Номенклатура аренов
Зачем изучать ароматичность
linkОпора
- Урок 33. Номенклатура алканов — называть разветвлённые алканы и рисовать их по названию
По формуле Кекуле в бензоле три двойные связи, и можно ожидать, что он будет вести себя как алкен. Но бензол не обесцвечивает бромную воду, не окисляется холодным раствором перманганата и с трудом присоединяет водород. Он реагирует с бромом только в присутствии катализатора, и при этом атом брома замещает атом водорода, а шестичленное кольцо с тремя двойными связями сохраняется.
Причина — ароматичность: особая устойчивость циклических сопряжённых систем, в которых π-электроны делокализованы по всему кольцу. Ароматичность объясняет химию бензола и его производных, строение многих гетероциклов — пиридина, пиррола, фурана, оснований нуклеиновых кислот, — а также необычную устойчивость некоторых ионов. Чтобы предсказывать свойства таких веществ, нужно уметь определять, ароматична ли молекула или ион. Этому и посвящена тема.
Как построена эта тема
Сначала мы научимся называть производные бензола и считать их изомеры (урок 169), затем разберём строение бензола и энергию его ароматической стабилизации (урок 170). Уроки 171–173 посвящены правилу Хюккеля, классам ароматических, антиароматических и неароматических соединений и кругу Фроста. В уроке 174 мы применим эти правила к ионам и гетероциклам, в уроке 175 — к конденсированным системам: нафталину, антрацену, фенантрену и азулену. Урок 176 посвящён получению аренов.
edit_noteПопробуйте сами
Сколько π-электронов в молекуле бензола? Почему бензол не обесцвечивает бромную воду, хотя в его формуле есть двойные связи?
expand_moreПоказать решение
В бензоле шесть π-электронов: по одному от каждого из шести атомов углерода. Они делокализованы по всему кольцу, и присоединение брома нарушило бы эту устойчивую систему. Поэтому бензол не присоединяет бром, а в присутствии катализатора вступает в замещение, при котором кольцо сохраняется.
Монозамещённые и дизамещённые
Производные бензола называют по общим правилам номенклатуры (урок 33): перечисляют заместители и добавляют основу «бензол». Однако многие арены известны с XIX века и сохранили тривиальные названия, которые нужно знать, потому что в задачах они встречаются чаще систематических.
Как назвать производное бензола
- Один заместитель: приставка + «бензол» (бромбензол) или тривиальное название (толуол, фенол, анилин, анизол, стирол, кумол).
- Два заместителя: орто (1,2), мета (1,3), пара (1,4) — или номера.
- Если группа даёт основу названия (OH, \(\ce{NH2}\), COOH, CHO, \(\ce{CH3}\) в толуоле), её атом — C1.
- Несколько заместителей — наименьшие номера; по алфавиту.
Примеры
1. Монозамещённые бензолы. Метилбензол называют толуолом, изопропилбензол — кумолом, а бензолкарбальдегид — бензальдегидом.
2. Дизамещённые бензолы. Положения 1,2, 1,3 и 1,4 обозначают приставками орто, мета и пара: 1,2-диметилбензол — орто-ксилол, 3-метилфенол — мета-крезол, 4-метиланилин — пара-толуидин.
3. Заместитель при тривиальной основе. Если основа названия — толуол или фенол, её функциональная группа получает номер 1: 3-хлортолуол (мета-хлортолуол) и 4-бромфенол (пара-бромфенол).
errorБензил — не фенил
Фенил \(\ce{C6H5\bond{-}}\) — это остаток, связанный непосредственно атомом кольца, а бензил \(\ce{C6H5CH2\bond{-}}\) присоединён через группу \(\ce{CH2}\). Бензилхлорид \(\ce{C6H5CH2Cl}\) и хлорбензол \(\ce{C6H5Cl}\) — разные вещества с совершенно разными свойствами: у первого хлор при насыщенном атоме и легко замещается, у второго — при ароматическом кольце и почти не замещается.
edit_noteПопробуйте сами
Назовите \(\ce{C6H4(NO2)2}\) с нитрогруппами у соседних атомов.
expand_moreПоказать решение
1,2-Динитробензол (орто-динитробензол).
Изомеры аренов
Номенклатура из первой части урока позволяет пересчитать изомеры замещённых бензолов. Перебирают положения заместителей в кольце и убирают те варианты, которые совпадают из-за симметрии молекулы.
Как перебрать изомеры замещённого бензола
- Сначала — состав боковых цепей (одна большая или несколько малых).
- Для двух заместителей — орто, мета, пара.
- Для трёх одинаковых — 1,2,3; 1,2,4; 1,3,5.
- Число монозамещённых производных — по числу типов атомов водорода кольца.
Примеры
1. Изомеры \(\ce{C7H7Br}\). Бром может быть в боковой цепи (бензилбромид) или в кольце в орто-, мета- и пара-положении к метилу — всего четыре ароматических изомера.
2. Мононитропроизводные дихлорбензолов. У пара-дихлорбензола все четыре атома водорода кольца равноценны — одно мононитропроизводное; у орто-изомера два типа водородов — два продукта; у мета-изомера три типа — три продукта.
errorСимметрия сокращает число изомеров
Эквивалентные положения кольца дают один и тот же продукт замещения, поэтому число монозамещённых производных равно числу типов неэквивалентных атомов водорода. У пара-дизамещённого бензола с одинаковыми заместителями все четыре водорода кольца одинаковы, и продукт замещения только один.
edit_noteПопробуйте сами
Сколько мононитропроизводных у этилбензола (по кольцу)?
expand_moreПоказать решение
Три: орто, мета, пара.
push_pinГлавное
Монозамещённые бензолы называют приставкой к «бензолу» (хлорбензол, нитробензол) или тривиально: толуол, фенол, анилин, анизол, бензойная кислота, бензальдегид, ацетофенон, стирол, кумол. Дизамещённые: орто (1,2), мета (1,3), пара (1,4). Если одна группа даёт тривиальное название, её атом — C1 (4-нитротолуол, 3-бромфенол). Группы: фенил \(\ce{C6H5\bond{-}}\), бензил \(\ce{C6H5CH2\bond{-}}\), арил.
Закрепите теорию: 11 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.