›

Temat lekcji: „Benzen: budowa elektronowa, właściwości fizyczne”. Arenas - nazewnictwo, preparatyka, właściwości chemiczne. Opisz budowę elektronową benzenu

Typ lekcji: lekcja uczenia się nowego materiału.

Typ lekcji: problematyczny wykład.

Główny cel dydaktyczny lekcji: osiągnięcie zrozumienia treści materiałów edukacyjnych przez wszystkich uczniów.

Cele lekcji:

  • pogłębić wiedzę na temat węglowodorów;
  • zapoznanie studentów z nowym typem wiązania chemicznego charakterystycznego dla tej grupy związków na przykładzie benzenu; podać pojęcie aromatyczności;

Cele rozwojowe lekcji:

  • rozwijać u uczniów umiejętność podkreślania głównych, niezbędnych w materiały edukacyjne, porównywać, uogólniać i systematyzować, ustalać związki przyczynowo-skutkowe;
  • promować rozwój silnej woli i cech emocjonalnych jednostki;
  • Zwróć szczególną uwagę na rozwijanie zainteresowania przedmiotem i mową uczniów.

Cele edukacyjne lekcji: promować tworzenie idei światopoglądowych:

  • materialność świata;
  • ciągłość procesu poznania.

Wyposażenie lekcji:

  • odczynniki: benzen, roztwór KMnO 4, woda bromowa;
  • model kulkowo-kijowy cząsteczki benzenu (wg Kekule'a);
  • notatki pomocnicze, tabele.

Postęp lekcji

Motto do lekcji:

„W edukacji nie liczy się ilość wiedzy,
ale w pełnym zrozumieniu i umiejętnym zastosowaniu wszystkiego
co wiesz.”
A. Disterwega.

Na ostatniej lekcji poprosiłem ich o powtórzenie rozwiązania problemów ze znalezieniem wzoru substancji i scharakteryzowaniem substancji z badanych klas.

Rozwiązujemy problemy, aby znaleźć wzór cząsteczkowy substancji i scharakteryzować substancje, które odpowiadają powstałemu składowi.

Do tablicy:

1+2 uczniów (rozwiązujcie zadania za pomocą kart).

ZADANIE nr 1

Wyprowadź wzór substancji zawierającej 82,75% węgla i 17,25% wodoru. Względna gęstość pary tej substancji w powietrzu wynosi 2.

ZADANIE nr 2

Określ wzór cząsteczkowy węglowodoru, w którym udział masowy węgla wynosi 85,7%, a wodoru 14,3%. Gęstość względna substancji względem wodoru wynosi 28.

Klasa + uczeń przy tablicy:

ZADANIE nr 3

Jaki jest wzór cząsteczkowy substancji, w której udział masowy węgla wynosi 93,2%. Gęstość względna wodoru wynosi 39.

Odpowiedź: Prawdziwy wzór C6H6

Rozwiązując trzecie zadanie otrzymaliśmy skład C6H6. Do której ze znanych klas węglowodorów można zaliczyć tę substancję?

Nie możemy przypisać tej substancji żadnej z badanych klas węglowodorów.

A więc problem!, który musimy wspólnie rozwiązać. Dzisiaj my zapoznajmy się nowa grupa węglowodory, które nazywane są aromatycznymi.

TEMAT LEKCJI: Węglowodory aromatyczne (areny). Benzen. Struktura cząsteczki.

Nasze główne zadania na dzień dzisiejszy:

  1. Pogłębiają wiedzę na temat węglowodorów, poszerzają wiedzę na temat różnorodności związków organicznych.
  2. Zapoznaj się z nowym rodzajem wiązania chemicznego charakterystycznego dla tej grupy węglowodorów.

Zarys wykładu:

  1. Areny są jedną z klas węglowodorów.
  2. Historia odkrycia benzenu.
  3. Struktura cząsteczki benzenu.
    a) struktura benzenu według Kekula;
    b) współczesne koncepcje dotyczące struktury elektronowej benzenu;
    c) koncepcja jądra aromatycznego i wiązania półtora.

D/z s. 51-53, uzupełnij notatki z wykładów.

Dziś na lekcji zapoznamy się z nową grupą węglowodorów zwanych aromatycznymi lub arenami.

Aromatyczny te węglowodory zostały nazwane, ponieważ były pierwsze znani przedstawiciele mieli przyjemność zapach. Później okazało się, że większość substancji ma charakter chemiczny właściwości należą do tej samej grupy i nie mają aromatycznego zapachu. Jednak historycznie ustalona nazwa zwyczajowa tych związków pozostała z nimi do dziś.

Najprostszym przedstawicielem węglowodorów aromatycznych jest benzen.

Poprzednie klasy węglowodorów badano na podstawie związków przyczynowo-skutkowych: skład – struktura – właściwości – zastosowanie. Na razie pozostawimy tę samą logiczną zasadę.

Mieszanina substancje my zainstalowany– C 6 H 6 . To jest benzen. Benzen jest również węglowodorem, ale węglowodorem zasadniczo różniącym się od omawianych. Co to jest benzen?

Poznajmy historię odkrycia benzenu. (Wiadomości studenckie).

1. uczeń.

W 1825 r. M. Faraday wyizolował ciecz składającą się z węgla i wodoru z gazu oświetlającego, który wówczas wytwarzano w Anglii z węgla. Kilka lat później (w 1834 r.)

E. Mitscherlich podczas destylacji kwasu benzoesowego otrzymał substancję identyczną z substancją Faradaya, nazwał ją benzyną dla podkreślenia genetycznego związku z kwasem benzoesowym i ustalił, że ma ona skład elementarny C 6 H 6 (w krajach anglosaskich nazwa ta jest nadal zachowana dla benzenu).

Później J. Liebig zalecał nadanie temu związkowi korzeniowej nazwy – benzen (końcówka – ol wskazuje na jego oleisty charakter od łacińskiego oleim – olej). W 1845 roku A.V. Hoffmann po raz pierwszy wyizolował benzen ze smoły węglowej.

2. uczeń.

„Urodziny” teorii budowy benzenu jako związku aromatycznego przypadają na 27 stycznia 1865 roku, dzień, w którym w Biuletynie Paryskiego Towarzystwa Chemicznego opublikowano informację o „Konstytucji substancji aromatycznych”.

Przejdźmy do kolejnego etapu: Ustalmy strukturę cząsteczki benzenu. Jak już ustaliliśmy, benzenu nie można zaliczyć do jednej ze znanych klas węglowodorów. Spróbujmy jednak wyobrazić sobie, jakie mogą być warianty jego formuły:

Można też wymyślić izomery różniące się położeniem wiązań podwójnych i potrójnych.

Teraz mamy tzw hipoteza robocza. Spróbujmy to sprawdzić. Jeśli uda nam się udowodnić poprawność jednej z proponowanych przez nas konstrukcji, hipoteza zamieni się w teorię, jeśli nie, pomyślimy dalej.

Jest ich bardzo prosta reakcja Który pozwala szybko i niezawodnie ustalaj dostępność wiązania podwójne lub potrójne w nienasyconych węglowodorach. Który?

Jest to dodatek bromu przy wielokrotnych wiązaniach. Jeżeli przyjmiemy, że 3. wzór jest poprawny, to należy otrzymać następujący związek: CH 2 Br-CHBr-CBr 2 -CBr 2 -CH 2 Br-CH 2 Br

Po prostu potrząśnij nim kilka razy nienasycony węglowodór wodą bromową, żółty roztwór ulega odbarwieniu.

Doświadczenie demonstracyjne.

Wstrząsnąć benzenem z wodą bromową - żadnego efektu!

Więc nasze założenia są błędne.

Możesz spróbować dodać nie brom do cząsteczki benzenu, ale wodór. W naszych warunkach nie da się tego zrobić. Ale jeśli zrobi się to w specjalnym urządzeniu nad katalizatorem, wówczas z benzenu można otrzymać węglowodór o wzorze

Jeśli zadziałasz na to wodą bromową - reakcja jest negatywna. Następnie pozostaje założyć, że węglowodór Z6 N 12 ma zamkniętą strukturę cykliczną. Pierścień ten składa się z sześciu grup CH2:

Najwyraźniej benzen To samo ma cykliczność struktura. A formuła na to sugeruje się sama:

Z podwójnymi wiązaniami? Ale woda bromowa!???

Musimy przypuszczaćże trzy wiązania podwójne zebrane w jeden sześcioczłonowy pierścień zachowują się w jakiś sposób w nowy sposób.

Potwierdzono wzór benzenu – sześciokąta z trzema podwójnymi wiązaniami synteza benzen z acetylenu. Trzy cząsteczki acetylenu tworzą jeden pierścień benzenowy. W tym przypadku jedno z trzech wiązań acetylenowych tworzy w pewnym sensie proste wiązanie z atomem węgla innej cząsteczki, a pozostają dwa. Rezultatem jest naprzemienność wiązań podwójnych i pojedynczych.

Tak lub mniej więcej rozumował niemiecki chemik Fiedrich August Kekule, gdy w 1865 roku po raz pierwszy doszedł do wniosku, że Benzen jest sześciokątem z naprzemiennymi wiązaniami podwójnymi i pojedynczymi.

Formuła Kekule spotkała się z burzliwym przyjęciem debaty, która nie ustąpiła przez wiele dziesięcioleci. Rzeczywiście, niektóre właściwości benzenu, ta formuła jest dobra wyjaśnione i trochę do niej zaprzeczył.

Okazało się, że benzen może nadal, pod pewnymi warunkami, dodać halogeny na przykład sześć atomów chloru we wszystkich trzech wiązaniach podwójnych. Ale z drugiej strony atomy wodór w benzenie może być bardzo łatwo zastąpiony innym grupom (porozmawiamy o tym później). Zdolność ta jest jedną z głównych właściwości benzenu w kompleksie, który nazywa się aromatyczność. Aromatyczność (tj. zdolność łatwe do zastąpienia atomów wodoru) nie jest w żaden sposób wyjaśnione wzorem Kekule’a. Następny. Sądząc po tym wzorze, dla każdego dipodstawionego benzenu musi istnieć dwa izomery. Przykładowo dla orto-ksylenu są to izomery:

Tak naprawdę nikt nie mogłem się odizolować dwa izomery orto-ksylenu. Twórca teorii budowy benzenu musiał dokonać „wyjaśnień” do swojej formuły. Kekule zasugerował tę podwójną połączenia nie są zabezpieczone w benzenie i przez cały czas poruszający.

Spór wokół teorii struktury benzenu zatrzymał się zaledwie kilkadziesiąt lat temu. Jakie są współczesne pomysły na temat elektroniczny struktura benzen?

Niemiecki chemik E. Hückel zastosował teorię mechaniki kwantowej do związków aromatycznych i wykazał, że każdy atom węgla znajduje się w stanie zhybrydyzowanym SP². Co to znaczy?

Klasa(uczeń przy tablicy).

Z czterech elektronów każdego węgla, jeden S i dwa elektrony P tworzą trzy całkowicie identyczne SP² – orbitale hybrydowe, które leżą w tej samej płaszczyźnie pod kątem 120° względem siebie. Dwa z tych orbitali nakładają się na te same orbitale dwóch sąsiednich węgli, a jeden tworzy się z atomem wodoru.

Wszystkie te elektrony powstają rdzeń elektronowy benzenu.

Powyżej i poniżej znajduje się każdy atom węgla tom ósmy P – elektron.

Wyobraźmy sobie teraz, że w pierścieniu benzenowym znajduje się osiem elektronów P parami zachodzą na siebie „boki” te. tworzą trzy wiązania podwójne. Jest to elektroniczny model benzenu, opisany na papierze wzorem Kekule’a. (pokaż model z kulką i kijem).

Jeśli wzór Kekule'a jest poprawny, to dystans w cząsteczce benzenu pomiędzy dwoma sąsiednimi atomami węgla muszą być różne: 0,154 nm pomiędzy atomami, których chmury p nie zachodzą na siebie i 0,133 nm pomiędzy związanymi węglami P– komunikacja.

Ale badania nad benzenem metodami fizycznymi wykazało, że wszystkie odległości w cząsteczce są ściśle identyczne, a długość wiązania C – C jest równa 0,140 nm, te. średnia wartość między długościami wiązań pojedynczych i podwójnych. Logiczne jest założenie, że każdy osiem elektronów jest orbitalem pokrywają się równomiernie i jednocześnie z tymi samymi ósemkami dwóch sąsiadów.

Kiedy zostaną rzutowane na płaszczyznę cząsteczki, pojawią się chmury elektronów nakładające się okręgi(pokaż w tabeli). Cząsteczka nie tworzy trzech oddzielnych P- połączenia i zjednoczony P– układ elektroniczny sześciu elektronów wspólnych dla wszystkich atomów węgla. Pod wpływem tego wspólnego dla cząsteczki P- chmura elektroniczna i odległość ulegnie skróceniu pomiędzy atomami węgla 0,154 do 0,140 nm.

Skalowany (objętościowy) model cząsteczki benzenu przedstawiono w tabeli (pokaż). Ponieważ gęstość elektronów rozkłada się równomiernie w cząsteczce, wszystkie wiązania między atomami C okazują się dokładnie takie same.

Zatem chemicznie komunikacja w benzenie, nie pojedynczym czy podwójnym, ale jak to mówią półtora, charakter pośredni. Połączenia te nazywane są również aromatyczny, Oni silniejszy P– połączenia(dlatego woda bromowa nie ulega odbarwieniu – nie dodaje się atomów bromu).

Aby pokazać równomierność dystrybucji energii elektrycznej. Gęstość cząsteczki benzenu, jej wzór strukturalny jest często przedstawiana jako sześciokąt z okręgiem wewnątrz:

Ta struktura nazywa się benzen Lub rdzeń aromatyczny. Nazywa się to węglowodorami w składzie cząsteczek zawierających pierścień aromatyczny węglowodory aromatyczne.

W rzeczywistości ta struktura cząsteczki benzenu zawiera cechy strukturalne zarówno pierwszej, jak i drugiej struktury i stanowi jakościowo nowy układ. Zróbmy analogię w oparciu o twoją wiedzę biologiczną: hybryda konia i osła - muł. Muł zawiera cechy zarówno konia, jak i osła, ale jest zupełnie nowym zwierzęciem o charakterystycznych dla niego cechach. I dlatego, jeśli chcemy opisać to zwierzę osobie, która nigdy nie widziała muła, możemy porozmawiać o koniu, o ośle, a potem powiedzieć: muł to coś pomiędzy.

Ale nawet teraz często nadal używają formuły Kekule, biorąc pod uwagę, że tylko warunkowo przekazuje ona strukturę cząsteczki.

Podsumujmy:(konsolidacja wiedzy)

  1. Jakie węglowodory nazywamy aromatycznymi?
  2. Jaki typ hybrydyzacji jest charakterystyczny dla jądra aromatycznego?
  3. Co to jest pierścień benzenowy?
  4. Jak jest singiel P- połączenie?
  5. Jakie są kąty pomiędzy kierunkami wiązań w pierścieniu aromatycznym?
  6. Jaka jest odległość między atomami węgla?
  7. Jakie wiązania nazywane są aromatycznymi (półtora)?

Lekcja się skończyła! Do widzenia!

Współczesne spojrzenie na strukturę benzenu: płaska cząsteczka, której atomy węgla znajdują się w stanie hybrydyzacji sp 2 i są połączone w regularny sześciokąt.

Zdjęcie cząsteczki benzenu:

Aromatyczność- niezwykle niska energia stanu niewzbudnego spowodowana delokalizacją elektronów π.

Aromatyczność-pojęcie charakteryzujące ogół właściwości strukturalnych, energetycznych i cech reaktywności struktur cyklicznych z układem wiązań sprzężonych

Oznaki aromatyczności Każdy związek jest aromatyczny, jeśli ma: a) płaski zamknięty pierścień; b) sprzężony układ π-elektron, obejmujący wszystkie atomy cyklu; c) jeśli liczba elektronów biorących udział w koniugacji odpowiada wzorowi Hückela (4n+2., gdzie n jest liczbą cykli).

Izomeria

Nomenklatura

orto-, meta- I para- podstawiony:

Właściwości fizyczne

Wszystkie związki aromatyczne mają zapach. Benzen, toluen, ksyleny, etylobenzen,

kumen, styren – ciecze, naftalen, antracen – substancja stała.

26. Węglowodory aromatyczne z grupy benzenów. Nomenklatura. Izomeria. Metody otrzymywania benzenu i jego homologów: ze smoły węglowej, aromatyzacja i dehydrocyklizacja parafin według reakcji Wurtza-Fittiga, alkilowanie Friedela-Craftsa olefinami, halogenkami alkilu, alkoholami, z soli kwasu benzoesowego, trimeryzacja alkinów.

Areny (węglowodory aromatyczne) to związki cykliczne, których cząsteczki zawierają jedno lub więcej jąder benzenu. Wzór empiryczny benzenu C6H6

Izomeria

Di-, tri- i tetra-podstawione węglowodory aromatyczne charakteryzują się izomerią położenia podstawnika i izomerią bocznego łańcucha alkilowego.

Areny mono-, penta- i heksa-podstawione nie mają izomerów związanych z pozycją podstawnika w pierścieniu.

Nomenklatura

Pochodne benzenu nazywane są podstawionymi benzenami. W przypadku wielu z nich stosuje się albo trywialne nazwy, albo podstawnik jest oznaczony przedrostkiem przed słowem „benzen”. W przypadku benzenów monopodstawionych nazwy nie zawierają liczb, ponieważ wszystkie sześć atomów węgla w cząsteczce benzenu jest równoważnych i dla każdego podstawnika możliwy jest tylko jeden monopodstawiony benzen.

Jeśli w cząsteczce benzenu występują dwa podstawniki, wówczas mogą istnieć trzy różne dipodstawione benzeny. Są one odpowiednio nazywane orto-, meta- I para- podstawiony:

Jeżeli benzen ma trzy lub więcej podstawników, wówczas ich położenie w pierścieniu należy wskazać jedynie liczbami. We wszystkich przypadkach nazwy podstawników są wymienione przed słowem „benzen” w kolejności alfabetycznej. Cyfrę 1 w nazwie można pominąć; podstawnik, od którego rozpoczyna się odliczanie, jest w tym przypadku uwzględniony w podstawie nazwy:

Paragon:

1. Przeróbka smoły węglowej, destylacja ropy naftowej, destylacja sucha

drewno

2. Aromatyzacja oleju.

3. Dehydrocyklizacja heksanu i heptanu.

C 6H 14 → C6H6 + 4H 2

C7H16 → C6H5-CH3 + 4H2

4. Wurtz-Fittig:

Alkilowanie Friedela-Craftsa. Przyjęto dwa możliwe mechanizmy reakcji. W pierwszym przypadku cząstką elektrofilową jest karbokation powstający w wyniku oddziaływania haloalkanu z chlorkiem glinu (kwasem Lewisa):

W drugim przypadku można założyć, że elektrofilem jest grupa alkilowa polarnego kompleksu AlCl3 z halogenkiem alkilu.

Alkilowanie benzenu (reakcja Friedela-Craftsa)

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

27.Podstawienie elektrofilowe w szeregu aromatycznym (nitrowanie, sulfonowanie, halogenowanie, alkilowanie i acylowanie Friedela-Craftsa). Pojęcie kompleksów  i . Mechanizm reakcji podstawienia elektrofilowego

INSTRUKCJE METODOLOGICZNE

kurs chemii organicznej

« WĘGLOWODANY AROMATYCZNE»

Rostów nad Donem

Wytyczne w ramach chemii organicznej „Węglowodory aromatyczne”. - Rostów n/a: Rost. państwo buduje. uniw., 2007. - 12 s.

Przedstawiono zasady teoretyczne na temat „Węglowodory aromatyczne”. Podano definicję węglowodorów aromatycznych, a także pojęcie „aromatyczności”. Opisano budowę cząsteczki benzenu. Rozważono nazewnictwo i izomerię związków aromatycznych z jednym pierścieniem benzenowym. Przedstawiono główne metody otrzymywania arenów, fizyczne i fizyczne właściwości chemiczne węglowodory aromatyczne.

Przeznaczony dla studentów I i II roku studiów stacjonarnych i niestacjonarnych formularze korespondencyjne szkolenia specjalności PSM, ZChS, SSP, BTP i AS.

Opracował: Ph.D. chemia nauk ścisłych, profesor nadzwyczajny

M.N. Micka,

Doktorat chemia Nauki, doc.

EA Lewińska

Recenzent: dr hab. chemia nauk ścisłych, profesor nadzwyczajny

L.M. Astachowa

© Państwo Rostów

Uniwersytet Budowlany, 2007

Związki aromatyczne (areny) - związki organiczne o płaskiej strukturze cyklicznej, w których wszystkie atomy węgla tworzą pojedynczy zdelokalizowany układ π-elektronów zawierający (4n+2) π-elektrony.

Do związków aromatycznych zalicza się przede wszystkim benzen C 6 H 6 oraz jego liczne homologi i pochodne. Związki aromatyczne mogą zawierać jeden lub więcej pierścieni benzenowych w cząsteczce (wielopierścieniowe związki aromatyczne). Ale przyjrzymy się związkom aromatycznym z jednym pierścieniem benzenowym.

Struktura cząsteczki benzenu

Benzen odkrył M. Faradaya w 1825 roku w gazie oświetlającym (koksowniczym), a strukturę cząsteczki benzenu najczęściej wyraża wzór zaproponowany przez niemieckiego chemika A. Kekule (1865)

Według współczesnych koncepcji cząsteczka benzenu ma budowę płaskiego sześciokąta, którego boki są sobie równe i wynoszą 0,14 nm. Odległość ta jest średnią wartością pomiędzy 0,154 nm (długość pojedynczego wiązania) a 0,134 nm (długość podwójnego wiązania). Nie tylko atomy węgla, ale także sześć związanych z nimi atomów wodoru leży w tej samej płaszczyźnie. Powstały kąty Połączenia N-S-S i C-C-C są równe 120°:

Wszystkie atomy węgla w cząsteczce benzenu są w stanie hybrydyzacji sp2. Każdy z nich jest połączony swoimi trzema orbitalami hybrydowymi z dwoma takimi samymi orbitalami dwóch sąsiednich atomów węgla i jednym orbitalem atomu H, tworząc trzy wiązania σ (patrz rysunek). Czwarty, niezhybrydyzowany orbital 2p atomu węgla, którego oś jest prostopadła do płaszczyzny pierścienia benzenowego, pokrywa się z podobnymi orbitalami dwóch sąsiednich atomów węgla, znajdujących się po prawej i lewej stronie.


Schemat powstawania wiązań σ i π w cząsteczce benzenu

To nakładanie się zachodzi powyżej i poniżej płaszczyzny pierścienia benzenowego. W rezultacie powstaje pojedynczy zamknięty układ elektronów π. W wyniku takiego równomiernego nakładania się orbitali 2p wszystkich sześciu atomów węgla „wyrównanie” prostych i wiązania podwójne, tj. W pierścieniu benzenowym brakuje klasycznych wiązań podwójnych i pojedynczych. Równomierny rozkład gęstości π-elektronów pomiędzy wszystkimi atomami węgla, wynikający z delokalizacji π-elektronów, jest powodem dużej stabilności cząsteczki benzenu. Obecnie nie ma jednego sposobu obraz graficzny cząsteczki benzenu z uwzględnieniem jego rzeczywistych właściwości. Aby jednak podkreślić jednorodność gęstości elektronów π w cząsteczce benzenu, uciekają się do następujących wzorów:

Należy jednak pamiętać, że żaden z tych wzorów nie odpowiada faktycznemu stanowi fizycznemu cząsteczki, a tym bardziej nie jest w stanie odzwierciedlić całej różnorodności jej właściwości. Wzór Kekule’a jest obecnie jedynie symbolem cząsteczki benzenu. Jest on jednak szeroko stosowany, pamiętając o jego wadach.

Związki aromatyczne to takie, których cząsteczki zawierają cykliczną grupę atomów o specjalnym wzorze wiązania - pierścień benzenowy. Międzynarodowa nazwa węglowodorów aromatycznych to areny.

Najprostszym przedstawicielem arenów jest benzen C 6 H 6 . Wzór odzwierciedlający budowę cząsteczki benzenu po raz pierwszy zaproponował niemiecki chemik Kekule (1865):

Atomy węgla w cząsteczce benzenu tworzą regularny płaski sześciokąt, chociaż zwykle jest on rysowany jako wydłużony.

Ostatecznie strukturę cząsteczki benzenu potwierdzono w wyniku reakcji jej powstania z acetylenu. Wzór strukturalny przedstawia trzy pojedyncze i trzy podwójne naprzemienne wiązania węgiel-węgiel. Ale taki obraz nie oddaje prawdziwej struktury cząsteczki. W rzeczywistości wiązania węgiel-węgiel w benzenie są równoważne i mają właściwości inne niż wiązania pojedyncze lub podwójne. Cechy te tłumaczy się elektronową strukturą cząsteczki benzenu.

Budowa elektronowa benzenu.
Każdy atom węgla w cząsteczce benzenu znajduje się w stanie hybrydyzacji sp2. Jest połączony z dwoma sąsiednimi atomami węgla i atomem wodoru trzema wiązaniami σ. Rezultatem jest płaski sześciokąt: wszystkie sześć atomów węgla i wszystkie σ - Połączenia SS i C-H leżą w tej samej płaszczyźnie. Chmura elektronów czwartego elektronu (p-elektronu), który nie bierze udziału w hybrydyzacji, ma kształt hantla i jest zorientowany prostopadle do płaszczyzny pierścienia benzenowego. Takie chmury p-elektronów sąsiadujących atomów węgla nakładają się na siebie powyżej i poniżej płaszczyzny pierścieni . W rezultacie sześć p-elektronów tworzy wspólną chmurę elektronów i jedną wiązanie chemiczne dla wszystkich atomów węgla. Dwa obszary dużej płaszczyzny elektronów znajdują się po obu stronach płaszczyzny wiązania σ ./>/>

P-Chmura elektronów powoduje zmniejszenie odległości między atomami węgla. W cząsteczce benzenu są one takie same i równe 0,14 nm. W przypadku wiązania pojedynczego i podwójnego odległości te będą wynosić odpowiednio 0,154 i 0,134 nm. Oznacza to, że w cząsteczce benzenu nie ma wiązań pojedynczych ani podwójnych. Cząsteczka benzenu jest stabilnym sześcioczłonowym cyklem identycznych grup CH leżących w tej samej płaszczyźnie. Wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla w benzenie są równoważne, co decyduje o charakterystycznych właściwościach pierścienia benzenowego. To najdokładniej odzwierciedla wzór strukturalny benzen w kształcie sześciokąta foremnego z okręgiem w środku ( I ). (Krąg symbolizuje równoważność wiązań pomiędzy atomami węgla.) Jednakże często stosuje się wzór Kekule’a wskazujący wiązania podwójne ( II

Węglowodory aromatyczne (Areny) to związki organiczne, których cząsteczki zawierają jeden lub więcej pierścieni benzenowych. Pierścień benzenowy, czyli rdzeń, jest cykliczną grupą atomów węgla o szczególnym charakterze wiązań.

Ogólna formuła-CnH2n-6

1. Przedstawiciele:

JEDNOJĄDROWE

1. C 6 H 6 – benzen, założyciel homologicznego szeregu arenów


2. C 6 H 5 – CH 3 – toluen (metylobenzen)


3. do 6 godz. 5 – CH = do godz. 2 – styren (winylobenzen)

4. Ksylen (orto-, para-, meta-ksylen)

WIELOKORZENIOWE (SKONSTRONE)

1. Naftalen


2. Antracen

2. Struktura węglowodorów aromatycznych :

Pierwszy wzór strukturalny benzenu zaproponował w 1865 roku niemiecki chemik F.A. Kekule:

Atomy C w cząsteczce benzenu tworzą regularny płaski sześciokąt, chociaż często jest on rysowany jako wydłużony.

Powyższy wzór poprawnie odzwierciedla równoważność sześciu atomów C, ale nie wyjaśnia szeregu specjalnych właściwości benzenu. Przykładowo, mimo że jest nienasycony, nie wykazuje tendencji do poddawania się reakcjom addycji: nie odbarwia wody bromowej i roztworu nadmanganianu potasu tj. nie charakteryzuje się reakcjami jakościowymi typowymi dla związków nienasyconych .

Wzór strukturalny Kekulé zawiera trzy pojedyncze i trzy podwójne naprzemienne wiązania węgiel-węgiel. Ale taki obraz nie oddaje prawdziwej struktury cząsteczki. W rzeczywistości wiązania węgiel-węgiel w benzenie są równoważne. Wyjaśnia to elektronowa struktura jego cząsteczki.

Każdy atom C w cząsteczce benzenu jest w stanie hybrydyzacji sp2. Jest związany z dwoma sąsiednimi atomami C, a atom H z trzema σ - połączenia. Rezultatem jest płaski sześciokąt, w którym znajdują się wszystkie sześć atomów Cσ Wiązania -C–C i C–H leżą w tej samej płaszczyźnie (kąt między wiązaniami C–C wynosi 120 o).

Ryż. Schemat edukacji -wiązania w cząsteczce benzenu.

Trzeci p-orbital atomu węgla nie uczestniczy w hybrydyzacji. Ma kształt hantli i jest zorientowany prostopadle do płaszczyzny pierścienia benzenowego. Takie orbitale p sąsiadujących atomów C zachodzą na siebie powyżej i poniżej płaszczyzny pierścienia.

Ryż. Niehybrydowe orbitale węglowe 2p w cząsteczce benzenu

W rezultacie sześć p-elektronów (ze wszystkich sześciu atomów C) tworzy wspólny π -chmura elektronów i pojedyncze wiązanie chemiczne dla wszystkich atomów C.

Ryż. Cząsteczka benzenu. Lokalizacja π -chmura elektronów

π -Chmura elektronów powoduje zmniejszenie odległości pomiędzy atomami C.

W cząsteczce benzenu są one takie same i równe 0,139 nm. W przypadku wiązania pojedynczego i podwójnego odległości te będą wynosić odpowiednio 0,154 i 0,134 nm. Oznacza to, że w cząsteczce benzenu nie ma naprzemienności wiązań pojedynczych i podwójnych, ale istnieje specjalne wiązanie - „półtora” - pośrednie między prostym a podwójnym, tak zwane wiązanie aromatyczne. Aby pokazać równomierny rozkład chmury p-elektronów w cząsteczce benzenu, bardziej poprawne jest przedstawienie jej w postaci foremnego sześciokąta z okręgiem w środku (okrąg symbolizuje równoważność wiązań między atomami C):


3. Izomeria, nazewnictwo

Izomeria wynika z izomerii szkieletu węglowego istniejących rodników i ich względnego położenia w pierścieniu benzenowym. Pozycję dwóch podstawników wskazuje się za pomocą przedrostków: orto- (o-), jeśli są one zlokalizowane przy sąsiednich atomach węgla (pozycje 1, 2-), meta- (m-) dla oddzielonych jednym atomem węgla (1, 3-) i para- (n-) dla osób naprzeciw siebie (1, 4-).

Na przykład dla dimetylobenzenu (ksylenu):

orto-ksylen (1,2-dimetylobenzen)


meta-ksylen (1,3-dimetylobenzen)

para-ksylen (1,4-dimetylobenzen)

Rodniki węglowodorów aromatycznych nazywane są rodniki arylowe . Rodnik C 6 H 5 - tzw fenyl.