Конспект

YouTubeАрены: химические свойства. Практика [15] Органика С НУЛЯ | Химия для 10 класса и ЕГЭ-2025

Химические свойства аренов

Общая характеристика

  • Общая формула: CₙH₂ₙ₋₆.
  • Основа: Бензольное кольцо с единой π-электронной системой (делокализованные электроны).
  • Строение: Шестичленный цикл с чередующимися (условно) одинарными и двойными связями.
  • Кристаллическая решётка: Молекулярная.

Ключевые тезисы:

  • Арены обладают высокой устойчивостью из-за единой π-электронной системы бензольного кольца.
  • Основные типы реакций: присоединение, замещение и окисление.
  • Характер реакций замещения в бензольном кольце зависит от уже имеющегося заместителя (правила ориентации).
  • Гомологи бензола окисляются по боковой цепи.
  • Фенилалкены (например, стирол) сочетают свойства ароматического кольца и алкенов в боковой цепи.

Реакции присоединения

Для бензола характерны только две реакции присоединения, требующие жёстких условий:

  1. Гидрирование: Бензол + 3H₂ (катализатор: Ni, Pt, Cr₂O₃) → Циклогексан.
  2. Галогенирование (на свету/УФ): Бензол + 3Cl₂ (Br₂) → Гексахлорциклогексан (гексахлоран) или гексабромциклогексан.

Реакции замещения (основные для аренов)

Протекают в присутствии катализаторов (AlCl₃, FeBr₃).

Галогенирование (каталитическое)

Бензол + Hal₂ (кат.) → Галогенбензол + HHal.
Пример: C₆H₆ + Br₂ (FeBr₃) → C₆H₅Br + HBr.

Нитрование

Бензол + HNO₃ (в смеси с H₂SO₄) → Нитробензол + H₂O.
Пример: C₆H₆ + HNO₃(H₂SO₄) → C₆H₅NO₂ + H₂O.

Алкилирование (введение углеводородного заместителя)

Может проводиться тремя способами:

  1. По Фриделю-Крафтсу: Арен + Галогеналкан (кат.) → Гомолог бензола + HHal.
    Пример: C₆H₆ + CH₃Cl (AlCl₃) → C₆H₅CH₃ (толуол) + HCl.
  2. Алкенами: Арен + Алкен (кат. кислота) → Гомолог бензола.
    Пример: C₆H₆ + CH₂=CH₂ (H₃PO₄) → C₆H₅CH₂CH₃ (этилбензол).
  3. Спиртами: Арен + Спирт (кат.) → Гомолог бензола + H₂O.
    Пример: C₆H₆ + CH₃OH (кат.) → C₆H₅CH₃ + H₂O.

Правила ориентации (орто-, мета-, пара-)

Направление второго замещения в кольце зависит от природы уже имеющегося заместителя (X).

Ориентанты I рода (орто-, пара-ориентанты)

Направляют замещение в орто- и пара- положения. Активируют кольцо (облегчают замещение).

  • К ним относятся: –R (алкильные группы: CH₃–, C₂H₅–), –OH, –NH₂, галогены (–Cl, –Br).
  • Особенности:
    • Галогены, будучи ориентантами I рода, замедляют реакцию (дезактивируют кольцо).
    • –OH и –NH₂ группы настолько сильно активируют кольцо, что приводят к замещению во все три положения (например, трибромирование фенола или анилина).

Ориентанты II рода (мета-ориентанты)

Направляют замещение в мета- положение. Сильно дезактивируют кольцо (затрудняют замещение).

  • К ним относятся: –NO₂, –COOH, –CHO, –SO₃H.
  • Важно: Для аренов с ориентантами II рода реакция алкилирования по Фриделю-Крафтсу не идёт.

Особые случаи реакций для гомологов бензола

  • Галогенирование на свету: Реакция идёт не в кольце, а в боковой алкильной цепи (по механизму, характерному для алканов). Замещается водород у α-атома углерода (первого атома цепи).
    Пример: Толуол + Cl₂ (свет) → C₆H₅CH₂Cl (бензилхлорид) + HCl.

Окисление

  • Бензол устойчив к действию окислителей типа KMnO₄ и K₂Cr₂O₇.
  • Гомологи бензола окисляются по боковой цепи.
    • Независимо от длины углеводородного заместителя, он окисляется до карбоксильной группы (–COOH) у α-атома углерода.
    • Если в заместителе больше одного атома углерода, происходит разрыв связи между α- и β-атомами. α-Атом с кольцом даёт бензойную кислоту, а остаток окисляется далее (первичные атомы C → CO₂).

Влияние среды при окислении перманганатом калия

  • Кислая среда (KMnO₄/H⁺): Образуется кислота (например, бензойная).
  • Щелочная или нейтральная среда: Образуется соль кислоты (например, бензоат калия), так как образующаяся кислота реагирует со щёлочью (введённой или образовавшейся в реакции).

Важно для решения задач: Для получения бензойной кислоты из гомолога бензола (например, толуола) окислением перманганатом калия обязательно нужна кислая среда (KMnO₄/H⁺). Использование KMnO₄ в щелочной или нейтральной среде приведёт к образованию соли (бензоата калия), а не кислоты.

Химические свойства фенилалкенов (на примере стирола C₆H₅–CH=CH₂)

Фенилалкены сочетают свойства ароматического кольца (реакции замещения) и алкенового фрагмента в боковой цепи (реакции присоединения и окисления).

Реакции по двойной связи боковой цепи (как у алкенов)

  1. Гидрирование: C₆H₅–CH=CH₂ + H₂ (кат.) → C₆H₅–CH₂–CH₃ (этилбензол).
  2. Галогенирование: Качественная реакция – обесцвечивание бромной воды.
    C₆H₅–CH=CH₂ + Br₂ (H₂O) → C₆H₅–CHBr–CH₂Br.
  3. Гидрогалогенирование: Идёт по правилу Марковникова.
    C₆H₅–CH=CH₂ + HCl → C₆H₅–CHCl–CH₃.
  4. Окисление:
    • Мягкое (как реакция Вагнера): C₆H₅–CH=CH₂ + [O] (KMnO₄, H₂O, 0°C) → Гликоль (C₆H₅–CH(OH)–CH₂(OH)).
    • Жёсткое: Аналогично окислению гомологов бензола. Разрыв связи между α- и β-атомами углерода.
      C₆H₅–CH=CH₂ + [O] (KMnO₄, H⁺) → C₆H₅COOH (бензойная кислота) + CO₂.

Выводы

  • Ключевое свойство аренов — реакции электрофильного замещения в бензольном кольце.
  • Правила ориентации — фундаментальный принцип, предсказывающий направление реакций замещения в замещённых бензолах.
  • Гомологи бензола окисляются по боковой цепи до бензойной кислоты, что является их важным аналитическим свойством. Для получения кислоты необходимо использовать кислую среду окисления (KMnO₄/H⁺).
  • Фенилалкены проявляют двойную реакционную способность, что необходимо учитывать при составлении цепочек превращений.