1. История открытия строения бензола

Ро­до­на­чаль­ник аро­ма­ти­че­ских уг­ле­во­до­ро­дов – бен­зол – был вы­де­лен Май­к­лом Фа­ра­де­ем в 1825 года из кон­ден­са­та све­тиль­но­го газа. Немец­кий химик Эй­ль­хард Ми­чер­лих (1794–1863), на­гре­вая бен­зой­ную кис­ло­ту с нега­шё­ной из­ве­стью (СаО), по­лу­чил жид­кость со спе­ци­фи­че­ским непри­ят­ным за­па­хом, ко­то­рая ока­за­лась тож­де­ствен­ной «дву­угле­ро­ди­сто­му во­до­ро­ду» Фа­ра­дея. Ми­чер­лих пра­виль­но опре­де­лил фор­му­лу уг­ле­во­до­ро­да – С₆Н₆ – и окре­стил его бен­зи­ном (benzin). Либих счёл это на­зва­ние неудач­ным, так как суф­фикс -ин имел­ся в на­зва­ни­ях мно­гих азот­со­дер­жа­щих со­еди­не­ний – ор­га­ни­че­ских (среди них много ал­ка­ло­и­дов, на­при­мер стрих­нин, ко­фе­ин, хинин) и неор­га­ни­че­ских (гид­ра­зин). Ис­хо­дя из мас­ля­ни­сто­го ха­рак­те­ра жид­ко­сти, Либих пред­ло­жил своё на­зва­ние, с суф­фик­сом -ол (от лат. oleum – «масло»). Вряд ли оно было удач­нее: этот суф­фикс обыч­но ука­зы­ва­ет на при­над­леж­ность со­еди­не­ния к спир­там (эта­нол, бу­та­нол и т. д.). Од­на­ко слово «бен­зол» при­жи­лось – прав­да, толь­ко в немец­ком и рус­ском язы­ках. Ан­гли­чане и аме­ри­кан­цы, на­при­мер, на­зы­ва­ют этот уг­ле­во­до­род «бен­зин» (benzene).

Дол­гое время хи­ми­ки би­лись над струк­ту­рой этого про­сто­го, ка­за­лась бы, со­еди­не­ния. Лишь через 40 лет Фри­дрих Ке­ку­ле (Рис. 1) пред­ло­жил струк­тур­ную фор­му­лу бен­зо­ла.

Это был ше­сти­член­ный цикл с че­ре­ду­ю­щи­ми­ся двой­ны­ми и оди­нар­ны­ми свя­зя­ми.

Рис. 1. Фри­дрих Ав­густ Ке­ку­ле

При этом сразу же об­на­ру­жи­лись как до­во­ды «за» так и «про­тив» дан­ной струк­ту­ры.

«За»

До­во­ды «за» го­во­ри­ли о том, что бен­зол, как и все непре­дель­ные уг­ле­во­до­ро­ды, под­вер­га­ет­ся гид­ри­ро­ва­нию.

Кроме того, хо­ро­шо объ­яс­ня­лась ре­ак­ция Берло – Зе­лин­ско­го, при ко­то­рой про­ис­хо­дит три­ме­ри­за­ция аце­ти­ле­на.

«Про­тив»

До­во­да­ми «про­тив» слу­жи­ло то, что бен­зол хоть и со­дер­жит двой­ные связи, но не про­яв­ля­ет ре­ак­ций, ха­рак­тер­ных для непре­дель­ных со­еди­не­ний. Не ре­а­ги­ру­ет с бром­ной водой:

Не ре­а­ги­ру­ет с вод­ным рас­тво­ром пер­ман­га­на­та калия.

При этом, ис­хо­дя из струк­ту­ры двой­ной связи, долж­но су­ще­ство­вать 2 ди­за­ме­щён­ных бен­зо­ла:

Од­на­ко по­лу­чить уда­лось лишь одно со­еди­не­ние.

Окон­ча­тель­но во­прос о струк­ту­ре бен­зо­ла был решен лишь в на­ча­ле XX века зна­ме­ни­тым хи­ми­ком, два­жды Но­бе­лев­ским ла­у­ре­а­том Лайм­сом По­лин­гом.

Он пред­ло­жил сле­ду­ю­щее: все атомы уг­ле­ро­да на­хо­дят­ся в со­сто­я­нии sp²-ги­бри­ди­за­ции. Рис. 2. Шесть π-элек­тро­нов об­ра­зу­ют общее элек­трон­ное об­ла­ко, ко­то­рое при­над­ле­жит всем шести ато­мам уг­ле­ро­да:

Рис. 2. Об­ра­зо­ва­ние свя­зей в мо­ле­ку­ле бен­зо­ла

Атомы уг­ле­ро­да в мо­ле­ку­ле бен­зо­ла со­став­ля­ют плос­кий пра­виль­ный ше­сти­уголь­ник; связи между всеми ато­ма­ми уг­ле­ро­да имеют рав­ную длину – 0,14 нм, ко­то­рая боль­ше, чем длина двой­ной связи (0,132 нм), но мень­ше, чем длина про­стой связи (0,154 нм). Рис. 3.

