Węglowodory aromatyczne
Benzen, struktura, reakcje substytucji elektrofilowej, reguły kierujące, pochodne benzenu
Węglowodory aromatyczne
1. Benzen — struktura
Benzen (C₆H₆) — najprostszy węglowodór aromatyczny.
- Wzór Kekulégo: cykloheksa-1,3,5-trien z naprzemiennymi wiązaniami podwójnymi i pojedynczymi.
- Model współczesny: 6 elektronów π zdelokalizowanych nad i pod płaszczyzną pierścienia — wszystkie wiązania C—C są równoważne (długość 0,140 nm, między pojedynczym 0,154 i podwójnym 0,134).
Właściwości benzenu:
- Bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu
- T. wrz. = 80°C, T. top. = 5,5°C
- Nierozpuszczalny w wodzie, dobry rozpuszczalnik organiczny
- Rakotwórczy — praca z benzenem wymaga ostrożności
- Bardzo stabilny dzięki delokalizacji elektronów (aromatyczność)
2. Warunki aromatyczności (reguła Hückla)
Związek jest aromatyczny, gdy:
- Jest płaski
- Ma cykliczny układ sprzężonych wiązań podwójnych
- Liczba elektronów π = 4n + 2 (n = 0, 1, 2, …)
Benzen: 6 elektronów π → 4·1 + 2 = 6 ✓
3. Reakcje benzenu — substytucja elektrofilowa (SE)
Benzen nie ulega reakcjom addycji (w odróżnieniu od alkenów) — zamiast tego zachodzą reakcje substytucji (jeden H zostaje zastąpiony inną grupą):
a) Nitrowanie
C₆H₆ + HNO₃ →(H₂SO₄, temp.) C₆H₅NO₂ + H₂O
(nitrobenzen)
b) Sulfonowanie
C₆H₆ + H₂SO₄(stęż.) →(temp.) C₆H₅SO₃H + H₂O
(kwas benzenosulfonowy)
c) Halogenowanie
C₆H₆ + Cl₂ →(AlCl₃) C₆H₅Cl + HCl
(chlorobenzen)
C₆H₆ + Br₂ →(FeBr₃) C₆H₅Br + HBr
(bromobenzen)
Uwaga: bez katalizatora benzen nie reaguje z Br₂ (nie odbarwia wody bromowej — test rozróżniający od alkenów!).
d) Alkilowanie (Friedela-Craftsa)
C₆H₆ + CH₃Cl →(AlCl₃) C₆H₅CH₃ + HCl
(toluen = metylobenzen)
4. Pochodne benzenu — nazewnictwo
| Wzór | Nazwa zwyczajowa | Nazwa systematyczna |
|------|-----------------|-------------------|
| C₆H₅CH₃ | toluen | metylobenzen |
| C₆H₅OH | fenol | hydroksybenzen |
| C₆H₅NH₂ | anilina | aminobenzen |
| C₆H₅NO₂ | nitrobenzen | nitrobenzen |
| C₆H₅COOH | kwas benzoesowy | kwas benzenokarboksylowy |
| C₆H₄(CH₃)₂ | ksylen | dimetylobenzen |
5. Izomeria pochodnych dwupodstawionych
Dwa podstawniki na pierścieniu benzenu mogą być w pozycji:
| Pozycja | Numery | Prefiks |
|---------|--------|---------|
| orto (o-) | 1,2 | blisko siebie |
| meta (m-) | 1,3 | co jeden węgiel |
| para (p-) | 1,4 | naprzeciwko |
6. Reguły kierujące w substytucji
| Grupa | Kieruje w pozycje | Typ |
|-------|------------------|-----|
| —OH, —NH₂, —CH₃, —OCH₃ | orto i para | aktywujące (I i II rodzaju) |
| —NO₂, —COOH, —SO₃H, —CHO | meta | dezaktywujące |
| —Cl, —Br | orto i para | dezaktywujące, ale kierują w o/p |
7. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA)
| Związek | Wzór | Uwagi |
|---------|------|-------|
| Naftalen | C₁₀H₈ | dwa skondensowane pierścienie, naftalina |
| Antracen | C₁₄H₁₀ | trzy pierścienie w linii |
| Fenantren | C₁₄H₁₀ | trzy pierścienie kątowo |
| Benzo[a]piren | C₂₀H₁₂ | silnie rakotwórczy, w dymie papierosowym |
8. Toluen i jego reakcje
Toluen (C₆H₅CH₃):
- Utlenianie łańcucha bocznego: C₆H₅CH₃ + 2KMnO₄ → C₆H₅COOK + 2MnO₂ + KOH + H₂O
- Nitrowanie toluenu: prowadzi do TNT (2,4,6-trinitrotoluen) — materiał wybuchowy
9. Najczęstsze błędy
- Traktowanie benzenu jak alkenu (benzen nie odbarwia wody bromowej!).
- Zapominanie o katalizatorze (AlCl₃, FeBr₃) w reakcjach substytucji.
- Mylenie reguł kierujących (grupa —OH kieruje w orto/para, a —NO₂ w meta).
- Rysowanie benzenu z izolowanymi wiązaniami podwójnymi zamiast kółka.