Химия. 10 класс

Название «ароматические соединения» возникло потому, что первые известные представители этого класса, полученные ещё в начале XIX века, обладали приятным запахом. Позднее оказалось, что большинство веществ, которые по строению и химическим свойствам принадлежат к этой же группе, не имеют приятного запаха. Однако исторически сложившееся общее название этих соединений сохранилось.

Простейшим представителем ароматических углеводородов является бензол. Его молекулярная формула C₆H₆.

Бензол — легкокипящая (t_кип = 80 °С), бесцветная, нерастворимая в воде

жидкость с характерным запахом. При охлаждении бензол легко застывает в белую кристаллическую массу с температурой плавления 5,5 °С.

Открыл бензол великий английский физик Майкл Фарадей. В 1825 году ему удалось выделить бензол из каменноугольной смолы. Позже были установлены простейшая CH и молекулярная C₆H₆ формулы бензола. Однако долгое время не удавалось установить строение молекулы данного вещества. Через сорок лет после открытия бензола немецкий химик Август Кекуле сделал правильное предположение о циклическом строении молекулы бензола и предложил следующую структурную формулу:

Представленная формула бензола называется формулой Кекуле. Формула Кекуле показывает, что молекула бензола имеет плоское строение, валентные углы равны 120°. Из формулы Кекуле также следует, что для гидрирования молекулы бензола до циклогексана требуются три молекулы водорода:

Все эти выводы подтверждаются экспериментальными данными. Однако формула Кекуле не объясняет ряд особых свойств бензола. Так, бензол не вступает в качественные реакции на двойную  связь. Он, в отличие от алкенов, не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия. В присутствии катализатора бензол реагирует с галогенами, однако при этом происходит не присоединение галогена, а замещение атома водорода в молекуле бензола на галоген:

Кроме того, экспериментально установлено, что все связи углерод-углерод в молекуле бензола имеют одинаковую длину. Столь необычные свойства бензола удалось объяснить только в ХХ веке, используя современную теорию строения вещества.

Из формулы Кекуле следует, что двойные связи в молекуле бензола являются сопряжёнными. На примере бутадиена-1,3 мы видели, что сопряжение ведёт к некоторому выравниванию длин двойных и одинарных связей. В молекуле бензола сопряжение настолько сильное, что длины всех связей углерод-углерод становятся одинаковыми:

Поскольку π-электроны распределяются в молекуле бензола равномерно между всеми атомами углерода, то связи между всеми атомами углерода оказываются совершенно одинаковыми.

Чтобы показать равномерность распределения π-электронов в молекуле бензола, его структурную формулу часто изображают в виде шестиугольника с окружностью внутри:

В данной формуле шестиугольник отображает σ-связи между атомами углерода, а окружность — систему π-связей.

Шаростержневая модель молекулы бензола:

Наряду с формулой бензола, в которой показана делокализация π-электронов, нередко пользуются формулой Кекуле, учитывая при этом, что она не совсем точно передаёт строение бензола:

Широко используются также более компактные скелетные формулы бензола:

Делокализация π-электронов придаёт молекуле бензола дополнительную устойчивость. Поэтому для бензола характерны реакции, в которых сопряжённая система π-связей в молекуле сохраняется. Такими реакциями являются реакции замещения (см. уравнение реакции с бромом).

Как уже отмечалось, бензол является простейшим представителем ароматических углеводородов. Его гомологи могут рассматриваться как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на углеводородные радикалы. Формулы и названия некоторых гомологов бензола приведены на рисунке 19.3.

Как видно,  для  построения  названий  веществ,  в  молекулах  которых с бензольным кольцом соединено несколько углеводородных радикалов, атомы углерода бензольного кольца нумеруют таким образом, чтобы заместители получили наименьшие номера, и при помощи цифр в названии указывают положение заместителей.