Б

Бензол

Бензол (также бензол) — первый представитель гомологического ряда ароматических углеводородов, молекулярная формула C 6 H 6. Бесцветная летучая жидкость с характерным запахом. Впервые получен Майклом Фарадеем из конденсата пиролиза китового жира в 1825 году.

Промышленно бензол добывали из фракций каменноугольной смолы, но с середины 20-го века практически весь промышленный объем бензола производится дегидрогенизации нефтяного сырья. Бензол имеет ценные свойства как растворитель, но из-за его высокой токсичности и канцерогенности такое использование пока очень ограничено. Это соединение является сырьем для промышленного органического синтеза, более двух третей бензола идет на производство циклогексана, кумола и етилбензену.

История исследования

Бензол — первый из открытых человеком аренов. В чистом виде он был выделен Майклом Фарадеем путем дистилляции кристаллизации из светящегося газа, является продуктом высокотемпературного разложения китового жира, и использовался в уличных фонарях. Тогда же была установлена ​​относительная плотность его паров и количественное соотношение между атомами элементов, входящих в его состав, на основе этих данных Фарадей подсчитал эмпирическую формулу — C 2 H 2. Ошибка в формуле была сделана из-за того, что в то время считалось, что атомная масса углерода составляет 6 а.о.м .. 1834 Митчерлих выделил бенезен путем сухой дистилляции бензойной кислоты с известью, он установил правильную эмпирическую формулу (C 6 H 6 ) и назвал это соединение «бензином» от бензойной кислоты Однако Либих предложил использовать название бензол, окончание которой взято из слова нем. Öl — масло. Современное название «бензол» рекомендуется к использованию IUPAC в связи с тем, что суффикс -ол соответствует спиртам. 1860 Кекуле назвал бензол и другие соединения с подобными свойствами ароматическими, потому, что большинство из них имели приятный запах.

На установке правильной эмпирической формулы бензола написания структурных формул органических соединений еще не было принятым в химии. Однако даже после того, как для многих алифатических углеводородов были предложены структурные формулы, для бензола это было сделать сложнее: формула C 6 H 6 свидетельствовала о принадлежности этого соединения до непредельных углеводородов, однако бензол в отличие от алкенов и алкинов лучше вступает в реакции замещения чем присоединение. В 1865 году Кекуле предложил для бензола структурную формулу в виде шестичленного цикла с тремя двойными связями, чередующиеся с одинарными. Широко известны утверждение о том, что идея циклической структуры бензола пришла к Кекуле, когда ему приснился змей, кусающая себя за хвост. В более поздних описаниях сна упоминается о шести обезьян, которые держат друг друга за задние лапы. На самом деле циклическую структуру бенезну впервые опубликовал в своей книге австрийский химик Йозеф Лошмидт 1861 и Кекуле видел это издание.

Формулы Кекуле не могли объяснить некоторые особенности бензола, например того, что не было двух разных изомеров 1,2-диметилбензену. 1872 ученый опубликовал статью, в которой отмечал, что хотя для бензола можно предположить существование двух различных валентных изомеров, реальная соединение является средним между этими двумя вследствие осцилляции (перехода) двойных связей. Однако даже такое дополнение не могло объяснить отличие бензола от известных ненасыщенных углеводородов, поэтому другие ученые продолжали предлагать альтернативные варианты структуры этого вещества. Среди них можно отметить формулы Дьюара 1867 и призматическую структуру Ладенбурга (1869). Сейчас известно, что такие соединения действительно можно синтезировать, они валентными изомерами бензола.

Из объяснений свойств бензола предложенных к открытию природы ковалентной связи, в ближайшее к современному является теория «парциальных валентностей» (от лат. Partialis — частичный) предложена Тиле в 1899 году. Согласно ей атомы углерода в ненасыщенных соединениях имеют частичные свободные валентности, которые в молекуле бензола «замыкаются» между собой, в результате чего разница между одинарными и двойными связями исчезает. Создание теории ковалентной связи позволило лучше понять структуру бенезену, в 1926 году Ингольд предположил, что в молекуле этого соединения электроны π-связей смещены к простым σ-связей, вследствие чего они не существуют в изолированном состоянии, а выравниваются между одинарными. Позже Лайнус Полинг исходя из квантово-механических представлений, предложил считать, что в молекуле бензола отсутствуют отдельные π-связи, а все их электроны объединены в сплошную π-облако.

В научной литературе для обозначения бензола используют как формулу Полинга, так и формулы Кекуле, хотя последние и не отражают структуру этой молекулы корректно.

Физические свойства

Бензол — бесцветная жидкость со своеобразным запахом. Плотность — 0.88 г / см³. При температуре 80.1 ° C кипит, а за 5.5 ° C замерзает в белую кристаллическую массу.

Бензол благодаря своей симметричности является неполярной веществом, поэтому не растворяется в воде, однако образует с ней азеотропную смесь (91.17 масс%) с температурой кипения 69.25 ° C. С большинством неполярных растворителей смешивается в любых отношениях, сам является хорошим растворителем для многих органических веществ.

В ультрафиолетовой области спектра поглощения проявляется рядом полос тонкой структуры с расстоянием между ними 5-6 нм (наиболее интенсивно оно наблюдается в диапазоне 170-120 нм и меньше в диапазоне — 270-240 нм).

Строение

Молекулярная формула — C 6 H 6. Рентгенографическими методами установлено, что молекула бензола имеет форму плоского шестиугольника с атомами углерода в вершинах. Все C-C связи имеют одинаковую длину, что составляет 0.140 нм. Это больше чем у двойного (0.134 нм) связи и меньше чем в одинарного (0.154 нм) связи. Бензол является неполярной соединением с нулевым дипольным моментом (μ).

Все атомы углерода в молекуле бензола находятся в состоянии sp 2 гибридизация. Tри гибридные орбитали расположены под углом 120 °, образуя C-C и C-H σ-связи. Hегибридни p-орбитали расположены перпендикулярно к плоскости молекулы, образуя сплошное электронное кольцо. С точки зрения теории валентных связей это кольцо можно рассматривать как суперпозицию двух резонансных структур воображаемого 1,3,5-циклогексатриену с изолированными двойными C = C связями. С точки зрения теории молекулярных орбиталей его можно рассматривать как результат делокализации вдоль шести атомов углерода трех π-орбиталей двойных C = C связей. Следствием делокализации является меньшая свободная энергия (большая стабильность) бензола по сравнению с 1,3,5-циклогексатриеном. Эта разница в энергии называется энергией сопряжения, делокализации или резонанса. Ее можно вычислить опираясь на теплоты гидрирования циклогексен и бензола:

  • теплота гидрирования циклогексену составляет 120 кДж / моль;
  • тогда ожидаемая теплота гидрирования 1,3,5-циклогексатриену должен составлять около 3 × 120 кДж / моль = 360 кДж / моль;
  • на самом деле теплота гидрирования бензола составляет 208 кДж / моль;
  • тогда энергия сопряжения составляет 360 кДж / моль — 208 кДж / моль = 152 кДж / моль.

Образование сплошной π-облака, содержащего шесть электронов, придает молекуле бензола так называемого ароматического характера. Карбоновый скелет молекулы бензола с таким характером связи называют бензольного кольцом, или бензольного ядра.

Химические свойства

Вследствие значительной устойчивости π-облака для бензола, в отличие от неароматических непредельных углеводородов, характерные реакции замещения, а не присоединения, поскольку они должны приводить к потере ароматичности, однако реакции присоединения также могут происходить за достаточно жестких условий. Замещение происходит электрофильным механизмом. Также бензол вступает в реакции окисления.

Реакции электрофильного замещения

Бензол вступает в реакции электрофильного замещения, происходящих по такому механизму: на первой стадии происходит образование π-комплекса между электрофилом (в форме катиона или сильно поляризованной молекулы E σ + -Nu σ-) и молекулой бензола, в результате перекрывания НСМО Электрофиль с ВЗМО ( π-облаком) бензола. После этого пара p-электронов выходит из сопряженного бензольного кольца и участвует в образовании σ-связи с электрофилом, таким образом π-комплекс превращается в σ-комплекс или интермедиат Уэлланда. Эта промежуточное соединение имеет положительный заряд и лишена ароматического характера, из-за чего менее устойчивой по сравнению с ароматическим кольцом, в которое обычно быстро превращается в результате отщепления протона (этот этап происходит через еще один промежуточный π-комплекс).

Алкилирование и ацилирование по Фриделем-Крафтса

Алкилирование бензола осуществляется алкилгалогенидами, алкенами и спиртами, ацилирование — карбоновыми кислотами, галогенангидриды и ангидридами, оба типа реакций катализируемых кислотами Льюиса. Эти реакции назван в честь их первооткрывателей Шарля Фриделя и Джеймса Крафтса.

Роль катализатора в этом типе реакций заключается в том, что он взаимодействует с алкилирующие или ацилюючим реагентом и обеспечивает образование карбкатион или поляризованного комплекса. Например, при взаимодействии Хлорметан и алюминий хлорида образуется комплекс с усиленной електрофильнистю атома углерода:

Примером реакции алкилирование может быть этилирования бензола хлорэтан.

Однако в промышленности етилбензен чаще получают реакцией с этиленом, которая также проходит в присутствии оксида алюминия, фосфорной или серной кислоты:

Продуктами реакций ацилирования бензола являются ароматические кетоны. Примером может быть реакция с ацетилхлоридом, продуктом которой является метиларилкетон:

Галогенирования

В отличие от ненасыщенных углеводородов бензол НЕ обесцвечивает бромную воду. Но для него характерны реакции галогенирования, происходящих по механизму электрофильного замещения, в присутствии кислот Льюиса. Например, при взаимодействии с бромом образуется бромбензол:

Нитрования

Характерной для бензола реакция нитрования использующая нитрующей смесь, которая состоит из концентрированной азотной кислоты и концентрированной серной кислоты как водоотнимающих средства. В этой реакции образуется нитробензен, что является предшественником в синтезе анилина

Сульфирование

При воздействии на бензол концентрированной серной кислоты происходит его сульфирования с образованием бензосульфоновои кислоты, может быть предшественником в синтезе фенола:

Реакции присоединения

Бензол вступает и в реакции присоединения, но значительно труднее, чем в реакции замещения. При этом он проявляет свойства непредельных углеводородов. Так, в присутствии никелевого катализатора и при нагревании происходит реакция гидрирования бензола с образованием циклогексана:

При этом атомы водорода присоединяются молекулой бензола за счет разрыва двойных связей. Бензол вступает также в реакцию присоединения одной, двух или трех молекул хлора. Эта реакция происходит свободнорадикальным механизмом для образования радикалов хлора необходимо ультрафиолетовый свет (достигается облучением ртутно-кварцевой лампой). Продуктом полного присоединения является гексахлорциклогексан:

Реакции окисления

На воздухе бензол горит сильно копоти пламенем, поскольку содержание углерода в нем значений. Смесь пары бензола с воздухом взрывная. Благодаря ароматическом характера бензол устойчив к воздействию окислителей: не окисляется раствором перманганата калия и азотной кислотой. В присутствии катализатора ванадий (V) оксида реагирует с молекулярным кислородом, в результате чего образуется малеиновый ангидрид:

Также бензол окисляется озоном, эта реакция исторически использовалась для установления его строения.

Получение и производство

На сегодняшний день существует несколько принципиально разных способов производства бензола.

  1. Коксования каменного угля. Этот процесс исторически был первым и служил основным источником бензола до Второй мировой войны. В последнее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 10%. Следует добавить, что бензол, получаемый из каменноугольной смолы, содержит значительное количество тиофена, что делает такой бензол сырьем, непригодным для ряда технологических процессов.
  2. Каталитический риформинг (аромайзинг) бензиновых фракций нефти. Этот процесс является основным источником бензола в США. В Западной Европе, России и Японии этим способом получают 40-60% от общего количества соединения. В этом процессе кроме бензола образуются толуол и ксилолы. Учитывая то, что толуол образуется в количествах, превышающих спрос на него, его также частично перерабатывают в: бензол — методом гидродеалкилирування; смесь бензола и ксилолов — методом диспропорционирования;
  3. Пиролиз бензиновых и более тяжелых нефтяных фракций. До 50% бензола производится этим методом. Наряду с бензолом образуются толуол и ксилолы. В некоторых случаях всю эту фракцию направляют на стадию деалкилирування, где и толуол, и ксилолы превращаются в бензол.
  4. тримеризация ацетилена

При пропускании ацетилена при 600 ° C над активированным углем с хорошим выходом образуется бензол и другие ароматические углеводороды (реакция Н. Д. Зелинского):

