5. Арены (ароматические углеводороды)

К ароматическим относятся циклические соединения, молекулы кото­рых, содержат плоскую замкнутую сопря­женную систему кратных связей из (4n+2) p-электронов (правило Хюккеля). Простейшим является бензол С₆Н₆. Гомологи бензола – соединения, образованные заменой одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы (R): С₆H₅–R (алкил- бензолы), R–C₆H₄–R (диалкилбензолы) и имеют общую формулу С_nН_2n-6

Строение бензола. Каждый атом углерода в молекуле бензола находится в состоянии sp²-гибридизации и связан с двумя соседними атомами углерода и атомом водорода тремя -связями. Валентные углы между каждой парой -связей равны 120. Скелет -связей представляет собой правильный шестиугольник, в котором все атомы углерода и все -связи СС и СН лежат в одной плоскости. р-Электроны всех атомов углерода взаимодействуют между собой путем бокового перекрывания соседних 2р-АО, расположенных перпендикулярно плоскости -скелета бензольного кольца. Они образуют единое циклическое -электронное облако, расположенное над и под плоскостью кольца. Все связи СС в бензоле равноценны, их длина равна 0,140 нм, что соответствует промежуточному значению между длиной простой связи (0,154 нм) и двойной (0,134 нм). Это означает, что в молекуле бензола между углеродными атомами нет простых и двойных связей, как, предложено в формуле Ф.Кекуле в 1865 г., а все они выровнены Поэтому структурную формулу бензола изображают в виде правильного шестиугольника (-скелет) и кружка внутри него, обозначающего делокализованные -связи.

Рис. 8. Строение молекулы бензола и его структурные формулы.

Номенклатура. Широко используются тривиальные названия – толуол (метилбензол), ксилолы (диметилбензолы), кумол (изопропилбензол), стирол (винилбензол) и др.; систематические названия состоят из названия углеводородного радикала (приставка) и слова бензол (корень). Если радикалов два или более, их положение указывается номерами атомов углерода в кольце, с которыми они связаны. Нумерацию кольца проводят так, чтобы номера радикалов были наименьшими. Для дизамещенных бензолов положение заместителей указывают также перед названием соединения приставками: орто- (о-) заместители у соседних атомов углерода кольца (1,2-); мета- (м-) заместители через один атом углерода (1,3-); пара- (п-) заместители на противоположных сторонах кольца (1,4-).

о-ксилол м-ксилол n-ксилол 1,2-диметил-4-изопропил-

1,2-диметилбензол 1,3-диметилбензол 1,4-диметилбензол бензол

Изомерия (структурная):

1) положения заместителей для ди-, три- и тетра-замещенных бензолов (например, о-, м- и п-ксилолы);

2) углеродного скелета в боковой цепи, содержащей не менее 3-х атомов углерода (н-пропилбензол и изопропилбензол);

3) изомерия заместителей R, начиная с R=С₂Н₅. Например, молекулярной формуле С₈Н₁₀ соответствует 4 изомера: три ксилола CH₃-C₆H₄-CH₃ (о-, м-, п-) и этилбензол C₆H₅-C₂H₅.

Пространственная изомерия относительно бензольного кольца в алкилбензолах отсутствует.

Природные источники и методы получения ароматических углеводородов. Основными промышленными источниками бензола и его гомологов являются каменный уголь и нефть. При коксовании каменного угля образуется каменноугольная смола, из которой выделяют бензол, толуол, нафталин и другие соединения.

1. Ароматизация нефти:

а) дегидроциклизация (дегидрирование и циклизация) алканов (С 6) в присутствии катализатора:

б) дегидрирование циклоалканов:

2. Циклотримеризация алкинов над активированным углем:

Таблица 6. Физические свойства ароматических углеводородов

Название	Формула	Т пл. 0С	Т.кип. 0 С	ρ, г· см-3
Бензол Толуол о-Ксилол м-Ксилол п-Ксилол 1,2,3-триметилбензол 1,2,4-триметилбензол 1,3,5-триметилбензол (мезитилен) 1,2,3,4-тетраметилбензол 1,2,3,5-тетраметилбензол 1,2,4,5-тетраметилбензол Пентаметилбензол Гексаметилбензол Этилбензол Гексаэтилбензол Пропилбензол Изопропилбензол (кумол) Бутилбензол изо-Бутилбензол втор-Бутилбензол трет-Бутилбензол 1-метил-4-изопропил- бензол (цимол) транс-1,2-дифенилэтилен (транс-стильбен) цис-1,2-дифенилэтилен (цис-стильбен) Дифенилметан Трифенилметан Бифенил Нафталин Антрацен Флуорен Инден Фенантрен Азулен	С6H6 С6H5CH3 1,2-С6H4(CH3)2 1,3-С6H4(CH3)2 1,4-С6H4(CH3)2 1,2,3-С6H3(CH3)3 1,2,4-С6H3(CH3)3 1,3,5-С6H3(CH3)3 1,2,3,4-С6H2(CH3)4 1,2,3,5-С6H2(CH3)4 1,2,4,5-С6H2(CH3)4 С6H(CH3)5 С6(CH3)6 С6H5CH2CH3 С6(CH2CH3)6 С6H5(CH2)2CH3 С6H5СН(CH3)2 С6H5(CH2)3CH3 С6H5CH2СН(CH3)2 С6H5CH(CH3)СН2СН3 С6H5C(CH3)3 1,4-СН3С6Н4СН(CH3)2 транс- С6Н5–СН=СН–С6Н5 цис- С6Н5–СН=СН–С6Н5 С6Н5–СН2–С6Н5 (С6Н5)3СН С6Н5–С6Н5	+ 5,5 - 93 - 28 - 54 13 - 25 - 44 - 45 - 6,5 - 24 80 53 165 - 95 129 - 100 - 96 - 81 - 83 - 58 - 70 124 + 1 27 92 70,5 80 217 115 - 2 100 ─	80 111 144 139 138 176 169 165 205 197 195 231 264 136 298 159.5 152 183 171 173,5 169 177 307 145 (13 мм рт.ст) 262 359 254 218 340 294 182 340 99	0,878 0,867 0,880 0,864 0,861 0,895 0,876 0,864 0,902 0,867 0,830 0,862 0,862 0,860 0,867 0,864 0,867 0,857 0,970 1,000

Физические свойства Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие вещества (таблица 6), нерастворимы в воде, но хорошо растворяющиеся во многих органических жидкостях. Легче воды огнеопасны и токсичны.

Химические свойства

Арены отличаются от предельных и непредельных углеводородов в силу особенностей строения бензольного кольца. Делокализация шести -электронов в циклической системе понижает энергию молекулы, что обусловливает повышенную устойчивость (ароматичность) бензола и его гомологов. Арены не склонны вступать в реакции присоединения или окисления, которые ведут к нарушению ароматичности. Для них наиболее характерны реакции замещения атомов водорода.