Fyzikální a chemické vlastnosti benzenu. Fyzikální a chemické vlastnosti benzenu Benzen cl2 lehký

Fyzikální vlastnosti

Benzen a jeho nejbližší homology jsou bezbarvé kapaliny se specifickým zápachem. Aromatické uhlovodíky jsou lehčí než voda a nerozpouštějí se v ní, ale snadno se rozpouštějí v organických rozpouštědlech - alkohol, éter, aceton.

Benzen a jeho homology jsou samy o sobě dobrými rozpouštědly pro mnoho organických látek. Všechny arény hoří kouřovým plamenem kvůli vysokému obsahu uhlíku v jejich molekulách.

Fyzikální vlastnosti některých arén jsou uvedeny v tabulce.

Stůl. Fyzikální vlastnosti některých arén

název	Vzorec	t°.pl., °C	t°.bp., °C
Benzen	C6H6	5,5	80,1
Toluen (methylbenzen)	C6H5CH3	95,0	110,6
Ethylbenzen	C6H5C2H5	95,0	136,2
Xylen (dimethylbenzen)	C6H4(CH3)2
orto-		25,18	144,41
meta-		47,87	139,10
pár-		13,26	138,35
Propylbenzen	C6H5(CH2)2CH3	99,0	159,20
Kumen (isopropylbenzen)	C6H5CH(CH3)2	96,0	152,39
Styren (vinylbenzen)	C 6H 5 CH \u003d CH 2	30,6	145,2

Benzen - nízkovroucí ( tkip= 80,1°C), bezbarvá kapalina, nerozpustná ve vodě

Pozornost! Benzen - jed, působí na ledviny, mění složení krve (při delší expozici), může narušit strukturu chromozomů.

Většina aromatických uhlovodíků je životu nebezpečná a toxická.

Získání arénů (benzen a jeho homology)

V laboratoři

1. Fúze solí kyseliny benzoové s pevnými alkáliemi

C6H5-COONa + NaOH t → C6H6 + Na2C03

benzoát sodný

2. Wurtz-Fittingova reakce: (zde G je halogen)

Od 6H 5 -G+2Na + R-G →C 6 H 5 - R + 2 NaG

Z 6 H5-Cl + 2Na + CH3-Cl → C6H5-CH3 + 2NaCl

V průmyslu

• izolován z ropy a uhlí frakční destilací, reformováním;
• z černouhelného dehtu a koksárenského plynu

1. Dehydrocyklizace alkanů s více než 6 atomy uhlíku:

C6H14 t , kat->C6H6 + 4H2

2. Trimerizace acetylenu(pouze pro benzen) – R. Zelinského:

3C 2 H2 600°C, zák. uhlí→C6H6

3. Dehydrogenace cyklohexan a jeho homology:

Sovětský akademik Nikolaj Dmitrijevič Zelinskij zjistil, že benzen vzniká z cyklohexanu (dehydrogenace cykloalkanů

C6H12 t, kat->C6H6 + 3H2

C6Hn-CH3 t , kat->C6H5-CH3 + 3H2

methylcyklohexantoluen

4. Alkylace benzenu(získání homologů benzenu) – r Friedel-Crafts.

C6H6 + C2H5-Cl t, AICI3→C6H5-C2H5 + HCl

chlorethan ethylbenzen

Chemické vlastnosti arenů

já. OXIDAČNÍ REAKCE

1. Spalování (kouřový plamen):

2C6H6 + 1502 t→12C02 + 6H20 + Q

2. Benzen za normálních podmínek neodbarvuje bromovou vodu a vodní roztok manganistan draselný

3. Homology benzenu jsou oxidovány manganistanem draselným (odbarvují manganistan draselný):

A) v kyselé prostředí na kyselinu benzoovou

Působením manganistanu draselného a dalších silných oxidantů na homology benzenu dochází k oxidaci postranních řetězců. Bez ohledu na to, jak složitý je řetězec substituentu, je zničen, s výjimkou a-uhlíkového atomu, který je oxidován na karboxylovou skupinu.

