Fizikalne in kemijske lastnosti benzena. Fizikalne in kemijske lastnosti benzena Benzen cl2 lahek

Fizikalne lastnosti

Benzen in njegovi najbližji homologi so brezbarvne tekočine s specifičnim vonjem. Aromatski ogljikovodiki so lažji od vode in se v njej ne topijo, vendar so zlahka topni v organskih topilih - alkoholu, etru, acetonu.

Benzen in njegovi homologi so sami po sebi dobra topila za številne organske snovi. Vse arene gorijo z dimnim plamenom zaradi visoke vsebnosti ogljika v njihovih molekulah.

Fizikalne lastnosti nekaterih aren so predstavljene v tabeli.

Tabela. Fizikalne lastnosti nekaterih aren

Ime	Formula	t°.pl., °C	t°.b.p., °C
Benzen	C6H6	5,5	80,1
Toluen (metilbenzen)	C 6 H 5 CH 3	95,0	110,6
Etilbenzen	C 6 H 5 C 2 H 5	95,0	136,2
ksilen (dimetilbenzen)	C 6 H 4 (CH 3) 2
orto-		25,18	144,41
meta-		47,87	139,10
par-		13,26	138,35
propilbenzen	C 6 H 5 (CH 2) 2 CH 3	99,0	159,20
Kumen (izopropilbenzen)	C 6 H 5 CH(CH 3) 2	96,0	152,39
stiren (vinilbenzen)	C6H5CH=CH2	30,6	145,2

Benzen – nizko vrelišče ( tbala= 80,1 °C), brezbarvna tekočina, netopna v vodi

Pozor! Benzen – strup, vpliva na ledvice, spremeni formulo krvi (pri dolgotrajni izpostavljenosti), lahko moti strukturo kromosomov.

Večina aromatskih ogljikovodikov je smrtno nevarnih in strupenih.

Priprava arenov (benzen in njegovi homologi)

V laboratoriju

1. Fuzija soli benzojske kisline s trdnimi alkalijami

C6H5-COONa + NaOH t → C 6 H 6 + Na 2 CO 3

natrijev benzoat

2. Wurtz-Fittingova reakcija: (tukaj je G halogen)

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

Z 6 H 5 -Cl + 2Na + CH 3 -Cl → C 6 H 5 -CH 3 + 2NaCl

V industriji

• izoliran iz nafte in premoga s frakcijsko destilacijo in reformiranjem;
• iz premogovega katrana in koksarniškega plina

1. Dehidrociklizacija alkanov z več kot 6 ogljikovimi atomi:

C6H14 t , kat→C 6 H 6 + 4H 2

2. Trimerizacija acetilena(samo za benzen) – r. Zelinsky:

3S 2 H 2 600°C, ukrepaj. premog→ C 6 H 6

3. Dehidrogenacija cikloheksan in njegovi homologi:

Sovjetski akademik Nikolaj Dmitrijevič Zelinski je ugotovil, da benzen nastane iz cikloheksana (dehidrogenacija cikloalkanov).

C6H12 t, kat→C 6 H 6 + 3H 2

C6H11-CH3 t , kat→C 6 H 5 -CH 3 + 3H 2

metilcikloheksantoluen

4. Alkiliranje benzena(priprava homologov benzena) – r Friedel-Crafts.

C6H6 + C2H5-Cl t, AlCl3→C 6 H 5 -C 2 H 5 + HCl

kloroetan etilbenzen

Kemijske lastnosti arenov

jaz. OKSIDACIJSKE REAKCIJE

1. Zgorevanje (kadeči se plamen):

2C6H6 + 15O2 t→12CO 2 + 6H 2 O + Q

2. V normalnih pogojih benzen ne razbarva bromove vode in vodna raztopina kalijev permanganat

3. Homologe benzena oksidiramo s kalijevim permanganatom (razbarvamo kalijev permanganat):

A) v kislo okolje na benzojsko kislino

Ko so homologi benzena izpostavljeni kalijevemu permanganatu in drugim močnim oksidantom, se stranske verige oksidirajo. Ne glede na to, kako kompleksna je veriga substituenta, se ta uniči, z izjemo a-ogljikovega atoma, ki se oksidira v karboksilno skupino.

Homologi benzena z eno stransko verigo dajejo benzojsko kislino:

Homologi, ki vsebujejo dve stranski verigi, dajejo dibazične kisline:

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

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

Poenostavljeno :

C6H5-CH3+3O KMnO4→C 6 H 5 COOH + H 2 O

B) v nevtralnih in rahlo alkalnih do soli benzojske kisline

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 → C 6 H 5 COO K + K OH + 2MnO 2 + H 2 O

II. ADICIJSKE REAKCIJE (težji od alkenov)

1. Halogeniranje

C6H6+3Cl2 h ν → C6H6Cl6 (heksaklorocikloheksan - heksakloran)

2. Hidrogeniranje

C6H6 + 3H2 t , PtozNi→ C 6 H 12 (cikloheksan)

3. Polimerizacija

III. SUBSTITUCIJSKE REAKCIJE – ionski mehanizem (lažji od alkanov)

1. Halogeniranje -

a ) benzen

C6H6+Cl2 AlCl 3 → C 6 H 5 -Cl + HCl (klorobenzen)

C6H6 + 6Cl2 t, AlCl3→C 6 Cl 6 + 6HCl( heksaklorobenzen)

C 6 H 6 + Br 2 t,FeCl3→ C 6 H 5 -Br + HBr( bromobenzen)

b) homologi benzena pri obsevanju ali segrevanju

Kemične lastnosti alkilnih radikalov so podobne alkanom. Atome vodika v njih zamenjajo halogeni z mehanizmom prostih radikalov. Zato v odsotnosti katalizatorja, pri segrevanju ali UV obsevanju pride do radikalne substitucijske reakcije v stranski verigi. Vpliv benzenskega obroča na alkilne substituente vodi do dejstva, da Vodikov atom je vedno nadomeščen pri ogljikovem atomu, ki je neposredno vezan na benzenski obroč (a-ogljikov atom).

1) C6H5-CH3 + Cl2 h ν → C 6 H 5 -CH 2 -Cl + HCl

c) homologi benzena v prisotnosti katalizatorja

C6H5-CH3 + Cl2 AlCl 3 → (orta mešanica, par derivatov) +HCl

2. Nitriranje (z dušikova kislina)

C6H6 + HO-NO2 t, H2SO4→C 6 H 5 -NO 2 + H 2 O

nitrobenzen - vonj mandlji!

C6H5-CH3 + 3HO-NO2 t, H2SO4→ Z H 3 -C 6 H 2 (NO 2) 3 + 3H 2 O

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

Uporaba benzena in njegovih homologov

Benzen C 6 H 6 je dobro topilo. Benzen kot dodatek izboljša kakovost motornega goriva. Služi kot surovina za proizvodnjo številnih aromatskih organskih spojin - nitrobenzena C 6 H 5 NO 2 (topilo, iz katerega se pridobiva anilin), klorobenzena C 6 H 5 Cl, fenola C 6 H 5 OH, stirena itd.

Toluen C 6 H 5 –CH 3 – topilo, uporablja se pri proizvodnji barvil, zdravil in eksplozivov (TNT (TNT) ali 2,4,6-trinitrotoluen TNT).

ksileni C6H4(CH3)2. Tehnični ksilen je zmes treh izomerov ( orto-, meta- In par-ksileni) – uporablja se kot topilo in začetni produkt za sintezo številnih organskih spojin.

izopropilbenzen C 6 H 5 –CH(CH 3) 2 se uporablja za proizvodnjo fenola in acetona.

Klorirani derivati ​​benzena uporabljajo za varstvo rastlin. Tako je produkt zamenjave atomov H v benzenu z atomi klora heksaklorobenzen C 6 Cl 6 - fungicid; uporabljamo ga za suho obdelavo semen pšenice in rži proti saj. Produkt dodajanja klora benzenu je heksaklorocikloheksan (heksakloran) C 6 H 6 Cl 6 - insekticid; uporablja se za zatiranje škodljivih žuželk. Navedene snovi spadajo med pesticide – kemična sredstva za zatiranje mikroorganizmov, rastlin in živali.

Stiren C 6 H 5 – CH = CH 2 zelo enostavno polimerizira in tvori polistiren, pri kopolimerizaciji z butadienom pa stiren-butadienske gume.

