Ароматические углеводороды ряда бензола

Первый представитель ароматических углеводородов — бензол — имеет состав C6H6. Это вещество было открыто М. Фарадеем в 1825 г. в жидкости, образующейся при сжатии или охлаждении т.н. светильного газа, который получается при сухой перегонке каменного угля. Впоследствии бензол обнаружили (А. Гофман, 1845 г.) в другом продукте сухой перегонки каменного угля — в каменноугольной смоле. Он оказался весьма ценным веществом и нашел широкое применение. Затем было установлено, что очень многие органические соединения являются производными бензола.

Строение бензола.

Долгое время оставался неясным вопрос о химической природе и о строении бензола. Казалось бы, что он представляет собой сильно непредельное соединение. Ведь его состав C6H6 по соотношению атомов углерода и водорода отвечает формуле CnH2n-6, тогда как соответствующий по числу углеродных атомов предельный углеводород гексан имеет состав C6H14 и отвечает формуле CnH2n+2. Однако бензол не дает характерных для непредельных соединений реакций; он, например, не обеспечивает бромной воды и раствора KMnO4, т. е. в обычных условиях не склонен к реакциям присоединения, не окисляется. Напротив, бензол в присутствии катализаторов вступает в характерные для предельных углеводородов реакции замещения, например, с галогенами:

C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl.

Выяснилось все же, что в определенных условиях бензол может вступать и в реакции присоединения. Там, в присутствии катализаторов он гидрируется, присоединяя 6 атомов водорода:

C6H6 + 3H2 C6H12.

Под действием света бензол медленно присоединяет 6 атомов галогена:

C6H6 + 3Cl2 C6H6Cl6.

Возможны и некоторые другие реакции присоединения, но все они протекают с трудом, во много раз менее активно, чем присоединение к двойным связям в веществах с открытой целью или в алициклических соединениях.

Далее, было установлено, что однозамещенные производные бензола C6H5X не имеют изомеров. Это показало, что все водородные и все углеродные атомы в его молекуле по своему положению равноценны, что также долго не находило объяснения.

Впервые формулу строения бензола предложил в 1865 г. немецкий химик Август Кекуле. Он высказал предложение, что 6 углеродных атомов в бензоле образуют цикл, соединяясь друг с другом чередующимися простыми и двойными связями, и, кроме того, каждый из них соединен с одним атомом водорода.

К этому выводу Кекуле пришел на том основании, что если бы положение двойных связей в бензольном было зафиксировано, то его двухзамещенные производные C6H4X2 с заместителями при соседних углеродах должны были бы существовать в виде изомеров по положению простых и двойных связей.

В одном (III) атомы углерода, при которых расположены заместители X, были бы соединены двойной связью, в другом (IV) — простой. Однако все попытки получить такие изомеры не увенчались успехом. С точки зрения же представлений об осцилляции связей эти изомеры не могут существовать, т. е. формулы III и IV выражают строение одного и того же вещества, для которого возможны две взаимно переходящие фазы состояния молекулы.

Формула Кекуле получила широкое распространение. Она согласуется с представлениями о четырехвалентности углерода, объясняет равноценность водородных атомов в бензоле. Наличие в последнем шестичленного цикла доказано; в частности, оно подтверждено тем, что при гидрировании бензол образует циклогексан, в свою очередь циклогексан путем дегидрирования превращается в бензол.

Однако формула Кекуле имеет существенные недостатки. Допуская, что в бензоле имеются три двойных связи, она не может объяснить, почему бензол в таком случае с трудом вступает в реакции присоединения, устойчив к действию окислителей, т. е. не проявляет свойств непредельных соединений.

Исследование бензола с применением новейших методов указывает на то, что в его молекуле между углеродными атомами нет ни обычных простых, ни обычных двойных связей. Например, изучение ароматических соединений при помощи лучей Рентгена показало, что 6 атомов углерода в бензоле, образующие цикл, лежат в одной плоскости в вершинах правильного шестиугольника и центры их находятся на равных расстояниях друг от друга, составляющих 1,40 А. Эти расстояния меньше, чем расстояния между центрами углеродных атомов, соединенных простой связью (1,54 А), и больше, чем м. соединенными двойной связью (1,34 А). Таким образом, в бензоле углеродные атомы соединены при помощи особых, равноценных между собой связей, которые были названы ароматическими связями. По природе своей они отличаются от двойных и простых связей; наличие их и обуславливает характерные свойства бензола. С точки зрения современных электронных представлений природу ароматических связей объясняют следующим образом.

Как уже было указано ранее, простая связь между атомами углерода осуществляется одной парой, а двойная — двумя парами обобщенных электронов. Одна из электронных пар двойной связи находится в таком же состоянии, как пара электронов, осуществляющая простую связь (-связь). Вторая же электронная пара осуществляет связь особого характера (р-связь). В соответствии с формулой Кекуле в бензоле должны быть три р-связи. На самом же деле в бензоле нет обычных пар р-электронов фиксированных между двумя определенными С-атомами, как это изображает схема I. В шестичленном цикле бензола все простые связи С-С и С-Н (-связи) лежат в одной плоскости. Облака р-электронов всех С-атомов, имеющие форму объемных восьмерок, направлены перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Каждое из таких облаков перекрывается облаками двух соседних углеродных атомов.

Гомологи бензола, так же как и другие соединения, в которых наряду с бензольным ядром имеются ацикличические группировки (группировки жирного ряда), иногда называют жирноароматическими соединениями.

Число ароматических соединений, содержащих ядра бензола, очень велико, и они находят большое и разнообразное применение. Основой их являются ароматические углеводороды, среди которых различают: а) ароматические углеводороды ряда бензола, содержащие одно бензольное ядро (одноядерные), и б) многоядерные ароматические углеводороды, содержащие два и более бензольных ядер. Среди них различают: а) ароматические углеводороды с конденсированными бензольными ядрами; в них два или несколько ядер имеют общие углеродные атомы; б) ароматические углеводороды с неконденсированными бензольными ядрами, в которых каждое ядро изолировано, т. е. не имеет общих с другими ядрами углеродных атомов.

Все остальные одноядерные и многоядерные ароматические соединения являются замещенными производными соответствующих ароматических углеводородов.

В названиях гомологов бензола указывают наименования заместителей, соединенных с бензольным ядром, и, если требуется, их число. Простейшим в этом ряду является метилбензол С6Н5 -СН3; за ним следует этилбензол С6Н5-СН2-СН3.

В ряду ароматических углеводородов часто применяют тривиальные названия, например, метилбензол иначе называют толуолом.

По международной номенклатуре (правила ИЮПАК) все ароматические углеводороды объединяют названием — арены. Соответственно, их одновалентные остатки, образованные отнятием водорода от углеродных атомов ядра (одновалентные ароматические радикалы), называют арилами и обозначают — Ar. Остаток бензола — С6Н5 называется фенилом, строение его можно обозначить символом Ациклические (жирные) остатки, соединенные с бензольным ядром, называют боковыми цепями.

Этилбензолу изомерны двухзамещенные гомологи бензола, содержащие в соединении с ароматическим ядром два метильных остатка (заместителя) С6Н5(СН3)2. Они называются диметилбензолами или ксилолами.