Бензен cl2 лек. Физични и химични свойства на бензола

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Бензол(циклохексатриен – 1,3,5) – органично вещество, най-простият представител на поредицата ароматни въглеводороди.

Формула – C 6 H 6 ( структурна формула- ориз. 1). Молекулно тегло – 78, 11.

ориз. 1. Структурни и пространствени формули на бензена.

Всичките шест въглеродни атома в молекулата на бензена са в sp 2 хибридно състояние. Всеки въглероден атом образува 3σ ​​връзки с два други въглеродни атома и един водороден атом, разположени в една и съща равнина. Образуват се шест въглеродни атома правилен шестоъгълник(σ-скелет на бензеновата молекула). Всеки въглероден атом има една нехибридизирана р-орбитала, съдържаща един електрон. Шест p-електрона образуват единичен π-електронен облак (ароматна система), който е изобразен като кръг вътре в шестчленен пръстен. Въглеводородният радикал, получен от бензен, се нарича C 6 H 5 - - фенил (Ph-).

Химични свойства на бензола

Бензолът се характеризира с реакции на заместване, които протичат чрез електрофилен механизъм:

- халогениране (бензенът реагира с хлор и бром в присъствието на катализатори - безводен AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3)

C6H6 + CI2 = C6H5-Cl + HCI;

- нитриране (бензенът лесно реагира с нитруващата смес - смес от концентрирани азотна и сярна киселини)

- алкилиране с алкени

C6H6 + CH2 = CH-CH3 → C6H5-CH(CH3)2;

Реакциите на добавяне към бензен водят до разрушаване на ароматната система и се появяват само при тежки условия:

— хидрогениране (реакцията протича при нагряване, катализаторът е Pt)

- добавяне на хлор (възниква под въздействието на UV радиация с образуването на твърд продукт - хексахлороциклохексан (хексахлоран) - C 6 H 6 Cl 6)

Като всяка органично съединениебензенът реагира при горене, за да образува въглероден диоксид и вода като реакционни продукти (гори с димен пламък):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Физични свойства на бензена

Бензолът е безцветна течност, но има специфична остра миризма. Образува азеотропна смес с вода, смесва се добре с етери, бензин и различни органични разтворители. Точка на кипене – 80.1C, точка на топене – 5.5C. Токсичен, канцероген (т.е. насърчава развитието на рак).

Получаване и използване на бензол

Основните методи за получаване на бензен:

— дехидроциклизиране на хексан (катализатори – Pt, Cr 3 O 2)

CH3-(CH2)4-CH3 → C6H6 + 4H2;

— дехидрогениране на циклохексан (реакцията протича при нагряване, катализаторът е Pt)

C6H12 → C6H6 + 4H2;

— тримеризация на ацетилен (реакцията протича при нагряване до 600C, катализаторът е активен въглен)

3HC≡CH → C6H6.

Бензолът служи като суровина за производството на хомолози (етилбензол, кумол), циклохексан, нитробензен, хлоробензен и други вещества. Преди това бензолът се използваше като добавка към бензина за увеличаване на октановото му число, но сега, поради високата си токсичност, съдържанието на бензол в горивото е строго регулирано. Бензолът понякога се използва като разтворител.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение

Запишете уравненията, които могат да се използват за извършване на следните трансформации: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

Решение

За производството на ацетилен от метан се използва следната реакция: 2CH4 → C2H2 + 3H2 (t = 1400C). Получаването на бензен от ацетилен е възможно чрез реакцията на тримеризация на ацетилена, която протича при нагряване (t = 600C) и в присъствието на активен въглен: 3C 2 H 2 → C 6 H 6. Реакцията на хлориране на бензен за получаване на хлоробензен като продукт се извършва в присъствието на железен (III) хлорид: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

ПРИМЕР 2

Упражнение	Към 39 g бензен в присъствието на железен (III) хлорид се добавя 1 mol бромна вода. Какво количество вещество и колко грама от какви продукти е произведено?
Решение	Нека напишем уравнението за реакцията на бензен бромиране в присъствието на железен (III) хлорид: C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Продуктите на реакцията са бромобензен и бромоводород. Моларна масабензен, изчислен с помощта на табл химически елементи DI. Менделеев – 78 g/mol. Нека намерим количеството бензен: n(C6H6) = m(C6H6) / M(C6H6); n(C6H6) = 39 / 78 = 0.5 mol. Според условията на задачата бензенът реагира с 1 мол бром. Следователно бензенът е в недостиг и по-нататъшни изчисления ще бъдат направени с помощта на бензен. Съгласно уравнението на реакцията n(C 6 H 6): n (C 6 H 5 Br) : n (HBr) = 1: 1: 1, следователно n (C 6 H 6) = n (C 6 H 5 Br) =: n(HBr) = 0,5 mol. Тогава масите на бромобензен и бромоводород ще бъдат равни: m(C6H5Br) = n(C6H5Br)×M(C6H5Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Моларни маси на бромобензен и бромоводород, изчислени с помощта на таблицата на химичните елементи от D.I. Менделеев - съответно 157 и 81 g/mol. m(C6H5Br) = 0.5 × 157 = 78.5 g; m(HBr) = 0,5 × 81 = 40,5 g.
отговор	Продуктите на реакцията са бромобензен и бромоводород. Масите на бромобензен и бромоводород са съответно 78,5 и 40,5 g.

Физични свойства

Бензолът и неговите най-близки хомолози са безцветни течности със специфична миризма. Ароматните въглеводороди са по-леки от водата и не се разтварят в нея, но са лесно разтворими в органични разтворители - алкохол, етер, ацетон.

Бензолът и неговите хомолози сами по себе си са добри разтворители за много хора органична материя. Всички арени горят с димящ пламък поради високото съдържание на въглерод в техните молекули.

Физическите свойства на някои арени са представени в таблицата.

Таблица. Физически свойства на някои арени

Име	Формула	t°.pl., °C	t°.b.p., °C
Бензол	C6H6	5,5	80,1
Толуен (метилбензен)	C 6 H 5 CH 3	95,0	110,6
Етилбензен	C 6 H 5 C 2 H 5	95,0	136,2
Ксилол (диметилбензен)	C 6 H 4 (CH 3) 2
орто-		25,18	144,41
мета-		47,87	139,10
чифт-		13,26	138,35
Пропилбензен	C 6 H 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Кумол (изопропилбензен)	C6H5CH(CH3)2	96,0	152,39
Стирен (винилбензен)	C6H5CH=CH2	30,6	145,2

Бензол – ниско кипене ( tбала= 80,1°C), безцветна течност, неразтворима във вода

внимание! Бензол – отрова, засяга бъбреците, променя формулата на кръвта (при продължителна експозиция), може да наруши структурата на хромозомите.

Повечето ароматни въглеводороди са животозастрашаващи и токсични.

Получаване на арени (бензен и неговите хомолози)

В лабораторията

1. Сливане на соли на бензоена киселина с твърди основи

C6H5-COONa + NaOH t → C6H6 + Na2CO3

натриев бензоат

2. Реакция на Wurtz-Fitting: (тук G е халоген)

C 6з 5 -G + 2Na + Р-G →В 6 з 5 - Р + 2 NaЖ

СЪС 6 H 5 -Cl + 2Na + CH 3 -Cl → C 6 H 5 -CH 3 + 2NaCl

В индустрията

• изолиран от нефт и въглища чрез фракционна дестилация и реформинг;
• от въглищен катран и коксов газ

1. Дехидроциклизация на алканис повече от 6 въглеродни атома:

C6H14 t , кат→C 6 H 6 + 4H 2

2. Тримеризация на ацетилен(само за бензен) – r. Зелински:

3С 2 H 2 600°В, действайте. въглища→C 6 H 6

3. Дехидрогениранециклохексан и неговите хомолози:

Съветският академик Николай Дмитриевич Зелински установява, че бензолът се образува от циклохексан (дехидрогениране на циклоалкани

C6H12 т, кат→C 6 H 6 + 3H 2

C6H11-CH3 t , кат→C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

метилциклохексантолуен

4. Алкилиране на бензен(получаване на бензенови хомолози) – r Фридел-Крафтс.

C6H6 + C2H5-Cl t, AlCl3→C6H5-C2H5 + HCl

хлороетан етилбензен

Химични свойства на арените

аз. РЕАКЦИИ НА ОКИСЛЕНИЕ

1. Изгаряне (димящ пламък):

2C6H6 + 15O2 t→12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. При нормални условия бензенът не обезцветява бромната вода и воден разтворкалиев перманганат

3. Бензоловите хомолози се окисляват от калиев перманганат (обезцветяване на калиев перманганат):

А) в кисела среда до бензоена киселина

Когато бензеновите хомолози са изложени на калиев перманганат и други силни окислители, страничните вериги се окисляват. Без значение колко сложна е веригата на заместителя, тя се разрушава, с изключение на а-въглеродния атом, който се окислява до карбоксилна група.

Хомолозите на бензена с една странична верига дават бензоена киселина:

Хомолозите, съдържащи две странични вериги, дават двуосновни киселини:

5C 6 H 5 -C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 +28H 2 O

5C 6 H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 +14H 2 O

Опростено :

C6H5-CH3+3O KMnO4→C 6 H 5 COOH + H 2 O

Б) в неутрални и слабо алкални до бензоена киселина соли

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO K + K OH + 2MnO 2 + H 2 O

II. РЕАКЦИИ НА СЪБИРАНЕ (по-твърди от алкени)

1. Халогениране

C6H6 +3CI2 ч ν → C6H6Cl6 (хексахлорциклохексан - хексахлоран)

2. Хидрогениране

C6H6 + 3H2 t , ПтилиNi→C 6 H 12 (циклохексан)

3. Полимеризация

III. РЕАКЦИИ НА ЗАМЕСТВАНЕ – йонен механизъм (по-лек от алкани)

1. Халогениране -

а ) бензен

C6H6+Cl2 AlCl 3 → C 6 H 5 -Cl + HCl (хлоробензен)

C6H6 + 6Cl2 t,AlCl3→C 6 Cl 6 + 6HCl( хексахлоробензен)

C6H6 + Br2 t,FeCl3→ C 6 H 5 -Br + HBr( бромобензен)

б) бензенови хомолози при облъчване или нагряване

Химичните свойства на алкиловите радикали са подобни на алканите. Водородните атоми в тях се заместват с халоген по свободнорадикален механизъм. Следователно, в отсъствието на катализатор, при нагряване или ултравиолетово облъчване, възниква реакция на радикално заместване в страничната верига. Влиянието на бензеновия пръстен върху алкиловите заместители води до факта, че Водородният атом винаги се замества при въглеродния атом, директно свързан с бензеновия пръстен (а-въглероден атом).

1) C6H5-CH3 + Cl2 ч ν → C 6 H 5 -CH 2 -Cl + HCl

в) хомолози на бензен в присъствието на катализатор

C6H5-CH3 + CI2 AlCl 3 → (смес от орт, двойка производни) +HCl

2. Нитриране (с азотна киселина)

C6H6 + HO-NO2 t, H2SO4→ C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

нитробензен - миризма бадеми!

C6H5-CH3 + 3HO-NO2 t, H2SO4→ СЪС H3-C6H2(NO2)3 + 3H2O

2,4,6-тринитротолуен (tol, TNT)

Приложение на бензена и неговите хомолози

Бензол C6H6 е добър разтворител. Бензолът като добавка подобрява качеството на моторното гориво. Той служи като суровина за производството на много ароматни органични съединения - нитробензен C 6 H 5 NO 2 (разтворител, от който се получава анилин), хлоробензен C 6 H 5 Cl, фенол C 6 H 5 OH, стирен и др.

Толуен C 6 H 5 –CH 3 – разтворител, използван в производството на багрила, медицински и експлозиви (тротил (TNT), или 2,4,6-тринитротолуен тротил).

Ксилени C6H4(CH3)2. Техническият ксилен е смес от три изомера ( орто-, мета- И двойка-ксилоли) – използва се като разтворител и изходен продукт за синтеза на много органични съединения.

Изопропилбензен C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 се използва за получаване на фенол и ацетон.

Хлорирани производни на бензенаизползвани за растителна защита. По този начин продуктът от заместването на Н атоми в бензен с хлорни атоми е хексахлоробензен C 6 Cl 6 - фунгицид; използва се за сухо третиране на семена от пшеница и ръж срещу главня. Продуктът от добавянето на хлор към бензен е хексахлорциклохексан (хексахлоран) C 6 H 6 Cl 6 - инсектицид; използва се за борба с вредните насекоми. Посочените вещества спадат към пестицидите - химически средства за борба с микроорганизми, растения и животни.

стирен C 6 H 5 – CH = CH 2 много лесно полимеризира, образувайки полистирен, а при съполимеризация с бутадиен, стирен-бутадиенови каучуци.

ВИДЕО ИЗЖИВЯВАНИЯ

C6H6 + Cl2 → C6H6Cl + HCl

Катализаторът в този случай обикновено е железен (III) хлорид или бромид. Като катализатори могат да се използват и хлориди на други метали, като AlCl3, SbCl3, SbCl5, както и йод.

Ролята на катализатора е да активира (поляризира) халогена, който извършва електрофилно заместване в бензеновия пръстен. В присъствието на FeCl3

Хлорирането протича например по следната схема:

FeCl3 + :Cl::Cl: ↔ FeCl-4 + Cl:+

۠۠۠ ۠ ۠۠۠۠۠ ۠ ۠ ۠۠

C6H6 + Cl+ → C6H5Cl + H+;

H+ + Cl2 → HCl + Cl+ и др.

Халогенът може да бъде въведен в страничната верига в отсъствието на катализатори в присъствието на светлина или топлина. Механизмът за подмяна в този случай е радикален. За толуен тези трансформации могат да бъдат изразени чрез следната схема:

Халогените са заместители от първи вид и следователно по време на халогенирането на бензен вторият халогенен атом влиза предимно в n-позиция на първия. Въпреки това, халогените, за разлика от други първокласни заместители, затрудняват заместването (в сравнение с бензена).

