Общая химия

Бензол — бесцветная жидкость с характерным запахом; температура кипения ^^^ , температура плавления ^^^ . Ароматические свойства бензола, определяемые особенностями его структуры, выражаются в относительной устойчивости бензольного ядра, несмотря на непредельность бензола по составу. Так, в отличие от непредельных соединений с этиленовыми двойными связями, бензол устойчив к действию окислителей; например, подобно предельным углеводородам, он не обесцвечивает раствор перманганата калия. Реакции присоединения для бензола не характерны, наоборот, для него, как и для других ароматических соединений, характерны реакции замещения атомов водорода в бензольном, ядре. Ниже приведены важнейшие из таких реакций.

Реакция галогенирования. При действии брома или хлора (в присутствии катализаторов) образуются галоген производные:

Реакция сульфирования. При действии концентрированной серной кислоты (при нагревании) образуются сульфокислоты:

Реакция нитрования. При действии концентрированной азотной кислоты (в присутствии концентрированной ^^^ ) образуются нитросоединения:

Нитрованием толуола получают взрывчатое вещество — тринитротолуол (тротил, или гол):

Многие другие ароматические полинитросоединения (содержащие три и более нитрогрупп — ^^^ ) также используются как взрывчатые вещества. Нитросоединения могут быть восстановлены в амины (§ 175).

Из сказанного следует, что формула бензола в виде цикла с чередующимися двойными и простыми связями (формула Кекуле) неточно выражает природу связей между атомами углерода в бензольном ядре. В соответствии с этой формулой в бензоле должно быть три локализованных ^^^ -связи, т. е. три пары ^^^ -электронов, каждая из которых фиксирована между двумя атомами углерода — схема (1); если обозначить эти ^^^ -электроны точками, то строение бензола следует представить схемой (2);

- 462 -

Однако опыт показывает, что в кольце бензола ^^^ обычных двойных связей, чередующихся с ^^^ , и что все связи между С-атомами в бензоле равноценны. Длина каждой из них (0,140 нм) имеет промежуточное значение по сравнению с длиной простой связи ^^^ нм) и этиленовой двойной связи ^^^ в других (неароматических) органических соединениях.

Каждый из атомов углерода в кольце бензола находится в состоянии ^^^ -гибридизации и затрачивает по три валентных электрона на образование ^^^ -связей с двумя соседними атомами углерода и с одним атомом водорода. При этом все шесть атомов углерода и все ^^^ -связи ^^^ и ^^^ лежат в одной плоскости (рис. 131). Облако четвертого валентного электрона каждого из атомов углерода (т. е. облако р-электрона, не участвующего в гибридизации) имеет форму объемной восьмерки («гантели») и ориентировано перпендикулярно плоскости бензольного кольца. Каждое из таких ^^^ облаков перекрывается над и под плоскостью кольца с р-электронньши облаками двух соседних атомов углерода. Это показано на рис. 132, а и, в проекции, на рис. 132,б. Плотность облаков ^^^ -электронов в бензоле равномерно распределена между всеми связями ^^^ . Иначе говоря, шесть ^^^ -электронов обобщены всеми углеродными атомами кольца и образуют единое кольцевое облако (ароматический электронный секстет). Так объясняется равноценность (выравненность) ароматических связей, обусловливающих характерные (ароматические) свойства бензольного ядра. Равномерное распределение облака ^^^ -электронов и выравненность связей в бензоле иногда изображают формулой (3) (стр. 462).

Рис. 131. Схема образования ^^^ -связей в молекуле бензола.

- 463 -

Рис. 132. Схема перекрывания д-электронных облаков в молекуле бензола.

Рис. 133. Сегментовая модель молекулы бензола.

Соответственно, вместо общепринятого символа бензольного ядра в виде шестиугольника с чередующимися двойными и простыми связями, отвечающего формуле Кекуле (1а), бензол изображают шестиугольником с кружочком внутри (3а):

На рис. 133 представлена сегментовая модель молекулы бензола.

С точки зрения метода наложения валентных схем структуру молекулы бензола, представленную формулой (3), следует рассматривать как промежуточную между двумя возможными структурами бензола, выражаемыми формулами Кекуле:

Поскольку в молекуле бензола три электронные пары являются общими для всех шести атомов углерода бензольного кольца, образуемые ими связи — шестицентровые (см, § 44).

168. Галогенпроизводные углеводородов.

Галогенпроизводными называют соединения, которые можно рассматривать как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле углеводорода атомами галогенов. Ниже приведены примеры соединений этого класса.

Метилендихлорид ^^^ (хлористый метилен, ^^^ ) - жидкость (темп. кип. 40,1 ^^^ ); применяется как растворитель.

- 464 -

Хлороформ CHCl₃ (трихлорметан) - жидкость (темп. кип. 61,2 ^^^ ); применяется для наркоза при хирургических операциях ^^^ как растворитель.