Методы получения бензола и его гомологов

Основным источником ароматических соединений является нефть. Различные сорта нефти существенно различаются содержанием ароматических углеводородов. Другим важным источником ароматических соединений является каменноугольная смола, получаемая в процессе производства кокса для целей металлургии.
Из синтетических способов получения бензола и его гомологов следует назвать:
1. В 1912 г. Н. Д. Зелинский осуществил ароматизацию циклогексана над платиновым катализатором и получил бензол. Он же в сотрудничестве с Б. А. Казанским в 1922 году получил бензол из ацетилена, пропуская последний через активированный древесный уголь при 450-500 С.
2. Ацетон при действии концентрированной серной кислоты образует 1,3,5-триметилбензол (мезитилен). Реакция представляет собой случай циклической кротоновой конденсации трех молекул кетонов. Подобным образом ведут себя все метилкетоны.
3. Реакцией ароматизации алканов с числом атомов углерода не менее 6 Н. Д. Зелинский, Б. А. Казанский и А. Ф. Платэ в 1912 году получили бензол из гексана, метилбензол из гептана и гомологи бензола из других алканов , пропуская их пары над платиной или палладием при 300 ⁰С, попутно получается водород.
Позднее аналогичные превращения были осуществлены нагреванием алканов с серой при 400 ⁰С или селеном при 500 ⁰С. Водород в этих случаях выделяется в виде сероводорода или селеноводорода.
4. Важным способом лабораторного получения гомологов бензола является алкилирование ароматических углеводородов по способу Фриделя-Крафтса, открытому в 1877 г. (см. свойства ароматических углеводородов выше). Однако, этим способом могут быть получены только алкилбензолы с разветвленными углеводородными радикалами.
5. Гомологи бензола с нормальными углеводородными цепями получают ацилированием бензола и его гомологов по Фриделю-Крафтсу и последующим восстановлением полученных фенилкетонов:

Небензоидные ароматические системы

Ароматические гетероциклы представляют собой плоские циклические системы, содержащие вместо одного или нескольких атомов углерода, атомы кислорода, серы, азота. Ароматическими их называют вследствие того, что они удовлетворяют всем критериям, присущим любой ароматической системе, а именно:

Система является циклической

Цикл является плоским

Имеется сопряжение по всему циклу, то есть возможность беспрепятственной делокализации любого из p-электронов по всей системе, благодаря наличию негибридизованных р-орбиталей. Число делокализованных p- электронов, участвующих в сопряжении, отвечает, согласно правилу Хюккеля, проявлению ароматических свойств, а именно, равно 4n+2, где n- любое натуральное число, включая 0. Среди ароматических гетероциклических соединений наиболее широко распространены и, соответственно, представляют наибольший интерес, пяти- и шести-членные гетероциклы, включающие в своем составе азот, серу и кислород, а также эти же системы, конденсированные с бензольным кольцом. К пятичленным циклическим системам с одним гетероатомом относятся: пиррол, фуран и тиофен, Из пятичленных гетероциклов с двумя гетероатомами наибольший практический интерес представляет имидазол. К конденсированным с бензольным кольцом пятичленным гетероциклам относятся: 2,3- бензопиррол (индол, I), 3,4-бензопиррол (изоиндол, II), бензимида-зол(III), бензофуран(IV) и 2,3-бензотиофен(V):

Наиболее важными из шестичленных гетероциклов являются: пиридин, пиримидин, хинолин (бензопиридин) и пурин.