VIDEO DOŽIVETJA

OPREDELITEV

Benzen(cikloheksatrien – 1,3,5) – organske snovi, najpreprostejši predstavnik številnih aromatskih ogljikovodikov.

Formula – C 6 H 6 ( strukturna formula- riž. 1). Molekulska masa – 78,11.

riž. 1. Strukturne in prostorske formule benzena.

Vseh šest ogljikovih atomov v molekuli benzena je v sp 2 hibridnem stanju. Vsak atom ogljika tvori vezi 3σ z dvema drugima atomoma ogljika in enim atomom vodika, ki ležijo v isti ravnini. Šest ogljikovih atomov tvori pravilen šesterokotnik (σ-skelet molekule benzena). Vsak atom ogljika ima eno nehibridizirano p orbitalo, ki vsebuje en elektron. Šest p-elektronov tvori en sam oblak π-elektronov (aromatski sistem), ki je upodobljen kot krog znotraj šestčlenskega obroča. Ogljikovodikov radikal, pridobljen iz benzena, se imenuje C 6 H 5 - - fenil (Ph-).

Kemijske lastnosti benzena

Za benzen so značilne substitucijske reakcije, ki potekajo preko elektrofilnega mehanizma:

- halogeniranje (benzen reagira s klorom in bromom v prisotnosti katalizatorjev - brezvodni AlCl 3, FeCl 3, AlBr 3)

C6H6 + Cl2 = C6H5-Cl + HCl;

- nitriranje (benzen zlahka reagira z nitrirno mešanico - mešanico koncentrirane dušikove in žveplove kisline)

- alkiliranje z alkeni

C 6 H 6 + CH 2 = CH-CH 3 → C 6 H 5 -CH(CH 3) 2;

Adicijske reakcije na benzen vodijo do uničenja aromatskega sistema in se pojavljajo le v težkih pogojih:

— hidrogeniranje (reakcija poteka pri segrevanju, katalizator je Pt)

- dodajanje klora (pojavi se pod vplivom UV sevanja s tvorbo trdnega produkta - heksaklorocikloheksan (heksakloran) - C 6 H 6 Cl 6)

Kot vsak organska spojina benzen je podvržen reakciji zgorevanja, da nastanejo reakcijski produkti ogljikov dioksid in voda (gori z dimljenim plamenom):

2C 6 H 6 +15O 2 → 12CO 2 + 6H 2 O.

Fizikalne lastnosti benzena

Benzen je brezbarvna tekočina, vendar ima specifičen oster vonj. Z vodo tvori azeotropno zmes, dobro se meša z etri, bencinom in različnimi organskimi topili. Vrelišče – ​​80,1C, tališče – ​​5,5C. Strupeno, rakotvorno (tj. spodbuja razvoj raka).

Priprava in uporaba benzena

Glavne metode pridobivanja benzena:

— dehidrociklizacija heksana (katalizatorji – Pt, Cr 3 O 2)

CH 3 – (CH 2) 4 -CH 3 → C 6 H 6 + 4H 2;

— dehidrogenacija cikloheksana (reakcija poteka pri segrevanju, katalizator je Pt)

C 6 H 12 → C 6 H 6 + 4H 2;

— trimerizacija acetilena (reakcija poteka pri segrevanju na 600C, katalizator je aktivno oglje)

3HC≡CH → C 6 H 6 .

Benzen služi kot surovina za proizvodnjo homologov (etilbenzen, kumen), cikloheksana, nitrobenzena, klorobenzena in drugih snovi. Prej se je benzen uporabljal kot dodatek k bencinu za povečanje njegovega oktanskega števila, zdaj pa je zaradi njegove visoke strupenosti vsebnost benzena v gorivu strogo regulirana. Benzen se včasih uporablja kot topilo.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

telovadba

Zapišite enačbe, s katerimi lahko izvedemo naslednje transformacije: CH 4 → C 2 H 2 → C 6 H 6 → C 6 H 5 Cl.

rešitev

Za proizvodnjo acetilena iz metana se uporablja naslednja reakcija: 2CH 4 → C 2 H 2 + 3H 2 (t = 1400 C). Proizvodnja benzena iz acetilena je možna z reakcijo trimerizacije acetilena, ki se pojavi pri segrevanju (t = 600C) in v prisotnosti aktivnega oglja: 3C 2 H 2 → C 6 H 6. Reakcija kloriranja benzena, da nastane klorobenzen kot produkt, poteka v prisotnosti železovega (III) klorida: C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl.

