаясь по силе между угольной кислотой и бикарбонат-ионом (для фенола Ka = 10-10). Наиболее общий метод их получения - разложение солей диазония. Их соли можно получить сплавлением солей арилсульфокислот со щелочью:
В дополнение к этим методам фенол получают в промышленности прямым окислением бензола и гидролизом хлорбензола в жестких условиях - раствором едкого натра при высокой температуре под давлением. Фенол и некоторые из его простейших гомологов - метилфенолы (крезолы) и диметилфенолы (ксиленолы) - найдены в каменноугольной смоле. Реакции фенолов примечательны лабильностью гидроксильного водорода и устойчивостью гидроксильной группы к замещению. Кроме того, пара-положение (и орто-положения, если пара-положение блокировано) очень чувствительны к атаке реагентов, вызывающих ароматическое замещение, и окислителей. Фенолы легко образуют натриевые соли при обработке едким натром и содой, но не бикарбонатом натрия. Эти соли легко реагируют с ангидридом и хлорангидридом кислот, давая сложные эфиры (например, C6H5OOCCH3), и с алкилгалогенидами и алкилсульфатами, образуя простые эфиры (например, анизол C6H5OCH3). Сложные эфиры фенолов можно также получить действием ацилирующих агентов в присутствии пиридина. Фенольные гидроксильные группы можно удалить перегонкой фенолов с цинковой пылью, но они не замещаются при нагревании с галогеноводородными кислотами, как спиртовые гидроксильные группы. Гидроксильная группа так сильно активирует орто- и пара-положения, что реакции нитрования, сульфирования, галогенирования и им подобные протекают бурно даже при низких температурах. Действие бромной воды на фенол ведет к 2,4,6-трибромфенолу, но п-бромфенол можно получить бромированием в таких растворителях, как сероуглерод, при низких температурах. Галогенирование без растворителя дает смесь о- и п-галогенофенолов. Разбавленная азотная кислота легко нитрует фенол, давая смесь о- и п-нитрофенолов, из которой о-нитрофенол можно отогнать с паром. Фенол и крезолы используют как дезинфицирующие средства. Среди других фенолов важное значение имеют: а) карвакрол (2-метил-5-изопропилфенол) и тимол (3-метил-6-изопропилфенол), которые встречаются во многих эфирных маслах как продукты химических превращений терпенов; б) анол (п-пропенилфенол), который встречается в виде соответствующего метилового эфира анетола в анисовом масле; близкий к нему хавикол (п-аллилфенол) находится в маслах из листьев бетеля и лавра и в виде метилового эфира, эстрагола, в анисовом масле; в) пирокатехин (2-гидроксифенол), который встречается во многих растениях; в промышленности его получают гидролизом (в жестких условиях) о-дихлорбензола или о-хлорфенола, а также деметилированием гваякола (монометилового эфира пирокатехина), содержащегося в продуктах сухой перегонки бука; пирокатехин легко окисляется в о-хинон
И находит широкое применение как восстановитель в фотографических проявителях; г) резорцин (м-гидроксифенол); его получают щелочным плавлением м-бензолдисульфокислоты и используют для приготовления красителей; он легко замещается в положении 4 и восстанавливается в дигидрорезорцин (циклогександион-1,3), который расщепляется разбавленной щелочью в d-кетокапроновую кислоту; его 4-н-гексилпроизводное является полезным антисептиком; д) гидрохинон (п-оксифенол), который встречается в некоторых растениях в виде гликозида арбутина; его получают восстановлением хинона (см. выше "Ароматические амины"), продукта окисления анилина; это легко обратимая реакция; при 50%-ном ее протекании образуется устойчивое эквимолекулярное соединение хинона и гидрохинона - хингидрон; хингидронный электрод часто применяется в потенциометрическом анализе; благодаря восстанавливающим свойствам гидрохинона он, подобно пирокатехину, используется в фотографических проявителях; е) пирогаллол (2,3-дигидроксифенол), который получают из галловой кислоты (см. ниже "Ароматические кислоты") перегонкой над пемзой в атмосфере углекислого газа; будучи мощным восстановителем, пирогаллол находит применение как поглотитель кислорода в газовом анализе и как фотографический проявитель. Ароматические спирты - это соединения, которые, подобно бензиловому спирту C6H5CH2OH, содержат гидроксильную группу в боковой цепи (а не в кольце, как фенолы). Если гидроксильная группа находится при углеродном атоме, соседнем с кольцом, она особенно легко замещается на галоген при действии галогеноводородов на водород (над платиной) и легко отщепляется при дегидратации (в C6H5CHOHR). Такие простые ароматические спирты, как бензиловый, фенетиловый (C6H5CH2CH2OH), фенилпропиловый (C6H5CH2CH2CH2OH) и коричный (C6H5CH=CHCH2OH), используются в парфюмерной промышленности и встречаются в природе во многих эфирных маслах. Их можно получить по любой из общих реакций, описанных выше для приготовления алифатических спиртов.
Ароматические альдегиды.
Бензальдегид C6H5CHO, простейший ароматический альдегид, образуется в масле горького миндаля в результате ферментативного гидролиза гликозида амигдалина C6H5CH(CN)-O-C12H21O10. Он находит широкое применение как промежуточное вещество в синтезе красителей и других ароматических соединений, а также как отдушка и основа духов. В промышленности его получают гидролизом бензилиденхлорида C6H5CHCl2, продукта хлорирования толуола, или прямым окислением толуола в газовой (над V2O5) либо в жидкой фазе с MnO2 в 65%-ной серной кислоте при 40° С. Для приготовления ароматических альдегидов служат следующие общие методы: 1) синтез Гаттермана - Коха:
2) синтез Гаттермана:
3) синтез Раймера - Тимана (для получения ароматических гидроксиальдегидов):
Бензальдегид окисляется кислородом воздуха в бензойную кислоту; этого можно достичь также применением других окислителей, например перманганата или дихромата. Вообще бензальдегид и другие ароматические альдегиды вступают в карбонильные реакции конденсации (см. разд. IV-1.А.4) несколько менее активно, чем алифатические альдегиды. Отсутствие a-водородного атома препятствует вступлению ароматических альдегидов в альдольную самоконденсацию. Тем не менее смешанная альдольная конденсация используется в синтезе:
Следующие реакции типичны для ароматических альдегидов: 1) реакция Канниццаро:
2) бензоиновая конденсация:
3) реакция Перкина:
Некоторое значение имеют следующие ароматические альдегиды: 1) Салициловый альдегид (о-гидроксибензальдегид) встречается в природе в душистом масле таволги. Его получают из фенола синтезом Раймера - Тимана. Он находит применение в синтезе кумарина (см. разд. IV-4.Г) и некоторых красителей. 2) Коричный альдегид C6H5CH=CHCHO содержится в масле корицы и кассии. Его получают кротоновой конденсацией (см. разд. IV-1.А.4) бензальдегида с уксусным альдегидом. 3) Анисовый альдегид (п-метоксибензальдегид) содержится в масле кассии и используется в духах и ароматизирующих добавках. Его получают синтезом Гаттермана из анизола. 4) Ванилин (3-метокси-4-гидроксибензальдегид) является главным ароматическим компонентом экстрактов ванили. Его можно получить по реакции Раймера - Тимана из гваякола или обработкой эвгенола (2-метокси-4-аллилфенола) щелочью с последующим окислением. 5) Пиперональ обладает запахом гелиотропа. Его получают из сафрола (масло американского лавра) аналогично тому, как получают ванилин из эвгенола.
