Unterrichtsthema: „Benzol: elektronische Struktur, physikalische Eigenschaften.“ Arenen – Nomenklatur, Herstellung, chemische Eigenschaften Beschreiben Sie die elektronische Struktur von Benzol

Unterrichtsart: Lektion, neues Material zu lernen.

Unterrichtsart: problematischer Vortrag.

Das wichtigste didaktische Ziel des Unterrichts: erreichen, dass alle Schüler den Inhalt des Unterrichtsmaterials verstehen.

Lernziele der Lektion:

• Kenntnisse über Kohlenwasserstoffe vertiefen;
• stellen Sie den Schülern am Beispiel von Benzol eine neue Art chemischer Bindung vor, die für diese Verbindungsgruppe charakteristisch ist; Geben Sie den Begriff der Aromatizität an;

Entwicklungsziele des Unterrichts:

• Entwickeln Sie bei den Schülern die Fähigkeit, das Wesentliche hervorzuheben Lehrmaterial, vergleichen, verallgemeinern und systematisieren, Ursache-Wirkungs-Beziehungen herstellen;
• die Entwicklung willensstarker und emotionaler Qualitäten des Einzelnen fördern;
• Achten Sie besonders darauf, das Interesse der Schüler am Fach und an der Sprache zu entwickeln.

Lernziele des Unterrichts: die Bildung weltanschaulicher Ideen fördern:

• Materialität der Welt;
• Kontinuität des Erkenntnisprozesses.

Unterrichtsausrüstung:

• Reagenzien: Benzol, KMnO 4 -Lösung, Bromwasser;
• Kugel-Stab-Modell des Benzolmoleküls (nach Kekule);
• Begleitnotizen, Tabellen.

Unterrichtsfortschritt

Epigraph für die Lektion:

„Bei Bildung geht es nicht um die Menge an Wissen,
aber im vollen Verständnis und der geschickten Anwendung von allem
was du weißt.“
A. Disterweg.

In der letzten Lektion habe ich sie gebeten, die Lösung von Problemen zum Finden der Formel eines Stoffes und zur Charakterisierung von Stoffen der untersuchten Klassen zu wiederholen.

Wir lösen Probleme, um die Summenformel einer Substanz zu finden und die Substanzen zu charakterisieren, die der resultierenden Zusammensetzung entsprechen.

Zum Vorstand:

1+2 Schüler (Probleme mit Karten lösen).

AUFGABE Nr. 1

Leiten Sie die Formel einer Substanz her, die 82,75 % Kohlenstoff und 17,25 % Wasserstoff enthält. Die relative Dampfdichte dieses Stoffes in Luft beträgt 2.

AUFGABE Nr. 2

Bestimmen Sie die Summenformel eines Kohlenwasserstoffs, in dem der Massenanteil von Kohlenstoff 85,7 % und der von Wasserstoff 14,3 % beträgt. Die relative Dichte des Stoffes in Bezug auf Wasserstoff beträgt 28.

Klasse + Schüler an der Tafel:

AUFGABE Nr. 3

Wie lautet die Summenformel eines Stoffes, dessen Massenanteil an Kohlenstoff 93,2 % beträgt? Die relative Dichte für Wasserstoff beträgt 39.

Antwort: C6H6 wahre Formel

Bei der Lösung des dritten Problems haben wir die Zusammensetzung C6H6 erhalten. Welcher der bekannten Kohlenwasserstoffklassen kann dieser Stoff zugeordnet werden?

Wir können diesen Stoff keiner der untersuchten Kohlenwasserstoffklassen zuordnen.

Also, das Problem!, das wir gemeinsam lösen müssen. Heute haben wir lasst uns kennenlernen neue Gruppe Kohlenwasserstoffe, die aromatisch genannt werden.

THEMA DER LEKTION: Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arene). Benzol. Molekülstruktur.

Unsere Hauptaufgaben heute:

1. Vertiefen Sie das Wissen über Kohlenwasserstoffe und erweitern Sie das Verständnis für die Vielfalt organischer Verbindungen.
2. Lernen Sie eine neue Art chemischer Bindung kennen, die für diese Gruppe von Kohlenwasserstoffen charakteristisch ist.

Vorlesungsübersicht:

1. Arenen gehören zu den Klassen der Kohlenwasserstoffe.
2. Geschichte der Entdeckung von Benzol.
3. Die Struktur des Benzolmoleküls.
   a) die Struktur von Benzol nach Kekul;
   b) moderne Vorstellungen über die elektronische Struktur von Benzol;
   c) das Konzept eines aromatischen Kerns und eineinhalb Bindungen.

D/z s. 51-53, bereiten Sie Vorlesungsunterlagen vor.

Heute lernen wir in der Lektion eine neue Gruppe von Kohlenwasserstoffen kennen, die Aromaten oder Arene genannt werden.

Aromatisch Diese Kohlenwasserstoffe wurden als die ersten bezeichnet berühmte Vertreter sie hatten eine angenehme Geruch. Später stellte sich heraus, dass die meisten Stoffe chemisch sind Eigenschaften gehören zur gleichen Gruppe und haben keinen aromatischen Geruch. Der historisch etablierte gebräuchliche Name für diese Verbindungen ist jedoch bis heute erhalten geblieben.

Der einfachste Vertreter aromatischer Kohlenwasserstoffe ist Benzol.

Frühere Klassen von Kohlenwasserstoffen wurden auf der Grundlage von Ursache-Wirkungs-Beziehungen untersucht: Zusammensetzung – Struktur – Eigenschaften – Anwendung. Wir werden dieses logische Prinzip vorerst belassen.

Verbindung Stoffe wir installiert– C 6 H 6 . Das ist Benzol. Benzol ist ebenfalls ein Kohlenwasserstoff, allerdings ein Kohlenwasserstoff, der sich grundlegend von den diskutierten unterscheidet. Was ist Benzol?

Lassen Sie uns die Geschichte der Entdeckung von Benzol herausfinden. (Schülernachrichten).

1. Schüler.

Im Jahr 1825 isolierte M. Faraday aus Leuchtgas, das damals in England aus Kohle hergestellt wurde, eine Flüssigkeit bestehend aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Einige Jahre später (1834)

E. Mitscherlich erhielt bei der Destillation von Benzoesäure eine mit Faraday identische Substanz, nannte sie Benzin, um den genetischen Zusammenhang mit Benzoesäure hervorzuheben, und stellte fest, dass sie die elementare Zusammensetzung C 6 H 6 (in angelsächsischen Ländern) hat dieser Name wird für Benzol noch immer beibehalten).

Später empfahl J. Liebig, dieser Verbindung einen verwurzelten Namen zu geben – Benzol (die Endung – ol weist auf ihren öligen Charakter vom lateinischen oleim – Öl hin). Im Jahr 1845 isolierte A.V. Hoffmann erstmals Benzol aus Kohlenteer.

2. Schüler.

Der „Geburtstag“ der Theorie der Struktur von Benzol als aromatischer Verbindung ist der 27. Januar 1865, der Tag, an dem Informationen über die „Konstitution aromatischer Substanzen“ im Bulletin der Pariser Chemischen Gesellschaft veröffentlicht wurden.

Kommen wir zur nächsten Stufe: Lassen Sie uns die Struktur des Benzolmoleküls ermitteln. Wie wir bereits festgestellt haben, gehört Benzol nicht zu den bekannten Kohlenwasserstoffklassen. Aber versuchen wir uns vorzustellen, welche Varianten seiner Formel es geben könnte:

Sie können auch Isomere finden, die sich in der Position von Doppel- und Dreifachbindungen unterscheiden.

Jetzt haben wir das, was man nennt Arbeitshypothese. Versuchen wir es zu überprüfen. Wenn wir die Richtigkeit einer unserer vorgeschlagenen Strukturen nachweisen können, die Hypothese wird zur Theorie, Wenn nicht, denken wir weiter.

Es gibt sehr einfache Reaktion welche erlaubt Verfügbarkeit schnell und zuverlässig feststellen Doppel- oder Dreifachbindungen in ungesättigten Kohlenwasserstoffen. Welche?

Dabei handelt es sich um die Anlagerung von Brom an Mehrfachbindungen. Wenn wir davon ausgehen, dass die 3. Formel korrekt ist, sollte die folgende Verbindung erhalten werden: CH 2 Br-CHBr-CBr 2 -CBr 2 -CH 2 Br-CH 2 Br

Schütteln Sie es einfach ein paar Mal ungesättigter Kohlenwasserstoff Mit Bromwasser verfärbt sich die gelbe Lösung.

Demonstrationserlebnis.

Benzol mit Bromwasser schütteln - keine Wirkung!

Also unseres Die Annahmen sind falsch.

Sie können versuchen, dem Benzolmolekül kein Brom hinzuzufügen, sondern Wasserstoff. Unter unseren Bedingungen ist dies nicht möglich. Geschieht dies aber in einer speziellen Vorrichtung über einem Katalysator, so kann aus Benzol ein Kohlenwasserstoff mit der Formel gewonnen werden

Wenn Sie mit Bromwasser darauf einwirken - Die Reaktion ist negativ. Dann bleibt davon auszugehen, dass es sich um einen Kohlenwasserstoff handelt MIT6 N 12 hat eine geschlossene zyklische Struktur. Dieser Ring besteht aus sechs CH 2 -Gruppen:

Scheinbar Benzol Dasselbe hat einen zyklischen Struktur. Und die Formel dafür liegt auf der Hand:

Mit Doppelbindungen? Aber Bromwasser!???

Wir müssen annehmen dass sich drei in einem sechsgliedrigen Ring zusammengefügte Doppelbindungen irgendwie verhalten auf eine neue Art und Weise.

Die Formel von Benzol – ein Sechseck mit drei Doppelbindungen – wird bestätigt Synthese Benzol aus Acetylen. Drei Acetylenmoleküle erzeugen einen Benzolring. In diesem Fall geht eine der drei Acetylenbindungen sozusagen eine einfache Bindung mit dem Kohlenstoffatom eines anderen Moleküls ein, zwei bleiben übrig. Es entsteht ein Wechsel von Doppel- und Einfachbindungen.

Dies oder so ähnlich war die Überlegung des deutschen Chemikers Fiedrich August Kekule, als er 1865 erstmals zu dem Schluss kam, dass … Benzol ist ein Sechseck mit abwechselnden Doppel- und Einfachbindungen.

Kekules Formel stieß auf stürmische Resonanz Debatten, die viele Jahrzehnte lang nicht nachließ. Tatsächlich sind einige Eigenschaften von Benzol, diese Formel ist gut erklärt, und einige zu ihr widersprochen.

Es stellte sich heraus, dass Benzol unter bestimmten Bedingungen immer noch Halogene hinzufügen zum Beispiel sechs Chloratome über alle drei Doppelbindungen. Aber andererseits Atome Wasserstoff in Benzol kann sehr leicht sein ersetzt an andere Gruppen (wir werden später darüber sprechen). Diese Fähigkeit ist eine der Haupteigenschaften von Benzol im sogenannten Komplex Aromatizität. Aromatizität (d. h. Fähigkeit leicht zu ersetzende Wasserstoffatome) wird in keiner Weise durch Kekulés Formel erklärt. Nächste. Für jedes disubstituierte Benzol muss es nach dieser Formel existieren zwei Isomere. Für ortho-Xylol sind dies beispielsweise Isomere:

Eigentlich niemand Konnte nicht isolieren zwei Isomere von ortho-Xylol. Der Schöpfer der Theorie der Struktur von Benzol musste „Klarstellungen“ an seiner Formel vornehmen. Kekule schlug dieses Double vor Verbindungen sind nicht gesichert in Benzol und die ganze Zeit bewegen.

Kontroverse rund um die Theorie der Benzolstruktur gestoppt erst vor ein paar Jahrzehnten. Was sind moderne Ideen über elektronisch Struktur Benzol?

Der deutsche Chemiker E. Hückel wandte die quantenmechanische Theorie auf aromatische Verbindungen an und zeigte, dass sich jedes Kohlenstoffatom in einem SP²-hybridisierten Zustand befindet. Was bedeutet es?

Klasse(Schüler an der Tafel).

Von den vier Elektronen jedes Kohlenstoffs bilden ein S- und zwei P-Elektronen drei völlig identische SP² – Hybridorbitale, die in der gleichen Ebene in einem Winkel von 120° zueinander liegen. Zwei dieser Orbitale werden zur Überlappung mit denselben Orbitalen zweier benachbarter Kohlenstoffatome verwendet, und eines dient zur Bildung eines Wasserstoffatoms.

Alle diese Elektronen bilden sich Elektronenkern von Benzol.

Oben und unten befindet sich jedes Kohlenstoffatom Band acht P – Elektron.

Stellen wir uns nun vor, dass im Benzolring acht P-Elektronen paarweise vorhanden sind überlappende „Seiten“ diese. bilden drei Doppelbindungen. Dies ist das elektronische Modell von Benzol, das auf dem Papier durch die Formel von Kekule beschrieben wird. (Kugel-Stab-Modell anzeigen).

