Химические свойства ароматических соединений

Бензольное ядро обладает высокой прочностью, чем и объясняется склонность ароматических углеводородов к реакциям замещения. В отличие от алканов, которые также склонны к реакциям замещения, ароматические углеводороды характеризуются большой подвижностью атомов водорода в ядре, поэтому реакции галогенирования, нитрования, сульфирования и др. протекают в значительно более мягких условиях, чем у алканов.

5.1. Электрофильное замещение в бензоле

Несмотря на то, что бензол по составу является ненасыщенным соединением, для него нехарактерны реакции присоединения. Типичными реакциями ароматических соединений являются реакции замещения атомов водорода – реакции электрофильного замещения.

Рассмотрим примеры наиболее характерных реакций этого типа.

5.1.1. Галогенирование.

При взаимодействии бензола с галогеном (в данном случае с хлором) атом водорода ядра замещается галогеном.

+ Cl₂ à + H₂O

(хлорбензол)

Реакции галогенирования осуществляются в присутствии катализатора, в качестве которого чаще всего используют хлориды алюминия или железа.

Рассмотрим механизм реакции электрофильного замещения в ряду бензола на примере реакции хлорирования.

Первичной стадией является генерирование электрофильной частицы. Она образуется в результате гетеролитического расщепления ковалентной связи в молекуле галогена под действием катализатора и представляет собой хлорид-катион.

Cl:Cl + AlCl₃ à Cl⁺ + AlCl₄^-

Образующаяся электрофильная частица атакует бензольное ядро, приводя к быстрому образованию нестойкого π- комплекса, в котором электрофильная частица притягивается к электронному облаку бензольного кольца.

+ Cl⁺ à Cl⁺

                       π-комплекс

Иными словами, π-комплекс – это простое электростатическое взаимодействие электрофила и π-электронного облака ароматического ядра.

Далее происходит переход π-комплекса в σ-комплекс, образование которого является наиболее важной стадией реакции. Электрофильная частица "захватывает" два электрона p-электронного секстета и образует σ-связь с одним из атомов углерода бензольного кольца.

Cl⁺ à

                   σ-комплекс

σ- Комплекс – это катион, лишенный ароматической структуры, с четырьмя p-электронами, делокализованными (иначе говоря, распределенными) в сфере воздействия ядер пяти углеродных атомов. Шестой атом углерода меняет гибридное состояние своей электронной оболочки от sp² до sp³, выходит из плоскости кольца и приобретает тетраэдрическую симметрию. Оба заместителя – атомы водорода и хлора располагаются в плоскости, перпендикулярной к плоскости кольца.

На заключительной стадии реакции происходит отщепление протона от σ- комплекса и ароматическая система восстанавливается, поскольку недостающая до ароматического секстета пара электронов возвращается в бензольное ядро.

à   + H⁺

Отщепляющийся протон связывается с анионом четыреххлористого алюминия с образованием хлористого водорода и регенерацией хлорида алюминия.

H⁺ + AlCl₄^- à HCl + AlCl₃

Именно благодаря такой регенерации хлорида алюминия для начала реакции необходимо очень небольшое (каталитическое) его количество.

5.1.2. Нитрование.

При действии на бензол нитрующей смеси атом водорода замещается нитрогруппой (нитрующая смесь – это смесь концентрированных азотной и серной кислот в соотношении 1:2 соответственно).

+ HNO₃ à + H₂O

(нитробензол)

Серная кислота в данной реакции играет роль катализатора и водоотнимающего средства.

5.1.3. Сульфирование.

Реакция сульфирования осуществляется концентрированной серной кислотой или олеумом (олеум – это раствор серного ангидрида в безводной серной кислоте). В процессе реакции водородный атом замещается сульфогруппой, приводя к моносульфокислоте.

+ H₂SO₄ à + H₂O

(бензолсульфокислота)

5.1.4. Алкилирование (реакция Фриделя-Крафтса).

При действии на бензол алкилгалогенидов в присутствии катализатора (хлористого алюминия) осуществляется замещение R-углеводородным радикалом атома водорода бензольного ядра.

+ R–Cl à + HCl

(R-углеводородный радикал)

Следует отметить, что реакция алкилирования представляет собой общий способ получения гомологов бензола - алкилбензолов.

Реакции присоединения.

Несмотря на склонность бензола к реакциям замещения, он в жестких условиях вступает и в реакции присоединения.

5.2.1. Гидрирование.

Присоединение водорода осуществляется только в присутствии катализаторов и при повышенной температуре. Бензол гидрируется с образованием циклогексана, а производные бензола дают производные циклогексана. Катализаторы никель, платина или палладий.

+ 3H₂ à

(циклогексан)

Присоединение галогенов.

На солнечном свету под воздействием ультрафиолетового излучения бензол присоединяет хлор и бром с образованием гексагалогенидов, которые при нагревании теряют три молекулы галогеноводорода и приводят к тригалогенбензолам.

+ 3Cl₂ à         à      + 3HCl

                        гексахлорциклогексан сим-трихлорбензол

5.3. Окисление.

Бензольное ядро более устойчиво к окислению, чем алканы. Даже перманганат калия, азотная кислота, пероксид водорода в обычных условиях на бензол не действуют. При действии же окислителей на гомологи бензола ближайший к ядру атом углерода боковой цепи окисляется до карбоксильной группы и дает ароматическую кислоту.

+ 2KMnO₄ à + 2MnO₂ + KOH + H2O

                       (калиевая соль бензойной кислоты)

+ 4KMnO₄ à + K₂CO₃ + 4MnO₂ + H₂O + KOH

Во всех случаях, независимо от длины боковой цепи образуется бензойная кислота.

При наличии в бензольном кольце нескольких заместителей можно окислить последовательно все имеющиеся цепи.

+ [ O ] à

                                              (терефталевая кислота)