Арени

Аре́ни (також аромати́чні вуглево́дні) — органічні сполуки, які належать до класу карбоциклічних сполук. У складі молекули ароматичних вуглеводнів є одна або кілька груп з атомів вуглецю, сполучених у ароматичне кільце замкненою системою супряжених пі-зв'язків (див. формула Кекуле). За сучасними уявленнями, атоми вуглецю в ароматичному ядрі сполучені електронами двох типів: одні електрони містяться в площині молекули, інші розміщені перпендикулярно до неї.

Локалізація атомних орбіталей у молекулі бензену

Представники

Найпростішим представником ароматичних вуглеводнів є бензен, складнішими — нафтален, антрацен, які мають кілька бензенових ядер.

У великій кількості вони містяться в кам'яновугільній смолі, яку одержують при коксуванні вугілля.

Назва «ароматичні» виникла у зв'язку з тим, що перші сполуки цього класу добували з природних запашних речовин.

Моделі молекул поліциклічних вуглеводнів

Фізичні властивості

Моноциклічні (одноколові: бензен, толуен) арени — безбарвні рідини зі специфічним запахом, леткі, вогненебезпечні, легші за воду, не розчиняються в ній. Добре розчиняються в органічних розчинниках, є розчинниками для багатьох органічних речовин.

Хімічні властивості

Ароматичні вуглеводні відзначаються особливою здатністю до реакцій заміщення і стійкістю бензенового ядра. При заміні водню в ароматичних вуглеводнів на галоген утворюються галогенопохідні; при реакціях з концентрованою азотною або сірчаною кислотами — нітросполуки або сульфосполуки.

Ароматичні вуглеводні майже не здатні до реакцій приєднання.

• Реакція горіння (на прикладі бензену):

2 C₆H₆ + 15 O₂ → 12 CO₂ + 6 H₂O

Арени горять кіптявим полум'ям, що свідчить про великий вміст вуглецю.

Реакції заміщення

Докладніше: Електрофільне ароматичне заміщення

Галогенування

На прикладі бензолу:

${\displaystyle {\ce {C6H6 + Br2 ->[FeCl3, FeBr3, t]C6H5Br + HBr}}}$

Реакція відбувається за умови каталізатора FeCl₃ або FeBr₃ і простої речовини Br₂ у чистому вигляді до утворення бромбензолу і бромідної кислоти.

Реакція протікає у декілька етапів.

1. Молекула брому поляризується під дією каталізатора:

${\displaystyle {\ce {Br2 ->[FeBr3]Br+ + Br-}}}$

2. Каталізатор забирає негативний полюс молекули, утворюючи FeBr₄^-, а позитивний атом прикріплюється до бензолу:

${\displaystyle {\ce {FeBr3 + Br- -> FeBr4-}}}$

3. Позитивний іон брому забирає два електрони з ароматичної системи, утворюючи ковалентний зв'язок з одним з атомів вуглецю, при цьому порушуючи ароматичність:

${\displaystyle {\ce {C6H6 + Br+ -> C6H6Br+}}}$

4. Атом водню, який зв'язаний із цим атомом вуглецю, відає свій електрон та вилітає, відновлюючи ароматичність:

${\displaystyle {\ce {C6H6Br+ -> C6H5Br + H+}}}$

5. Іон водню прикріплюється до каталізатора з негативним іоном брому, вивільнюючи каталізатор та утворюючи бромідну кислоту:

${\displaystyle {\ce {H+ + FeBr4- -> HBr + FeBr3}}}$

На прикладі толуену:

${\displaystyle {\ce {C6H5CH3 + 3Br2 -> C6H2Br3CH3 + 3HBr}}}$

Реакція відбувається за звичайних умов при взаємодії толуену з бромною водою (розчин простої речовини брому у воді) до утворення 2,4,6-трибромтолуену (2,4,6-бром-1-метилбензен) — білого осаду (якісна реакція на толуен) і бромідної кислоти у співвідношенні 1:3.

