Хімія - Золота колекція рефератів - 2018

РОЗВИТОК УЯВЛЕНЬ ПРО АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИ

ПЕРШІ ВІДОМОСТІ ПРО АРОМАТИЧНІ СПОЛУКИ

Нагадаємо, що ароматичні сполуки (або арени) — це речовини, молекули яких містять одну або кілька циклічних груп атомів Карбону з особливим характером зв’язку. Найпростіші представники цього класу (наприклад, бензол) містять 6 атомів Карбону, причому в багатьох реакціях заміщення ці атоми зберігаються.

Назва «ароматичні вуглеводи» пояснюється тим, що перші з них були отримані з ароматних природних речовин. Та й самі вони мають характерні, іноді дуже приємні запахи.

Найпростішим представником класу аренів є бензол С₆Н₆:

Уперше ця сполука була виявлена 1825 р. англійським ученим Майклом Фарадеєм. Одержати бензол у чистому вигляді вдалося Мітчерліху 1833 р. Після того як 1845 р. Гофман виявив бензол у кам’яновугільній смолі й одержав його, в арсеналі хіміків з’явився чудовий спосіб одержання бензолу в великих кількостях. Цей спосіб застосовується для промислового одержання бензолу дотепер.

Фенол (С₆Н₅ОН) — похідне бензолу, виявлений 1834 р. Ф. Ф. Рунге. Склад фенолу був установлений трохи пізніше — 1841 р., хоча спочатку вважали, що це кислота (звідси друга назва фенолу — карболова кислота):

Анілін (C₆H₅NH₂) — найпростіший ароматичний амін:

Анілін був уперше виділений 1826 р., а його будову встановив Гофман 1843 р.

КЕКУЛЕ — РОДОНАЧАЛЬНИК ТЕОРІЇ БУДОВИ АРЕНІВ

Незважаючи нате, що бензол був отриманий ще 1833 р., його будову вдалося встановити тільки 1866 р., тобто через 33 роки. Весь цей час учені вели дослідження, одна за одною народжувалися теорії, але жодна з них не наближала хіміків до істини.

Слід нагадати, що в XIX ст. питання про валентність, тобто про здатність атомів утворювати зв’язки, ще залишалося невирішеним. Та й теорія хімічного зв’язку ще не була розроблена в досконалості. Можна уявити, з якими складностями зіштовхувався вчений, що поставив собі завдання встановити будову сполуки. Він міг використовувати тільки дані аналізу або відомості про реакційну здатність речовини, а ця інформація є далеко не вичерпною. Незважаючи на нестачу знань про властивості атомів і відсутність твердих доказів своїх теорій, німецькому вченому Августові Фрідріху Кекуле вдалося встановити правильну будову бензолу.

Наведемо деякі відомості про життя й діяльність цього видатного вченого. Народився Кекуле 1829 р. у Дармштадті. Його вчителем був знаменитий Лібіх. Кекуле протягом життя активно займався вивченням органічних сполук, результатом чого стала праця під назвою «Підручник органічної хімії», що складається з 3 томів. Кекуле вивчав природу хімічного зв’язку й властивості атомів, що дозволяють цей зв’язок здійснювати. Йому вдалося встановити валентність ряду елементів і будову багатьох органічних сполук. У своєму «Підручнику...» Кекуле розглядає будову й властивості органічних сполук з позиції зроблених ним відкриттів.

Після смерті Кекуле (1896) один з його учнів — видатний хімік Р. Аншюц — спорудив своєму геніальному вчителеві монумент у Бонні й видав двотомну біографічну працю «Август Кекуле. Життя й діяльність».

Одним з найважливіших відкриттів Кекуле вважається встановлена ним формула бензолу. Насправді значення цього відкриття величезне — воно дозволило встановити будову не тільки похідних бензолу, але й сполук із конденсованими циклами (наприклад,

Розроблена Кекуле теорія одержала назву теорії будови аренів; вона має численні підтвердження, і дотепер є базовою теорією в цьому розділі хімії.

Відповідно до автобіографічних записок самого Кекуле, ідея про те, як можуть розташовуватися атоми Карбону в молекулі бензолу, відвідала вченого вві сні. Занурений у напівдрімоту, він спостерігав атоми, що скачуть перед очима, бачив зв’язки, які їх з’єднували. Отримані ланцюжки звивалися й розпрямлялися, поки один з них не замкнувся. Кекуле миттєво опам'ятався — його пронизав здогад. Саме цей сон і підштовхнув ученого до відкриття. Але не слід думати, що досягнення Кекуле далося легко: від початку досліджень цього питання до дня відкриття формули бензолу пройшло майже 30 років.

