Арены: Часть 1

Видео

Конспект

Лекция 9: Арены.

Ароматические углеводороды (арены) - углеводороды, в структуре которых есть одно или несколько бензольных колец. Общая формула C_{n} H_{2 n-6}(n \geq 6) , простейший представитель бензол \left(C_{6} H_{6}\right) . Химия аренов изучает химию бензола, его гомологов и производных.

Особенности строения.

Долгие годы формула бензола оставалась загадкой, было замечено, что у этого соединения особое строение, включающее циклический фрагмент и кратные связи. Первичные анализы показали, что молекула имеет брутто-формулу C_{6} H_{6} . Достаточно известными «догадками» являются бензол Лиденбурга и Дьюара. В 1865 году немецкий ученый Ф. Кекуле предложил формулу, которую мы с успехом используем и по сей день.

1 Бензол представляет собой шестичленный циклический углеводород с тремя сопряженными двойными связями. Однако длина связей C=C в бензоле имеет значение 0,139 нм, что является промежуточным между одинарной связью C-C в алканах и двойной связью C=C в алкенах. Причина этому - особенности строения. Из-за наличия системы сопряженных двойных \boldsymbol{\pi} -связей в бензольном кольце, образованных p-орбиталями, молекула имеет избыток электронной плотности. Вертикальная ориентация р-орбиталей обуславливает наличие, так называемого, \boldsymbol{\pi} -электронного облака в пространстве над и под молекулой. Бензольное кольцо является плоским и содержит 6 \boldsymbol{\pi} -электронов. Все атомы углерода в бензольном кольце одинаковы и эквиваленты, находятся в состоянии \mathbf{s p}^{\mathbf{2}} -гибридизации.

2 Ароматическая система является устойчивой и энергетически выгодной. Вследствие перераспределения («размазывания») электронной плотности по всей молекуле её энергия понижается, а стабильность увеличивается. Однако не каждое циклическое соединение с двойными связями может считаться ароматическим - всегда необходима совокупность факторов. В 1931 году Э. Хюккелем были сформулированы особые критерии ароматичности. Итак, молекула считается ароматической, если она:

плоская

циклическая

содержит цепь сопряженных связей с \mathbf{4 n} \boldsymbol{+} \mathbf{2} \boldsymbol{\pi} -электронами

Таким образом, бензол, нафталин, антрацен и др. являются ароматическими. Циклобутадиен, циклооктатетраен и многие аннулены ароматическими не являются.

3 Ароматические молекулы чрезвычайно стабильны, в химических свойствах наблюдается сохранение бензольного кольца в большинстве реакций. Разрушение ароматической системы требует жестких условий.

Номенклатура.

Многие арены имеют особые тривиальные названия (толуол, ксилол, крезол, стирол, фенол и др.), но номенклатура IUPAC применяется так же активно. Если в ароматическом соединении есть заместитель, отсчет начинается от наиболее «старшего» заместителя, нумерация идёт в сторону ближайшего следующего заместителя. Взаимное расположение пары заместителей можно обозначить специальными приставками (opmo-, мета-, napa-), что эквивалентно нумерации в названии соединения (1,2-, 1,3-, 1,4- соответственно). При использовании систематической номенклатуры в конце названия обычно используют «бензол» или тривиальное название соответствующего арена.

Бензольное кольцо само по себе в виде бокового радикала имеет название «фенил».

4