Homology benzenu s jedním postranním řetězcem dávají kyselinu benzoovou:

Homology obsahující dva postranní řetězce dávají dvojsytné kyseliny:

5C 6H 5-C 2H 5 + 12 KMnO 4 + 18H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 6K 2 SO 4 + 12MnSO 4 + 28H 2O

5C 6H 5 -CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 → 5C 6 H 5 COOH + 3K 2 SO 4 + 6MnSO 4 + 14H 2O

Zjednodušený :

C6H5-CH3+30 KMnO4→C6H5COOH + H20

B) v neutrálních a mírně alkalických solích kyseliny benzoové

C 6H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6H 5 COO K + KOH + 2Mn02 + H20

II. ADIČNÍ REAKCE (tvrdší než alkeny)

1. Halogenace

C6H6 + 3Cl2 h ν → C6H6CI6 (hexachlorcyklohexan - hexachloran)

2. Hydrogenace

C6H6 + 3H2 t , PtneboNi→C6H12 (cyklohexan)

3. Polymerizace

III. SUBSTITUČNÍ REAKCE – iontový mechanismus (lehčí než alkany)

1. Halogenace -

A ) benzen

C6H6 + Cl2 AlCl 3 → C6H5-Cl + HCl (chlorbenzen)

C6H6 + 6Cl2 t,AlCl3→C6CI6 + 6HCl( hexachlorbenzen)

C6H6 + Br2 t,FeCl3→ C6H5-Br + HBr( brombenzen)

b) homology benzenu po ozáření nebo zahřátí

Z hlediska chemických vlastností jsou alkylové radikály podobné alkanům. Atomy vodíku jsou v nich nahrazeny halogeny mechanismem volných radikálů. Proto v nepřítomnosti katalyzátoru vede zahřívání nebo UV záření k radikálové substituční reakci v postranním řetězci. Vliv benzenového kruhu na alkylové substituenty vede k tomu, že atom vodíku je vždy nahrazen na atomu uhlíku přímo vázaném na benzenový kruh (a-atom uhlíku).

1) C6H5-CH3 + Cl2 h ν → C6H5-CH2-Cl + HCl

c) homology benzenu v přítomnosti katalyzátoru

C6H5-CH3 + Cl2 AlCl 3 → (směs orta, pár derivátů) +HCl

2. Nitrace (s kyselina dusičná)

C6H6 + HO-NO2 t, H2SO4→C6H5-N02 + H20

nitrobenzen - čich mandle!

C6H5-CH3 + 3HO-N02 t, H2SO4→ Z H3-C6H2(N02)3 + 3H20

2,4,6-trinitrotoluen (tol, trotyl)

Použití benzenu a jeho homologů

Benzen C6H6 je dobré rozpouštědlo. Benzen jako aditivum zlepšuje kvalitu motorového paliva. Slouží jako surovina pro výrobu mnoha aromatických organických sloučenin - nitrobenzen C 6 H 5 NO 2 (rozpouštědlo, získává se z něj anilin), chlorbenzen C 6 H 5 Cl, fenol C 6 H 5 OH, styren aj.

Toluen C 6 H 5 -CH 3 - rozpouštědlo používané při výrobě barviv, léčiv a výbušnin (trotyl (tol), nebo 2,4,6-trinitrotoluen TNT).

xylen C6H4(CH3)2. Technický xylen je směs tří izomerů ( ortho-, meta- a pár-xyleny) - používá se jako rozpouštědlo a výchozí produkt pro syntézu mnoha organických sloučenin.

Isopropylbenzen C 6H 5-CH (CH 3) 2 slouží k získání fenolu a acetonu.

Chlorderiváty benzenu používá se k ochraně rostlin. Produktem substituce atomů H v benzenu atomy chloru je tedy hexachlorbenzen C 6 Cl 6 - fungicid; používá se k suchému moření osiva pšenice a žita proti tvrdému sněti. Produktem adice chloru do benzenu je hexachlorcyklohexan (hexachloran) C 6 H 6 Cl 6 - insekticid; používá se k hubení škodlivého hmyzu. Tyto látky se týkají pesticidů - chemických prostředků boje proti mikroorganismům, rostlinám a zvířatům.

styren C 6 H 5 - CH \u003d CH 2 velmi snadno polymeruje, tvoří polystyren a kopolymeruje s butadien - styren-butadienovými kaučuky.