Характерной особенностью пятичленных гетероциклических соединений является одновременное сочетание у них свойств как ароматического соединения, так и диена. Склонность к реакциям того и другого типов, однако, у них различна и связана с природой гетероатома. Так, “ароматические” свойства убывают в ряду: тиофен > пиррол > фуран. При этом их ароматические системы менее устойчивы, чем у бензола. При нахождении гетероатома в кольце он взаимодействует с его электронной системой по двум направлениям. Как более электроотрицательные элементы, азот, сера и кислород, оттягивают электронную плотность с кольца по индуктивному эффекту, распространяющемуся по системе p- связей. Однако решающий вклад вносит мезомерный эффект, имеющий в каждом из этих случаев противоположное индуктивному эффекту направление. Таким образом, молекула пятичленного гетероциклического соединения становится поляризована, где “положительным” центром поляризации служит гетероатом. Электрические моменты диполей убывают в том же порядке, что и ароматические свойства. Наиболее электроотрицательный кислород имеет меньшую склонность к обобществлению своей пары электронов в ароматической системе, поэтому фуран обладает наименьшими ароматическими свойствами в ряду тиофен-пиррол-фуран. Меньшая устойчивость ароматических систем у пятичленных гетероциклов объясняется двойственной природой np-электронной пары гетероатома, несоответствием валентных углов внутри цикла значению 120 градусов, характерному для sp²-гибридизованного атома углерода, а также сильной поляризацией связи углерод-гетероатом. В результате наибольшая электронная плотность сосредоточена на ближайших к гетероатому атомах углерода (a- положения). На удаленных от него b- атомах углерода электронная плотность ниже. Все это предопределяет химические свойства соединений этого класса. Пятичленные гетероциклы в целом легче вступают в реакции электрофильного замещения, по сравнению с незамещенным бензолом. Замещение проходит по положению 2, если оно занято, замещаются атомы у третьего атома углерода. Совершенно иначе сказывается наличие гетероатома (азота) в шестичленном цикле пиридина. Неподеленная пара электронов азота не участвует в образовании ароматической системы, поэтому, в отличие от пиррола, пиридин проявляет выраженные основные свойства, а в отличие от бензола, его ароматическая система обеднена электронной плотностью вследствие проявления отрицательного индуктивного эффекта азота. Поэтому пиридин вступает в реакции электрофильного замещения в значительно более жестких условиях, чем незамещенный бензол, и в положения 3 относительно азота. Одновременно для пиридина характерны реакции нуклеофильного замещения, идущие с большей легкостью, нежели у незамещенного бензола, по тем же причинам. Гетероциклические соединения чрезвычайно широко распространены в живой природе. Так, гетероциклы семейств пурина и пиримидина являются неотъемлемой частью нуклеиновых кислот, ответственных за хранение и передачу наследственной информации. Взаимодействие пуриновых и пиримидиновых производных по системе водородных связей лежит в основе процессов репликации, транскрипции и трансляции, основ функционирования любой живой клетки. В технике и в промышленности гетероциклические соединения находят применение в качестве растворителей (тетрагидрофуран, пиридин), компонентов красителей, являются важными компонентами очень многих синтетических лекарственных средств, исходными соединениями при синтезах целого ряда важных химических соединений.

Производные углеводородов

Галогеналканы.

К галогеналканам относятся предельные алифатические соединения, в молекулах которых присутствует атом галогена.

На приведенных примерах видно, что в классе галогеналканов наблюдается изомерия строения углеродного скелета (нормальная и разветвленная цепь), изомерия, обусловленная различным расположением галогена в молекуле, и оптическая изомерия, связанная с хиральностью атома углерода, как например, в 2-хлорбутане. Названия соединений по официальной номенклатуре (ИЮПАК) образуют, выбирая самую длинную неразветвленную цепь и указывая цифрами положения заместителей. Другой способ основан на принципе "алкилгалогенид" или "галогенистый алкил". Галогеналканы классифицируют по типу углеродного атома, при котором стоит галоген, на первичные, вторичный и третичные.

Строение галогеналканов

В строении галогенопроизводных предельных углеводородов важными факторами, влияющими на их реакционную способность, являются полярность и поляризуемость связи углерод-галоген. Количественно полярность связи может быть охарактеризована величиной дипольного момента. Наличие дипольного момента обусловлено разницей электроотрицательностей углерода и галогена, из-за которой электронная плотность смещена к галогену (-I-эффект). Дипольные моменты молекул галогеналканов имеют величины 1,8-2,0 D.

Таким образом, полярность связи дает представление о том, что галогеналканы могут вступать в реакции, сопровождающиеся разрывом связи С-галоген и образованием галогенид-ионов. Легкость этого процесса связана с энергией связи C-Hal, которая падает с увеличением номера галогена: C-F 485; C-Cl 339; C-Br 285; C-J 214 кДж/моль. В таких реакциях молекулу галогеналкана называют субстратом а атом галогена - уходящей группой. Наиболее подходящим реагентом в этих превращениях является частица, которая имеет доступную неподеленную электронную пару и способна легко отдать ее для образования s-связи с углеродом субстрата. Эти реагенты называются нуклеофилами и почти все они являются основаниями. Следует различать термины нуклеофил и основание, хотя они близки по смыслу. Основанием называют частицу, которая может отдать свою электронную пару протону или другой кислоте Льюиса. Анионы проявляют более высокую нуклеофильную активность и, как правило, являются более сильными основаниями. Так, гидроксид-, алкоголят-, амид-ионы обладают большей нуклеофильностью, чем соответствующие им молекулы вода, спирт, аммиак.