Ароматические кетоны.
Эти вещества обычно получают из ароматических соединений и хлорангидридов кислот по реакции Фриделя - Крафтса. Применяются также общие методы получения алифатических кетонов. Специфическим методом получения гидроксикетонов является перегруппировка Фриса в сложных эфирах фенолов:
(при повышенных температурах порядка 165-170° С преобладает о-изомер). Вообще ароматические кетоны вступают в те же реакции, что и алифатические кетоны, но гораздо более медленно. a-Дикетонбензил C6H5CO-COC6H5, получаемый окислением бензоина (см. предыдущий разд. "Ароматические альдегиды"), претерпевает характерную перегруппировку при обработке щелочью, образуя бензиловую кислоту (C6H5)2C(OH)COOH.
Ароматические кислоты.
Простейшей ароматической карбоновой кислотой является бензойная C6H5COOH, которая вместе с ее эфирами встречается в природе в составе многих смол и бальзамов. Она широко применяется как пищевой консервант, особенно в форме натриевой соли. Как и алифатические кислоты, бензойную кислоту и другие ароматические кислоты можно получить действием углекислого газа на реактив Гриньяра (например, C6H5MgBr). Их можно также приготовить гидролизом соответствующих нитрилов, которые в ароматическом ряду получают из диазониевых солей или сплавлением натриевых солей ароматических сульфокислот с цианидом натрия:
Другие методы их получения включают: 1) окислительное расщепление алифатических боковых цепей
2) гидролиз трихлорметиларенов
3) синтез гидроксикислот по Кольбе
4) окисление ацетофенонов гипогалогенитами
Ниже перечислены некоторые из наиболее важных ароматических карбоновых кислот: 1) Салициловую (о-гидроксибензойную) кислоту о-C6H4(COOH)OH получают из фенола синтезом Кольбе. Ее метиловый эфир является душистым компонентом масла зимолюбки (гаультерии), а натриевая соль ацетилпроизводного представляет собой аспирин (о-ацетоксибензоат натрия). 2) Фталевую (о-карбоксибензойную) кислоту получают окислением нафталина. Она легко образует ангидрид, а последний при действии аммиака дает фталимид - важное промежуточное вещество в синтезе многих соединений, включая краситель индиго
3) Антраниловая (о-аминобензойная) кислота о-C6H4(NH2)COOH получается при действии гипохлорита натрия на фталимид (реакция Гофмана). Ее метиловый эфир является компонентом духов и встречается в природе в маслах жасмина и апельсиновых листьев. 4) Галловая (3,4,5-тригидроксибензойная) кислота образуется вместе с глюкозой при гидролизе некоторых сложных веществ растительного происхождения, известных под названием таннинов. Сульфокислоты. Бензолсульфокислота C6H5SO3H получается при действии дымящей серной кислоты на бензол. Она и другие сульфокислоты являются сильными кислотами (K > 0,1). Сульфокислоты легко растворимы в воде, гигроскопичны; их трудно получить в свободном состоянии. Чаще всего их используют в виде натриевых солей. Наиболее важные реакции солей, а именно сплавление со щелочами (с образованием фенолов) и с цианидом натрия (с получением нитрилов), уже обсуждались. При действии пентахлорида фосфора они дают арилсульфохлориды (например, C6H5SO2Cl), которые находят применение в алифатических и алициклических синтезах. Наиболее часто используемым таким способом арилсульфохлоридом является п-толуолсульфохлорид (п-CH3C6H4SO2Cl), в литературе часто называемый тозилхлоридом (TsCl). Нагревание сульфокислот в 50-60% серной кислоте при 150° С вызывает их гидролиз до серной кислоты и исходных углеводородов:
Важной сульфокислотой является сульфаниловая кислота п-H2NC6H4SO3H (или п-H3N+C6H4SO3-), амид (сульфаниламид) и другие производные которой представляют собой важные химиотерапевтические средства. Сульфаниловую кислоту получают действием дымящей серной кислоты на анилин. Многие моющие средства являются солями длинноцепочечных сульфокислот, например NaO3S-C6H4-C12H25.
Б. АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ НАФТАЛИНОВОГО РЯДА
1. Синтез a- и b-замещенных производных нафталина. Нафталин является главным компонентом каменноугольной смолы. Он имеет исключительное значение в синтезе многих промышленных продуктов, включая индиго и азокрасители. Однако его использование как репеллента, отпугивающего моль, сократилось с введением таких новых средств, как п-дихлорбензол. Его монозамещенные производные обозначаются как a- или b- в соответствии с положением заместителя (см. табл. 4 в разд. III). Положения в полизамещенных производных обозначаются цифрами. Вообще говоря, a-положение проявляет более высокую реакционную способность. Нитрование, галогенирование и низкотемпературное сульфирование ведут к a-производным. Доступ к b-положению достигается главным образом посредством высокотемпературного сульфирования. В этих условиях a-сульфокислота перегруппировывается в более устойчивую b-форму. Введение других заместителей в b-положение становится после этого возможным при помощи реакции Бухерера: сначала из b-нафталинсульфокислоты щелочным плавлением получают b-нафтол b-C10H7OH, который затем при обработке бисульфитом аммония при 150° С и 6 атм дает b-нафтиламин b-C10H7NH2; через соединения диазония, получаемые из этого амина обычным путем, теперь можно ввести в b-положение галоген или цианогруппу. Реакция Фриделя - Крафтса между нафталином и хлорангидридом также дает b-ацилпроизводные b-C10H7COR.
2. Реакции замещения производных нафталина.
Реакции производных нафталина те же, что и реакции производных бензола. Так, нафталинсульфокислоты служат источником нафтолов; нафтиламины через соли диазония превращаются в галогено- и цианнафталины. Поэтому особое обсуждение реакций соединений нафталина будет опущено. Однако реакции замещения в производных нафталина представляют определенный интерес. 1) При наличии о,п-ориентанта (-CH3, -OH) в 1(a)-положении атака направляется преимущественно в положение 4 и затем в положение 2. 2) В присутствии м-ориентанта (-NO2) в положении 1 атака направляется в положение 8 (пери) и затем в положение 5. 3) При наличии о,п-ориентанта в положении 2 (b) атаке подвергается преимущественно положение 1, хотя сульфирование может происходить в положении 6. Особенно важно, что никогда не подвергается атаке положение 3. Это объясняют низкой степенью двоесвязности углерод-углеродной связи 2-3. В нафталине замещение протекает в более мягких условиях, чем в бензоле. Нафталин также легче восстанавливается. Так, амальгама натрия восстанавливает его в тетралин (тетрагидронафталин; формулу см. в табл. 4 в разд. III). Он также более чувствителен к окислению. Горячая концентрированная серная кислота в присутствии ионов ртути превращает его во фталевую кислоту (см. разд. IV-3.А.2 "Ароматические кислоты"). Хотя в толуоле метильная группа окисляется раньше кольца, в b-метилнафталине положения 1,4 более подвержены окислению, так что первым продуктом является 2-метил-1,4-нафтохинон:
В. ПРОИЗВОДНЫЕ МНОГОЯДЕРНЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
1. Антрацен и его производные.
Антрацен (формулу см. в табл. 4, разд. III) содержится в значительных количествах в каменноугольной смоле и находит широкое применение в промышленности как промежуточное вещество в синтезе красителей. Положения 9,10 высокореакционноспособны в реакциях присоединения. Так, водород и бром легко присоединяются, давая соответственно 9,10-дигидро- и 9,10-дибромантрацен. Окисление хромовой кислотой превращает антрацен в антрахинон.
Антрахинон (т. пл. 285° С) представляет собой желтое кристаллическое вещество. Наиболее общий способ получения антрахинона и его производных состоит в циклизации о-бензоилбензойных кислот при действии серной кислоты
о-Бензоилбензойные кислоты получают действием фталевого ангидрида на бензол (или соответствующее его производное) в присутствии хлорида алюминия. Антрахинон чрезвычайно устойчив к окислению. Такие восстановители, как цинковая пыль и щелочь или бисульфит натрия, превращают его в антрагидрохинон (9,10-дигидроксиантрацен), белое вещество, растворяющееся в щелочи с образованием кроваво-красных растворов. Олово и соляная кислота восстанавливают одну кетогруппу в метиленовую, образуя антрон. Нитрование в жестких условиях дает главным образом a(1)-производное вместе с заметным количеством 1,5- и 1,8-динитроантрахинонов. Сульфирование серной кислотой приводит к образованию главным образом b(2)-сульфокислоты, но в присутствии небольших количеств сульфата ртути основным продуктом является a-сульфокислота. Дисульфирование в присутствии сульфата ртути дает в основном 1,5- и 1,8-дисульфокислоты. В отсутствие ртути образуются 2,6- и 2,7-дисульфокислоты. Сульфокислоты антрахинона имеют большое значение, так как из них щелочным плавлением получают гидроксиантрахиноны, многие из которых являются ценными красителями. Так, окислительное щелочное плавление b-сульфокислоты дает краситель ализарин (1,2-дигидроксиантрахинон), который в природе содержится в корнях марены. Сульфокислотные группы в антрахиноне можно также непосредственно заменить аминогруппами с образованием аминоантрахинонов, представляющих собой ценные красители. В этой реакции натриевую соль сульфокислоты обрабатывают аммиаком при 175-200° С в присутствии мягкого окислителя (например, мышьяковокислого натрия), добавляемого, чтобы разрушить образующийся сульфит.
2. Фенантрен и его производные.
В природе фенантрен находится в каменноугольной смоле. Он сам и его производные могут быть получены из о-нитростильбенкарбоновой кислоты, образующейся конденсацией о-нитробензальдегида и фенилуксусной кислоты по методу Пшорра:
Двойная связь в положении 9,10 высокореакционноспособна; она легко присоединяет бром и водород и претерпевает окисление сначала в 9,10-фенантрахинон, а затем до дифеновой кислоты
Реакции замещения в фенантрене обычно идут в положения 2, 3, 6 и 7.
3. Высшие многоядерные углеводороды
привлекают к себе внимание главным образом в связи с их высокой канцерогенной активностью. Вот некоторые примеры:
Красители пирантрон, идантреновый желтый и виолантрон являются кетопроизводными сложных многоядерных углеводородов.
- - душистые эфирномасличные раст., обладающие б. или м. сильным запахом от содержащегося в растениях или их частях эфирного масла, используемого в медицине и промышленности...
Сельскохозяйственный словарь-справочник
- - эфиромасличные растения, обладающие сильным запахом...
Словарь ботанических терминов
- - карбоциклич. соед., не содержащие бензольных ядер, но характеризующиеся ароматичностью. К ним относятся, напр., аннулен, тропилия соединения, трополоны, циклопентадиенид-анион...
Химическая энциклопедия
- - соединения, молекулы которых характеризуются наличием ароматической системы связей. В более узком смысле к ароматическим углеводородам относятся бензол и полициклические соединения на его основе...
Начала современного Естествознания
- - В античные времена обладавшие приятным ароматом растительные продукты, такие как ладан, мирра, кассия, корица и лаванда, находили использование в культовых обрядах и быту...
Словарь античности
- - АРОМАТИЧЕСКИЕ соединения - органические соединения, молекулы которых содержат циклы из 6 атомов углерода, участвующих в образовании единой системы сопряженных связей. Включают углеводороды и их производные...
Большой энциклопедический словарь
- - органич. соед., молекулы к-рых содержат циклы из 6 атомов углерода, участвующих в образовании единой системы сопряжённых связей. Включают углеводороды и их производные...
- Большинство современных химиков разделяет всю массу органических веществ на два больших класса: жирных соединений и ароматических...
Большая Советская энциклопедия
Ароматические масла
Из книги Рецепты волшебных снадобий автора Каннингем СкоттАроматические масла
Из книги Магия для дома. Действенные практики очищения и защиты жилища автораАроматические масла Наиболее эффективно ароматические масла распространяют свой запах, когда они подогреты, но их нельзя лить на раскаленные предметы или угли. Ароматические лампы, состоящие из чаши для воды и свечки, должны использоваться не только для очищения, но и
Ароматические вещества
Из книги Повседневная жизнь армии Александра Македонского автора Фор ПольАроматические вещества Известно, что за несколько месяцев до смерти царь стал тщательно готовить морскую экспедицию вокруг Аравийского полуострова. Он уже отдал приказ построить на Евфрате большой флот, оснастить его, тренировать, учить маневрировать, посетил эстуарийАроматические углеводороды Из книги Большая Советская Энциклопедия (АР) автора БСЭ
Ароматические добавки
Из книги Большая книга рыболова-любителя [с цветной вкладкой] автора Горяйнов Алексей ГеоргиевичАроматические добавки Пахучие вещества, добавляемые в насадку или прикормку для придания им определенного запаха, могут привлекать рыбу или отпугивать ее.Практически все растительные насадки используют с добавлением того или иного ароматизатора, а насадки животного
Ароматические вещества
Из книги Очищение организма и правильное питание автора Малахов Геннадий ПетровичАроматические вещества В плодах, овощах и пряных травах содержатся ароматические вещества, которые придают им своеобразный вкус и аромат, характерный для каждого вида и сорта растения. В большинстве своем ароматические вещества сосредоточены в той части растения,
Ароматические ванночки для ног
Из книги Поможем коже выглядеть моложе. Маски для лица и тела автора Белова ОксанаАроматические ванночки для ног А теперь немного поговорим об ароматерапии. Эфирные масла, как и лекарственные травы, обладают огромным спектром воздействия: антисептическое, антибактериальное, противогрибковое, противовоспалительное и т. д. Они сделают процедуру
Ароматические вещества
Из книги 36 и 6 правил здоровых зубов автора Сударикова Нина АлександровнаАроматические вещества Используются для улучшения вкусовых качеств зубной пасты, определяют приятный аромат. Наиболее распространены отдушки мяты, корицы, эвкалипта, оказывающие освежающее действие.Все зубные пасты, представленные на нашем рынке делятся на:
Ароматические средства
Из книги Золотой ус и баня автора Корнеев Юрий 1Ароматические средства В горячую воду с целью поддачи пара можно добавлять различные снадобья. Ароматные снадобья можно плескать на каменку и в ходе самого банного сеанса. Такой аромат не только помогает лучше дышать, но и благоприятно действует на организм.В наших
Ароматические ванны
Из книги Золотые правила водолечения автора Иванова О. О.Ароматические ванны По своему воздействию на наш организм ни один из видов ванн не может сравниться с ароматическими. Ведь при этом действует не только температурный и механический факторы, но и химический, так как в действие вступают еще и целительные силы
Ароматические ванны
Из книги Большая энциклопедия здоровья Поля Брэгга автора Моськин А. В.Ароматические ванны По своему воздействию на организм ни один из видов ванн не может сравниться с ароматическими. Ведь при этом действуют не только температурные и механические факторы, но и целительные свойства ароматических масел и лекарственных настоев. Их действие
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ (АРЕНЫ)
Типичными представителями ароматических углеводородов являются производные бензола, т.е. такие карбоциклические соединения, в молекулах которых имеется особая циклическая группировка из шести атомов углерода, называемая бензольным или ароматическим ядром.
Общая формула ароматических углеводородов CnH2n-6.
Строение бензола
Для изучения строения бензола необходимо просмотреть анимационный фильм "Строение бензола" (Данный видеоматериал доступен только на CD-ROM). Текст, сопровождающий этот фильм, в полном объеме перенесен в данный подраздел и ниже следует.
"В 1825 году английский исследователь Майкл Фарадей при термическом разложении ворвани выделил пахучее вещество, которое имело молекулярную формулу C6Н6. Это соединение, называемое теперь бензолом, является простейшим ароматическим углеводородом.
Распространенная структурная формула бензола, предложенная в 1865 году немецким ученым Кекуле, представляет собой цикл с чередующимися двойными и одинарными связями между углеродными атомами:
Однако физическими, химическими, а также квантово-механическими исследованиями установлено, что в молекуле бензола нет обычных двойных и одинарных углерод-углеродных связей. Все эти связи в нем равноценны, эквивалентны, т.е. являются как бы промежуточными "полуторными " связями, характерными только для бензольного ароматического ядра. Оказалось, кроме того, что в молекуле бензола все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости, причем атомы углерода находятся в вершинах правильного шестиугольника с одинаковой длиной связи между ними, равной 0,139 нм, и все валентные углы равны 120°. Такое расположение углеродного скелета связано с тем, что все атомы углерода в бензольном кольце имеют одинаковую электронную плотность и находятся в состоянии sp2 - гибридизации. Это означает, что у каждого атома углерода одна s- и две p- орбитали гибридизованы, а одна p- орбиталь негибридная. Три гибридных орбитали перекрываются: две из них с такими же орбиталями двух смежных углеродных атомов, а третья - с s- орбиталью атома водорода. Подобные перекрывания соответствующих орбиталей наблюдаются у всех атомов углерода бензольного кольца, в результате чего образуются двенадцать s- связей, расположенных в одной плоскости.
Четвертая негибридная гантелеобразная p- орбиталь атомов углерода расположена перпендикулярно плоскости направления s- связей. Она состоит из двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, а другая - ниже упомянутой плоскости. Каждая p- орбиталь занята одним электроном. р- Орбиталь одного атома углерода перекрывается с p- орбиталью соседнего атома углерода, что приводит, как и в случае этилена, к спариванию электронов и образованию дополнительной p- связи. Однако в случае бензола перекрывание не ограничивается только двумя орбиталями, как в этилене: р- орбиталь каждого атома углерода одинаково перекрывается с p- орбиталями двух смежных углеродных атомов. В результате образуются два непрерывных электронных облака в виде торов, одно из которых лежит выше, а другое - ниже плоскости атомов (тор - это пространственная фигура, имеющая форму бублика или спасательного круга). Иными словами, шесть р- электронов, взаимодействуя между собой, образуют единое p- электронное облако, которое изображается кружочком внутри шестичленного цикла:
С теоретической точки зрения ароматическими соединениями могут называться только такие циклические соединения, которые имеют плоское строение и содержат в замкнутой системе сопряжения (4n+2) p- электронов, где n - целое число. Приведенным критериям ароматичности, известным под названием правила Хюккеля, в полной мере отвечает бензол. Его число шесть p- электронов является числом Хюккеля для n=1, в связи с чем, шесть p- электронов молекулы бензола называют ароматическим секстетом".
Примером ароматических систем с 10 и 14 p- электронами являются представители многоядерных ароматических соединений -
нафталин и
антрацен .
Изомерия
Теория строения допускает существование только одного соединения с формулой бензола (C6H6) а также только одного ближайшего гомолога - толуола (C7H8). Однако последующие гомологи могут уже существовать в виде нескольких изомеров. Изомерия обусловлена изомерией углеродного скелета имеющихся радикалов и их взаимным положением в бензольном кольце. Положение двух заместителей указывают с помощью приставок: орто- (о-), если они находятся у соседних углеродных атомов (положение 1, 2-), мета- (м-) для разделенных одним атомом углерода (1, 3-) и пара- (п-) для находящихся напротив друг друга (1, 4-).
Например, для диметилбензола (ксилола):
орто-ксилол (1,2-диметилбензол)
мета-ксилол (1,3-диметилбензол)
пара-ксилол (1,4-диметилбензол)
Получение
Известны следующие способы получения ароматических углеводородов.
1) Каталитическая дегидроциклизация алканов, т.е. отщепление водорода с одновременной циклизацией (способ Б.А.Казанского и А.Ф.Платэ). Реакция осуществляется при повышенной температуре с использованием катализатора, например оксида хрома.
гептан--500°C® + 4H2 толуол
2) Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных (Н.Д.Зелинский). В качестве катализатора используется палладиевая чернь или платина при 300°C.
циклогексан --300°C,Pd®+ 3H2
3) Циклическая тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 600°C (Н.Д.Зелинский).
3НCєСН--600°C®
4) Сплавление солей ароматических кислот со щелочью или натронной известью.
NaOH--t°®+ Na2CO3
5) Алкилирование собственно бензола галогенопроизводными (реакция Фриделя-Крафтса) или олефинами.
Бензол и его ближайшие гомологи - бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях - спирте, эфире, ацетоне.
Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице.
Таблица. Физические свойства некоторых аренов
|
Название |
Формула |
t°.пл., |
t°.кип., |
d 4 20 |
| Бензол |
C 6 H 6 |
80,1 |
0,8790 |
|
| Толуол (метилбензол) |
С 6 Н 5 СH 3 |
95,0 |
110,6 |
0,8669 |
| Этилбензол |
С 6 Н 5 С 2 H 5 |
95,0 |
136,2 |
0,8670 |
| Ксилол (диметилбензол) |
С 6 Н 4 (СH 3 ) 2 |
|||
| орто- |
25,18 |
144,41 |
0,8802 |
|
| мета- |
47,87 |
139,10 |
0,8642 |
|
| пара- |
13,26 |
138,35 |
0,8611 |
|
| Пропилбензол |
С 6 Н 5 (CH 2 ) 2 CH 3 |
99,0 |
159,20 |
0,8610 |
| Кумол (изопропилбензол) |
C 6 H 5 CH(CH 3 ) 2 |
96,0 |
152,39 |
0,8618 |
| Стирол (винилбензол) |
С 6 Н 5 CH=СН 2 |
30,6 |
145,2 |
0,9060 |
Бензольное ядро обладает высокой прочностью, чем и объясняется склонность ароматических углеводородов к реакциям замещения. В отличие от алканов, которые также склонны к реакциям замещения, ароматические углеводороды характеризуются большой подвижностью атомов водорода в ядре, поэтому реакции галогенирования, нитрования, сульфирования и др. протекают в значительно более мягких условиях, чем у алканов.
Электрофильное замещение в бензоле
Несмотря на то, что бензол по составу является ненасыщенным соединением, для него не характерны реакции присоединения. Типичными реакциями бензольного кольца являются реакции замещения атомов водорода - точнее говоря, реакции электрофильного замещения.
Рассмотрим примеры наиболее характерных реакций этого типа.
1) Галогенирование. При взаимодействии бензола с галогеном (в данном случае с хлором) атом водорода ядра замещается галогеном.
Cl2 -AlCl3® (хлорбензол) + H2O
Реакции галогенирования осуществляются в присутствии катализатора, в качестве которого чаще всего используют хлориды алюминия или железа.
2) Нитрование. При действии на бензол нитрующей смеси атом водорода замещается нитрогруппой (нитрующая смесь - это смесь концентрированных азотной и серной кислот в соотношении 1:2 соответственно).
HNO3 -H2SO4® (нитробензол) + H2O
Серная кислота в данной реакции играет роль катализатора и водоотнимающего средства.
3) Сульфирование. Реакция сульфирования осуществляется концентрированной серной кислотой или олеумом (олеум - это раствор серного ангидрида в безводной серной кислоте). В процессе реакции водородный атом замещается сульфогруппой, приводя к моносульфокислоте.
H2SO4 -SO3® (бензолсульфокислота) + H2O
4) Алкилирование (реакция Фриделя-Крафтса). При действии на бензол алкилгалогенидов в присутствии катализатора (хлористого алюминия) осуществляется замещение алкилом атома водорода бензольного ядра.
R-Cl -AlCl3® (R-углеводородный радикал) + HCl
Следует отметить, что реакция алкилирования представляет собой общий способ получения гомологов бензола - алкилбензолов.
Рассмотрим механизм реакции электрофильного замещения в ряду бензола на примере реакции хлорирования.
Первичной стадией является генерирование электрофильной частицы. Она образуется в результате гетеролитического расщепления ковалентной связи в молекуле галогена под действием катализатора и представляет собой хлорид-катион.
AlCl3 ® Cl+ + AlCl4-
Образующаяся электрофильная частица атакует бензольное ядро, приводя к быстрому образованию нестойкого p- комплекса, в котором электрофильная частица притягивается к электронному облаку бензольного кольца.
