Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu szkolnictwo.pl

1. Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

2. Węglowodory aromatyczne Areny

3. Spis treści • Podstawowe pojęcia • Struktura benzenu • Właściwości chemiczne benzenu • Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne • Homologi benzenu • Nazewnictwo związków aromatycznych • Występowanie i otrzymywanie arenów

4. Węglowodory aromatyczne (areny) to płaskie cykliczne związki węgla i wodoru posiadające 4n+2 zdelokalizowanych elektronów π

5. Benzen Benzen to jednopierścieniowy związek aromatyczny o wzorze sumarycznym C6H6 Sposoby zapisywania wzoru cząsteczki benzenu Właściwości fizyczne: Stan skupienia – ciecz Barwa -bezbarwny Zapach - charakterystyczny Temperatura wrzenia – 80oC Struktury rezonansowe (graniczne) Kekulego

6. Struktura benzenu ( metoda orbitali molekularnych) W cząsteczce benzenu sześć atomów węgla pierścienia posiada hybrydyzację sp2 i tworzy za pomocą zhybrydyzowanych orbitali trzy wiązania atomowe typu sigmaDwa z nich łączą sąsiednie atomy węgla, trzecie stanowi wiązanie C-H. . Wszystkie wiązania pomiędzy atomami węgla są identycznej długości i stanowią pewną średnią pomiędzy typowym wiązaniem podwójnym C=C i pojedynczym C—C. Przy każdym atomie węgla pozostaje jeden, niezhybrydyzowany, jednoelektronowy orbital. Boczne przenikanie się tych orbitali z podobnymi orbitalami sąsiednimi powoduje powstanie sześcioelektronowego orbitalu molekularnego, w którym gęstość elektronowa rozłożona jest ponad i pod płaszczyzną pierścienia, w której leżą wszystkie atomy cząsteczki benzenu..( wiązanie zdelokalizowane).

7. Właściwości chemiczne benzenu • spala się kopcącym płomieniem, pary benzenu tworzą z powietrzem mieszaninę wybuchową. • w zwykłych warunkach nie reaguje z wodą bromową i roztworem nadmanganianu potasu (wykazując podobieństwo do alkanów) • nie reaguje z chlorowodorem • reakcja uwodornienia (reakcja przyłączenia - podobieństwo do alkenów) Stabilność cząsteczek związków aromatycznych jest większa niż węglowodorów nienasyconych. W reakcji uwodornienia należy zastosować bardziej drastyczne warunki. • w wyniku naświetlania mieszaniny benzenu i chloru promieniowaniem ultrafioletowym powstaje nasycony heksachlorocykloheksan. • ma właściwości silnie toksyczne !!!

8. wchodzi w reakcje podstawiania ( substytucja elektrofilowa) Wszystkie te reakcje przebiegają według jednego mechanizmu substytucji elektrofilowej (SE) i polegają na podstawieniu atomu wodoru z pierścienia benzenowego innym atomem lub grupą atomów.

9. Halogenowanie Reaguje z bromem lub chlorem w  obecności katalizatora. Nitrowanie Reaguje z tzw. mieszaniną nitrującą (mieszaniną stężonych kwasów: azotowego i siarkowego. Dodatek stężonego kwasu siarkowego sprawia, że reakcja zachodzi szybciej i w niższej temperaturze.Jest to reakcja podstawienia atomu wodoru grupą nitrową (reakcja charakterystyczna dla związków aromatycznych).

10. Alkilowanie pierścienia aromatycznego -Reakcja Friedela - Craftsa Reaktywność halogenków alkilowych w reakcji alkilowania Friedla-Craftsa: jodki < bromki < chlorki; fluorki są niereaktywne w reakcji alkilowania Friedla-Craftsa - nie stosuje się ich. Reakcja sulfonowania • Najczęściej stosuje się stężony (>95%) kwas siarkowy lub dymiący kwassiarkowy (tzw. oleum) czyli roztwór SO3 w 100% kwasie siarkowym. • Sulfonowanie jest reakcją odwracalną; w odpowiednich warunkach możnaprzeprowadzić desulfonowanie, czyli usunąć grupę sulfonową z pierścienia. • Sekwencja reakcji sulfonowanie-desulfonowanie jest często wykorzystywanaw syntezach złożonych pochodnych benzenu. kwas benzenosulfonowy

11. Acylowanie W reakcjach acylowania na węglowodór aromatyczny działa się chlorkami lub bromkami kwasowymi (acylowymi)

12. Dla zainteresowanych Mechanizm chlorowania arenów Wytworzenie kationu chlorowego pod wpływem katalizatora: Przyłączenie elektrofila do pierścienia i stabilizacja karbokationu przez struktury rezonansowe. Następnie po odejściu protonu –odnowienie pierścienia aromatycznego:

13. Dla zainteresowanych Mechanizm nitrowania arenów Czynnikiem nitrującym jest kation nitroniowy NO2+, który zabiera parę elektronów z sekstetu elektronów aromatycznych i przyłącza się do jednego atomu węgla. Karbokation jest stabilizowany przez rezonans.

14. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne Do aromatycznych węglowodorów o skondensowanych pierścieniach benzenowych należą naftalen, antracen i fenantren Naftalen C10 H8posiada dwa skondensowane pierścienie sześcioczłonowe, zawierające 10 elektronów na zdelokalizowanych wiążących orbitalach molekularnych ( n = 2 π= 4∙2+2 = 10) Zbudowane z trzech skondensowanych pierścieni.Zawierają po 14 zdelokalizowanych elektronów π Antracen C14H10 Fenantren C14H10

15. Wielopierścieniowe pochodne benzenu łatwiej ulegają halogenowaniu niż benzen. Reagują z wodą bromową dając mieszaninę 2 izomerów (1 - alfa i 2 - beta): Naftalen nie posiada tak jak benzen wszystkich równocennych atomów węgla.Reakcje substytucji zachodzą łatwiej w położeniu α niż β. Antracen i fenantren posiadają trzy nierównocenne atomy węgla αβγ Najmniejszą reaktywność wykazują środkowe pierścienie. Najłatwiej podstawieniu ulega pozycja γ

16. Homologi benzenu Do szeregu homologicznego pochodnych benzenu należą między innymi toluen / metylobenzen, etylobenzen i dimetylobenzeny / ksyleny Właściwości chemiczne węglowodorów alifatyczno-aromatycznych są podobne dla obu typów związków. Reakcje charakterystyczne dla arenów będą zachodzić na pierścieniu, reakcje charakterystyczne dla alifatów, będą zachodzić na łańcuchu bocznym. W obecności światła zachodzi podstawienie atomu wodoru atomem bromu, w grupie alkilowej. Użycie katalizatora (FeCl3, FeBr3) powoduje podstawienie w pierścieniu aromatycznym.

17. Utlenianie łańcucha bocznego związków alifatyczno-aromatycznych, bez względu na długość łańcucha i podstawniki zachodzi zawsze na pierwszym atomie węgla z utworzeniem kwasu benzoesowego.

18. Wpływ podstawników na reakcje podstawiania aromatycznego Podstawniki połączone z pierścieniem aromatycznym mogą aktywująco lub dezaktywująco wpływać na reaktywność danego związku w reakcjach substytucji elektrofilowej. Rozpatrując wpływ grup funkcyjnych (podstawników) połączonych z pierścieniem aromatycznym na orientację nowo wprowadzanego podstawnika możemy wyróżnić dwa rodzaje podstawników. Jedne z nich skierowują nowy podstawnik głównie w położenie orto i para, drugie kierują go głównie w położenie meta. Kombinacja tych dwóch typów oddziaływania na reaktywność i nowe miejsce podstawienia pozwala nam na zaszeregowanie każdej grupy funkcyjnej połączonej już z pierścieniem benzenowym do jednego z następujących trzech typów podstawników: a) podstawniki aktywujące o orientacji orto i para, - 1 - go rodzajub) podstawniki dezaktywujące o orientacji orto i para, 1 –go rodzajuc) podstawniki dezaktywujące o orientacji meta. – 2 - go rodzaju Wytłumaczenie wpływu aktywującego lub dezaktywującego oraz skierowującego podstawników opiera się na wpływach efektu indukcyjnego i rezonansowego

19. Jeżeli w benzenie znajdują się dwa podstawniki różnego rodzaju, to o kierunku podstawienia decyduje podstawnik 1-go rodzaju

21. Nazewnictwo związków aromatycznych Wiele cząsteczek związków aromatycznych ma nazwy zwyczajowe zaakceptowane przez IUPAC benzen toluen styren W przypadku, gdy do pierścienia benzenowego przyłączone są dwa podstawniki, mogą być umieszczone w cząsteczce na trzy różne sposoby. Uwaga:określeń orto, meta, para nie wolno stosować, gdy cząsteczka zawiera więcej niż dwa podstawniki

22. Nazwy innych węglowodorów i pochodnych benzenu z grupami funkcyjnymi tworzy się, dodając nazwę ugrupowania jako przedrostek do nazwy "benzen" lub do nazw innych węglowodorów aromatycznych. • Jeżeli nowy podstawnik jest identyczny z już obecnym w cząsteczce, to związek określa się jako pochodną benzenu z dodatkiem odpowiednich przedrostków na określenie krotności podstawników. • Położenia podstawników określa się za pomocą lokantów liczbowych, a dla dwupodstawionych pochodnych benzenu można alternatywnie stosować nazwy orto (o-), meta (m-) i para (p-), odpowiednio dla położeń: 1,2, 1,3 i 1,4. • Numerację pierścienia benzenowego rozpoczyna się zawsze od atomu węgla związanego z podstawnikiem i prowadzi tak, aby suma lokantów była najniższa z możliwych.

23. Występowanie i otrzymywanie arenów Występują w ropie naftowej, ale zwykle w małym stężeniu. W dużych ilościach znajdują się w smole. Z wsadu węglowego powstaje 3-4% smoły pogazowej. Obok smoły pogazowej w produktach pirolizy węgla znajduje się gaz (np. gaz koksowniczy) i koks. Gaz koksowniczy po ochłodzeniu ulega częściowo skropleniu i ta ciekła frakcja nazywa się benzolem surowym. Znajduje się w niej głównie benzen (>70%) i toluen (~15%). • Otrzymywanie z węglowodorów aromatycznych w procesie reformingu • Proces reformingu, polega na ogrzewaniu węglowodorów alifatycznych w wysokiej temp. w obecności katalizatorów. • z benzyny lekkiej (frakcji wrzącej w temp. 60-85oC) powstaje głównie benzen, • z frakcji 60-105oC przeważają benzen i toluen, • z destylatu 105-140oC otrzymuje się przede wszystkim ksyleny i etylobenzen.Proces przekształcania alkanów w areny składa się z etapów cyklizacji i aromatyzacji. Trimeryzacjaetinu – otrzymanie benzenu:

24. Bibliografia „Chemia od A do Z” M. Klimaszewska „ Chemia 2 ” - S. Hejwowska http://www.mikdab.user.icpnet.pl/chemia/waromat.htm http://rafalkubas.webpark.pl/