При заміщенні аренів атомом хлору (Cl) використовується каталізатор AlCl₃.

Нітрування

На прикладі бензолу:

${\displaystyle {\ce {C6H6 + HNO3 ->[t, H2SO4]C6H5NO2 + H2O}}}$

В результаті взаємодії бензолу і нітратної кислоти утворюється нітробензен і вода. В результаті реакції утворюється жовта рідина і запах гіркого мигдалю, що є якісною реакцією на бензен. Реакція відбувається за наявності каталізатора H₂SO₄ (концентрованого розчину) — сульфатної кислоти, що є дуже гігроскопічною речовиною і поглинає воду, а також високої температури.

Окиснення

На прикладі толуену:

${\displaystyle {\ce {C6H6CH3 + 3[O] -> C6H5COOH + H2O}}}$

Окисником виступає KMnO₄ (перманганат калію). В результаті окиснення утворюється бензойна кислота, оксид марганцю(IV) і вода. Під час реакції відбувається знебарвлення розчину перманганату калію.

Алкілування

На прикладі бензену:

${\displaystyle {\ce {C6H6 + CH3Cl ->[AlCl3, t] C6H5CH3 + HCl}}}$

Реакція відбувається при високій температурі з хлоридом алюмінію.

Приєднання

Гідрування

На прикладі бензолу:

${\displaystyle {\ce {C6H6 + 3H2 -> C6H12}}}$

При приєднанні до бензолу атомів водню утворюється циклогексан. Відбувається розірвання подвійних зв'язків (у формулі Кекуле). Реакція відбувається за наявності нікелевого каталізатора і підвищеної температури:

Хлорування

На прикладі бензолу:

${\displaystyle {\ce {C6H6 + 3Cl2 -> C6H6Cl6}}}$

При приєднанні до бензолу атомів хлору утворюється гексахлорциклогексан (гексахлоран). Реакція відбувається лише за наявності світла.

Ізомерія

У ароматичних вуглеводнів, що містять два або більше замісників у ядрі, можлива ізомерія взаємного положення. Наприклад, у ксилолу може бути три ізомера: о-ксилолу — замісники знаходяться в положенні 1, 2; м-ксилолу — в положенні — 1,3; п-ксилолу — в положенні — 1,4.

Добування

Ароматичні вуглеводні синтезують за реакціями Віттіга та Фріделя — Крафтса. В промисловості ароматичні вуглеводні спочатку добували з кам'яновугільної смоли; тепер їх добувають головним чином ароматизацією погонів нафти.

• Реакція Зелінського (на прикладі бензолу): C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂

Добування бензолу відбувається із циклогексану при його термічному розпаді за наявності каталізатора платини чи паладію до утворення бензолу і водню.

• Тримеризація ацетилену:

3C₂H₂ → C₆H₆

При нагріванні (температура близько 600 °C) і наявності каталізатора — активованого вугілля 3 молекули ацетилену об'єднуються в одну молекулу бензолу.

Застосування

Ароматичні вуглеводні широко застосовують у виробництві барвників, пластичних мас, хіміко-фармацевтичних препаратів, вибухових речовин, синтетичних волокон, моторного палива тощо.

Див. також

• Ариленова група
• Дегідроарени
• Поліциклічні ароматичні вуглеводні
• Гетеракаліксарени

Джерела

• Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
• Чичибабин А. Е. Основные начала органической химии. Изд. 6, т. 2. М., 1958. (рос.)
• Хомченко Г. П. «Посібник хімії для вступників до вузів». Видавництво «Вища школа», Київ, 1970. ст. 265—270.
• Цветков Л. О. «органічна хімія 10 клас». Видавництво «Радянська школа», видання 15-те, Київ, 1983. ст. 63-73.
• АРОМАТИЧНІ ВУГЛЕВОДНІ [Архівовано 2 березня 2016 у Wayback Machine.] Фармацевтична енциклопедія
• Дмитрий Григорьевич Кузнецов Органическая химия 13358K, 556 с. издание 2016 г.