ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина III . ОРГАНІЧНА ХІМІЯ

Розділ 16. ВУГЛЕВОДНІ

§ 16.11. Ароматичні вуглеводні (арени)

Ароматичними називаються сполуки, в молекулах яких міститься циклічна група атомів з особливим характером зв’язку — ядро бензолу. Міжнародна назва ароматичних вуглеводнів — арени.

Найпростішим представником аренів є бензол С₆Н₆. Формулу, яка відбиває будову молекули бензолу, вперше запропонував німецький хімік Ф. Кекуле (1865):

Атоми карбону у молекулі бензолу утворюють правильний плоский шестикутник, хоч звичайно його зображують витягнутим.

Остаточно будову молекули бензолу підтверджено реакцією утворення його з ацетилену (див. § 16.12). У структурній формулі зображують по три одинарних і по три подвійних карбон-карбонових зв’язки, які чергуються.

Рис. 16.1. Схема утворення σ-зв’язків у молекулі бензолу

Але таке зображення не передає справжньої будови молекули. Насправді карбон-карбонові зв’язки у бензолу рівноцінні і мають властивості, не схожі на властивості ні одинарних, ні подвійних зв’язків. Ці особливості пояснюються електронною будовою молекули бензолу.

Електронна будова бензолу. Кожний атом карбону в молекулі бензолу перебуває у стані зр²-гібридизації (див. § 3.2). Він зв’язаний з двома сусідніми атомами карбону і атомом гідрогену трьома σ-зв’язками. Внаслідок цього утворюється плоский шестикутник: усі шість атомів карбону і всі σ-зв’язки С—С і С—Н лежать в одній площині (рис. 16.1). Електронна хмара четвертого електрона (р-електрона), який не бере участі в гібридизації, має форму гантелі і орієнтована перпендикулярно до площини бензольного кільця. Такі р-електронні хмари сусідніх атомів перекриваються над і під площиною кільця (рис. 16.2). У результаті цього шість р-електронів утворюють спільну електронну хмару і єдиний хімічний зв’язок для всіх атомів карбону. Дві області великої електронної густини розміщено по обидва боки від площини σ-зв’язків (рис. 16.3).

-Електронна хмара зумовлює скорочення відстаней між атомами карбону. У молекулі бензолу вони однакові й дорівнюють 0,14 нм. Для простого і подвійного зв’язків ці відстані становили б відповідно 0,154 і 0,134 нм. Отже, у молекулі бензолу немає простих і подвійних зв’язків.

Молекула бензолу — стійкий шестичленний цикл з однакових СН—груп, які лежать в одній площині. Всі зв’язки між

Рис. 16.2. Схема утворення -зв’язків у молекулі бензолу

Рис. 16.3. σ- і -зв’язки у молекулі бензолу

атомами карбону у бензолі рівноцінні, чим і зумовлюються характерні властивості бензольного ядра. Найточніше це відбиває структурна формула бензолу у вигляді правильного шестикутника з колом всередині (l) (коло символізує рівноцінність зв’язків між атомами карбону). Однак часто користуються і формулою Кекуле із зазначенням подвійних зв’язків (II):

Гомологічний ряд бензолу. Гомологічний ряд бензолу має загальну формулу С_nH2_n -6. Гомологи можна розглядати як похідні бензолу, в якому один або кілька атомів гідрогену заміщені різними вуглеводневими радикалами. Наприклад, С₆Н₅—СН₃ — метилбензол, або толуол, С₆Н₄(СН₃)₂ — диметилбензол, або ксилол, С₆Н₅—С₂Н₅ — етилбензол тощо. Оскільки у бензолу всі атоми карбону рівноцінні, то у першого його гомолога — толуолу — ізомерів немає. У другого гомолога — диметилбензолу — є три ізомери, які відрізняються взаємним розміщенням метильних груп (замісників). Це ор/по-(скорочено о-), або 1,2-ізомер, у якому замісники розташовані біля сусідніх атомів карбону. Якщо замісники розділені одним атомом карбону, це мета- (скорочено м-), або 1,3- ізомер, а якщо вони розділені двома атомами карбону, то це пара- (скорочено n -), або 1,4-ізомер. У назвах замісники позначаються буквами (о-, м-, n -) або цифрами. Наприклад:

Стирол. При заміщенні у молекулі бензолу одного атома гідрогену на радикал вініл утворюється вінілбензол, або стирол С₆Н₅—СН=СН₂.

Стирол — безбарвна рідина з приємним запахом, легша за воду, кипить при 145 °С. Зберігає властивості ненасичених вуглеводнів: знебарвлює бромну воду і розчин перманганату калію (реакції проходять за рахунок подвійного зв’язку у вінільному радикалі).

Стирол дуже легко полімеризується, утворюючи полістирол (див. § 16.7). Особливо цінна його здатність до сумісної полімеризації з бутадієном, в результаті якої добувають різні сорти бутадієнстирольних каучуків (жаро-, морозо- і зносостійкі, високоеластичні, маслостійкі). З них виготовляють шини, стрічки для конвеєрів, ескалаторів, полегшену мікропористу підошву та ін.