Benzen (C6H6)

Budowa

Benzen należy do grupy arenów, węglowodorów aromatycznych, posiadających wiązania zdelokalizowane.

Cząsteczka tego związku jest płaska, ma kształt sześciokąta foremnego, atomy węgla znajdują się w jego narożach (Rys 1).

Rys 1. Wzór Kekulego benzenu

Wiązania pomiędzy atomami są takie same i wynoszą 1,39Ǻ, kąty również są identyczne po 120o. Utworzenie wiązania wymusiło hybrydyzowanie atomów węgla. Hybrydyzacja sp2 umożliwia połączenie atomu węgla

z innym atomem węgla wiązaniami δ, taki sam rodzaj wiązania występuje w wiązaniu węgiel - wodór.

Na orbitalu p prostopadłym do płaszczyzny każdy atom węgla posiada 1 elektron. Orbitale te nakładają się na siebie bocznie i tworzą zdelokalizowaną chmurę elektronową, stanowiąca wiązanie π zarówno nad jak i pod płaszczyzna cząsteczki (Rys 2):

Rys 2. Benzen (kółko symbolizuje zdelokalizowane elektrony).

Na powyższym wzorze widać, że elektrony nie należą do poszczególnych atomów lecz do całej cząsteczki. Nie można tutaj określić gdzie znajdują się wiązania podwójne, są one pomiędzy dwoma sąsiednimi atomami węgla. Taka struktura cząsteczki benzenu pozwala na utrzymanie jej trwałości.

Własności fizyczne:

  • bezbarwna ciecz
  • ma gęstość mniejszą od wody
  • posiada charakterystyczny zapach
  • jest lotny
  • jego opary są trujące, kancerogenne
  • łatwopalny

Własności chemiczne

  • ulega spaleniu w podwyższonej temperaturze do C lub CO2 , w zależności od dostępu tlenu:

  • nie reaguje z KMnO4
  • ulega uwodornienu do cykloheksanu
  • ulega reakcjom substytucji elektrofilowej, polegającą na ataku czynnika elektrofilowego (kationu) na cząsteczkę benzenu:
  • nitrowanie zachodzące pod wpływem stężonych kwasów azotowego (V) i siarkowego (VI):

z mieszaniny nitrującej tworzy się jon nitroniowy - NO2+ atakujący cząsteczkę benzenu:

Powstający nitrobenzen ma postać oleistej cieczy, posiada migdałowy zapach, jest trujący

i nierozpuszczalny w wodzie.

  • sulfonowanie z utworzeniem kwasu benzenosulfonowego:

  • fluorowcowanie - w reakcji fluorowca z benzenem tworzy się:

Otrzymywanie

  • jest jednym z produktów destylacji smoły węglowej, która powstaje w wyniku pirolizy węgla kamiennego
  • w procesie odwodornienia (dehydrogenacji) cykloheksanu (powstałego z przeróbki ropy naftowej) z uzyciem katalizatora
  • w reakcji trimeryzacji acetylenu przebiegającego zgodnie z równaniem reakcji:

Toluen, metylobenzen, C6H5CH3

Budowa

Toluen jest najprostszym alkilobenzenem, stanowi homolog benzenu, posiada jedną grupę CH3 (Rys 3):

Rys 3. Toluen

Własności fizyczne:

  • bezbarwna ciecz
  • posiada charakterystyczny zapach
  • nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych,
  • np. w alkoholu, benzenie czy eterze
  • łatwo palny

Właściwości chemiczne:

  • nie reaguje z wodą bromową
  • reaguje z roztworem KMnO4 w wyniku czego powstaje kwas benzoesowy:

  • ulega on reakcji substytucji elektrofilowej, a kierunek tej reakcji zależy czy w pierścieniu znajduje się podstawnik (Y) I - wszego czy II - iego rodzaju:

*podstawniki I - waszego rodzaju (grupy -OH, alkilowa, arylowa, -F, -Cl, -Br, -I, -NH2) kierują w położenie orto i para:

*podstawniki II - giego rodzaju (-NO2, -COOH, SO3H,-CN) kierują w położenie meta:

  • reakcja nitrowania prowadząca do powstania o-nitrotoluenu i p-nitrotoluenu
  • ulega bromowaniu, w zależności od warunków reakcji powstają różne produkty:

Otrzymywanie toluenu oraz prostych alkilobenzenów:

  • toluen i ksyleny tworzą się w reakcji dehydratacji odpowiednich pochodnych alkilowych cykloheksanu, kiedyś związki te były frakcją smoły węglowej
  • powstają w wyniku alkilowania benzenu halogenkami alkilów w obecności katalizatora AlCl3:

 

jest karbokatinem, który przyłączy się do benzenu:

  • otrzymywanie wyższych alkilobenzenów następuje w reakcji alkilowania alkenami:

Ksyleny

Ksyleny należą do grupy alkilobenzenów, inaczej są nazywane dimetylobenzenami, różnią się między sobą położeniem grup metylowych.

Związki aromatyczne tworzą grupy funkcyjne arylowe (Ar), które powstają wskutek oderwania protonu.

Przykłady takich grup to:

Zastosowanie alkolobenzenów

  • do wytwarzania środków wybuchowych: trotylu, czyli 2,4,6-trójnitrotoluenu, TNT; zgodnie z równaniem reakcji:

  • do wytwarzania styropianu, polistyrenu:

Naftalen

Budowa

Naftalen inaczej zwany naftaliną należy do grupy węglowodorów policyklicznych. Składa się on z dwóch skondensowanych pierścieni:

Własności fizyczne:

  • ma postać krystalicznego ciała stałego
  • ulega sublimacji

Właściwości chemiczne:

  • nie ulega reakcji z roztworem KMnO4
  • tworzy związki nitrowe

  • bromowanie z utworzeniem 1-bromonaftalenu i 2-bromonaftalenu

Aromatyczne związki heterocykliczne

Związki aromatyczne heterocykliczne zawierają obcy atom w pierścieniu aromatycznym. Najczęściej spotykane heteroatomy to: S, O, N.

Przykłady związków heterocyklicznych: