Арени - малюнок

Арени — класифікація, види, особливості будови



Бензол та інші ароматичні вуглеводні мають якісні відмінності від інших пов’язаних полієнів. Тому їх розглядають як окремий клас, званий аренами, із загальною формулою CnH2n-6.

Самі сполуки досить токсичні, деякі з них є канцерогенами. Вдихати їх пари не рекомендується, хоча велика частина представників аренів приємно пахнуть.

Арени - види і схема

Особливості структури

Термін “ароматичний” був присвоєно класу ще до того, як був виявлений фізичний механізм, що визначає ароматичність. Його придумали просто тому, що більшість аренів мають солодкий запах. Бензольним кільцем називають конфігурацію з шести атомів вуглецю. Воно притаманне майже всім представникам класу, які можуть бути як моноциклічними, так і поліциклічними.

Деякі, не засновані на бензолі сполуки, звані гетероаренами, що слідують правилу Хюккеля, також називаються ароматичними. У них щонайменше один атом вуглецю замінений одним з гетероатомів кисню, азотом або сіркою. Прикладом таких речовин є гетероциклічна сполука фуран з п’ятичленним кільцем і атомом кисню. А також піридин з шестичленним кільцем і азотом.

Найпростішим представником гомологічного ряду аренів є бензол (C6H6).

Його структурний вигляд – це плоска молекула у формі правильного шестикутника. У ній всі вуглець-вуглецеві зв’язки мають однакову довжину. Молекулярна будова включає 6 p-електронів делокалізованих вище і нижче площини кільця. Така особливість робить бензол дуже стабільним.

Арени - ароматичні вуглеводні

Наступний представник – це метилбензол (толуол), у якого один з атомів водню приєднаний до кільця і замінений метильною групою — C6H5CP3. До характерних властивостей ароматичних вуглеводнів відносяться:

  • володіють ароматичністю;
  • всі з’єднання мають ізомерію бічних ланцюгів;
  • мають високе співвідношення вуглецю і водню;
  • легко горять;
  • піддаються реакціям електрофільного і нуклеофільного ароматичного заміщення.

Реакція, яка утворює сполуки арена з повністю або частково ненасиченим попередником, називається просто — ароматизацією.

Існує багато лабораторних способів синтезу аренів. Наприклад, ароматизація циклогексанів та інших аліфатичних кілець. У таких реакціях реагенти являють собою каталізатори, що використовуються в гідруванні, такі як:

  • платина;
  • паладій;
  • нікель.

Для отримання аренових сполук як сировину використовують нафту і нафтопродукти.

Фізичні властивості бензену

Фізичні та хімічні властивості аренів

Летючі ароматичні вуглеводні легко запалюються і горять яскравим полум’ям з кіптявою, залишаючи мало вуглецевого залишку.

Крім горіння, виділяють наступні фізичні властивості аренів:

  • Точка кипіння. Оскільки на бензольній молекулі немає постійного диполя, єдине тяжіння між ними — дисперсійні сили Ван-дер-Ваальса. Бензол кипить при 80 °C, що значно вище, ніж у інших вуглеводнів схожого молекулярного розміру (наприклад, пентана і гексана). Метилбензол кипить при 111 °C. Це велика молекула і вона має постійний диполь.
  • Точка плавлення. Бензол плавиться при 5,5 °C, толуол при -95 °C. Молекули повинні ефективно упаковуватися у твердому тілі, якщо вони хочуть якнайкращим чином використовувати свої молекулярні сили. Метильна група, що знаходиться в метилбензолі, має тенденцію порушувати щільність упаковки. Тому температура плавлення у нього нижче.
  • Розчинність у воді. Арени такою властивістю не володіють. Бензол досить великий у порівнянні з молекулою води. Треба сказати, що для розчинення бензольному з’єднанню довелося б розірвати безліч існуючих водневих зв’язків між частинками води. При цьому потрібно ще зламати дисперсійні сили. Обидва ці заняття вимагають великої кількості енергії.

