Arene: proprietà chimiche e metodi di produzione

18/02/2019

Composti chimici aromatici, o arene, sono un grande gruppo di composti carbociclici le cui molecole contengono un ciclo stabile di sei atomi di carbonio. Si chiama "anello del benzene" e causa un fisico speciale e proprietà chimiche di areni.

Il benzene e i suoi vari omologhi e derivati ​​sono principalmente legati agli idrocarburi aromatici.

Le molecole di arena possono contenere diversi anelli di benzene. Tali composti sono chiamati composti aromatici multi-core. Ad esempio, il naftalene è un noto farmaco per proteggere i prodotti di lana dalle tarme.

benzene

Questo rappresentante più semplice di arenes consiste solo di un anello di benzene. La sua formula molecolare è C 6 Η 6 . La formula strutturale della molecola del benzene è spesso rappresentata dalla forma ciclica proposta da A. Kekule nel 1865.

Il vantaggio di questa formula è il riflesso corretto della composizione e dell'equivalenza di tutti gli atomi di C e H nell'anello. Tuttavia, non è stata in grado di spiegare molte delle proprietà chimiche di arenes, quindi l'affermazione sulla presenza di tre doppi legami coniugati C = C è errata. Questo divenne noto solo con l'avvento della moderna teoria della comunicazione.

Nel frattempo, scrivere la formula del benzene nel modo suggerito da Kekule è anche comune oggi. In primo luogo, è conveniente scrivere equazioni con il suo aiuto. reazioni chimiche In secondo luogo, i chimici moderni vedono solo un simbolo, non una struttura reale. La struttura della molecola del benzene oggi è convogliata da vari tipi di formule strutturali.

formule strutturali di benzene

La struttura dell'anello benzenico

La caratteristica principale del nucleo del benzene è l'assenza di legami singoli e doppi in esso nel senso tradizionale. In accordo con i concetti moderni, la molecola del benzene sembra essere un esagono piatto con lunghezze laterali pari a 0,140 nm. Risulta che la lunghezza del legame C-C nel benzene è un valore intermedio tra un singolo (la sua lunghezza è 0,154 nm) e un doppio valore (0,134 nm). Nello stesso piano si trovano i legami C-H, formando un angolo di 120 ° con i bordi dell'esagono.

Ogni atomo C nella struttura del benzene si trova nello stato ibrido sp2. È connesso attraverso i suoi tre orbitali ibridi con due atomi di C situati nel vicinato e un atomo di N. Cioè, forma tre legami di s. Un altro, ma orbitale 2p non ibridato, si sovrappone agli stessi orbitali degli atomi di C vicini (destra e sinistra). Il suo asse è perpendicolare al piano dell'anello, e quindi la sovrapposizione degli orbitali si verifica sopra e sotto di esso. In questo caso, viene formato un sistema di elettroni π chiuso comune. A causa della sovrapposizione equivalente degli orbitali 2p dei sei atomi di carbonio, si verifica una sorta di "equalizzazione" dei legami C - C e C = C.

Il risultato di questo processo è la somiglianza di tali legami "di un anno e mezzo" con entrambi i legami doppio e singolo. Ciò spiega il fatto che le arene presentano proprietà chimiche tipiche sia degli alcani che degli alcheni.

L'energia del legame carbonio-carbonio nell'anello benzenico è 490 kJ / mol. Qual è anche la media tra le energie dei doppi legami semplici e multipli.

struttura dell'anello benzenico

Nomenclatura Arena

La base del nome degli idrocarburi aromatici è il benzene. Gli atomi sul ring sono numerati con un sostituente superiore. Se i sostituenti sono equivalenti, la numerazione viene eseguita per il percorso più breve.

Per molti omologhi del benzene, spesso vengono usati nomi banali: stirene, toluene, xilene, ecc. Per riflettere le posizioni relative dei sostituenti, è comune usare il prefisso orto, meta, para.

Se nella molecola vi sono gruppi funzionali, ad esempio carbonile o carbossile, la molecola dell'arena viene considerata come un radicale aromatico ad essa collegato. Ad esempio, -C 6 Η 5 - fenile, -C 6 Η 4 - fenilene, C 6 Η 5 -CΗ 2 - - benzile.

Proprietà fisiche

Primi rappresentanti in serie omologhe Il benzene è un liquido incolore con un odore specifico. Il loro peso è più leggero dell'acqua, in cui praticamente non si dissolvono, ma si dissolvono bene nella maggior parte dei solventi organici.

Tutto il idrocarburi aromatici bruciano con l'aspetto di una fiamma fumosa, che è spiegata dall'elevato contenuto di C nelle molecole. I loro punti di fusione e di ebollizione aumentano con l'aumentare dei valori delle masse molecolari nella serie omologa di benzene.