Когато n-флуорохлоробензенът се хлорира, третият халогенен атом влиза в о-позиция към хлора, а не към флуора. Следователно, индуктивният ефект на халогена има решаващо влияние върху реда на заместване (о-позицията към флуорния атом има голям положителен заряд, тъй като –IF > -ICl): AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

2. Заместване на аминогрупата с халоген чрез междинно образуване на диазо съединения. Този метод ви позволява да получите всякакви халогенни производни, включително флуорни производни:

───→ C6H5Cl + N2

C6H5NH2───→ C6H5N2Cl ────→ C6H5I + KCl +N2

───→ C6H5Br + Cu2Cl2 + N2

BF4 → C6H5F + N2 + BF3

2.2 Адамантан

Структурните особености на адамантана определят неговите необичайни физически и химични свойства. Адамантанът има най-високата точка на топене за въглеводороди, равна на 269°C, и плътност, равна на 1,07 g/cm3. Той е термично стабилен в отсъствието на кислород при нагряване до 660°C. При налягане от 20 килобара и температура от 480°C и повече, той постепенно графитизира. Адамантанът е изключително устойчив на агресивни химически среди и не взаимодейства с калиев перманганат, хромна и концентрирана азотна киселина, дори при повишени температури.

Таблица 1 показва зависимостта на добива на адамантан от използвания катализатор.

Таблица 1. Резултати от течнофазова изомеризация на TMNB до адамантан

Условия на реакцията	Добив на адамантан, %
BF3, HF, 23 при H2, 50°C
SbF5, HF, 120°C, 5 часа
A1C13, НС1, 40 при Н2, 120°С
A1C13, HC1, tert-C4H9Cl
А1Вr3, tert-С4Н9Вг

Изомеризацията на TMNB в адамантан се извършва по следната схема:

По пространствени причини само ендо изомерът е способен на по-нататъшно пренареждане в адамантан и неговата равновесна концентрация е около 0,5 тегл. %.

Кинетично, изомеризацията на ендо-TMNB е едно от най-бавните пренареждания на наситени въглеводороди при тези условия: геометричната изомеризация на TMNB (пренареждане на Wagner-Meerwein) се извършва приблизително 10 000 пъти по-бързо.

Този метод на синтез става основа за индустриалната технология на адамантана. Лекотата на такова пренареждане се обяснява с високата термодинамична стабилност на адамантана, следователно третирането на всички известни C10H16 изомери с киселини на Люис неизбежно води до този полицикличен рамков въглеводород.

Синтез на адамантанкарбоксилни киселини

Реакцията на Koch-Haaf се използва широко за получаване на адамантанови киселини. Като изходни материали се използват адамантан, 1-бромо-, 1-хидроксиадамантан, както и 1-хидроксиадамантан нитрат.

Адамантан-1-карбоксилна киселина се получава чрез взаимодействие на 1-бромо- или 1-хидроксиадамантан с мравчена киселина в сярна киселина или адамантан с мравчена или сярна киселина в присъствието на терт-бутилов алкохол.

Доказано е, че максимален добив на адамантан-1-карбоксилна киселина се постига при съотношение AdOH:HCOOH:H2SO4 = 1:1:24. Добивът намалява при липса на мравчена киселина.

Адамантан-1-карбоксилната киселина може да се получи от адамантан в 20% олеум. Предполага се, че реакцията протича чрез образуване на адамантилов катион

За да получите карбоксилни киселини от адамантан, използвайте реакцията му с CO2 в сярна киселина или олеум (автоклав, 90-160ºС) . В този случай се образува смес от адамантан-1-карбоксилна и адамантан-1,3-дикарбоксилна киселина в съотношение 1:6.

Синтезът на (1-адамантил)оцетна киселина от 1-бромо или 1-хидроксиадамантан и дихлоретилен се извършва в 80-100% H2SO4 в присъствието на BF3 при 0-15ºC.

Когато адамантанът и неговите производни реагират с трихлоретилен в присъствието на 90% сярна киселина, се образуват съответните α-хлорооцетни киселини.

3-алкиладамантан-1-карбоксилни киселини се получават от алкиладамантани в сярна киселина в присъствието на терт-бутилов алкохол и 95% мравчена киселина.

Адамантанови нитрати.

Реакцията на адамантан с 96-98% излишък от азотна киселина води до 1-нитроксиадамантан като основен реакционен продукт, 1,3-динитроксиадамантан.

Адамантанът реагира със смес от азотна и оцетна киселина с по-ниска скорост, отколкото с азотна киселина, и максимален нитратен добив от 80% се постига за 3 часа. Единственият страничен продукт от реакцията е адамантол-1.