PRIMER 2

telovadba	39 g benzena v prisotnosti železovega (III) klorida smo dodali 1 mol bromove vode. Kakšna količina snovi in ​​koliko gramov katerih izdelkov je bila proizvedena?
rešitev	Zapišimo enačbo za reakcijo bromiranja benzena v prisotnosti železovega (III) klorida: C 6 H 6 + Br 2 → C 6 H 5 Br + HBr. Produkta reakcije sta bromobenzen in vodikov bromid. Molska masa benzena, izračunanega s tabelo kemični elementi DI. Mendelejev – 78 g/mol. Poiščimo količino benzena: n(C6H6) = m(C6H6) / M(C6H6); n(C6H6) = 39 / 78 = 0,5 mol. Glede na pogoje problema je benzen reagiral z 1 molom broma. Zato benzena primanjkuje in nadaljnji izračuni bodo opravljeni z uporabo benzena. Po reakcijski enačbi n(C 6 H 6): n (C 6 H 5 Br) : n (HBr) = 1:1:1, torej n(C 6 H 6) = n(C 6 H 5 Br) =: n(HBr) = 0,5 mol. Potem bosta masi bromobenzena in vodikovega bromida enaki: m(C6H5Br) = n(C6H5Br)×M(C6H5Br); m(HBr) = n(HBr)×M(HBr). Molske mase bromobenzena in vodikovega bromida, izračunane s pomočjo tabele kemijskih elementov D.I. Mendelejev - 157 oziroma 81 g/mol. m(C6H5Br) = 0,5 × 157 = 78,5 g; m(HBr) = 0,5×81 = 40,5 g.
Odgovori	Produkta reakcije sta bromobenzen in vodikov bromid. Masi bromobenzena in vodikovega bromida sta 78,5 oziroma 40,5 g.

C6H6 + Cl2 → C6H6Cl + HCl

Katalizator je v tem primeru običajno železov (III) klorid ali bromid. Kot katalizatorji se lahko uporabljajo tudi kloridi drugih kovin, kot so AlCl3, SbCl3, SbCl5, pa tudi jod.

Vloga katalizatorja je, da aktivira (polarizira) halogen, ki izvaja elektrofilno substitucijo v benzenovem obroču. V prisotnosti FeCl3

Kloriranje poteka na primer po naslednji shemi:

FeCl3 + :Cl::Cl: ↔ FeCl-4 + Cl:+

۠۠۠ ۠ ۠۠۠۠۠ ۠ ۠ ۠۠

C6H6 + Cl+ → C6H5Cl + H+;

H+ + Cl2 → HCl + Cl+ itd.

Halogen lahko vnesemo v stransko verigo v odsotnosti katalizatorjev v prisotnosti svetlobe ali toplote. Mehanizem zamenjave je v tem primeru radikalen. Za toluen lahko te transformacije izrazimo z naslednjo shemo:

Halogeni so substituenti prve vrste, zato med halogeniranjem benzena drugi atom halogena vstopi pretežno v n-položaj prvega. Vendar pa halogeni za razliko od drugih prvorazrednih substituentov otežujejo zamenjavo (v primerjavi z benzenom).

Ko je n-fluoroklorobenzen kloriran, vstopi tretji atom halogena v o-položaj do klora in ne do fluora. Posledično ima induktivni učinek halogena odločilen vpliv na vrstni red substitucije (o-položaj atoma fluora ima velik pozitivni naboj, saj –IF > -ICl): AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

2. Zamenjava amino skupine s halogenom z vmesno tvorbo diazo spojin. Ta metoda vam omogoča pridobivanje vseh halogenskih derivatov, vključno z derivati ​​fluora:

───→ C6H5Cl + N2

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

───→ C6H5Br + Cu2Cl2 + N2

BF4 → C6H5F + N2 + BF3

2.2 Adamantan

Strukturne značilnosti adamantana določajo njegovo nenavadno fizikalno in kemijske lastnosti. Adamantan ima najvišje tališče za ogljikovodike, enako 269 ° C, in gostoto enako 1,07 g/cm3. Pri segrevanju na 660°C je toplotno stabilen v odsotnosti kisika. Pri tlaku 20 kilobarov in temperaturi 480°C in več postopoma grafitizira. Adamantan je izjemno odporen na agresivne snovi kemična okolja in ne deluje s kalijevim permanganatom, kromovo in koncentrirano dušikovo kislino tudi pri povišanih temperaturah.

