Получение и химические свойства арен

Методы получения аренов

Синтез ароматических углеводородов осуществляется как в промышленности, так и в лабораториях различными путями:

• Промышленный метод. Основным источником бензола и толуола служит каменный уголь. Процесс называется сухой перегонкой, при которой уголь нагревают без доступа кислорода.
• Дегидрирование циклоалканов. Бензол можно синтезировать из циклогексана. Для этого требуется катализатор — платина ($Pt$), а в результате реакции выделяется водород.
• Лабораторные и другие методы. К ним относятся дегидроциклизация алканов и циклотримеризация алкинов. Например, при нагревании пропина в присутствии концентрированной серной кислоты образуется симметричный 1,3,5-триметилбензол (мезитилен).
• Декарбоксилирование солей. Бензол можно получить в одну стадию сплавлением твердых бензоата натрия и гидроксида натрия. В результате реакции образуются бензол и карбонат натрия.

Окисление и присоединение

Ароматическая система бензола очень стабильна, поэтому реакции присоединения и окисления кольца идут с трудом.

Окисление:

• Горение: Бензол горит коптящим пламенем из-за высокого содержания углерода, что приводит к неполному сгоранию и выделению сажи.
• Каталитическое окисление: При воздействии кислорода и катализатора $V_2O_5$ бензольное кольцо разрушается с образованием малеиновой кислоты.
• Окисление гомологов: При действии сильных окислителей (например, $KMnO_4$ в кислой среде) разрушаются боковые цепи, а не само кольцо. Метильная группа толуола окисляется до карбоксильной, образуя бензойную кислоту. У длинных радикалов (этил, пропил) происходит разрыв связи между $\alpha$- и $\beta$-углеродными атомами.

Реакции присоединения:

• Гидрирование: При сильном нагревании ($180^\circ C$) и наличии никелевого катализатора бензол присоединяет водород, превращаясь в циклогексан.
• Хлорирование (радикальное): Под воздействием ультрафиолета бензол реагирует с хлором, образуя гексахлорциклогексан (гексахлоран) — вещество, ранее применявшееся как инсектицид, но запрещенное из-за высокой токсичности и медленного разложения в почве.

Реакции электрофильного замещения

Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения водорода, протекающие по механизму электрофильного замещения ($S_E$). Они используются для синтеза лекарств, красителей и других веществ.

Механизм реакции на примере бромирования включает три стадии:

1. Поляризация. Молекула брома поляризуется под действием катализатора — кислоты Льюиса (например, $FeBr_3$).
2. Образование $\sigma$-комплекса. Положительная частица $Br^+$ атакует кольцо. При этом атом углерода переходит в $sp^3$-гибридизацию, и ароматичность нарушается.
3. Восстановление ароматичности. От $sp^3$-атома отщепляется протон ($H^+$), сопряженная система восстанавливается, и образуется продукт замещения.

К другим важным реакциям $S_E$ относится сульфирование, при котором бензол реагирует с олеумом с образованием бензолсульфокислоты.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизм электрофильного замещения в деталях
• Специфика окисления длинных радикалов гомологов бензола
• Применение кислот Льюиса как катализаторов
• Экологические аспекты применения гексахлорана

Другие темы раздела «Глава 15. Углеводороды»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.