§ 20. Хімічныя ўласцівасці, атрыманне і прымяненне бензолу

Хімічныя ўласцівасці бензолу

Як вы ўжо ведаеце, у малекуле бензолу маецца ўстойлівая спалучаная сістэма π-сувязей. Таму для бензолу характэрны рэакцыі замяшчэння, так як у гэтых рэакцыях спалучаная сістэма захоўваецца. Наадварот, рэакцыі далучэння для бензолу малахарактэрны. Так, бензол не абясколервае бромную ваду, але ў прысутнасці каталізатара ён уступае з бромам у рэакцыю замяшчэння.

1. Галагенаванне

Для ажыццяўлення гэтай рэакцыі бензол змешваюць з бромам у колбе і дабаўляюць каталізатар FeBr₃. Пры гэтым працякае рэакцыя замяшчэння аднаго атама вадароду на бром:

Аб працяканні рэакцыі можна меркаваць па вылучэнню бромавадароду, які змяняе колер вільготнай індыкатарнай паперкі, змешчанай у верхнюю частку колбы. Прадукт брамавання бензолу называецца бромбензол.

Як відаць, у гэтай рэакцыі адзіная сістэма π-электронаў захоўваецца.

Падобным чынам праводзяць і хлараванне бензолу:

2. Нітраванне

Так называюцца рэакцыі, у выніку якіх у малекулу арганічнага злучэння ўводзіцца група NO₂, якая называецца нітрагрупай.

Калі да сумесі канцэнтраваных азотнай і сернай кіслот дабавіць бензол і крыху падагрэць, адбываецца рэакцыя нітравання бензолу, у выніку якой утвараецца цяжкая жаўтаватая вадкасць з пахам горкага міндалю — нітрабензол:

Дадзеная рэакцыя, таксама як і галагенаванне, адносіцца да рэакцый замяшчэння — адзін атам вадароду ў малекуле бензолу замяшчаецца на групу NO₂.

Сумесь канцэнтраваных азотнай і сернай кіслот называецца нітруючай сумессю. У нітруючай сумесі азотная кіслата выконвае ролю нітруючага рэагента, а серная кіслата з’яўляецца каталізатарам.

З нітраваннем гамолага бензолу — талуолу, прадуктам якога з’яўляецца выбуховае рэчыва, вы можаце пазнаёміцца, перайшоўшы па спасылцы ў QR-кодзе.

3. Гідрыраванне

У жорсткіх умовах бензол можа ўступаць у рэакцыі далучэння.

Прыкладам рэакцыі далучэння з удзелам бензолу з’яўляецца яго гідрыраванне, якое працякае пры тэмпературы каля 200 °С пад ціскам у прысутнасці каталізатараў гідрыравання (нікель або плаціна). Пры гэтым адна малекула бензолу далучае адразу тры малекулы вадароду і ператвараецца ў цыклагексан:

Рэакцыя гідрыравання бензолу працякае ў больш жорсткіх умовах, чым у выпадку алкенаў, так як у малекуле бензолу ў ходзе гідрыравання разбураецца ўстойлівая спалучаная сістэма π-сувязей.

З рэакцыяй далучэння хлору да бензолу вы можаце пазнаёміцца, перайшоўшы па спасылцы ў QR-кодзе.

4. Гарэнне

Падобна ўсім вуглевадародам, бензол гарыць. Ураўненне рэакцыі гарэння бензолу:

Атрыманне бензолу

З прыродных крыніц

Дзякуючы высокай устойлівасці спалучанай сістэмы π-сувязей, араматычныя фрагменты сустракаюцца ў саставе каменнага вугалю. Таму адным са спосабаў атрымання бензолу з’яўляецца перапрацоўка каменнага вугалю. Пры моцным награванні без доступу паветра каменны вугаль падвяргаецца складаным хімічным ператварэнням. У выніку ўтвараецца шмат лятучых прадуктаў, з якіх, разам з іншымі рэчывамі, здабываюць бензол.

Бензол атрымліваюць таксама ў выніку перапрацоўкі нафты. Гэтыя працэсы будуць разгледжаны ў наступным параграфе.

З ацэтылену

Бензол можна атрымаць з ацэтылену:

У дадзенай рэакцыі з трох малекул ацэтылену ўтвараецца адна цыклічная малекула бензолу, таму гэта рэакцыя называецца рэакцыяй цыклатрымерызацыі.

Дадзеная рэакцыя працякае пры прапусканні ацэтылену над нагрэтым актывіраваным вугалем.

Прымяненнене бензолу

Значная частка бензолу выкарыстоўваецца для сінтэзу іншых рэчываў. Так, нітраваннем бензолу атрымліваюць нітрабензол, які з’яўляецца зыходным рэчывам для сінтэзу аніліну (§ 45). Хлараваннем бензолу атрымліваюць хлорбензол, які прымяняецца для атрымання фенолу (§ 27), пестыцыдаў і г. д. З бензолу атрымліваюць этылбензол. Дэгідрыраваннем этылбензолу сінтэзуюць вінілбензол (стырол), які з’яўляецца сыравінай для вытворчасці палімераў.

Бензол і некаторыя яго гамолагі прымяняюцца ў якасці растваральнікаў арганічных рэчываў, аднак з-за высокай таксічнасці бензолу яго прымяненне ў гэтай якасці абмежавана.