VIDEO ZÁŽITKY

DEFINICE

Benzen(cyklohexatrien - 1,3,5) - organická hmota, nejjednodušší zástupce řady aromatických uhlovodíků.

Vzorec - C 6 H 6 ( strukturní vzorec- rýže. jeden). Molekulová hmotnost - 78, 11.

Rýže. 1. Strukturní a prostorové vzorce benzenu.

Všech šest atomů uhlíku v molekule benzenu je v hybridním stavu sp2. Každý atom uhlíku tvoří 3σ vazby se dvěma dalšími atomy uhlíku a jedním atomem vodíku ležícím ve stejné rovině. Šest atomů uhlíku tvoří pravidelný šestiúhelník (σ-kostra molekuly benzenu). Každý atom uhlíku má jeden nehybridizovaný p-orbital, který obsahuje jeden elektron. Šest p-elektronů tvoří jediný π-elektronový oblak (aromatický systém), který je znázorněn jako kruh uvnitř šestičlenného cyklu. Uhlovodíkový radikál odvozený od benzenu se nazývá C 6 H 5 - - fenyl (Ph-).

Chemické vlastnosti benzenu

Benzen je charakterizován substitučními reakcemi probíhajícími podle elektrofilního mechanismu:

- halogenace (benzen interaguje s chlorem a bromem za přítomnosti katalyzátorů - bezvodý AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3)

C6H6 + Cl2 \u003d C6H5-Cl + HCl;

- nitrace (benzen snadno reaguje s nitrační směsí - směs koncentrované kyseliny dusičné a sírové)

- alkylace alkeny

C 6H 6 + CH 2 \u003d CH-CH 3 -» C 6H 5-CH (CH 3) 2;

Adiční reakce na benzen vedou ke zničení aromatického systému a probíhají pouze za drsných podmínek:

- hydrogenace (reakce probíhá zahřátím, katalyzátorem je Pt)

- přídavek chloru (dochází při působení UV záření za vzniku pevného produktu - hexachlorcyklohexan (hexachloran) - C 6 H 6 Cl 6)

Jako každý organická sloučenina benzen vstupuje do spalovací reakce s tvorbou jako reakční produkty oxid uhličitý a voda (hoří kouřovým plamenem):

2C6H6 + 1502 -> 12C02 + 6H20.

Fyzikální vlastnosti benzenu

Benzen je bezbarvá kapalina, ale má specifický štiplavý zápach. S vodou tvoří azeotropní směs, dobře se mísí s ethery, benzínem a různými organickými rozpouštědly. Bod varu - 80,1C, bod tání -5,5C. Toxický, karcinogenní (t.j. přispívá ke vzniku rakoviny).

Získávání a používání benzenu

Hlavní způsoby získávání benzenu:

— dehydrocyklizace hexanu (katalyzátory - Pt, Cr 3 O 2)

CH3-(CH2)4-CH3 -> C6H6 + 4H2;

- dehydrogenace cyklohexanu (reakce probíhá zahřátím, katalyzátorem je Pt)

C6H12 -> C6H6 + 4H2;

– trimerace acetylenu (reakce probíhá při zahřátí na 600C, katalyzátorem je aktivní uhlí)

3HC=CH -> C6H6.

Benzen slouží jako surovina pro výrobu homologů (ethylbenzen, kumen), cyklohexanu, nitrobenzenu, chlorbenzenu a dalších látek. Dříve se benzen používal jako přísada do benzínu pro zvýšení jeho oktanového čísla, nyní je však pro jeho vysokou toxicitu obsah benzenu v palivu přísně regulován. Někdy se jako rozpouštědlo používá benzen.

Příklady řešení problémů

PŘÍKLAD 1

Cvičení	Zapište rovnice, pomocí kterých můžete provést následující transformace: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.
Řešení	K získání acetylenu z methanu se používá následující reakce: 2CH4 -> C2H2 + 3H2 (t = 140 °C). Získání benzenu z acetylenu je možné reakcí trimerizace acetylenu, ke které dochází při zahřátí (t = 600C) a v přítomnosti aktivního uhlí: 3C2H2 -> C6H6. Chlorační reakce benzenu k získání chlorbenzenu jako produktu se provádí v přítomnosti chloridu železitého: C6H6 + Cl2 -> C6H5Cl + HCl.

