Бензол — бесцветная жидкость с характерным запахом; температура кипения 80,1°C, температура плавления 5,5°C. 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.
- 461 -
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 H2SO4) образуются нитросоединения:
Нитрованием толуола получают взрывчатое вещество — тринитротолуол (тротил, или гол):
Многие другие ароматические полинитросоединения (содержащие три и более нитрогрупп — NO2) 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 π-связи, т. е. три пары π-электронов, каждая из которых фиксирована между двумя атомами углерода — схема (1); если обозначить эти π-электроны точками, то строение бензола следует представить схемой (2);
- 462 -
Однако опыт показывает, что в кольце бензола нет обычных двойных связей, чередующихся с простыми, 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 C-C (0.154 нм) и этиленовой двойной связи C=C (0.134 нм) в других (неароматических) органических соединениях.
Каждый из атомов углерода в кольце бензола находится в состоянии sp2-гибридизации и затрачивает по три валентных электрона на образование σ-связей с двумя соседними атомами углерода и с одним атомом водорода. При этом все шесть атомов углерода и все σ-связи C-C и C-H 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 p-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 π-электронов в бензоле равномерно распределена между всеми связями C-C. Иначе говоря, шесть π-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 π-электронов и выравненность связей в бензоле иногда изображают формулой (3) (стр. 462).
Рис. 131. Схема образования σ-связей в молекуле бензола.
- 463 -
Рис. 132. Схема перекрывания π-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).
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 CH2Cl2 (хлористый метилен, дихлорметан) - жидкость (темп. кип. 40,1 °C); применяется как растворитель.
- 464 -
Хлороформ CHCl3 (трихлорметан) - жидкость (темп. кип. 61,2°C); применяется для наркоза при хирургических операциях и как растворитель.