P- комплекс
Иными словами, p- комплекс - это простое электростатическое взаимодействие электрофила и p- электронного облака ароматического ядра.
Далее происходит переход p- комплекса в s- комплекс, образование которого является наиболее важной стадией реакции. Электрофильная частица "захватывает" два электрона s- электронного секстета и образует s- связь с одним из атомов углерода бензольного кольца.
s- комплекс
s- Комплекс - это катион, лишенный ароматической структуры, с четырьмя p- электронами, делокализованными (иначе говоря, распределенными) в сфере воздействия ядер пяти углеродных атомов. Шестой атом углерода меняет гибридное состояние своей электронной оболочки от sp2- до sp3-, выходит из плоскости кольца и приобретает тетраэдрическую симметрию. Оба заместителя - атомы водорода и хлора располагаются в плоскости, перпендикулярной к плоскости кольца.
На заключительной стадии реакции происходит отщепление протона от s- комплекса и ароматическая система восстанавливается, поскольку недостающая до ароматического секстета пара электронов возвращается в бензольное ядро.
Отщепляющийся протон связывается с анионом четыреххлористого алюминия с образованием хлористого водорода и регенерацией хлорида алюминия.
H+ + AlCl4- ® HCl + AlCl3
Именно благодаря такой регенерации хлорида алюминия для начала реакции неоходимо очень небольшое (каталитическое) его количество.
Несмотря на склонность бензола к реакциям замещения, он в жестких условиях вступает и в реакции присоединения.
1) Гидрирование. Присоединение водорода осуществляется только в присутствии катализаторов и при повышенной температуре. Бензол гидрируется с образованием циклогексана, а производные бензола дают производные циклогексана.
3H2 -t°,p,Ni® (циклогексан)
2) На солнечном свету под воздействием ультрафиолетового излучения бензол присоединяет хлор и бром с образованием гексагалогенидов, которые при нагревании теряют три молекулы галогеноводорода и приводят к тригалогенбензолам.
3Cl2 -hn®
гексахлорциклогексан
сим-трихлорбензол
3) Окисление. Бензольное ядро более устойчиво к окислению, чем алканы. Даже перманганат калия, азотная кислота, пероксид водорода в обычных условиях на бензол не действуют. При действии же окислителей на гомологи бензола ближайший к ядру атом углерода боковой цепи окисляется до карбоксильной группы и дает ароматическую кислоту.
2KMnO4 ® (калиевая соль бензойной кислоты) + 2MnO2 + KOH + H2O
4KMnO4 ® + K2CO3 + 4MnO2 + 2H2O + KOH
Во всех случаях, как видно, независимо от длины боковой цепи образуется бензойная кислота.
При наличии в бензольном кольце нескольких заместителей можно окислить последовательно все имеющиеся цепи. Эта реакция применяется для установления строения ароматических углеводородов.
-[O]® (терефталевая кислота)
Правила ориентации в бензольном ядре
Как и собственно бензол, гомологи бензола также вступают в реакцию электрофильного замещения. Однако, существенной особенностью этих реакций является то, что новые заместители вступают в бензольное кольцо в определенные положения по отношению к уже имеющимся заместителям. Иными словами, каждый заместитель бензольного ядра обладает определенным направляющим (или ориентирующим) действием. Закономерности, определяющие направление реакций замещения в бензольном ядре, называются правилами ориентации.
Все заместители по характеру своего ориентирующего действия делятся на две группы.
Заместители первого рода (или орто-пара-ориентанты) - это атомы или группы атомов, способные отдавать электроны (электронодонорные). К ним относятся углеводородные радикалы, группы -OH и -NH2, а также галогены. Перечисленные заместители (кроме галогенов) увеличивают активность бензольного ядра. Заместители первого рода ориентируют новый заместитель преимущественно в орто- и пара-положение.
2 + 2H2SO4 ® (о-толуолсульфок-та) + (п-толуолсульфок-та) + 2H2O
2 + 2Cl2 -AlCl3® (о-хлортолуол) + (п-хлортолуол) + 2HCl
Рассматривая последнюю реакцию, необходимо отметить, что в отсутствии катализаторов на свету или при нагревании (т.е. в тех же условиях, что и у алканов) галоген можно ввести в боковую цепь. Механизм реакции замещения в этом случае радикальный.
Cl2 -hn® (хлористый бензил) + HCl
Заместители второго рода (мета-ориентанты) - это способные оттягивать, принимать электроны от бензольного ядра электроноакцепторные группировки. К ним относятся:
-NO2, -COOH, -CHO, -COR, -SO3H.
Заместители второго рода уменьшают активность бензольного ядра, они направляют новый заместитель в мета-положение.
HNO3 -H2SO4® (м-динитробензол) + H2O
HNO3 -H2SO4® (м-нитробензойная кислота) + H2O
Применение
Ароматические углеводороды являются важным сырьем для производства различных синтетических материалов, красителей, физиологически активных веществ. Так, бензол - продукт для получения красителей, медикаментов, средств защиты растений и др. Толуол используется как сырье в производстве взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов, а также в качестве растворителя. Винилбензол (стирол) применяется для получения полимерного материала - полистирола.
Особенности ароматических соединений. Бензол является первым представителем ароматических углеводородов. Он обладает рядом своеобразных свойств, отличающих его от изученных ранее предельных и непредельных ациклических углеводородов. Ароматический характер бензола определяется его строением и проявляется в химических свойствах.
Состав бензола выражается формулой C 6 H 6 . Общая формула гомологов ряда бензола C n H 2 n -6 . Разность между этой формулой и формулой ряда предельных углеводородов C n H 2 n +2 равна 8Н . Следовательно, по химическому составу бензол и его гомологи являются непредельными соединениями. Их непредельный характер не проявляется в типичных реакциях. Можно было бы ожидать, что бензол будет вести себя подобно этилену, бутадиену и другим типичным непредельным углеводородам. Однако, он не обесцвечивает бромную воду, т. е. в обычных условиях не присоединяет бром. Раствор марганцевокислого калия при взбалтывании с бензолом не обесцвечивается, т. е. бензол устойчив в этих условиях к окислению. Даже при длительном кипячении с раствором КМn0 4 бензол почти не окисляется. Для него, в основном, характерны реакции замещения:
а) В присутствии катализаторов - кислот Льюиса (FeCl 3 , АlСl 3 ) хлор и бром замещают атомы водорода в молекуле бензола:
б) Концентрированная серная кислота не вызывает полимеризации бензола, как это происходит в случае алкадиенов, а приводит к получению бензолсульфокислоты:
в) При действии нитрующей смеси (концентрированные НNO 3 и H 2 SO 4 ) происходит нитрование ядра (введение в ядро нитрогруппы -NO 2 ) с образованием нитропроизводных бензола.