Proprietà chimiche del benzene

Tra le varie proprietà chimiche delle arene, le reazioni di sostituzione dovrebbero essere menzionate separatamente. Sono anche molto significative alcune reazioni di addizione che si verificano in condizioni speciali e processi di ossidazione.

Reazioni di sostituzione

Gli elettroni π mobili dell'anello benzenico sono in grado di reagire molto attivamente con gli elettrofili attaccanti. Il nucleo di benzene stesso nel benzene e la catena di idrocarburi ad esso associati nei suoi omologhi partecipano a tale sostituzione elettrofila. Il meccanismo di questo processo è studiato in dettaglio dalla chimica organica. Le proprietà chimiche degli areni associati all'attacco elettrofilico si manifestano attraverso tre fasi.

  • Il primo stadio. L'aspetto del complesso π dovuto al legame del sistema π-elettrone del nucleo benzenico alla particella X + , che si lega a sei π-elettroni.
  • Secondo stadio La transizione di un complesso π in s, a causa del rilascio di una coppia di sei π-elettroni di una coppia per formare un legame C-X covalente. E gli altri quattro sono ridistribuiti tra cinque atomi di carbonio nell'anello benzenico.
  • Il terzo stadio. Accompagnato dalla rapida eliminazione del protone dal complesso s.
    meccanismo di sostituzione elettrofila

La bromurazione del benzene in presenza di bromuri di ferro o di alluminio senza riscaldamento porta alla produzione di bromobenzene:

C 6 Η 6 + Br 2 -> C 6 Η 5 -Br + Br.

La nitrazione con una miscela di acidi nitrici e solforici porta alla formazione di composti con un gruppo nitro nell'anello:

C 6 Η 6 + ΗONO 2 -> C 6 Η 5 -NO 2 + 2 O.

La solfonazione viene effettuata dallo ione bisolfonio risultante dalla reazione:

2 SO 4 ⇄ SO 3 Η + + Η 3 O + + 2ΗSO 4 - ,

o triossido di zolfo.

Corrisponde a questa proprietà chimica della reazione di arenes:

C 6 H 6 + SO 3 H + -> C 6 H 5 -SO 3 H + H + .

Le reazioni di sostituzione alchilica e acilica, o reazione di Friedel - Crafts, vengono effettuate in presenza di AlCl 3 anidro.

Reazione di Friedel-Crafts

Queste reazioni sono improbabili per il benzene e procedono con difficoltà. L'aggiunta di alogenuri di idrogeno e acqua al benzene non si verifica. Tuttavia, a temperature molto elevate in presenza di platino, è possibile una reazione di idrogenazione:

C 6 Η 6 + 3H 2 -> C 6 H 12 .

Sotto l'irradiazione ultravioletta, le molecole di cloro possono unirsi alla molecola del benzene:

C 6 Η 6 + 3Cl 2 -> C 6 Η 6 Cl 6 .

Reazioni di ossidazione

Il benzene è altamente resistente agli agenti ossidanti. Quindi, non scolorisce la soluzione rosa del permanganato di potassio. Tuttavia, in presenza di ossido di vanadio, può essere ossidato dall'ossigeno dell'aria all'acido maleico:

С 6 Н 6 + 4О -> СООΗ-СΗ = СΗ-СООΗ.

Nell'aria, il benzene brucia con l'aspetto della fuliggine:

2C 6 Η 6 + 3O2 → 12C + 6Η 2 O.

Proprietà chimiche di areni

  1. Sostituzione.
  • L'alogenazione può procedere in modi diversi a seconda delle condizioni di reazione. In presenza del corrispondente ferro o alogenuro di alluminio, la sostituzione procederà nell'anello secondo il meccanismo descritto in dettaglio sopra. Per introdurre un atomo di alogeno nella catena laterale, la reazione viene effettuata riscaldando senza catalizzatori o alla luce.
  • La nitrazione degli idrocarburi aromatici con lo ione nitronico, che si forma mescolando acido solforico e acido nitrico, porta alla connessione del gruppo nitro con il nucleo benzenico. La connessione del gruppo nitro con una catena laterale è possibile durante la reazione di Konovalov.
    alogenazione e nitrazione di areni
    2. Ossidazione. Questa proprietà chimica di areni può essere vista da due punti di vista. Da un lato, sono abbastanza facilmente ossidati e la catena laterale è esposta all'azione per formare un gruppo carbossile. Se due sostituenti sono collegati ad un anello in una molecola di idrocarburo aromatico, si forma un acido dibasico. D'altra parte, come il benzene, bruciano con la formazione di fuliggine e acqua.
ossidazione degli omologhi del benzene

