Ароматические углеводороды (арены)

Методы получения

В значительном количестве углеводороды ряда бензола содержатся в некоторых сортах нефти, откуда их и получают при переработке нефти. Помимо этого, так как ядро бензола энергетически очень «выгодная» система, соединения ароматического ряда образуются при многих процессах. Так, например, при каталитическом и термическом крекинге нефти, даже не содержащих ароматических соединений, они образуются в заметном количестве вследствие превращений других углеводородов.

При переработке каменного угля в кокс в отгоняющемся каменноугольном дегте содержание соединений ароматического ряда достигает нескольких десятков процентов.

В лабораторной практике и в промышленности для синтеза замещенных аренов широко применяется синтез Фриделя - Крафтса (реакции алкилирования ароматических углеводородов в присутствии кислот Льюиса).

1. Получение бензола из ацетилена:

2. Дегидрирование циклоалканов:

3. Из ароматических соединений:

4. Гомологи бензола получают из галогенпроизводных реакцией Вюрца-Фиттига:

 

Химические свойства

Особенности ароматических соединений. Бензол является первым представителем ароматических углеводородов. Он обладает рядом своеобразных свойств, отличающих его от изученных ранее предельных и непредельных ациклических углеводородов. Ароматический характер бензола определяется его строением и проявляется в химических свойствах.

Состав бензола выражается формулой C₆H₆. Общая формула гомологов ряда бензола C_nH_2n-6. Разность между этой формулой и формулой ряда предельных углеводородов C_nH_2n+2 равна 8Н. Следовательно, по химическому составу бензол и его гомологи являются непредельными соединениями. Их непредельный характер не проявляется в типичных реакциях. Для данных соединений, в основном, характерны реакции замещения, однако они могут вступать и в реакции присоединения.

А. Реакции замещения

1. Взаимодействие с галогенами. В присутствии катализаторов — кислот Льюиса (FeCl₃, АlСl₃) хлор и бром замещают атомы водорода в молекуле бензола:

 

2. Взаимодействие с серной кислотой. Концентрированная серная кислота не вызывает полимеризации бензола, как это происходит в случае алкадиенов, а приводит к получению бензолсульфокислоты:

3. Нитрование. При действии нитрующей смеси (концентрированные НNO₃ и H₂SO₄) происходит нитрование ядра (введение в ядро нитрогруппы -NO₂) с образованием нитропроизводных бензола.

Нитробензол

4. Замещение водорода на галоген. Реакция протекает в присутствии солей железа (III).

 

Б. Реакции присоединения

В отдельных редких случаях бензол способен к реакциям присоединения.

1. Гидрирование, т. е. присоединение водорода, происходит при действии водорода в жестких условиях в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd). При этом молекула бензола присоединяет три молекулы водорода с образованием циклогексана:

 

циклогексан

2. Присоединение галогенов. Если раствор хлора или брома в бензоле подвергнуть действию солнечного света или ультрафиолетовых лучей, то происходит радикальное присоединение трех молекул галогена с образованием сложной смеси стереоизомеров гексахлорциклогексана (гексахлорана):

hυ

Таким образом, ароматический характер бензола (и других аренов) выражается в том, что это соединение, по составу являясь непредельным, в целом ряде химических реакций проявляет себя как предельное соединение; для него характерны химическая устойчивость, трудность реакций присоединения. Только в особых условиях (катализаторы, облучение) бензол ведет себя как триеновый углеводород.

Спирты и фенолы

Гидроксисоединения (R-OH), в которых гидроксильная группа связана с насыщенным атомом углерода (т.е. с sp³ -гибридизованным атомом), называются спиртами (первичными – RCH₂OH, вторичными – R₂CHOH, третичными – R₃COH).

В зависимости от числа гидроксогрупп различают одноатомные и многоатомные спирты, по характеру углеводородного радикала – предельные, непредельные, ароматические спирты, по количеству углеродных атомов – низшие (С₁ – С₁₀) и высшие (С₁₁ и более).

Методы получения спиртов

Спирты в свободном состоянии в природе встречаются редко, поэтому их получают синтетическими методами. Основные промышленные методы получения спиртов следующие.

1. Каталитическая гидратация алкенов используется для получения этанола и других спиртов:

СН₂ = СН₂ + Н₂О ® С₂Н₅ОН

 

Условия реакции: этилен и водяной пар при 70-80 ат и 280-300^оС пропускают над фосфорной кислотой, нанесенной на кремнезем (прямая гидратация) или используют в качестве катализатора серную кислоту (непрямая гидратация).

2.Ферментативный метод используется для получения спиртных напитков и состоит в брожении сахаристых веществ:

Дрожжи

С₆Н₁₂О₆ ¾¾® 2 С₂Н₅ОН + 2 СО₂

3.Синтез метанола осуществляют из природного газа:

 

СН₄ + Н₂О ® СО + 3Н₂ (Ni;50-100ат;900^оС)

2Н₂ + СО ® СН₃ОН (Cr₂O₃ + ZnO; 50-100ат; 400^оС)

 

4. Гидролиз моногалогенпроизводных (получение пентиловых спиртов):

 

R-CH₂CI + NaOH_{(водный)} ® R-CH₂OH + NaCI

5. Лабораторные методы получения спиртов основаны на реакциях гидролиза галогеналканов и сложных эфиров, а также гидратации алкенов и восстановлении карбонильных соединений.