Tabela 1 prikazuje odvisnost izkoristka adamantana od uporabljenega katalizatorja.

Tabela 1. Rezultati tekočefazne izomerizacije TMNB v adamantan

Pogoji reakcije	Dobitek adamantana, %
BF3, HF, 23 pri H2, 50 °C
SbF5, HF, 120°C, 5 h
A1C13, HC1, 40 pri H2, 120 °C
A1C13, HC1, tert-C4H9Cl
А1Вr3, tert-С4Н9Вг

Izomerizacija TMNB v adamantan poteka po naslednji shemi:

Zaradi prostorskih razlogov je le endo izomer sposoben nadaljnje prerazporeditve v adamantan, njegova ravnotežna koncentracija pa je približno 0,5 mas. %.

Kinetično je izomerizacija endo-TMNB ena najpočasnejših preureditev nasičenih ogljikovodikov pod temi pogoji: geometrijska izomerizacija TMNB (Wagner-Meerweinova preureditev) poteka približno 10.000-krat hitreje.

Ta metoda sinteze je postala osnova za industrijsko tehnologijo adamantana. Enostavnost takšne preureditve je razložena z visoko termodinamično stabilnostjo adamantana, zato obdelava vseh znanih izomerov C10H16 z Lewisovimi kislinami neizogibno vodi do tega policikličnega okvirnega ogljikovodika.

Sinteza adamantana karboksilne kisline

Koch-Haafova reakcija se pogosto uporablja za pridobivanje adamantanovih kislin. Adamantan, 1-bromo-, 1-hidroksiadamantan in 1-hidroksiadamantan nitrat se uporabljajo kot izhodne snovi.

Adamantan-1-karboksilno kislino dobimo z reakcijo 1-bromo- ali 1-hidroksiadamantana z mravljično kislino v žveplovi kislini ali adamantana z mravljično ali žveplovo kislino v prisotnosti terc.butilnega alkohola.

Dokazano je, da največji izkoristek adamantan-1-karboksilne kisline dosežemo pri razmerju AdOH:HCOOH:H2SO4 = 1:1:24. Pri pomanjkanju mravljinčne kisline se pridelek zmanjša.

Adamantan-1-karboksilno kislino lahko pripravimo iz adamantana v 20% oleumu. Predpostavlja se, da reakcija poteka s tvorbo adamantilnega kationa

Za pridobivanje karboksilnih kislin iz adamantana uporabite njegovo reakcijo s CO2 v žveplovi kislini ali oleumu (avtoklav, 90-160ºС) . V tem primeru nastane zmes adamantan-1-karboksilne in adamantan-1,3-dikarboksilne kisline v razmerju 1:6.

Sinteza (1-adamantil)ocetne kisline iz 1-bromo ali 1-hidroksiadamantana in dikloroetilena poteka v 80-100 % H2SO4 v prisotnosti BF3 pri 0-15 °C.

Ko adamantan in njegovi derivati ​​reagirajo s trikloroetilenom v prisotnosti 90 % žveplove kisline, nastanejo ustrezne α-kloroocetne kisline.

3-alkiladamantan-1-karboksilne kisline pripravimo iz alkiladamantanov v žveplovi kislini v prisotnosti terc.butil alkohola in 95% mravljinčne kisline.

Adamantanski nitrati.

Reakcija adamantana s 96-98% presežkom dušikove kisline vodi do 1-nitroksiadamantana kot glavnega reakcijskega produkta, 1,3-dinitroksiadamantana.

Adamantan reagira z mešanico dušikove in ocetne kisline pri nižji hitrosti kot z dušikovo kislino, največji izkoristek nitrata 80 % pa dosežemo v 3 urah. Edini stranski produkt reakcije je adamantol-1.