PŘÍKLAD 2

Cvičení	Ke 39 g benzenu v přítomnosti chloridu železitého byl přidán 1 mol bromové vody. Jaké množství látky a kolik gramů jakých produktů to vedlo?
Řešení	Napište rovnici pro reakci bromace benzenu v přítomnosti chloridu železitého: C6H6 + Br2 -> C6H5Br + HBr. Produkty reakce jsou brombenzen a bromovodík. Molární hmotnost benzen vypočtený pomocí tabulky chemické prvky DI. Mendělejev - 78 g/mol. Najděte množství látky benzen: n(C6H6) = m(C6H6)/M(C6H6); n(C6H6) = 39/78 = 0,5 mol. Podle stavu problému reagoval benzen s 1 molem bromu. V důsledku toho je benzen nedostatek a pro benzen budou provedeny další výpočty. Podle reakční rovnice n (C 6 H 6): n (C 6 H 5 Br) : n (HBr) \u003d 1: 1: 1, tedy n (C 6 H 6) \u003d n (C 6 H 5 Br) \u003d: n(HBr) = 0,5 mol. Potom budou hmotnosti brombenzenu a bromovodíku stejné: m(C6H5Br) = n(C6H5Br)xM(C6H5Br); m(HBr) = n(HBr)xM(HBr). Molární hmotnosti brombenzenu a bromovodíku, vypočtené pomocí tabulky chemických prvků D.I. Mendělejev - 157 a 81 g/mol. m(C6H5Br) = 0,5 x 157 = 78,5 g; m(HBr) = 0,5 x 81 = 40,5 g.
Odpovědět	Produkty reakce jsou brombenzen a bromovodík. Hmotnost brombenzenu je 78,5 g a bromovodíku 40,5 g.

C6H6 + Cl2 -> C6H6Cl + HCl

V tomto případě se jako katalyzátor obvykle používá chlorid nebo bromid železitý (III). Jako katalyzátory lze také použít jiné chloridy kovů, jako je AlCl3, SbCl3, SbCl5, stejně jako jód.

Úlohou katalyzátoru je aktivovat (polarizovat) halogen, který provádí elektrofilní substituci v benzenovém kruhu. V přítomnosti FeCl3

chlorace probíhá například podle schématu:

FeCl3 + :Cl::Cl: ↔ FeCl-4 + Cl:+

۠۠۠ ۠ ۠۠۠۠۠ ۠ ۠ ۠۠

C6H6 + Cl+ -> C6H5Cl + H+;

H+ + Cl2 → HCl + Cl+ atd.

Halogen může být zaveden do postranního řetězce v nepřítomnosti katalyzátorů na světle nebo zahříváním. Substituční mechanismus je v tomto případě radikální. Pro toluen lze tyto transformace vyjádřit schématem:

Halogeny jsou substituenty prvního druhu, a proto, když je benzen halogenován, druhý atom halogenu vstupuje převážně v n-poloze k prvnímu. Halogeny však na rozdíl od jiných substituentů prvního druhu ztěžují substituci (ve srovnání s benzenem).

Když je n-fluorchlorbenzen chlorován, třetí atom halogenu vstupuje do o-polohy k chloru a ne k fluoru. Indukční účinek halogenu má tedy rozhodující vliv na pořadí substituce (poloha o k atomu fluoru má velký kladný náboj, protože –IF > -ICl): AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

2. Náhrada aminoskupiny halogenem prostřednictvím meziproduktové tvorby diazosloučenin. Tato metoda vám umožňuje získat jakékoli halogenové deriváty, včetně derivátů fluoru:

───→ C6H5Cl + N2

C6H5NH2───→ C6H5N2Cl ────→ C6H5I + KCl +N2

───→ C6H5Br + Cu2Cl2 + N2

BF4 → C6H5F + N2 + BF3

2.2 Adamantane

Strukturní rysy adamantanu určují jeho neobvyklé fyzikální a Chemické vlastnosti. Adamantane má nejvyšší bod tání 269 °C pro uhlovodíky a hustotu 1,07 g/cm3. Při zahřátí až na 660°C je tepelně stabilní za nepřítomnosti kyslíku. Při tlaku 20 kilobarů a teplotě 480°C a výše postupně grafitizuje. Adamantane je extrémně odolný vůči agresivnímu chemickému prostředí a neinteraguje s manganistanem draselným, chromovou a koncentrovanou kyselinou dusičnou, a to ani při zvýšených teplotách.