нитробензол
Классификация реакций замещения. При замещении в бензольном кольце возможны три типа реакций в зависимости от природы атакующей частицы.
1. Радикальное замещение. Если атакующий агент R – радикал, несущий неспаренный электрон, то водород, связанный с атомом углерода ядра, отщепляется с одним из электронов электронной пары -связи. Такой тип замещения называется радикальным. Реакция радикального замещения редко используется в ароматическом ряду.
R + Н-С 6 Н 5 R-С 6 Н 5 + Н
2. Нуклеофильное замещение. При действии несущих отрицательный заряд нуклеофильных частиц на замещенный бензол С 6 Н 5 Х (где Х – заместитель), отщепляющаяся группа Х - уходит вместе с парой -электронов, ранее осуществлявших ее связь с ядром:
Z - + X: C 6 H 5 Z-C 6 H 5 + X -
Примером может служить реакция взаимодействия натриевой соли бензолсульфокислоты со щелочью. Эта реакция лежит в основе промышленного метода получения фенола:
Как правило, для успешного протекания реакций нуклеофильного замещения в ядре должен находиться дополнительно один или лучше два сильных электроноакцепторных заместителя (–NO 2 , –SO 3 Н , –СF 3 ).
3. Электрофильное замещение.
Z + + X:C 6 H 5 Z-C 6 H 5 + X +
Во всех реакциях этого типа атакующий реагент (Y + ) несет на атоме, вступающем в связь с углеродным атомом бензольного ядра, положительный заряд либо имеет ярко выраженный катионоидный характер и образует новую связь за счет пары электронов, ранее осуществлявшей связь С-Н . Замещающийся атом водорода уходит в виде протона (Н + ).
Реакции присоединения к бензолу. В отдельных редких случаях бензол способен к реакциям присоединения. Гидрирование, т. е. присоединение водорода, происходит при действии водорода в жестких условиях в присутствии катализаторов (Ni , Pt , Pd ). При этом молекула бензола присоединяет три молекулы водорода с образованием циклогексана:
циклогексан
Если раствор хлора или брома в бензоле подвергнуть действию солнечного света или ультрафиолетовых лучей, то происходит радикальное присоединение трех молекул галогена с образованием сложной смеси стереоизомеров гексахлорциклогексана (гексахлорана):
|
Таким образом, ароматический характер бензола (и других аренов) выражается в том, что это соединение, по составу являясь непредельным, в целом ряде химических реакций проявляет себя как предельное соединение; для него характерны химическая устойчивость, трудность реакций присоединения. Только в особых условиях (катализаторы, облучение) бензол ведет себя как триеновый углеводород.
5.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
АРОМАТИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ , обширный класс органических соединений, характерной чертой которых являются: 1) циклическое строение и 2) особая система распределения сил сродства внутри молекулы, сообщающая циклу большую прочность. Простейшим веществом этого чрезвычайно богатого соединениями класса органической химии является бензол, основной углеродный скелет которого схематически изображается в виде шестиугольника - «ядра». К ароматическим соединениям относят не только производные бензола и его гомологов, но также и конденсированные системы типа нафталина, фенантрена, хризена и т. д., составленные из двух, трех, четырех и т. д. ядер бензола, равно как и многие гетероциклические соединения, обладающие ароматическим характером, т. е. комплексом определенных специфических свойств. Свойства, отличающие ароматические соединения от жирных и алициклических:
1) Атомы водорода обладают большой подвижностью, что проявляется в способности ароматических соединений входить в различного рода реакции замещения. Особенно характерными являются химические превращения, протекающие при действии азотной и серной кислот. При этом происходит нитрование или сульфирование ароматических соединений, т. е. процессы, связанные с обменом атома (или атомов) водорода на нитро-группу NО 2 или сульфо-группу SО 3 H:
Обе эти реакции широко используются в технологии органических веществ.
2) Различные реакционные группы в ароматических соединениях по некоторым своим свойствам значительно отличаются от свойств этих же групп в соединениях жирного ряда: галоиды в галоидных производных бензола обладают меньшей реакциеспособностью по сравнению с галоидными алкилами; для обмена галоида в галоидных арилах (арил - ароматический углеводородный остаток) на другие группы (гидроксил, амино-группу и т. д.) приходится прибегать к более сильным химическим воздействиям, чем в соответствующих алифатических соединениях; щелочные свойства ароматических аминов значительно слабее аминов жирных. Этот «кислый» или «отрицательный» характер ароматического остатка находит свое отражение также в ряде других свойств ароматических соединений. Особенно резко отличаются ароматические амины своим отношением к азотистой кислоте; с ней они дают т. н. диазосоединения, аналоги которых в жирном ряду известны только в исключительных случаях. Изменение свойств гидроксила в ароматических соединениях выражается в повышении его кислотности; поэтому гидроксильные производные бензола – фенолы - обладают свойствами настоящих кислот. Они реагируют с водными растворами едких щелочей, образуя солеобразные соединения - феноляты. Дигидроксильные производные бензола, нафталина и т. д. обладают свойством при окислении, отнятием двух атомов Н, превращаться в своеобразные соединения - хиноны.
3) Главное отличие ароматических соединений от алифатических, и в особенности от сходных с ними по строению углеродного скелета алициклических соединений, заключается в особом состоянии насыщенности ароматического цикла. Эта насыщенность сообщает ароматическим соединениям чрезвычайную прочность и стойкость по отношению к различным химическим воздействиям. Эмпирические формулы ароматических углеводородов (С 6 Н 6 , С 7 Н 8 , С 10 Н 8 , С 14 Н 8 и т. д.) показывают, что эти соединения д. б. отнесены к классу ненасыщенных, характеризующихся реакциями присоединения и окисления. Между тем в этом отношении ароматических соединений обнаруживают существенные отличия. Бромистый водород, обычно легко присоединяющийся в месте двойной (этиленовой) связи, к ароматическим соединениям не присоединяется. Присоединение брома - одна из самых употребительных реакций на двойную связь - осуществляется в отношении ароматических соединений только при наличии особых условий. Особенно характерна устойчивость ароматического «ядра» к окислителям. В то время как жирные и алициклические ненасыщенные углеводороды быстро реагируют с марганцевокислым калием с образованием кислот, бензол в тех же условиях почти не изменяется. Если же при ядре ароматического соединения находится боковая цепь, как, например, в этилбензоле (С 6 Н 5 ·СН 2 ·СН 3), то последняя окисляется в карбоксильную группу, и полученное в результате соединение (бензойная кислота С 6 Н 5 ·СООН) сохраняет основной углеродный скелет ароматического соединения - свое ядро. Даже при сильных химических воздействиях, например при сплавлении с щелочами, циклы исходных соединений остаются неизменными.
Для объяснения своеобразных свойств ароматических соединений был предложен целый ряд различных теорий. Первая формула строения бензола была дана немецким химиком Кекуле (в 1865 г.). В структурной формуле Кекуле - 6 расположенных в виде шестиугольника метиновых групп (= СН-), из которых каждая связана с соседними одной двойной (этиленовой) связью и одной простой (формула I). В виду того, что этиленовые связи характеризуются вполне определенными химическими свойствами, которых ароматические соединения лишены, эта формула нуждалась в некоторых дополнительных гипотезах.
Одной из них явилась гипотеза парциальных валентностей Тиле, по которой остаточные силы химического сродства атомов углерода взаимно насыщаются, образуя замкнутую систему, где три двойные связи находятся в «конъюгации» - взаимном сопряжении (формула II). С развитием учения о природе химических сил, гл. обр. в связи с теорией Вернера, представления о строении бензола подвергались некоторым видоизменениям. По Вернеру, силы химического сродства углерода не представляют собой отдельных, независимо друг от друга действующих сил (единицы сродства), но являются частичным выражением одной силы - общего запаса сродства, заложенного в атоме углерода. Т. о. значение каждой данной валентности заранее не определено, но зависит от состояния насыщенности углеродного атома, т. е. от количества сродства, потраченного на насыщение другими атомами или группами. При циклическом строении молекулы подобное насыщение может происходить не только за счет связывания других, не входящих в цикл, атомов, но иногда осуществляется внутренним распределением сродства между теми атомами, из которых данный цикл составлен. В бензоле этому способствует шестичленная симметричная структура, благодаря которой остаточное сродство каждого из шести атомов углерода приходит в состояние внутреннего насыщения, сообщающего циклу большую прочность и устойчивость. Подобные представления о строении бензола находят свое выражение в формуле III, где дугообразные связи иллюстрируют характер внутреннего циклического насыщения. В последнее время, в связи с учением о строении атома, были предложены новые электронные формулы строения бензола и других ароматических соединений, однако до сих пор они не получили широкого распространения в органической химии и являются только б. или м. удачной попыткой объяснения свойств ароматических соединений, как результата действия электростатических сил.
Главным источником получения ароматических соединений является каменноугольная смола - продукт сухой перегонки каменного угля. В результате ее обработки, состоящей из различных операций физического и химического характера, добываются разнообразные ароматические соединения, составляющие основу производства красителей, фармацевтических препаратов, взрывчатых, душистых и многих других веществ. Важнейшими ароматическими соединениями каменноугольной смолы являются бензол, толуол, ксилол, фенол, крезол, нафталин, фенантрен и антрацен, промышленная разработка которых в связи с планомерными научными исследованиями вызвала совершенно исключительный рост химической промышленности в конце прошлого и в начале нынешнего столетия.
Такое название из‑за характерного запаха получила группа органических соединений - производных бензола C 6 H 6 . Но не запах является наиболее характерным признаком этих органических веществ. Основу структуры ароматических соединений чаще всего образует бензольное кольцо, состоящее из шести атомов углерода, попеременно соединенных простыми и двойными связями (такую формулу предложил в 1865 г. немецкий химик А. Кекуле):
Структурные формулы некоторых ароматических соединений.
Подобная система связей называется сопряженной. Все электроны сопряженных связей образуют единую систему, обладающую пониженным запасом энергии: поэтому бензольное кольцо устойчиво. В связи с этим, несмотря на формальную ненасыщенность (гомологический ряд C n H 2n-6 , см. Ненасыщенные углеводороды, Гомология), ароматические соединения вступают главным образом в реакции замещения, при которых сохраняется бензольное ароматическое ядро.
Бензол был изучен одним из первых среди ароматических соединений. Долгое время он представлял загадку для исследователей. Установили, что атомы углерода в нем связаны в шестичленный цикл, имеющий двойные связи. Но бензол вел себя совсем не так, как другие непредельные соединения: значительно легче вступал в реакции замещения, чем присоединения, не разрушался под действием окислителей, например азотной кислоты, а давал продукт замещения - нитробензол. Его гидроксильное производное - фенол C 6 H 5 OH - в отличие от спиртов проявляло свойства кислоты средней силы и поэтому было названо карболовой кислотой. Такого же рода особенности поведения характерны и для других циклических углеводородов с сопряженными двойными связями - толуола, нафталина, фенантрена, антрацена и т. д.
Введение нитрогрупп NO 2 в молекулы органических, в частности ароматических, соединений при действии нитрующих агентов, например азотной кислоты, называется нитрованием. На основе нитрования получают взрывчатое вещество - тринитротолуол (тротил, или тол).
Начиная с середины XIX в. химия ароматических соединений стала быстро развиваться и вещества этого класса начали применяться в технике и лабораторной практике. Среди крупнейших химиков, посвятивших свою деятельность изучению ароматических соединений, важную роль играли русские ученые.
В 1842 г. русский ученый Н. И. Зинин путем восстановления нитробензола получил ароматический амин - анилин C 6 H 5 NH 2 . Анилин и другие ароматические амины широко используются в промышленности для изготовления красителей, различных фармацевтических препаратов, фотореагентов, взрывчатых веществ, пластических масс и т. д.
Ароматические соединения в большом количестве содержатся в каменноугольной смоле, добываемой при коксовании угля (см. Кокс и коксование). Поскольку возросло промышленное значение этих соединений, возникла проблема получения их из углеводородов нефти. Она была успешно решена Н. Д. Зелинским и его последователями, предложившими способ получения ароматических соединений из насыщенных углеводородов при нагревании их в присутствии катализаторов.