*Хлараванне бензолу

Малекула бензолу можа далучыць тры малекулы хлору. Рэакцыя працякае пры награванні і апраменьванні ўльтрафіялетавым святлом:

Утвараецца 1,2,3,4,5,6-гексахлорцыклагексан, або гексахларан. Гэта рэчыва доўгі час выкарыстоўвалася ў якасці інсектыцыду. Цяпер яно не прымяняецца з прычыны высокай таксічнасці.

Рэакцыі гамолагаў бензолу з удзелам бакавога ланцуга

Гамолагі бензолу могуць уступаць у рэакцыі замяшчэння атамаў вадароду бакавога ланцуга іншымі атамамі. Выкарыстоўваючы гэту ўласцівасць, можна лёгка адрозніць бензол і талуол. Для гэтага ў дзве прабіркі наліваюць па 2–3 см³ бензолу і талуолу адпаведна, потым па 2–3 см³ бромнай вады. Прабіркі закаркоўваюць і ўстрэсваюць. Пры гэтым бром з воднай фазы за кошт лепшай растваральнасці ў вуглевадародах пераходзіць у арганічны слой, які знаходзіцца зверху. Пры гэтым арганічны слой афарбоўваецца ў аранжавы колер. Прабіркі некаторы час інтэнсіўна асвячаюць. Праз некалькі хвiлiн можна назіраць, што ў адной з прабірак аранжавая афарбоўка арганічнага слоя захавалася, тады як у другой прабірцы арганічны слой абясколерыўся. Абясколерванне адбылося ў прабірцы з талуолам за кошт працякання рэакцыі замяшчэння атама вадароду метыльнай групы на атам брому:

Бромвытворнае талуолу, якое ўтварылася, не мае афарбоўкі.

Гэта рэакцыя нагадвае рэакцыю замяшчэння атамаў вадароду ў малекулах алканаў атамамі галагенаў. Рэакцыя працякае пры асвятленні, гэта сведчыць аб радыкальным механізме рэакцыі замяшчэння, якая ініцыіруецца святлом (§ 10).

Атам вугляроду метыльнай групы ў малекуле талуолу лёгка акісляецца, пры гэтым утвараецца бензойная кіслата. У якасці акісляльніка звычайна выкарыстоўваюць раствор перманганату калію, падкіслены сернай кіслатой, або хромавую сумесь (раствор дыхрамату калію K₂Cr₂O₇ , падкіслены H₂SO₄ ). Схема рэакцыі акіслення талуолу:

*Нітраванне талуолу

Прыкладам нітразлучэння з некалькімі нітрагрупамі ў малекуле з’яўляецца прадукт нітравання бліжэйшага гамолага бензолу — талуолу. Пры гэтым тры атамы вадароду бензольнага кольца замяшчаюцца на нітрагрупы:

Назва прадукту — 2,4,6-трынітраталуол, яго часта называюць проста трынітраталуолам, ТНТ або трацілам. Трынітраталуол з’яўляецца выбуховым рэчывам, якое выкарыстоўваецца ў прамысловасці і ваеннай справе.

Пытанні і заданні

1. Як распазнаць на падставе хімічных уласцівасцей тры вадкасці: бензол, гексан і гексэн-1? Прывядзіце ўраўненні адпаведных рэакцый. Укажыце ўмовы іх працякання. Апішыце з’явы, якія пры гэтым назіраюцца.

2. Напішыце ўраўненні рэакцый узаемадзеяння метану і бензолу з хлорам. Укажыце ўмовы іх працякання. Чаму абедзве рэакцыі называюцца рэакцыямі замяшчэння?

3. Вядома, што ў прысутнасці плаціны этылен далучае вадарод нават пры пакаёвай тэмпературы. Бензол у гэтых умовах вадарод не далучае. Рэакцыя далучэння вадароду да бензолу працякае ў жорсткіх умовах — пры тэмпературы 200 °С, пад ціскам і ў прысутнасці нікелю ў якасці каталізатара. Растлумачце, з чым звязана такое адрозненне ў рэакцыйнай здольнасці этылену і бензолу.

4. Прывядзіце ўраўненне рэакцыі цыклатрымерызацыі ацэтылену ў прысутнасці актывіраванага вугалю. Якія прадукты могуць утварыцца пры цыклатрымерызацыі прапіну ў падобных умовах? Прывядзіце іх структурныя формулы і дайце ім назвы.

5. Напішыце ўраўненні рэакцый, з дапамогай якіх можна ажыццявіць наступныя ператварэнні:

метан ацэтылен бензол нітрабензол.

6*. Напішыце ўраўненне рэакцыі нітравання талуолу. Назавіце прадукт рэакцыі. Дзе ён выкарыстоўваецца?

7*. Напішыце ўраўненні рэакцый, з дапамогай якіх можна ажыццявіць наступныя ператварэнні:

гептэн-1 гептан талуол 2,4,6-трынітраталуол.

8*. Напішыце структурныя формулы ўсіх гамолагаў бензолу саставу С₉Н₁₂. Назавіце іх.

9*. Якая будова вуглевадароду саставу С₈ Н₈, што абясколервае бромную ваду, лёгка полімерызуецца, а пры акісленні дае бензойную кіслату? Напішыце ўраўненні апісаных рэакцый.
(Адказ: стырол.)

10*. Устанавіце будову араматычнага вуглевадароду саставу С₉Н₁₂, пры монагалагенаванні якога ў прысутнасці каталізатара атрымліваецца толькі адно галагенвытворнае.
(Адказ: 1,3,5-трыметылбензол.)