2 Н 2 → С 6 H 6

Применение

Бензол является важным сырьем для химической промышленности. Большие количества его идут для получения нитробензола, который по реакции М. М. Зинина восстанавливают в анилин:

В технике эту реакцию проводят при воздействии на бензол соляной кислоты в присутствии железных стружек. Железо, реагируя с кислотой, образует водород, который в момент выделения восстанавливает нитробензен. С анилина синтезируют самые органические красители и фармацевтические препараты. Значительные количества бензола используют для синтеза фенола, который идет на производство фенолформальдегидных смол. Гексахлорциклогексан, получаемый из бензола (реакция приведена выше), под названием гексахлоран применяется в сельском хозяйстве как один из самых эффективных средств для уничтожения насекомых. Кроме того, бензол используют для синтеза многих других органических соединений и как растворитель

Получение Вещество Применение
+ Cl 2 / AlCl 3 → C 6 H 5 Cl + Cl 2 / AlCl 3 → 1,4-дихлорбензен 1,4-дихлорбензен Инсектицид
+ NaOH / Cu → Фенол Фенол Растворитель, реагент для органического синтеза, пластмассы, красители, лекарства, взрывчатка
+ H 2 SO 4 → Бензосульфонова кислота (C 6 H 5 -SO 2 OH) + NaOH → Фенол
+ Пропен (CH 3 -CH = CH 2) → Кумены (C 6 H 5 -CH (CH 3) 2) + O 2 → Гидроперокисид Кумены (C 6 H 5 -C (CH 3) 2 -OOH) → Фенол + ацетон
+ HNO 3 → нитробензола + 6H → анилин Анилин (C 6 H 5 -NH 2) Красители, лекарства
+ H 2 / Ni → Циклогексан → Капролактам Капролактам Синтетические волокна
+ O 2 / V 2 O 5 → Малеиновая кислота → Малеиновый ангидрид Малеиновый ангидрид Полиэфиры
+ Этилен (CH 2 = CH 2) → Етилбензен (C 6 H 5 -CH 2 -CH 3) + ZnO → стирени (C 6 H 5 -CH = CH 2) + H 2 Стирен Пластмассы, синтетические каучуки
+ HOSO 2 Cl → Бензосульфанилхлорид (C 6 H 5 -SO 2 Cl) → Бензосульфаниламид Бензосульфаниламид Лекарства, красители

.

Ниже приведены процентное соотношение использования

  • Около 50% бензола превращают в этилбензол (алкилирование бензола этиленом)
  • около 25% бензола превращают в кумол (алкилирование бензола пропиленом)
  • примерно 10 — 15% бензола гидрируют в циклогексан;
  • около 10% бензола расходуется на производство нитробензола;
  • 2 — 3% бензола превращают в линейные алкилбензолы;
  • примерно 1% бензола используется для синтеза хлорбензола.

В существенно меньших количествах бензол используется для синтеза других соединений. Изредка и в крайних случаях, из-за высокой токсичности, бензол используется в качестве растворителя. Кроме того, бензол входит в состав бензина. Ввиду высокой токсичности его содержание новым стандартам ограничена введением до 5%.

Гомологи бензола

Бензол, как и другие углеводороды, образует свой ​​гомологический ряд, имеет общую формулу C n H 2n-6. Гомологи бензола можно рассматривать как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола различными углеводородными радикалами, образующие боковые цепи.

Самым простым гомологом бензола является метилбензен — продукт замещения атома водорода в молекуле бензола метильной группой — СН 3

Метилбензен, имеющий техническое название толуол, представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом. Температура кипения 110,6 ° C. Плотность 0,867 г / см По своим химическим свойствам метилбензен, или толуол, как другие гомологи бензола, очень близок к бензола. Так, при действии концентрированной азотной кислоты, в присутствии серной кислоты он легко поддается нитрования с образованием тринитротолуену — сильно взрывчатого вещества

Метилбензен (толуол) добывают из каменноугольной смолы и коксового газа вместе с бензола, а затем отделяют путем дробной перегонки. Метилбензен, или толуол применяют главным образом для производства взрывчатых веществ — тринитротолуену, который называют еще тротилом и толом. Кроме того, толуол служит сырьем для производства красителей и других органических продуктов.

Видео по теме

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Проверьте также
Закрыть
Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть