Толуол свойства, применение, получение на тему «Арены. Толуол.» Выполнил Проверила: 2002 г. План: 1. Арены Стр. 3 2. Толуол – формула, строение. Стр. 4 3. Физические свойства. Стр. 5 4. Химические свойства Стр. 6 5. Получение Стр. 9 6. Применение Стр. 10 7. Список литературы Стр. 11 1. Арены. Арены или ароматические углеводороды – это соединения, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с особым характером химических связей. Общая формула класса: Cn H2n-6 . Простейшими представителями класса являются бензол и толуол: Многоядерные арены: нафталин С10 Н8 , антрацен С14 Н10 и др. Термин "ароматические соединения" возник давно в связи с тем, что некоторые представители этого ряда веществ имеют приятный запах. Однако в настоящее время в понятие "ароматичность" вкладывается совершенно иной смысл. Ароматичность молекулы означает ее повышенную устойчивость, обусловленную делокализацией p-электронов в циклической системе. Критерии ароматичности аренов: 1. Атомы углерода в sp2 -гибридизованном состоянии образуют циклическую систему. 2. Атомы углерода располагаются в одной плоскости (цикл имеет плоское строение). 3. Замкнутая система сопряженных связей содержит 4n+2 p-электронов (n – целое число). 2. Толуол – формула, строение. Толуол по своему строению подобен бензолу, отличием является лишь замещение одного атома водорода на группу (CH3 ). Рассмотрим строение бензола. В 1825 году английский исследователь Майкл Фарадей при термическом разложении ворвани выделил пахучее вещество, которое имело молекулярную формулу C6 Н6 . Это соединение, называемое теперь бензолом, является простейшим ароматическим углеводородом. Распространенная структурная формула бензола, предложенная в 1865 году немецким ученым Кекуле, представляет собой цикл с чередующимися двойными и одинарными связями между углеродными атомами: Однако физическими, химическими, а также квантово-механическими исследованиями установлено, что в молекуле бензола нет обычных двойных и одинарных углерод–углеродных связей. Все эти связи в нем равноценны, эквивалентны, т.е. являются как бы промежуточными "полуторными " связями, характерными только для бензольного ароматического ядра. Оказалось, кроме того, что в молекуле бензола все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости, причем атомы углерода находятся в вершинах правильного шестиугольника с одинаковой длиной связи между ними, равной 0,139 нм, и все валентные углы равны 120°. Такое расположение углеродного скелета связано с тем, что все атомы углерода в бензольном кольце имеют одинаковую электронную плотность и находятся в состоянии sp2 - гибридизации. Это означает, что у каждого атома углерода одна s- и две p- орбитали гибридизованы, а одна p- орбиталь негибридная. Три гибридных орбитали перекрываются: две из них с такими же орбиталями двух смежных углеродных атомов, а третья – с s- орбиталью атома водорода. Подобные перекрывания соответствующих орбиталей наблюдаются у всех атомов углерода бензольного кольца, в результате чего образуются двенадцать s- связей, расположенных в одной плоскости. Четвертая негибридная гантелеобразная p- орбиталь атомов углерода расположена перпендикулярно плоскости направления s- связей. Она состоит из двух одинаковых долей, одна из которых лежит выше, а другая - ниже упомянутой плоскости. Каждая p- орбиталь занята одним электроном. р- Орбиталь одного атома углерода перекрывается с p- орбиталью соседнего атома углерода, что приводит, как и в случае этилена, к спариванию электронов и образованию дополнительной p- связи. Однако в случае бензола перекрывание не ограничивается только двумя орбиталями, как в этилене: р- орбиталь каждого атома углерода одинаково перекрывается с p- орбиталями двух смежных углеродных атомов. В результате образуются два непрерывных электронных облака в виде торов, одно из которых лежит выше, а другое – ниже плоскости атомов (тор – это пространственная фигура, имеющая форму бублика или спасательного круга). Иными словами, шесть р- электронов, взаимодействуя между собой, образуют единое p- электронное облако, которое изображается кружочком внутри шестичленного цикла: С теоретической точки зрения ароматическими соединениями могут называться только такие циклические соединения, которые имеют плоское строение и содержат в замкнутой системе сопряжения (4n+2) p- электронов, где n – целое число. Приведенным критериям ароматичности, известным под названием правила Хюккеля , в полной мере отвечает бензол. Его число шесть p- электронов является числом Хюккеля для n=1, в связи с чем, шесть p- электронов молекулы бензола называют ароматическим секстетом. 3. Физические свойства. Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкости со специфическим запахом. Ароматические углеводороды легче воды и в ней не растворяются, однако легко растворяются в органических растворителях – спирте, эфире, ацетоне. Физические свойства некоторых аренов представлены в таблице. Название Формула t°.пл., °C t°.кип., °C d4 20 Бензол C6 H6 +5,5 80,1 0,8790 Толуол (метилбензол) С6 Н5 СH3 -95,0 110,6 0,8669 Этилбензол С6 Н5 С2 H5 -95,0 136,2 0,8670 Ксилол (диметилбензол) С6 Н4 (СH3 )2 орто- -25,18 144,41 0,8802 мета- -47,87 139,10 0,8642 пара- 13,26 138,35 0,8611 Пропилбензол С6 Н5 (CH2 )2 CH3 -99,0 159,20 0,8610 Кумол (изопропилбензол) C6 H5 CH(CH3 )2 -96,0 152,39 0,8618 Стирол (винилбензол) С6 Н5 CH=СН2 -30,6 145,2 0,9060 4. Химические свойства. Все свойства толуола можно разделить на 2 типа: А) реакции, затрагивающие бензольное кольцо, Б) реакции, затрагивающие метильную группу. Реакции в ароматическом кольце. Метилбензол вступает во все реакции электрофильного замещения, свойственные для бензола. 1) Нитрирование: 1-Метил-2-нитробензол 1-Метил-4-нитробензол 2) Хлорирование толуола может производиться путём пропускания через толуол газообразного хлора в присутствии хлорида алюминия (реакция проводится в темноте). Хлорид алюминия играет при этом роль катализатора. В этом случае образуется 2- и 4-замещённый изомеры: 3) Сульфирование метилбензола концентрированой серной кислотой тоже приводит к образованию смеси 2- и 4-замещённого изомеров: Механизм всех реакций электрофильного замещения подобен механизму сообветствующих реакций бензола. В этих реакциях 3-замещённые изомеры образуются в незначительных количествах и ими можно пренебречь. Реакции в боковой цепи. Метильная группа в метилбензоле может вступать в определённые реакции, характерные для алканов, но также и в другие реакции, не характерные для алканов. Подобно алканам, метильная группа может галогенироваться по радикальному механизму. Для осуществления этой реакции хлор продувают через кипящий метилбензол в присутствии солнечного света или источника ультрафиолетового излучения. Обратим внимание, что эта реакция представляет собой замещение. Дальнейшее галогенирование приводит к образованию следующих соединений: Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и приводит к образованию соответствующих бромозамещающенных соединений. Метильная боковая цепь в толуоле подвергается окислению даже такими сравнительно мягкими окислителями, как оксид марганца (IV): Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее окисление: 5. Получение. Известны следующие способы получения ароматических углеводородов. 500°C 1) Каталитическая дегидроциклизация алканов, т.е. отщепление водорода с одновременной циклизацией (способ Б.А.Казанского и А.Ф.Платэ). Реакция осуществляется при повышенной температуре с использованием катализатора, например оксида хрома. + 4H2 + 3H­2 300°C,Pd 2) Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных (Н.Д.Зелинский). В качестве катализатора используется палладиевая чернь или платина при 300°C. 3) Циклическая тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 600°C (Н.Д.Зелинский). 4) Сплавление солей ароматических кислот со щелочью или натронной известью. + Na2 CO3 6. Применение. Ароматические углеводороды являются важным сырьем для производства различных синтетических материалов, красителей, физиологически активных веществ. Так, бензол – продукт для получения красителей, медикаментов, средств защиты растений и др. Толуол используется как сырье в производстве взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов, а также в качестве растворителя. Винилбензол (стирол) применяется для получения полимерного материала – полистирола. Список литературы: 1. М. Фримантл – «Химия в действии» 2. CD-Informatica – «Химия для всех» 3. О.С. Габриелян – «Химия 10 класс»