Арены: бензол и его гомологи

Что такое арены

Арены (ароматические углеводороды) — это циклические углеводороды, в молекулах которых есть особая устойчивая система сопряжённых связей — ароматическое кольцо. Родоначальник ряда — бензол C6H6. Общая формула гомологического ряда бензола — CnH2n-6. Слово ароматические возникло исторически: первые изученные вещества этого ряда имели приятный запах.

Строение бензола

Все шесть атомов углерода в бензоле находятся в состоянии sp2-гибридизации и лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник с углами 120 градусов. У каждого атома углерода остаётся один негибридный p-электрон. Шесть таких электронов образуют единое кольцевое электронное облако над и под плоскостью кольца. Поэтому все связи углерод-углерод в бензоле одинаковы — это не чередующиеся одинарные и двойные, а промежуточные по длине (около 0,140 нм). Такое равномерное распределение электронной плотности и есть причина особой устойчивости ароматической системы.

Химические свойства

Из-за устойчивости ароматической системы для бензола характернее реакции замещения, а не присоединения — кольцо стремится сохраниться:

• галогенирование (катализатор — хлорид железа): C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl;
• нитрование смесью азотной и серной кислот: C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O;
• алкилирование с образованием гомологов бензола.

Реакции присоединения идут только в жёстких условиях, при этом ароматическая система разрушается:

• гидрирование: C6H6 + 3H2 → C6H12 (циклогексан), катализатор — никель;
• присоединение хлора на ярком свету: C6H6 + 3Cl2 → C6H6Cl6.

Бензол горит сильно коптящим пламенем, что объясняется большим содержанием углерода в молекуле.

Гомологи бензола

Важнейший гомолог — толуол (метилбензол) C6H5-CH3. Метильная группа и кольцо влияют друг на друга: метильная группа облегчает реакции замещения в кольце и направляет новые заместители в определённые положения (орто- и пара-). Толуол окисляется раствором перманганата калия до бензойной кислоты, тогда как сам бензол к окислению устойчив.

Частые ошибки. Бензол не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия — это отличает его от непредельных углеводородов. А вот толуол перманганат обесцвечивает за счёт окисления именно боковой метильной группы, а не самого кольца.

Кратко о главном

• Арены содержат ароматическое кольцо; бензол — C6H6, ряд CnH2n-6.
• Все связи в кольце одинаковы благодаря единому электронному облаку.
• Для бензола характерны реакции замещения (галогенирование, нитрование).
• Присоединение идёт лишь в жёстких условиях с разрушением кольца.
• Толуол окисляется до бензойной кислоты, бензол к окислению устойчив.