Основними типами хімічних реакцій за участю ароматичних кілець є приєднання, окислення і заміщення. Остання – найпоширеніша.

Виведення бензену

Хімічні властивості аренів:

  • Ароматичне заміщення. Один замісник в ареновому кільці, зазвичай водень, замінюється іншим. Двома основними типами є електрофільне і нуклеофільне ароматичне заміщення. А також нітрування, наприклад, саліциловою кислотою, алкілування та інші.
  • Поєднання. Тут метал каталізує зв’язок між двома фрагментами формального радикала. Зазвичай такі реакції з аренами призводять до утворення нових вуглець-вуглецевих зв’язків. Наприклад, алкіларенів, вініларенів, біарилів, анілінів (вуглець-азотні зв’язки) або арілоксиз’єднань (вуглець-кисень).
  • Гідрування. Ця реакція створює насичені кільця. Наприклад, з’єднання резорцину, гідроване нікелем Ренея в присутності одного гідроксиду натрію, утворює еноли, які алкілюються йодистим метилом до 2-метил-1,3-циклогександіону.
  • Приєднання. Реакція циклоприєднання не поширена.
  • Деароматизація. В органічній хімії являє собою реакцію, при якій продукти втрачають ароматичність. Тут арени виступають реагентами.

Ароматичні сполуки мають високі показники поглинання і заломлення УФ і видимої частини спектра.

Структурна формула бензену

Класифікація та номенклатура

Більшість похідних бензолу отримали досить тривіальні назви. Наприклад, назва для C6H5-феніл. Більш складні кільцеві системи, що мають два і більше бензольних кільця, мають несистематичні найменування і нелогічні системи нумерації. Вони описані як багатоядерні ароматичні вуглеводні.

Три найбільш важливих

  • нафталін;
  • антрацен;
  • фенантрен.

Назви, які були дані цим та іншим складним типам сполук, здебільшого не інформативні щодо їх структур. Класифікацію аренів можна представити у вигляді таблиці:

Системи π-зв’язку, кількість π-електронів Представники Пояснення
2 похідні катіону (перхлорат циклопропенілія)
6 бензол і гомологічні сполуки
діаніон циклобутадиена
пірол, фуран и др.
циклопентадієн-аніон
10 нафталін конденсовані бензольні кільця, широко зустрічаються в природі
азулен входить до складу ефірних олій
азонін
індол поширені в природі
пурин містять атоми азоту
14 фенантрен такі сполуки називають полігенами
[14]-анулен
від 15 і більше кекулен
коронен антиароматичний, його π-електронна система 18 зовнішніх і 6 внутрішніх електронів
18-аннулен

Якщо бензольне кільце не може розташуватися в площині, один його атом виводиться з неї. При цьому він зберігає sp3-гібридизацію, а також не бере участі в сполученні. Такі сполуки класифікуються як гомоароматичні.

Типовий представник — трисгомоциклопропенільний катіон. Ще один вид – спіроароматичні системи, які підкоряються правилу Хюккеля. Прикладом служить [4,2] спірен.

Електронна будова бензену

Галузь застосування аренів

Багато хто, можливо, і не чув про бензол і його похідні, але швидше за все всі стикалися з продуктами, виробленими з нього кожен день. Пластмаси, миючі засоби, пестициди і навіть барвники, що використовуються для фарбування одягу, харчових і фармацевтичних продуктів, виготовляються із застосуванням бензольних сполук.

Молекули похідних бензолу досить універсальні тому вони широко використовуються в промисловості.

Першим варто виділити етилбензол. Замінює один з атомів водню, приєднаних до кільця, етильною групою. Етилбензол знаходиться в кам’яновугільній смолі і нафті. З нього виробляють чорнило, пестициди, фарби та інші хімікати. Однак основне застосування етилбензолу полягає у виробництві стиролу, а потім полістиролу:

  • Стирол. Використовується для виготовлення латексу і синтетичного каучуку. Можна подивитися на нижню частину придверного килимка, який зазвичай є в кожному будинку. Його гумова підкладка, швидше за все, зроблена зі стирол-бутадієнового каучуку – різновиду стиролу. Він також використовується для конвеєрних стрічок, підлогових покриттів, ізоляції проводів і навіть для гумових взуттєвих підошов.
  • Полістирол. Виготовляється зі стиролу. Є поширеним матеріалом для виробництва упаковки для харчових продуктів, одноразових стаканчиків, контейнерів.

