Најважније из лекције
Синтеза: Бензен се индустријски добија из нафте и катрана, односно дехидрогенизацијом циклохексана и тримеризацијом ацетилена (\(3\text{C}_2\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Cu, } t} \text{C}_6\text{H}_6\)), а лабораторијски декарбоксилацијом натријум-бензоата.
Физичка својства: Течности/чврсте супстанце, токсичне, пливају на води (\(\rho < 1\text{ g/cm}^3\)), нерастворљиве у води, одлични неполарни растварачи.
Хемијско понашање:
Физичка својства: Течности/чврсте супстанце, токсичне, пливају на води (\(\rho < 1\text{ g/cm}^3\)), нерастворљиве у води, одлични неполарни растварачи.
Хемијско понашање:
- Сагоревање: Јако чађав пламен због високог процента угљеника.
- Адиција (екстремни услови): Каталитичка хидрогенизација даје циклохексан, а фотохемијско хлоровање даје хексахлорциклохексан.
- Електрофилна ароматична супституција (карактеристична реакција): Замена \(\text{H}^+\) електрофилом уз очување ароматичности (нитровање са \(\text{NO}_2^+\), сулфоновање са \(\text{SO}_3\), халогеновање са \(\text{X}^+\), алкиловање са \(\text{R}^+\), ациловање са \(\text{R-CO}^+\)).
- Оксидација бочног низа: Бензенов прстен је стабилан према \(\text{KMnO}_4\), али се алкил-групе моносупституисаних арена лако оксидују до бензоеве киселине (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{COOH}\)).
Природни извори арена су катран каменог угља и нафта. Због велике индустријске потребе за ароматичним једињењима, развијене су бројне синтетичке методе добијања.
\[ \text{1. Дехидрогенизација циклохексана:} \quad \text{C}_6\text{H}_{12} \xrightarrow[\text{-}3\text{H}_2]{\text{катализатор, } t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6 \]
\[ \text{2. Тримеризација етина (ацетилена):} \quad 3\text{CH}\equiv\text{CH} \xrightarrow{\text{Cu, } t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6 \]
\[ \text{3. Лабораторијска декарбоксилација:} \quad \text{C}_6\text{H}_5\text{COONa} + \text{NaOH} \xrightarrow{t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \]
Синтеза бензена из натријум-бензоата и алкалне базе (декарбоксилација).
Која количина бензена (у моловима) се теоријски добија потпуном тримеризацијом \(0,6\text{ mol}\) ацетилена кроз ужарену бакарну цев?
Према једначини реакције \(3\text{CH}\equiv\text{CH} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_6\), однос количина је \(n(\text{ацетилен}) : n(\text{бензен}) = 3 : 1\).
\[ n(\text{C}_6\text{H}_6) = \frac{n(\text{C}_2\text{H}_2)}{3} = \frac{0,6\text{ mol}}{3} = 0,2\text{ mol} \]
Агрегатно стање: На собној температури арени су течности (нпр. бензен, толуен, ксилен) или чврсте супстанце. Бензен је безбојна лако испарљива течност карактеристичног мириса.
Бензен и многи други арени су отровне и канцерогене супстанце. У ваздуху насељених места прати се концентрација штетних пара бензена и његових деривата.
Растворљивост и густина: Арени су практично нерастворљиви у води (хидрофобни), а одлично се растварају у неполарним органским растварачима. Течни арени се и сами користе као растварачи за масти, смоле, сумпор и јод. Густина већине арена је мања од густине воде (\(\rho < 1\text{ g/cm}^3\)), па пливају на њеној површини.
Температуре кључања и топљења арена расту са порастом њихове моларне масе и зависе од структуре молекула.
Сагоревање: Арени сагоревају уз ослобађање угљен-диоксида и воде. Због високог масеног удела угљеника у молекулу, сагоревају карактеристичним јако чађавим пламеном.
Бензенов прстен је изузетно стабилан због делокализације \(\pi\)-електрона, па су реакције адиције могуће само под екстремним условима (висока температура, притисак, катализатори или UV зрачење).
\[ \text{1. Каталитичка хидрогенизација:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt, } p, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_{12} \text{ (циклохексан)} \]
\[ \text{2. Фотохемијска адиција хлора:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} \text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6 \text{ (1,2,3,4,5,6-хексахлорциклохексан)} \]
Напишите једначину потпуне каталитичке хидрогенизације толуена (метилбензена).
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Pt, } p, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_{11}\text{CH}_3 \text{ (метилциклохексан)} \]
Електрофилна ароматична супституција је најважнија и карактеристична реакција бензена и осталих ароматичних једињења при којој се атом водоника из прстена замењује електрофилном честицом (\(\text{E}^+\)), чиме се чува стабилан ароматични систем.
\[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{E}^+ \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{E} + \text{H}^+ \]
Општа шема реакције електрофилне ароматичне супституције.
Под утицајем катализатора (или киселине) из реагенса се генерише јак електрофил (\(\text{E}^+\)).
Електрофил се везује за \(\text{sp}^2\)-угљеников атом прстена трошећи један \(\pi\)-пар електрона, при чему настаје карбокјонски интермедијер са делокализованим позитивним наелектрисањем преко преосталих пет угљеникових атома.
База из реакционе смеше одузима протон (\(\text{H}^+\)) са угљеника на који је везан електрофил; електронски пар се враћа у прстен чиме се обнавља стабилни \(\pi\)-електронски секстет.
| Реакција | Реагенси и катализатор | Електрофил | Производ |
|---|---|---|---|
| Нитровање | конц. \(\text{HNO}_3\) + конц. \(\text{H}_2\text{SO}_4\) | Нитронијум-јон (\(\text{NO}_2^+\)) | Нитробензен (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2\)) |
| Сулфоновање | Пушљива \(\text{H}_2\text{SO}_4\) (\(\text{SO}_3\) у \(\text{H}_2\text{SO}_4\)) | Сумпор(VI)-оксид (\(\text{SO}_3\)) | Бензенсулфонска киселина (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{SO}_3\text{H}\)) |
| Халогеновање | \(\text{X}_2\) (\(\text{Cl}_2\) или \(\text{Br}_2\)) + \(\text{FeX}_3\) или \(\text{AlX}_3\) | Поларизовани халоген (\(\text{X}^\delta{}^+\)) | Халогенбензен (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{X}\)) |
| Алкиловање | Халогеналкан (\(\text{R-X}\)) + \(\text{AlX}_3\) | Карбокјон / поларизовани комплекс (\(\text{R}^+\)) | Алкилбензен (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{-R}\)) |
| Ациловање | Ацил-халогенид (\(\text{R-CO-X}\)) + \(\text{AlX}_3\) | Ацилијум-јон (\(\text{R-C}^+\text{=O}\)) | Ароматични кетон (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{-CO-R}\)) |
\[ \text{Нитровање:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + \text{HONO}_2 \xrightarrow{\text{конц. H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
\[ \text{Сулфоновање:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + \text{SO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4} \text{C}_6\text{H}_5\text{SO}_3\text{H} \]
\[ \text{Хлоровање:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{FeCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{Cl} + \text{HCl} \]
\[ \text{Алкиловање:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br} \xrightarrow{\text{AlBr}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{CH}_3 + \text{HBr} \]
\[ \text{Ациловање:} \quad \text{C}_6\text{H}_6 + \text{R-CO-Cl} \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{-CO-R} + \text{HCl} \]
Ацил-група: Група опште формуле \(\text{R-CO}-\), која формално настаје уклањањем \(-\text{OH}\) групе из карбоксилне киселине.
Бензенов прстен је веома отпоран на оксидациона средства и не редукује раствор калијум-перманганата (\(\text{KMnO}_4\)).
Алкил-групе директно везане за бензенов прстен лако подлежу оксидацији јаким оксидационим средствима (закисељени раствор \(\text{KMnO}_4\)). Сви моносупституисани алкилбензени (толуен, етилбензен, пропилбензен) дају бензоеву киселину као производ.
\[ \text{C}_6\text{H}_5\text{-CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3 \xrightarrow{[\text{O}]} \text{C}_6\text{H}_5\text{-COOH} \]
Оксидација пропилбензена до бензоеве киселине (љубичаста боја перманганата прелази у смеђи талог \(\text{MnO}_2\)).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Напишите хемијску једначину реакције бромовања бензена у присуству алуминијум-бромида (\(\text{AlBr}_3\)) као катализатора и наведите називе свих органских и неорганских производа.
\[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{AlBr}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{Br} + \text{HBr} \]
Производи: бромбензен (органски производ) и бромоводоник (неоргански производ).
Задатак 2 (средњи): Који електрофил учествује у реакцији нитровања бензена? Прикажите једначином реакције његово настајање из смеше концентроване азотне и концентроване сумпорне киселине.
У реакцији нитровања електрофил је нитронијум-јон (\(\text{NO}_2^+\)).
Једначина његовог настајања: \[ \text{HONO}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{NO}_2^+ + \text{H}_2\text{O} + \text{HSO}_4^- \]
Једначина његовог настајања: \[ \text{HONO}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{NO}_2^+ + \text{H}_2\text{O} + \text{HSO}_4^- \]
Задатак 3 (средњи): Израчунајте масу бензена која се добија лабораторијском декарбоксилацијом \(28,8\text{ g}\) натријум-бензоата са натријум-хидроксидом ако је принос реакције \(75\%\).
(\(M(\text{C}_6\text{H}_5\text{COONa}) = 144\text{ g/mol}\), \(M(\text{C}_6\text{H}_6) = 78\text{ g/mol}\))
(\(M(\text{C}_6\text{H}_5\text{COONa}) = 144\text{ g/mol}\), \(M(\text{C}_6\text{H}_6) = 78\text{ g/mol}\))
1. Рачунање количине натријум-бензоата:
\[ n(\text{C}_6\text{H}_5\text{COONa}) = \frac{m}{M} = \frac{28,8\text{ g}}{144\text{ g/mol}} = 0,2\text{ mol} \]
2. Према реакцији \(\text{C}_6\text{H}_5\text{COONa} + \text{NaOH} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_6 + \text{Na}_2\text{CO}_3\), теоријска количина бензена једнака је количини натријум-бензоата:
\[ n_{\text{теор}}(\text{C}_6\text{H}_6) = 0,2\text{ mol} \]
\[ m_{\text{теор}}(\text{C}_6\text{H}_6) = 0,2\text{ mol} \cdot 78\text{ g/mol} = 15,6\text{ g} \]
3. Рачунање стварне масе са приносом од \(75\%\):
\[ m_{\text{стварно}} = 15,6\text{ g} \cdot 0,75 = 11,7\text{ g} \]
Одговор: Настаје \(11,7\text{ g}\) бензена.
Задатак 4 (тежак): Предложите двостепени синтетички пут за добијање бензоеве киселине полазећи од бензена и хлорометана (\(\text{CH}_3\text{Cl}\)). Напишите једначине реакција и наведите потребне катализаторе и услове за сваки корак.
1. корак (Фридел-Крафтсово алкиловање бензена до толуена):
\[ \text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_3\text{Cl} \xrightarrow{\text{AlCl}_3} \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{HCl} \]
Катализатор је Луисова киселина (\(\text{AlCl}_3\)).
2. корак (Оксидација бочног низа толуена до бензоеве киселине): \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{KMnO}_4, \text{H}^+, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} \] Као оксидационо средство користи се закисељени раствор калијум-перманганата уз загревање.
2. корак (Оксидација бочног низа толуена до бензоеве киселине): \[ \text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{KMnO}_4, \text{H}^+, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} \] Као оксидационо средство користи се закисељени раствор калијум-перманганата уз загревање.