Займаючись проблемами валентності, Кекуле встановив, що шість чотиривалентних атомів Карбону в молекулі бензолу з’єднані із шістьма атомами Гідрогену. Для того щоб описати структуру молекули бензолу, Кекуле намагався застосувати геометричні фігури. Після тривалих пошуків, відкидаючи одну ідею за іншою, Кекуле зупиняється на правильному шестикутнику, вершинами якого є атоми Карбону.

Як видно з формули, усі атоми в молекулі бензолу рівноцінні. Тому можна з упевненістю сказати, то монозаміщений бензол має тільки одну формулу:

Вважають, що бензол має тільки одну монозаміщену похідну.

Розглянемо двозаміщені похідні бензолу. Якщо одне з положень замісника прийняти за початок відліку й пронумерувати атоми в молекулі відносно нього, то одержимо такі похідні:

Протягом тривалого часу вчені сперечалися, чи є сполуки І і V ідентичними або це ізомери. Справді, у сполуці І заміщені атоми Карбону з’єднані одинарним зв’язком, а в сполуці V — подвійним. Чи можна такі молекули вважати рівноцінними? Щодо сполук II і IV це питання також піднімалося.

Кекуле висловив припущення, що подвійні зв’язки в молекулі бензолу не є фіксованими. Це означає, що в той самий момент часу можливі два положення кратних зв’язків:

Тому формули

є різними формами запису однієї сполуки. Положення 2 і 6 замісника Y щодо замісника X позначаються префіксом орто- (о-):

Положення 3 і 5 замісника Y позначаються префіксом мета-(м-):

Положення 4 замісника Y позначається префіксом пара-(п-):

Таким чином, двозаміщений бензол має 3 ізомери.

Теорія Кекуле знаходила постійні експериментальні підтвердження. Дуже швидко хіміки зрозуміли, яку важливу «зброю» дав їм Кекуле. На основі його теорії можна було не тільки вивчати ароматичні сполуки, але й здійснювати синтез необхідних речовин ароматичного ряду.

ПЕРШІ СИНТЕЗИ АРОМАТИЧНИХ СПОЛУК

Батьком органічного синтезу аренів справедливо вважається Марселен Бертло. Йому належить відкриття способу синтезу найпростішої сполуки цього класу — бензолу.

Вивчаючи властивості ацетилену, Бертло досліджував зміни, яких зазнає ацетилен при нагріванні. Він виявив, що нагрівання ацетилену супроводжується утворенням твердих і рідких вуглеводнів. Одним з компонентів рідкої фази був бензол. Цей синтез був уперше здійснений 1866 р. Цей рік уважається початком хімії синтезу аренів.

Реакція одержання бензолу з ацетилену описується таким рівнянням:

Одним з найважливіших похідних бензолу є нітробензол:

Реакція нітрування ароматичних сполук — це реакція заміщення. Вивченням реакцій цього типу активно займався Мітчерліх. У 1834 р. він розробив загальний спосіб нітрування органічних сполук. На прикладі бензолу реакцію нітрування можна записати в такий спосіб:

Нітробензол — один з найважливіших похідників бензолу. Ця сполука є вихідним реагентом для багатьох синтезів. Зокрема, з нього одержують головний реагент хімії органічних барвників — анілін.

Уперше одержання аніліну з нітробензолу було здійснене 1842 р. російським хіміком М. М. Зініним (сьогодні ця реакція має його ім’я).

Реакція одержання аніліну з нітробензолу полягає у відновленні останнього. Як відновник використовуються цинк, олово, водень. Реакція протікає відповідно до такого рівняння:

ХІМІЯ АРЕНІВ СЬОГОДНІ

Ароматичні вуглеводні сьогодні є незамінними в нашому житті. Вони входять до складу лікарських препаратів і синтетичних волокон, пластмас і пально-мастильних матеріалів. Однак навіть зараз, коли хімічна промисловість, здавалося б, максимально використовує результати досліджень в галузі ароматичних сполук, можна з упевненістю говорити про те, що ми й наполовину не вичерпуємо «потенціал» цих речовин. Нові синтетичні матеріали й продукти харчування, ідентичні до натуральних, досконаліші лікарські препарати й багато чого іншого ще тільки буде одержано у майбутньому, і не останнє місце в цих дослідженнях займуть ароматичні сполуки.