Regole di orientamento

Quale posizione (o-, m- o p-) un deputato occuperà durante l'interazione di un agente elettrofilo con un anello benzenico è determinata dalle regole:

  • se c'è già un sostituente nel nucleo del benzene, allora è lui che dirige il gruppo entrante in una certa posizione;
  • Tutti i sostituenti orientanti sono divisi in due gruppi: gli orientanti del primo tipo dirigono il gruppo in arrivo di atomi in posizione orto e para (-NΗ 2 , -OΗ, -CΗ 3 , -C 2 H 5 , alogeni); Gli orientanti del secondo tipo dirigono i sostituti in entrata nella meta posizione (-NO 2 , -SO 3 Η, -CΗO, -COOΗ).

Gli orientanti sono elencati qui in ordine decrescente di forza guida.

Vale la pena notare che questa separazione dei sostituenti del gruppo è condizionale, a causa del fatto che nella maggior parte delle reazioni si osserva la formazione di tutti e tre gli isomeri. Gli orientanti influenzano solo quale degli isomeri sarà ottenuto in quantità maggiori.

Ottenere arene

Le principali fonti di arene sono la distillazione a secco del carbone e la raffinazione del petrolio. Il catrame di carbone contiene un'enorme quantità di tutti i tipi di idrocarburi aromatici. Alcuni tipi di olio contengono fino al 60% di arenes, che sono facili da isolare per semplice distillazione, pirolisi o cracking.

I metodi di produzione sintetica e le proprietà chimiche degli areni sono spesso correlati. Il benzene, così come i suoi omologhi, si ottiene con uno dei seguenti metodi.

1. Riforma dei prodotti petroliferi. La deidrogenazione degli alcani è il metodo industriale più importante per la sintesi del benzene e molti dei suoi omologhi. La reazione viene condotta facendo passare i gas su un catalizzatore riscaldato (Pt, Cr 2 O 3 , ossidi di Mo e V) a t = 350-450 o C:

C 6 H 14 -> C 6 Η 6 + 4Η 2 .

2. Reazione di Würz - Fittig. Viene effettuato attraverso lo stadio di ottenimento di composti organometallici. Di conseguenza, la reazione può produrre diversi prodotti.

3. Trimerizzazione di acetilene. L'acetilene stesso, così come i suoi omologhi, sono in grado di formare arene quando riscaldati con un catalizzatore:

3C 2 Η 2 -> C 6 Η 6 .

4. Friedel - reazione dell'artigianato. Sopra è stato considerato nelle proprietà chimiche degli areni, il metodo di produzione e trasformazione degli omologhi del benzene.

5. Preparazione dei sali corrispondenti. Il benzene può essere distinto per distillazione di sali. acido benzoico con alcali:

C 6 Η 5 -COONa + NaOΗ -> C 6 Η 6 + Na 2 CO 3 .

6. Ketone Recovery:

C 6 Η 5 -CO - CΗ 3 + Zn + 2ΗCl -> C 6 5 -CΗ 2 -CΗ 3 + 2 O + ZnCl 2 ;

3 -C 6 Η 5 -CO - CΗ 3 + NΗ 2 -NΗ 2 -> CΗ 3 -C 6 5 -CΗ 2 -CΗ 3 + 2 O.

Usa le arene

Le proprietà chimiche e le applicazioni di areni sono direttamente correlate, poiché la maggior parte dei composti aromatici viene utilizzata per un'ulteriore sintesi nella produzione chimica e non viene utilizzata in forma finita. Le eccezioni sono sostanze utilizzate come solventi.

Il benzene C 6 Η 6 è utilizzato principalmente nella sintesi di etilbenzene, cumene e cicloesano. Sulla sua base, ricevono intermedi per la produzione di vari polimeri: gomme, materie plastiche, fibre, coloranti, tensioattivi, insetticidi, droghe.

gomme sintetiche

Il toluene C 6 H 5 -CH 3 viene utilizzato nella produzione di coloranti, droghe ed esplosivi.

Xyleni С 6 Η 4 (СΗ 3 ) 2 in forma mista (xilene tecnico) sono usati come solventi o come preparazione iniziale per la sintesi di sostanze organiche.

Isopropil benzene (o cumene) C 6 Η 4 -CΗ (CΗ 3 ) 2 è il reagente iniziale per la sintesi di fenolo e acetone.

Vinylbenzene (stirene) C 6 Η 5 -CΗ = СΗ 2 è la materia prima per la produzione del più importante materiale polimerico: il polistirene.