Будова молекули бензолу

КЛЮЧОВІ СЛОВА: ароматичні вуглеводні, арени, sp2-гібридизація, єдине p-електронна хмара, круговий сполучення, іонний механізм реакції заміщення, електрофільне заміщення, нітрування, галогенування, алкілування по Фриделю-Крафтс, алкілування алкенами, гідрування, окиснення.

БУДОВА МОЛЕКУЛИ бензолу. ароматичний

Ароматичні вуглеводні (арени) - це вуглеводні, молекули яких містять одну або кілька бензольних кілець.

Найпростішим представником ароматичних вуглеводнів є бензол, молекулярна формула якого С6 Н6. Встановлено, що всі атоми вуглецю в молекулі бензолу лежать в одній площині, утворюючи правильний шестикутник (рис. 1). Кожен атом вуглецю пов'язаний з одним атомом водню. Довжини всіх зв'язків вуглець-вуглець однакові і складають 0,139 нм.

Історично назва «ароматичні вуглеводні» склалося тому, що багато похідні бензолу, які першими були виділені з природних джерел, мали приємним запахом.

В даний час під поняттям «ароматичность» мають на увазі, перш за все, особливий характер реакційної здатності речовин, обумовлений, в свою чергу, особливостями будови молекул цих сполук.

У чому ж полягають ці особливості?

Відповідно до молекулярної формулою С6 Н6 бензол є ненасиченим з'єднанням, і можна очікувати, що для нього були б характерні типові для алкенів реакції приєднання. Однак в умовах, в яких алкени швидко вступають в реакції приєднання, бензол не реагує або реагує повільно. Бензол не дає і характерних якісних реакцій, властивих ненасичених вуглеводнів: онне знебарвлює бромную воду і водний розчин перманганату калію.

Такий характер реакційної здатності пояснюється наявністю в ароматичному кільці пов'язаною системи - єдиного p-електронів хмари.

У молекулі бензолу кожен атом вуглецю знаходиться в стані sp 2-гібридизації і пов'язаний трьома s-зв'язок з двома атомами вуглецю і одним атомом водню. Четвертий валентний електрон атома вуглецю знаходиться на p орбіталі, перпендикулярній площині молекули. У молекулі бензолу відбувається бічне перекривання р -орбіталей кожного атома вуглецю з р -орбіталей обох сусідніх атомів вуглецю (рис. 2). В результаті такого сполучення утворюється єдине p-електронну хмару. розташоване над і під площиною бензольного кільця - здійснюється круговий сполучення.

Така циклічна система із загальним хмарою з шести електронів дуже стійка, енергетично вигідна; тому бензол переважно вступає в ті реакції, в яких ароматичне кільце зберігається.

Мал. 2. Електронна будова молекули бензолу: а) схема перекривання р -орбіталей; б) єдине p-електронну хмару.

Підкреслимо ще раз, що в молекулі бензолу можна виділити трьох подвійних і трьох простих зв'язків. Електронна щільність розподіляється в молекулі рівномірно, і всі зв'язки між атомами вуглецю виявляються абсолютно однаковими. Тому потрібно пам'ятати, що формула Кекуле, яка часто використовується для зображення бензолу, умовна і не відбиває реального будови його молекули.

Отже, ароматіческіміявляются з'єднання, в молекулах яких є стійка циклічна угрупування з особливим характером зв'язку. Маючи молекулярну формулу, яка вказує на високу ступінь ненасиченості, ці речовини, однак, не реагують як ненасичені, а вступають переважно в реакції заміщення зі збереженням ароматичної системи.

Загальна формула гомологічного ряду ароматичних вуглеводнів Cn H2n-2.

Найближчим гомологом бензолу є метилбензол. Найчастіше вживають його трівіалное назва - толуол:

Бензол і толуол не мають ароматичних ізомерів. Для цих речовин характерна лише межклассовая ізомерія. Так, відповідають молекулярної формулою С6 Н6 і, отже, ізомерні бензолу непередельние нециклічні вуглеводні, що містять дві потрійних або дві подвійні і одну потрійну зв'язку в молекулі, наприклад:

Починаючи з аренов з вісьмома атомами вуглецю з'являється можливість ізомерії, пов'язаної зі складом і взаємним розташуванням углеводороднихрадікалов. Якщо з бензольні кільцем пов'язані два заступника, то вони можуть перебувати в трьох різних положеннях відносно один одного: поруч (такий стан обозночало приставкою орто-), через один атом вуглецю (мета-), і навпроти один одного (пара-). Діметілбензол, стуктурних формули ізомерів якого наведені нижче, має тривіальне назва ксилол.

Таким чином, молекулярної формулі С8 Н8 відповідають чотири ізомерних ароматичних вуглеводнів:

Багато гомологи бензолу мають не тільки систематичні (коли їх розглядають як похідні бензолу), але і тривіальні назви, наприклад:

Слід запам'ятати назви радикалів, утворених ароматичними вуглеводнями:

Існують і похідні бензолу з ненасиченими бічними ланцюгами (зрозуміло, вони не є його гомологами):

Нагадаємо, що ненасичені радикали

мають назви вініл і етініл відповідно.

Арени можуть містити кілька бензольних ядер в молекулі. Такі речовини називають поліядерними ароматичними вуглеводнями. Їх поділяють на з'єднання з ізольованими бензольними ядрами, наприклад

і з'єднання з конденсованими бензольними ядрами, найпростішим прикладом яких є нафталін: