Алкины, арены и бензольное кольцо

Алкины и арены относятся к углеводородам, но их строение и характер реакций заметно различаются. В алкинах есть тройная связь C≡C, поэтому они способны присоединять водород, галогены и галогеноводороды. Арены содержат особую циклическую систему, бензольное кольцо. У бензола тоже высокая доля ненасыщенности, однако при обычных условиях он чаще вступает не в присоединение, а в замещение. Причина в устойчивости его электронной системы. Чтобы уверенно записывать уравнения, нужно сначала увидеть, какой фрагмент находится в молекуле: тройная связь или ароматическое кольцо.

Алкины и тройная связь

Алкины называют непредельными углеводородами с одной тройной связью между атомами углерода. Первым представителем ряда является этин C₂H₂, который также известен под историческим названием ацетилен. Его структурную формулу записывают H-C≡C-H. Следующий представитель, пропин, имеет строение CH₃-C≡CH. В названии алкина суффикс «-ин» указывает на тройную связь, а цифрой обозначают её положение в главной цепи: например, бут-2-ин CH₃-C≡C-CH₃.

Тройная связь состоит из одной прочной σ-связи и двух π-связей. При присоединении реагента π-связи последовательно разрываются, а между атомами углерода сначала остаётся двойная, затем одинарная связь. Поэтому один моль алкина способен присоединить два моля водорода или галогена. Для этина полное гидрирование выглядит так: HC≡CH + 2H₂ → CH₃-CH₃. Если водорода взято только один моль, образуется этен: HC≡CH + H₂ → CH₂=CH₂.

Общая формула C_nH_2n-2 помогает проверить состав ациклического алкина с одной тройной связью. Для четырёх атомов углерода получается C₄H₆. Не всякая формула такого вида обязательно принадлежит алкину: такую же молекулярную формулу может иметь диен или циклическое соединение с двойной связью. Поэтому класс вещества окончательно устанавливают по структурной формуле или по условиям задачи.

Основные реакции алкинов

Галогенирование алкинов служит качественной реакцией на кратную связь. При пропускании ацетилена через бромную воду её окраска исчезает. При недостатке брома образуется дибромэтен: HC≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr. В избытке реагента присоединяется ещё одна молекула брома: HC≡CH + 2Br₂ → CHBr₂-CHBr₂. В итоговом продукте тройной связи уже нет.

Гидрогалогенирование представляет собой присоединение HCl или HBr. Этин с одной молекулой хлороводорода даёт хлорэтен, или винилхлорид: HC≡CH + HCl → CH₂=CHCl. Это важный промышленный мономер для получения поливинилхлорида. При присоединении второй молекулы HCl образуется 1,1-дихлорэтан: CH₂=CHCl + HCl → CH₃-CHCl₂.

Для несимметричных алкинов направление присоединения обычно определяют по правилу Марковникова. Например, при реакции пропина CH₃-C≡CH с HBr атом водорода присоединяется к крайнему атому углерода, у которого уже есть водород, а бром оказывается у среднего атома: CH₃-C≡CH + HBr → CH₃-CBr=CH₂. Условия реакции и избыток реагента могут изменить состав конечного продукта, поэтому коэффициенты и формулу нужно сверять после каждого этапа.

Ацетилен горит ярким коптящим пламенем, потому что в его составе велика доля углерода. Полное сгорание записывают уравнением: 2C₂H₂ + 5O₂ → 4CO₂ + 2H₂O. Смесь ацетилена с кислородом даёт очень горячее пламя, которое используют при сварке и резке металлов. В школьной задаче важно отличать полное сгорание, где продуктами будут углекислый газ и вода, от неполного, при котором могут образоваться угарный газ или углерод.

Арены и строение бензола

Арены являются углеводородами, в молекулах которых есть одно или несколько бензольных колец. Бензол C₆H₆ состоит из шести атомов углерода, соединённых в цикл. На плоской структурной формуле часто рисуют шестиугольник с тремя чередующимися двойными связями. Такая запись удобна, но не совсем передаёт реальное строение вещества: все связи C-C в бензоле одинаковы по длине и свойствам.

Каждый атом углерода в кольце образует три σ-связи: с двумя соседними атомами углерода и с атомом водорода либо заместителем. По одному электрону от каждого углерода участвует в общей π-системе. Шесть π-электронов не закреплены между отдельными парами атомов, а распределены над и под плоскостью кольца. Такое выравнивание называют делокализацией. Именно оно делает бензольное кольцо устойчивее, чем можно было бы ожидать от обычного соединения с тремя двойными связями.

Гомологи бензола получают заменой одного или нескольких атомов водорода в кольце на углеводородные радикалы. Метилбензол, или толуол, имеет формулу C₆H₅-CH₃. Этилбензол C₆H₅-CH₂-CH₃ содержит этильный заместитель. Для моноядерных аренов с одной алкильной группой часто используют общую формулу C_nH_2n-6. Так, при n = 7 получается C₇H₈, формула толуола.

Свойства аренов

Наиболее характерны для бензола реакции замещения. В них один атом водорода кольца заменяется на другой атом или группу, а ароматическая π-система сохраняется. При взаимодействии бензола с бромом в присутствии бромида железа(III) образуется бромбензол: C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr. Катализатор FeBr₃ необходим, потому что без него бензол с бромной водой в обычных условиях не реагирует.

Нитрование бензола проводят концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты. Уравнение: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Продукт, нитробензол, содержит нитрогруппу -NO₂. Серная кислота в этой реакции не расходуется как исходное вещество, а создаёт активную частицу, которая замещает водород в кольце.

Присоединение к бензолу возможно, но требует более жёстких условий, так как при нём нарушается устойчивое ароматическое строение. При гидрировании на никелевом катализаторе при повышенных температуре и давлении бензол превращается в циклогексан: C₆H₆ + 3H₂ → C₆H₁₂. Это уравнение показывает, что для полного насыщения кольца нужны три молекулы водорода. В задачах отсутствие катализатора или специальных условий обычно означает, что выбирать такую реакцию не следует.

Арены также горят. Для бензола уравнение полного сгорания имеет вид: 2C₆H₆ + 15O₂ → 12CO₂ + 6H₂O. Как и ацетилен, бензол даёт коптящее пламя. Сам бензол токсичен, поэтому его не используют в учебных опытах без специальной защиты и вытяжного шкафа.

Как различать классы в заданиях

Начните со структурной формулы. Фрагмент C≡C указывает на алкин, шестиугольное кольцо с окружностью или чередующимися связями обозначает арен. Алкины обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия благодаря реакциям по тройной связи. Бензол без катализатора эти признаки обычно не проявляет. Это различие используют в качественном анализе.

Далее оцените реагент и условия. H₂, Br₂ или HCl для алкина обычно означают присоединение. Br₂ в присутствии FeBr₃ либо смесь HNO₃ и H₂SO₄ для бензола указывают на замещение. Проверяйте, исчезла ли кратная связь в продукте и сохранено ли бензольное кольцо. Такой порядок позволяет не смешивать свойства двух классов и получать верные формулы продуктов.

• Алкины содержат тройную связь и присоединяют до двух молекул реагента.
• Бензольное кольцо устойчиво благодаря общей π-электронной системе.
• Для аренов типичны реакции замещения, а не присоединения.
• Условия и катализатор являются частью химического уравнения.