Wenn Kekules Formel korrekt ist, dann Distanz in einem Benzolmolekül zwischen zwei benachbarten Kohlenstoffatomen muss unterschiedlich sein: 0,154 nm zwischen Atomen, deren p-Wolken sich nicht überlappen und 0,133 nm zwischen Kohlenstoffen gebunden P– Kommunikation.

Aber Benzolforschung durch physikalische Methoden zeigte, dass alle Abstände im Molekül völlig identisch sind und die Länge der CC-Bindung gleich ist 0,140 nm, diese. der Durchschnittswert zwischen den Längen von Einfach- und Doppelbindungen. Es ist logisch anzunehmen, dass jedes Elektron acht ein Orbital ist überlappt gleichmäßig und gleichzeitig mit den gleichen Achtern von zwei Nachbarn.

Bei der Projektion auf die Molekülebene erscheinen diese Elektronenwolken überlappende Kreise(in der Tabelle anzeigen). Das Molekül bildet keine drei getrennten P- Verbindungen und vereinigt P– elektronisches System aus sechs Elektronen, die allen Kohlenstoffatomen gemeinsam sind. Unter dem Einfluss dieses gemeinsamen Moleküls P- elektronische Cloud und Der Abstand wird verkürzt zwischen Kohlenstoffatomen 0,154 bis 0,140 nm.

Ein maßstabsgetreues (volumetrisches) Modell des Benzolmoleküls ist in der Tabelle dargestellt (siehe). Da die Elektronendichte im Molekül gleichmäßig verteilt ist, sind alle Bindungen zwischen den C-Atomen exakt gleich.

Also chemisch Kommunikation in Benzol sind nicht einfach oder doppelt, sondern wie üblich eineinhalb, mittelschwerer Natur. Diese Verbindungen werden auch genannt aromatisch, Sie stärker P– Verbindungen(Deshalb wird Bromwasser nicht verfärbt – es werden keine Bromatome hinzugefügt).

Um die Gleichmäßigkeit der elektrischen Verteilung zu zeigen. Die Dichte im Benzolmolekül, seine Strukturformel, wird oft als dargestellt Sechseck mit Kreis innen:

Diese Struktur heißt Benzol oder aromatischer Kern. Und Kohlenwasserstoffe werden in der Zusammensetzung von Molekülen genannt, die einen aromatischen Ring enthalten aromatische Kohlenwasserstoffe.

Tatsächlich enthält diese Struktur des Benzolmoleküls Strukturmerkmale sowohl der ersten als auch der zweiten Struktur und stellt ein qualitativ neues System dar. Lassen Sie uns auf der Grundlage Ihres biologischen Wissens eine Analogie erstellen: eine Mischung aus Pferd und Esel – ein Maultier. Das Maultier weist die Eigenschaften sowohl des Pferdes als auch des Esels auf, ist jedoch ein völlig neues Tier mit einzigartigen Eigenschaften. Und wenn wir dieses Tier also einer Person beschreiben wollen, die noch nie ein Maultier gesehen hat, können wir über ein Pferd, über einen Esel sprechen und dann sagen: Ein Maultier ist etwas dazwischen.

Aber auch heute noch verwenden sie häufig die Kekulé-Formel, wobei sie berücksichtigen, dass sie die Struktur des Moleküls nur bedingt wiedergibt.

Fassen wir zusammen:(Festigung des Wissens)

1. Welche Kohlenwasserstoffe werden aromatisch genannt?
2. Welche Art von Hybridisierung ist charakteristisch für den aromatischen Kern?
3. Was ist ein Benzolring?
4. Wie ist ein Single P- Verbindung?
5. Wie groß sind die Winkel zwischen den Bindungsrichtungen im aromatischen Ring?
6. Wie groß ist der Abstand zwischen Kohlenstoffatomen?
7. Welche Bindungen werden aromatisch (eineinhalb) genannt?

Die Lektion ist vorbei! Auf Wiedersehen!

Die moderne Sicht auf die Struktur von Benzol: ein flaches Molekül, dessen Kohlenstoffatome sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung befinden und zu einem regelmäßigen Sechseck verbunden sind.

Bild eines Benzolmoleküls:

Aromatizität- ungewöhnlich niedrige Energie des nicht angeregten Zustands, verursacht durch die Delokalisierung von π-Elektronen.

Aromatizität-ein Konzept, das die Gesamtheit der strukturellen, energetischen Eigenschaften und Reaktivitätsmerkmale zyklischer Strukturen mit einem System konjugierter Bindungen charakterisiert

Anzeichen von Aromatizität Jede Verbindung ist aromatisch, wenn sie Folgendes aufweist: a) einen flachen geschlossenen Ring; b) ein konjugiertes π-Elektronensystem, das alle Atome des Zyklus abdeckt; c) wenn die Anzahl der an der Konjugation beteiligten Elektronen der Hückel-Formel (4n+2., wobei n die Anzahl der Zyklen ist) entspricht.

Isomerie

Nomenklatur

ortho-, Meta- Und Paar- ersetzt:

Physikalische Eigenschaften

Alle aromatischen Verbindungen haben einen Geruch. Benzol, Toluol, Xylole, Ethylbenzol,

Cumol, Styrol – Flüssigkeiten, Naphthalin, Anthracen – Feststoffe.

26. Aromatische Kohlenwasserstoffe der Benzolreihe. Nomenklatur. Isomerie. Methoden zur Gewinnung von Benzol und seinen Homologen: aus Kohlenteer, Aromatisierung und Dehydrocyclisierung von Paraffinen, nach der Wurtz-Fittig-Reaktion, Friedel-Crafts-Alkylierung mit Olefinen, Alkylhalogeniden, Alkoholen, aus Benzoesäuresalzen, Trimerisierung von Alkinen.

Arene (aromatische Kohlenwasserstoffe) sind zyklische Verbindungen, deren Moleküle einen oder mehrere Benzolkerne enthalten. Empirische Formel von Benzol C6H6

Isomerie

Di-, tri- und tetrasubstituierte aromatische Kohlenwasserstoffe zeichnen sich durch Isomerie der Position des Substituenten und Isomerie der seitlichen Alkylkette aus.

Bei mono-, penta- und hexasubstituierten Arenen gibt es keine Isomere, die mit der Position des Substituenten im Ring zusammenhängen.

Nomenklatur

Benzolderivate werden substituierte Benzole genannt. Für viele von ihnen werden entweder Trivialnamen verwendet oder der Substituent wird durch ein Präfix vor dem Wort „Benzol“ angegeben. Bei einfach substituierten Benzolen enthalten die Namen keine Zahlen, da alle sechs Kohlenstoffatome des Benzolmoleküls gleichwertig sind und für jeden Substituenten nur ein monosubstituiertes Benzol möglich ist.

Wenn an einem Benzolmolekül zwei Substituenten vorhanden sind, können drei verschiedene disubstituierte Benzole existieren. Sie werden entsprechend benannt ortho-, Meta- Und Paar- ersetzt:

Wenn Benzol drei oder mehr Substituenten hat, sollte deren Position im Ring nur durch Zahlen angegeben werden. In allen Fällen werden die Namen der Substituenten in alphabetischer Reihenfolge vor dem Wort „Benzol“ aufgeführt. Die Zahl 1 im Namen kann weggelassen werden; der Substituent, ab dem der Countdown beginnt, ist in diesem Fall in der Namensbasis enthalten:

Quittung:

1. Kohlenteerverarbeitung, Öldestillation, Trockendestillation

Holz

2. Aromatisierung von Öl.

3. Dehydrocyclisierung von Hexan und Heptan.

C 6 H 14 → C6H6 + 4H 2

C 7 H 16 → C6H5-CH3 + 4H2

4. Wurtz-Fittig:

Friedel-Crafts-Alkylierung. Zwei mögliche Reaktionsmechanismen wurden akzeptiert. Im ersten Fall ist das elektrophile Teilchen ein Carbokation, das durch die Wechselwirkung eines Halogenalkans mit Aluminiumchlorid (Lewis-Säure) entsteht:

Im zweiten Fall kann davon ausgegangen werden, dass das Elektrophil die Alkylgruppe des polaren Komplexes von AlCl 3 mit einem Alkylhalogenid ist.

Alkylierung von Benzol (Friedel-Crafts-Reaktion)

C 6 H 6 + C 2 H 5 Cl → C 6 H 5 -C 2 H 5 + HCl

27.Elektrophile Substitution in der aromatischen Reihe (Nitrierung, Sulfonierung, Halogenierung, Alkylierung und Friedel-Crafts-Acylierung). Das Konzept der - und -Komplexe. Mechanismus elektrophiler Substitutionsreaktionen

METHODISCHE ANWEISUNGEN

Kurs organische Chemie

« AROMATISCHE KOHLENWASSERSTOFFE»

Rostow am Don

Richtlinien im Rahmen der organischen Chemie „Aromatische Kohlenwasserstoffe“. - Rostow n/a: Rost. Zustand baut. Univ., 2007. - 12 S.

Es werden theoretische Grundlagen zum Thema „Aromatische Kohlenwasserstoffe“ vorgestellt. Es wird eine Definition aromatischer Kohlenwasserstoffe sowie das Konzept der „Aromatizität“ gegeben. Die Struktur des Benzolmoleküls wird beschrieben. Berücksichtigt werden die Nomenklatur und Isomerie aromatischer Verbindungen mit einem Benzolring. Die wichtigsten Methoden zur Gewinnung von Arenen werden vorgestellt, physikalische und chemische Eigenschaften aromatische Kohlenwasserstoffe.

Konzipiert für Studenten im 1. und 2. Studienjahr, Vollzeit- und Vollzeitstudenten Korrespondenzformulare Ausbildung der Fachrichtungen PSM, ZChS, SSP, BTP und AS.

Zusammengestellt von: Ph.D. chem. Naturwissenschaften, außerordentlicher Professor

M.N. Mitskaya,

Ph.D. chem. Naturwissenschaften, Asst.

E.A. Levinskaya

Gutachter: Ph.D. chem. Naturwissenschaften, außerordentlicher Professor

L.M. Astachowa

© Staat Rostow

Bauuniversität, 2007

Aromatische Verbindungen (Arene) - organische Verbindungen mit einer planaren zyklischen Struktur, in der alle Kohlenstoffatome ein einziges delokalisiertes π-Elektronensystem mit (4n+2) π-Elektronen bilden.

Zu den aromatischen Verbindungen zählen vor allem Benzol C 6 H 6 und seine zahlreichen Homologen und Derivate. Aromatische Verbindungen können einen oder mehrere Benzolringe pro Molekül enthalten (mehrkernige aromatische Verbindungen). Aber wir werden aromatische Verbindungen mit einem Benzolring betrachten.

Die Struktur des Benzolmoleküls

Benzol wurde 1825 von M. Faraday im Beleuchtungsgas (Koksofen) entdeckt, und die Struktur des Benzolmoleküls wird am häufigsten durch die vom deutschen Chemiker A. Kekule (1865) vorgeschlagene Formel ausgedrückt.

Nach modernen Vorstellungen hat das Benzolmolekül die Struktur eines flachen Sechsecks, dessen Seiten einander gleich sind und 0,14 nm betragen. Dieser Abstand ist der Durchschnittswert zwischen 0,154 nm (Einfachbindungslänge) und 0,134 nm (Doppelbindungslänge). Nicht nur die Kohlenstoffatome, sondern auch die sechs mit ihnen verbundenen Wasserstoffatome liegen in derselben Ebene. Es bildeten sich Winkel N-S-S-Verbindungen und C-C-C sind gleich 120°:

Alle Kohlenstoffatome in einem Benzolmolekül befinden sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Jedes von ihnen ist über seine drei Hybridorbitale mit zwei gleichen Orbitalen zweier benachbarter Kohlenstoffatome und einem Orbital des H-Atoms verbunden und bildet drei σ-Bindungen (siehe Abbildung). Das vierte, unhybridisierte 2p-Orbital des Kohlenstoffatoms, dessen Achse senkrecht zur Ebene des Benzolrings steht, überlappt mit ähnlichen Orbitalen zweier benachbarter Kohlenstoffatome rechts und links.

Schema der Bildung von σ-Bindungen und π-Bindungen in einem Benzolmolekül

Diese Überlappung erfolgt oberhalb und unterhalb der Ebene des Benzolrings. Dadurch entsteht ein einziges geschlossenes System von π-Elektronen. Als Ergebnis einer solchen gleichmäßigen Überlappung der 2p-Orbitale aller sechs Kohlenstoffatome ist die „Ausrichtung“ von einfachen und Doppelbindungen, d.h. Dem Benzolring fehlen klassische Doppel- und Einfachbindungen. Die gleichmäßige Verteilung der π-Elektronendichte zwischen allen Kohlenstoffatomen aufgrund der Delokalisierung der π-Elektronen ist der Grund für die hohe Stabilität des Benzolmoleküls. Derzeit gibt es keinen einheitlichen Weg grafisches Bild Benzolmoleküle unter Berücksichtigung ihrer tatsächlichen Eigenschaften. Um jedoch die Gleichmäßigkeit der π-Elektronendichte im Benzolmolekül hervorzuheben, greifen sie auf die folgenden Formeln zurück:

Man muss jedoch bedenken, dass keine dieser Formeln dem tatsächlichen physikalischen Zustand des Moleküls entspricht, geschweige denn die ganze Vielfalt seiner Eigenschaften widerspiegeln kann. Kekules Formel ist derzeit nur ein Symbol für das Benzolmolekül. Es wird jedoch häufig verwendet, auch wenn man seine Nachteile im Auge behält.

Aromatische Verbindungen sind solche, deren Moleküle eine zyklische Atomgruppe mit einem besonderen Bindungsmuster enthalten – einen Benzolring. Der internationale Name für aromatische Kohlenwasserstoffe ist Arene.

Der einfachste Vertreter der Arene ist Benzol C 6 H 6 . Die Formel, die die Struktur des Benzolmoleküls widerspiegelt, wurde erstmals vom deutschen Chemiker Kekule (1865) vorgeschlagen:

Die Kohlenstoffatome im Benzolmolekül bilden ein regelmäßiges flaches Sechseck, obwohl es normalerweise als längliches Sechseck gezeichnet wird.

Die Struktur des Benzolmoleküls wurde schließlich durch die Reaktion seiner Bildung aus Acetylen bestätigt. Die Strukturformel zeigt drei einfache und drei doppelte alternierende Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Ein solches Bild vermittelt jedoch nicht die wahre Struktur des Moleküls. In Wirklichkeit sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol gleichwertig und haben Eigenschaften, die sich von denen von Einfach- oder Doppelbindungen unterscheiden. Diese Merkmale werden durch die elektronische Struktur des Benzolmoleküls erklärt.

Elektronische Struktur von Benzol.
Jedes Kohlenstoffatom in einem Benzolmolekül befindet sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Es ist über drei σ-Bindungen mit zwei benachbarten Kohlenstoffatomen und einem Wasserstoffatom verbunden. Das Ergebnis ist ein flaches Sechseck: alle sechs Kohlenstoffatome und alle σ - S-S-Verbindungen und C-H liegen in derselben Ebene. Die Elektronenwolke des vierten Elektrons (p-Elektron), das nicht an der Hybridisierung beteiligt ist, hat die Form einer Hantel und ist senkrecht zur Ebene des Benzolrings ausgerichtet. Solche p-Elektronenwolken benachbarter Kohlenstoffatome überlappen oberhalb und unterhalb der Ringebene . Dadurch bilden sechs p-Elektronen eine gemeinsame Elektronenwolke und eine einzelne chemische Bindung für alle Kohlenstoffatome. Zwei Bereiche der großen Elektronenebene liegen auf beiden Seiten der σ-Bindungsebene ./>/>

P-Die Elektronenwolke bewirkt eine Verringerung des Abstands zwischen Kohlenstoffatomen. In einem Benzolmolekül sind sie gleich und betragen 0,14 nm. Im Falle einer Einfach- und Doppelbindung würden diese Abstände 0,154 bzw. 0,134 nm betragen. Das bedeutet, dass im Benzolmolekül keine Einfach- oder Doppelbindungen vorhanden sind. Das Benzolmolekül ist ein stabiler sechsgliedriger Zyklus aus identischen CH-Gruppen, die in derselben Ebene liegen. Alle Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen im Benzol sind äquivalent, was die charakteristischen Eigenschaften des Benzolrings bestimmt. Dies spiegelt am genauesten wider Strukturformel Benzol in Form eines regelmäßigen Sechsecks mit einem Kreis im Inneren ( ICH ). (Der Kreis symbolisiert die Äquivalenz der Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen.) Die Kekule-Formel wird jedoch häufig zur Angabe von Doppelbindungen verwendet ( II

Aromatische Kohlenwasserstoffe (Arenen) sind organische Verbindungen, deren Moleküle einen oder mehrere Benzolringe enthalten. Der Benzolring oder Kern ist eine zyklische Gruppe von Kohlenstoffatomen mit einem besonderen Bindungscharakter.

Allgemeine Formel-CnH2n-6

1. Vertreter:

EINKERNKLÄR

1. C 6 H 6 – Benzol, der Begründer der homologen Reihe von Arenen

2. C 6 H 5 – CH 3 – Toluol (Methylbenzol)

3. C 6 H 5 – CH = CH 2 – Styrol (Vinylbenzol)

4. Xylol (ortho-, para-, meta-Xylol)

MULTICORE (KONDENSIERT)

1. Naphthalin

2. Anthracen

2. Struktur aromatischer Kohlenwasserstoffe :

Die erste Strukturformel von Benzol wurde 1865 vom deutschen Chemiker F.A. Kekule vorgeschlagen:

Die C-Atome im Benzolmolekül bilden ein regelmäßiges flaches Sechseck, obwohl es oft als längliches Sechseck dargestellt wird.

Die obige Formel gibt die Äquivalenz von sechs C-Atomen korrekt wieder, erklärt jedoch nicht einige besondere Eigenschaften von Benzol. Obwohl es beispielsweise ungesättigt ist, neigt es nicht zu Additionsreaktionen: Verfärbt Bromwasser und Kaliumpermanganatlösung nicht, d. h. Es zeichnet sich nicht durch qualitative Reaktionen aus, die für ungesättigte Verbindungen typisch sind .

Die Kekulé-Strukturformel enthält drei einfache und drei doppelte alternierende Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Ein solches Bild vermittelt jedoch nicht die wahre Struktur des Moleküls. In Wirklichkeit sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Benzol äquivalent. Dies wird durch die elektronische Struktur seines Moleküls erklärt.

Jedes C-Atom in einem Benzolmolekül befindet sich im Zustand der sp 2 -Hybridisierung. Es ist an zwei benachbarte C-Atome gebunden, das H-Atom an drei σ - Verbindungen. Das Ergebnis ist ein flaches Sechseck, in dem alle sechs C-Atome und alleσ -C–C- und C–H-Bindungen liegen in derselben Ebene (der Winkel zwischen den C–C-Bindungen beträgt 120 °).

Reis. Bildungsprogramm -Bindungen in einem Benzolmolekül.

Das dritte p-Orbital des Kohlenstoffatoms nimmt nicht an der Hybridisierung teil. Es hat die Form einer Hantel und ist senkrecht zur Ebene des Benzolrings ausgerichtet. Solche p-Orbitale benachbarter C-Atome überlappen oberhalb und unterhalb der Ringebene.

Reis. Nichthybride 2p-Kohlenstofforbitale in einem Benzolmolekül

Dadurch bilden sechs p-Elektronen (aus allen sechs C-Atomen) ein gemeinsames π -Elektronenwolke und eine einzige chemische Bindung für alle C-Atome.

Reis. Benzolmolekül. Standort π -Elektronenwolke

π -Die Elektronenwolke bewirkt eine Verringerung des Abstands zwischen C-Atomen.

In einem Benzolmolekül sind sie gleich und betragen 0,139 nm. Im Falle einer Einfach- und Doppelbindung würden diese Abstände 0,154 bzw. 0,134 nm betragen. Dies bedeutet, dass es im Benzolmolekül keinen Wechsel von Einfach- und Doppelbindungen gibt, sondern eine spezielle Bindung – „eineinhalb“ – zwischen Einfach- und Doppelbindung, die sogenannte aromatische Bindung. Um die gleichmäßige Verteilung der p-Elektronenwolke im Benzolmolekül darzustellen, ist es richtiger, sie in Form eines regelmäßigen Sechsecks mit einem Kreis darin darzustellen (der Kreis symbolisiert die Äquivalenz der Bindungen zwischen C-Atomen):

3. Isomerie, Nomenklatur

Die Isomerie beruht auf der Isomerie des Kohlenstoffgerüsts der vorhandenen Radikale und ihrer relativen Position im Benzolring. Die Position zweier Substituenten wird durch Präfixe angegeben: ortho- (o-), wenn sie sich an benachbarten Kohlenstoffatomen befinden (Position 1, 2-), Meta- (m-) für durch ein Kohlenstoffatom getrennt (1, 3-) und Paar- (n-) für die einander gegenüberliegenden (1, 4-).

Zum Beispiel für Dimethylbenzol (Xylol):

ortho-Xylol (1,2-Dimethylbenzol)

meta-Xylol (1,3-Dimethylbenzol)

para-Xylol (1,4-Dimethylbenzol)

Als Radikale werden aromatische Kohlenwasserstoffe bezeichnet Arylreste . Radikal C 6 H 5 - genannt Phenyl.