Tabulka 1 ukazuje výtěžek adamantanu jako funkci použitého katalyzátoru.

Tabulka 1. Výsledky izomerace TMNB v kapalné fázi na adamantan

Reakční podmínky	Výtěžek adamantanu, %
BF3, HF, 23 při H2, 50 °C
SbF5, HF, 120 °C, 5 hodin
A1C13, HC1,40 při H2, 120 °C
A1C13, HC1, terc-C4H9Cl
A1Br3, terc-C4H9Br

Izomerizace TMNB na adamantan se provádí podle schématu:

Z prostorových důvodů je pouze endo-isomer schopen dalšího přesmyku na adamantan a jeho rovnovážná koncentrace je asi 0,5 hmotn. %.

Z kinetického hlediska je izomerizace endo-TMNB jedním z nejpomalejších přesmyků nasycených uhlovodíků za těchto podmínek: geometrická izomerizace TMNB (Wagner-Meerweinův přesmyk) probíhá přibližně 10 000krát rychleji.

Tato metoda syntézy se stala základem průmyslové technologie adamantanu. Snadnost takového přeskupení je vysvětlena vysokou termodynamickou stabilitou adamantanu, takže zpracování všech známých izomerů C10H16 Lewisovými kyselinami nevyhnutelně vede k tomuto polycyklickému rámcovému uhlovodíku.

Syntéza adamantanu karboxylové kyseliny

K získání kyselin adamantanové řady se široce používá Koch-Haafova reakce. Jako výchozí materiály se používají adamantan, 1-brom-, 1-hydroxyadamantan a 1-hydroxyadamantan nitrát.

Kyselina adamantan-1-karboxylová byla získána reakcí 1-brom- nebo 1-hydroxyadamantanu s kyselinou mravenčí v kyselině sírové nebo adamantanem s kyselinou mravenčí nebo sírovou v přítomnosti terc-butylalkoholu.

Bylo prokázáno, že maximálního výtěžku adamantan-1-karboxylové kyseliny je dosaženo při poměru AdOH:HCOOH:H2SO4 = 1:1:24. Výtěžek klesá s nedostatkem kyseliny mravenčí.

Adamantan-1-karboxylovou kyselinu lze získat z adamantanu ve 20% oleu. Předpokládá se, že reakce probíhá tvorbou adamantylového kationtu

K získání karboxylových kyselin z adamantanu se používá jeho reakce s CO2 v kyselině sírové nebo oleu (autokláv, 90-160ºС) . Vznikne tak směs adamantan-1-karboxylové a adamantan-1,3-dikarboxylové kyseliny v poměru 1:6.

Syntéza kyseliny (1-adamantyl)octové z 1-brom nebo 1-hydroxyadamantanu a dichlorethylenu se provádí v 80-100% H2SO4 v přítomnosti BF3 při 0-15°C.

Když adamantan a jeho deriváty reagují s trichlorethylenem v přítomnosti 90% kyseliny sírové, tvoří se odpovídající kyseliny α-chloroctové.

3-alkyladamantan-1-karboxylové kyseliny se získávají z alkyladamantanů v kyselině sírové v přítomnosti terc-butylalkoholu a 95% kyseliny mravenčí.

Adamantanové dusičnany.

Reakce adamantanu s přebytkem 96-98% kyseliny dusičné vede k 1-nitroxyadamantanu jako hlavnímu reakčnímu produktu 1,3-dinitroxiadamantanu.

Adamantane reaguje se směsí kyseliny dusičné a octové pomaleji než s kyselinou dusičnou a maximální výtěžek dusičnanů 80 % je dosažen za 3 hodiny. Jediným vedlejším produktem reakce je adamantol-1.