Рис. 3. Ша­ро­стерж­не­вая мо­ле­ку­ла бен­зо­ла

По­линг ввел струк­ту­ру бен­зо­ла с круж­ком в се­ре­дине.

 или

2. Понятие ароматичности

Со­еди­не­ния, об­ла­да­ю­щие по­доб­ной струк­ту­рой, стали на­зы­вать аро­ма­ти­че­ски­ми.

На ос­но­ве кван­то­во­ме­ха­ни­че­ских рас­че­тов Э. Хюк­кель сфор­му­ли­ро­вал

 кри­те­рии аро­ма­тич­но­сти:

1. Мо­ле­ку­ла (или ее часть) долж­на быть цик­ли­че­ской и плос­кой.

2. Она долж­на со­дер­жать со­пря­жен­ные p-элек­тро­ны. Это могут быть элек­тро­ны двой­ных свя­зей или непо­де­лен­ных элек­трон­ных пар ато­мов.

3. Число p-элек­тро­нов долж­но быть рав­ным 4n+2, где n = 0,1,2… (пра­ви­ло Хюк­ке­ля)

Аро­ма­ти­че­ски­ми яв­ля­ют­ся все цик­ли­че­ские со­пря­жен­ные по­ли­е­но­вые си­сте­мы, со­дер­жа­щие 4n+2 , где n неот­ри­ца­тель­ное целое число, де­ло­ка­ли­зо­ван­ных π- элек­тро­нов.

Бен­зол под­хо­дит под это пра­ви­ло с n =1.

3. Физические свойства бензола

Арены по­хо­жи на осталь­ные уг­ле­во­до­ро­ды – они нерас­тво­ри­мы в воде и легче ее. Бен­зол при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре – бес­цвет­ная про­зрач­ная жид­кость со свое­об­раз­ным за­па­хом. Т_пл = 5,5^оС, Т_кип = 80^оС.

Бен­зол ток­си­чен и легко вос­пла­ме­ня­ет­ся.

Но­мен­кла­ту­ра аре­нов

Со­глас­но но­мен­кла­ту­ре ИЮПАК, арены с одним бен­золь­ным коль­цом рас­смат­ри­ва­ют как про­из­вод­ные бен­зо­ла. В ка­че­стве глав­ной цепи вы­би­ра­ют бен­золь­ное коль­цо. Мно­гие арены имеют свои ис­то­ри­че­ские на­зва­ния.

На­при­мер:

                     

Ме­тил­бен­зол      изо­про­пил­бен­зол       ви­нил­бен­зол

(то­лу­ол)                  (кумол)                         (сти­рол)

Ну­ме­ра­цию на­чи­на­ют с од­но­го из за­ме­сти­те­лей так, чтобы сумма но­ме­ров за­ме­сти­те­лей была ми­ни­маль­на.

Если со­еди­не­ние со­дер­жит два за­ме­сти­те­ля у бен­золь­но­го коль­ца, то рас­по­ла­гать­ся они могут тремя раз­ны­ми спо­со­ба­ми друг от­но­си­тель­но друга. Часто вме­сто ну­ме­ра­ции для 1,2-ди­за­ме­щен­ных бен­зо­лов ис­поль­зу­ют обо­зна­че­ние орто-, для 1,3-за­ме­щен­ных – мета-, а для 1,4-за­ме­щен­ных – пара-.

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

ор­то-ди­ме­тил­бен­зол         ме­та-ди­ме­тил­бен­зол        па­ра-ди­ме­тил­бен­зол

      (о-кси­лол)                     (м-кси­лол)                          (п-кси­лол)

4. Изомерия и номенклатура гомологов бензола

Ди­ме­тил­бен­зо­лы изо­мер­ны друг другу. Изо­мер­ные три ме­тил­бен­зо­лы:

                                         

1,2,3-три­ме­тил­бен­зол        1,2,4-три­ме­тил­бен­зол         1,3,5-три­ме­тил­бен­зол

Им изо­мер­ны также метил этил­бен­зо­лы (при­ве­дем в при­мер один из них), а также про­пил- и изо­про­пил­бен­зо­лы:

                                      

м-ме­ти­л­этил­бен­зол         про­пил­бен­зол                  изо­про­пил­бен­зол

У аре­нов есть и меж­клас­со­вые изо­ме­ры – со­еди­не­ния с несколь­ки­ми двой­ны­ми и трой­ны­ми свя­зя­ми, циклы и т.п.

Под­ве­де­ние итога

Вы рас­смот­рели тему «Аро­ма­ти­че­ские уг­ле­во­до­ро­ды. Стро­е­ние, фи­зи­че­ские свой­ства, но­мен­кла­ту­ра». Вы смог­ли по­лу­чить новые зна­ния об аро­ма­ти­че­ских уг­ле­во­до­ро­дах. Узна­ли о но­мен­кла­ту­ре, фи­зи­че­ских свой­ствах и стро­е­нии аро­ма­ти­че­ских уг­ле­во­до­ро­дов.