Ароматические углеводороды (арены) - Теоретический материал - ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

По химическим свойствам арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов. Это объясняется особенностями строения бензольного кольца. Делокализация шести π-электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов.

Поэтому арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности.

Для аренов более характерны реакции, идущие с сохранением ароматической системы, а именно реакции замещения атомов водорода, связанных с циклом.

Другие реакции (присоединение, окисление), в которых участвуют делокализованные углерод-углеродные связи бензольного кольца и нарушается его ароматичность, идут с трудом.

1. Реакции замещения

а) Галогенирование

Замещение атома водорода в бензольном кольце на галоген происходит в присутствии катализаторов АlСl₃, АlВr₃, FeCl₃ и т.п. (кислот Льюиса):

б) Нитрование

Бензол реагирует с нитрующей смесью (смесью концентрированных азотной и серной кислот):

Гомологи бензола (алкилбензолы) более активно вступают в реакции замещения по сравнению с бензолом.

Например, при нитровании толуола С₆Н₅СН₃ может происходить замещение не одного, а трех атомов водорода с образованием 2,4,6-тринитротолуола:

в) Алкилирование

Замещение атома водорода в бензольном кольце на алкильную группу (алкилирование) происходит под действием алкилгалогенидов (реакция Фриделя-Крафтса) или алкенов в присутствии катализаторов АlСl₃, АlВr₃, FeCl₃.

г) Алкилирование бензола алкенами

2. Присоединение

В реакции присоединения, приводящие к разрушению ароматической структуры бензольного кольца, арены могут вступать с большим трудом.

а) Гидрирование

Присоединение водорода к бензолу и его гомологам происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии металлических катализаторов.

Гидрирование бензола и его гомологов:

Эта реакция является обратной образованию бензола при дегидрировании циклогексана.

б) Хлорирование (радикальный механизм)

В условиях радикальных реакций (ультрафиолетовое облучение) возможно присоединение галогенов к ароматическим соединениям.

Заметим, что в случае гомологов бензола более легко происходит реакция радикального замещения атомов водорода в боковой цепи:

3. Окисление

Бензол не окисляется даже под действием сильных окислителей (КМnO₄, К₂Сr₂O₇ и т.п.). Поэтому он часто используется как инертный растворитель при проведении реакций окисления других органических соединений. В отличие от бензола его гомологи окисляются довольно легко.

При действии раствора КМnO₄ в кислой среде и нагревании в гомологах бензола окислению подвергаются только боковые цепи:

Окисление других гомологов (этилбензол, пропилбензол и т.д.) также приводит к образованию бензойной кислоты. Разрыв связи при этом происходит между двумя ближайшими к кольцу атомами углерода в боковой цепи.

Например:

Алкильные группы в алкилбензолах окисляются легче, чем сами алканы. Это объясняется влиянием бензольного кольца на атомы в боковой цепи.

Одно из производных ароматических углеводородов — стирол (винилбензол) также окисляется перманганатом калия в кислой среде:

Бензол и его гомологи на воздухе горят коптящим пламенем, что обусловлено высоким содержанием углерода в их молекулах:

Бензол и его летучие гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

---

¹ Электрофильное присоединение — это процесс присоединения частицы, несущей положительный заряд (Н⁺; NO₂⁺ и т.д.), к фрагменту молекулы, имеющей частично отрицательный заряд.