У якийсь момент більшість людей приймає аспірин для лікування головного болю, ударів або зниження температури. Цей препарат, насправді, зроблений із застосуванням фенолу, ще одним похідним бензолу.

Формула бензену

Він також використовується у виготовленні пластмас, вибухових речовин і барвників, що використовуються для одягу і харчових продуктів (азобарвник). Сам фенол часто застосовується як антисептик та дезинфікуючий засіб в побутових складах, звичайно ж, в низьких концентраціях.

До речі, фенол був одним з перших антисептичних засобів застосованих в хірургії Джозефом Лістером.

Ще одним універсальним похідним бензолу є анілін. Анілін використовується для виробництва багатьох продуктів, як і попередні представники. Наприклад, він входить до складу ацетамінофену, або тиленола – іншого безрецептурного знеболюючого засобу. Застосовується в процесах деревообробки. Всі яскраві елементи меблів виготовлені з його участю.

Толуол нині часто використовується як замінник бензолу, наприклад, як присадка до палива. Властивості обох розчинників схожі, але цей менш токсичний і має ширший діапазон вмісту рідини. Бензол також використовують як бензинова добавка, він підвищує октанове число і знижує детонацію.

Всі ароматичні сполуки проявляють унікальні хімічні та фізичні властивості завдяки своїй додатковій стабільності.

Застосування аренів досить масштабне і поширюється на багато галузей промисловості. Наприклад, фенантрен є проміжним продуктом різних синтетичних процесів для виробництва барвників, вибухових речовин і ліків, а катехін (пірокатехіл) — один з ключових компонентів фотографічного проявника.

Отримання бензену

Вплив на людину

Ароматичні вуглеводні виділяються, головним чином, в результаті антропогенних процесів, наприклад, через неповне згоряння органічного палива. Їх знаходженню в навколишньому середовищі сприяють такі природні явища, як:

  • виверження вулканів;
  • лісові пожежі.

Арени присутні в навколишньому середовищі у вигляді частинок або в газоподібній формі, в залежності від їх летючості. В атмосфері ці сполуки реагують з іншими забруднювачами, такими як:

  • діоксид сірки;
  • оксид азоту;
  • озон.

На людей впливає суміш ароматичних вуглеводнів в газоподібніх або дисперсніх формах. Деякі арени вважаються канцерогенами, вдихання яких несе потенційний ризик для здоров’я. Це пов’язано з виникненням раку легенів.

Реакції отримання ароматичних вуглеводнів

Основними джерелами токсичних викидів є:

  • Опалення та приготування їжі шляхом спалювання і піролізу вугілля, нафти, газу, сміття і деревини.
  • Викиди від промислової діяльності. Наприклад, при виробництві первинного алюмінію і коксу, гумових шин і цементу, бітуму і асфальту, тепла і електроенергії, спалюванні відходів.
  • Мобільні джерела. Вихлопні гази від транспортних засобів, включаючи автомобілі, залізниці, кораблі, літаки та інші.
  • Сільське господарство. Ароматичні сполуки утворюються в результаті відкритого спалювання біомаси.

Ароматичні вуглеводні можуть потрапити в організм людини в процесі дихання, при вживанні їжі або води, а також через шкірні покриви. Вони транспортуються в усі органи і тканини, які містять жирові клітини.

При багаторазовому тривалому впливі арени накопичуються в печінці, нирках, селезінці і навіть яєчниках, викликаючи зростання ракових клітин. Крім цього, сполуки можуть сприяти розвитку серцево-судинних захворювань.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *