Циклические углеводороды. 
Химия

Вращение тетраэдрических фрагментов —СН₂— относительно друг друга может привести к тому, что молекула сворачивается в кольцо, которое может быть замкнуто. Циклы могут состоять только из групп —СН₂—, тогда это циклоалканы, включать двойную или тройную связь — циклоалкены и циклоалкины. При замыкании цикла теряется два атома водорода, поэтому общая формула циклоалканов C_wH_2w, т. е. они изомерны алкенам, а циклоалкены — алкинам.

Углы между С—С связями в w-алканах составляют 109°28', и понятно, что в циклических структурах углы не должны сильно отличаться от этого значения. Ближе всего к этому значению они в пятии шестичленных циклах, поэтому такие структуры наиболее распространены, например циклогексан С₆Н₁₂ является одним из наиболее часто используемых инертных растворителей (см. параграф 7.3). В трехи четырехчленных циклах углы существенно меньше, такие молекулы излишне напряжены, поэтому при многих реакциях циклы раскрываются, переходя в линейные структуры. Начиная с циклогексана, циклы становятся неплоскими, и это снимает напряжение структур.

Химические свойства циклических углеводородов с пятью и более атомами в цикле подобны свойствам соответствующих нормальных углеводородов, причем многие реакции идут без разрыва цикла. Например:

В многочленных циклах может находиться несколько двойных или тройных или и тех и других связей.

Ароматические углеводороды

Название «ароматические» дано этим углеводородам потому, что многие из них имеют характерный запах, и еще потому, что выделяли их первоначально из пахучих веществ. В простейших — незамещенных — ароматических углеводородах все атомы углерода находятся в состоянии 5/?²-гибридизации и образуют плоскую систему ст-связей, а не участвующие в гибридизации /?-орбитали и находящиеся на них электроны образуют систему л-связей, расположенную по обе стороны от плоскости. Такая совокупность связей реализуется в графите (см. рис. 24.1), и ароматические углеводороды представляют собой как бы «кусочки» графитной сетки, в которых разорванные связи соединены с атомами водорода. Простейшим представителем ароматических углеводородов является 1,3,5-циклогексен или, как его обычно называют, бензол.

Строение бензола, простейшая формула которого СЫ, а молекулярная С₆Н_б, долгое время оставалось загадкой для химиков. Химические свойства бензола свидетельствуют о том, что при явной ненасыщенное™ связей он не склонен к реакциям присоединения, группировка из шести атомов углерода в реакциях обычно сохраняется, и все атомы углерода в ней равноценны. Первым удовлетворительную структуру молекулы бензола предложил А. Кекуле. Он представил ее как циклическую систему с чередующимися одинарными и двойными связями:

В настоящее время многими методами доказано, что все связи в бензольном кольце совершенно одинаковы, а система л-связей охватывает все кольцо.

Молекулу бензола изображают либо как шестиугольник с группами СН в вершинах и чередующимися одинарными и двойными связями, либо л-систему обозначают кружком, либо, чаще всего, изображают кольцо и указывают только заместители.

Помимо бензола существуют многоядерные ароматические углеводороды, например:

Замещение одного или нескольких атомов водорода в бензольном кольце на другие углеводородные радикалы приводит к образованию многочисленных соединений ароматического ряда. Радикал бензола С_Г)Н₅— называется фенил:

Ароматические углеводороды выделяют из летучих продуктов, получающихся при коксовании каменного угля. В промышленности их получают при каталитическом риформинге легких фракций нефти.

Многие алканы при каталитическом дегидрировании под давлением и при нагревании превращаются в ароматические углеводороды:

В этой реакции и-октан превращается, в частности, в диметилбензол С₆Н₄(СН₃)₂ или ксилол. Два заместителя в бензольном ядре могут расположиться тремя способами: рядом, у соседних атомов углерода, через один атом или через два, напротив друг друга. Поэтому дизамещенные бензола существуют в трех изомерных формах, в нашем примере: 1,2-диметилбензол или орто-ксилол (о-ксилол), 1,3-диметилбензол или мета-ксилол (м-ксилол), 1,4-диметилбензол или пара-ксилол (я-ксилол).

Бензол, его гомологи, другие ароматические углеводороды широко используются при синтезе лекарств, красителей, пахучих и взрывчатых веществ.

Бензол — бесцветная жидкость, кристаллизующаяся при 5,5°С и кипящая при 80 °C. Бензол огнеопасен и токсичен — это сильный канцероген, вызывающий лейкемию. На воздухе он легко загорается и горит сильно коптящим пламенем.

Химические свойства ароматических углеводородов связаны с повышенной устойчивостью бензольного кольца. Ароматические углеводороды больше склонны к реакциям замещения, чем к реакциям присоединения. Например, бензол не обесцвечивает бромную воду. В отличие от типично непредельных структур бензольное кольцо гораздо более устойчиво к окислению — на холоду бензол не окисляется раствором перманганата калия.

При небольшом нагревании и в присутствии катализатора — тригалогенида железа — жидкий бензол легко реагирует с хлором и бромом:

При действии на бензол смеси азотной и серной кислот происходит нитрование — замещение атома водорода нитрогрупной (—N0₂) с образованием нитробензола:

В целом, по своей реакционной способности ароматические углеводороды занимают промежуточное положение между алканами и алкенами.

Таким образом, всего два элемента — углерод и водород — образуют громадное количество соединений — углеводородов, каждое из которых может быть родоначальником большого числа производных, получаемых заменой атомов водорода на другие функциональные группы.

Наиболее важные функциональные группы и соответствующие им классы соединений приведены в табл. 31.2.

Приведенные классы, конечно, не исчерпывают всего многообразия органических соединений.

Таблица 31.2

Важнейшие функциональные группы и соответствующие им классы соединений.

Класс.	Функциональная группа.	Примеры.
Углеводороды.
Галогенопроизводные.
Спирты.
Простые эфиры.
Альдегиды.
Кетоны.
Карбоновые кислоты.
Сложные эфиры.
Амины.
Нитросоединения.

Резюме

У элемента № 6 число электронов строго равно числу валентных АО. Необходимо разбираться в тех следствиях, которые из этого проистекают, ибо они определяют разнообразие соединений углерода. Очень важно, что изображаемая в книге в строчку углеродная цепь на самом деле не линейна. Формально большинство органических соединений можно представить как результат замены атома (или нескольких атомов) водорода в углеводороде на различные функциональные группы. Вам придется запомнить названия углеводородов и функциональных групп и понять, как получаются изомеры, иначе следующие главы будут вам непонятны и неинтересны.

Практикум

Вопросы для самоконтроля

• 1. В чем состоит основное различие химических свойств алканов и алкенов?
• 2. Углеродный скелет циклогексана плоский или нет?
• 3. Перечислите особенности связей, которые определяют возможность полимеризации диенов.

Аналитические задания

• 1. Выберите соединения, являющиеся гомологами: пентан, гексан, метан, циклогексан, этан.
• 2. Объясните, почему бензол, являясь ненасыщенным соединением, не склонен к реакциям присоединения.

Задачи для самостоятельного решения

• 1. Изобразите структурные формулы всех изомеров для каждого из углеводородов, содержащих пять атомов углерода: алкана, алкена, алкина, диена, циклоалкана, циклоалкена, циклоалкина. Назовите все эти изомеры.
• 2. Определите тип атомов углерода (первичный, вторичный и т. д.) в молекуле 2,2,4-триметил пентана.
• 3. Изобразите формулу о-диметилбензола.
• 4. Изобразите структурные формулы всех ароматических углеводородов состава С₉Н₁₂. Приведите их названия.