Химия 10 класс Арены Изомерию составь C8H10

Вот структурные формулы всех четырёх изомеров \(\mathrm{C_8H_{10}}\).
Запись \(\mathrm{C_6H_5{-}}\) — бензольное кольцо с одним заместителем, а \(\mathrm{C_6H_4}\) — кольцо с двумя заместителями.

1. Этилбензол: \[ \mathrm{C_6H_5{-}CH_2{-}CH_3} \]

2. 1,2-диметилбензол (\(о\)-ксилол): \[ \mathrm{1,2{-}C_6H_4(CH_3)_2} \] Метильные группы \(\mathrm{-CH_3}\) стоят у соседних атомов углерода кольца.

3. 1,3-диметилбензол (\(м\)-ксилол): \[ \mathrm{1,3{-}C_6H_4(CH_3)_2} \] Метильные группы стоят через один атом углерода кольца.

4. 1,4-диметилбензол (\(п\)-ксилол): \[ \mathrm{1,4{-}C_6H_4(CH_3)_2} \] Метильные группы расположены напротив друг друга.

Все эти формулы соответствуют составу \(\mathrm{C_8H_{10}}\).

Кратко: арены — это углеводороды, содержащие бензольное кольцо. Их общая формула \(\mathrm{C_nH_{2n-6}}\) (\(n \ge 6\)). Главное отличие аренов от алкенов и алкинов — не «двойные связи», а ароматическая система: кольцо особенно устойчиво, поэтому для аренов характерны прежде всего реакции замещения, а не присоединения.

1. Строение бензола

Молекула бензола \(\mathrm{C_6H_6}\) — плоский правильный шестиугольник. Каждый атом углерода находится в \(\mathrm{sp^2}\)-гибридизации и связан с двумя соседними атомами углерода и одним атомом водорода. Три гибридные орбитали лежат в плоскости кольца, а негибридные \(p\)-орбитали — перпендикулярно ей.

Шесть \(p\)-электронов образуют единое делокализованное \(\pi\)-облако над и под плоскостью кольца. Поэтому все связи \(\mathrm{C{-}C}\) в бензоле одинаковы: их длина около \(0{,}140\) нм — промежуточная между одинарной и двойной. Углы между связями равны \(120^\circ\).

Записывают бензол по-разному:

\[ \mathrm{C_6H_6} \]

— формула с чередующимися двойными связями;

— или шестиугольник с кругом внутри. Обе записи условны: настоящих чередующихся двойных связей в бензоле нет, электроны распределены по всему кольцу.

2. Ароматичность

Ароматической называют циклическую сопряжённую систему, которая подчиняется правилу Хюккеля:

\[ 4n+2 \ \pi\text{-электронов} \]

где \(n=0,1,2,\ldots\). У бензола \(6=4\cdot1+2\) \(\pi\)-электронов, поэтому он ароматичен. Именно ароматичность объясняет, почему бензол не обесцвечивает бромную воду и не окисляется раствором перманганата калия так легко, как алкены.

3. Гомологи и номенклатура

Первый представитель — бензол \(\mathrm{C_6H_6}\). Если в кольце заменить атом водорода на углеводородный радикал, получаются гомологи:

• толуол — \(\mathrm{C_6H_5CH_3}\) (метилбензол);
• этилбензол — \(\mathrm{C_6H_5CH_2CH_3}\);
• кумол — \(\mathrm{C_6H_5CH(CH_3)_2}\) (изопропилбензол);
• стирол — \(\mathrm{C_6H_5CH{=}CH_2}\) (винилбензол).

Радикал \(\mathrm{C_6H_5{-}\) называется фенил, а группа \(\mathrm{C_6H_5CH_2{-}\) — бензил.

При двух заместителях в кольце используют обозначения:

• орто- (1,2) — заместители у соседних атомов углерода;
• мета- (1,3) — через один атом углерода;
• пара- (1,4) — напротив друг друга.

Например, для \(\mathrm{C_8H_{10}}\):

\[ \mathrm{C_6H_5CH_2CH_3} \]

— этилбензол;

\[ \mathrm{1,2{-}C_6H_4(CH_3)_2,\quad 1,3{-}C_6H_4(CH_3)_2,\quad 1,4{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— орто-, мета- и пара-ксилолы.

4. Изомерия аренов

У аренов возможны:

1. Изомерия положения заместителей — например, о-, м- и п-ксилолы.
2. Изомерия боковой цепи — например, у \(\mathrm{C_8H_{10}}\) этилбензол и ксилолы: в первом случае два атома углерода в одной боковой цепи, во втором — две метильные группы.
3. Межклассовая изомерия — арены могут быть изомерны некоторым непредельным углеводородам с тем же числом атомов углерода и водорода.

5. Физические свойства

Бензол и его ближайшие гомологи — бесцветные жидкости с характерным запахом. Они практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. Бензол токсичен, его пары вредны, поэтому работать с ним нужно в вытяжном шкафу.

6. Химические свойства

Реакции замещения

Это главный тип реакций аренов. Атом водорода в кольце замещается на другой атом или группу, ароматическая система при этом сохраняется.

Галогенирование — в присутствии катализатора \(\mathrm{FeCl_3}\) или \(\mathrm{AlCl_3}\):

\[ \mathrm{C_6H_6 + Cl_2 \rightarrow C_6H_5Cl + HCl} \]

Нитрование — смесью концентрированных азотной и серной кислот:

\[ \mathrm{C_6H_6 + HNO_3 \rightarrow C_6H_5NO_2 + H_2O} \]

Сульфирование — концентрированной серной кислотой:

\[ \mathrm{C_6H_6 + H_2SO_4 \rightarrow C_6H_5SO_3H + H_2O} \]

Алкилирование — введением углеводородного радикала, например при взаимодействии с алкеном.

Реакции присоединения

Они идут труднее, чем у алкенов, потому что разрушается устойчивая ароматическая система.

Гидрирование — при нагревании, давлении и катализаторе:

\[ \mathrm{C_6H_6 + 3H_2 \rightarrow C_6H_{12}} \]

образуется циклогексан.

Хлорирование на свету — с образованием гексахлорциклогексана:

\[ \mathrm{C_6H_6 + 3Cl_2 \rightarrow C_6H_6Cl_6} \]

Окисление

Бензол устойчив к действию раствора перманганата калия. А вот гомологи бензола с боковой цепью окисляются по боковой цепи. Например, толуол превращается в бензойную кислоту:

\[ \mathrm{C_6H_5CH_3 + 3[O] \rightarrow C_6H_5COOH + H_2O} \]

Все арены горят с образованием углекислого газа и воды:

\[ \mathrm{2C_6H_6 + 15O_2 \rightarrow 12CO_2 + 6H_2O} \]

7. Получение

• Тримеризация ацетилена при нагревании над активированным углём:

\[ \mathrm{3C_2H_2 \rightarrow C_6H_6} \]

• Дегидрирование циклогексана:

\[ \mathrm{C_6H_{12} \rightarrow C_6H_6 + 3H_2} \]

• Риформинг — переработка нефтяных фракций.
• Алкилирование бензола алкенами — так получают этилбензол, кумол и другие гомологи.

8. Применение

Бензол — сырьё для производства красителей, лекарств, полимеров и растворителей. Толуол используют как растворитель и для синтеза других веществ. Ксилолы нужны для получения полимерных материалов, стирол — для производства полистирола, кумол — для получения фенола и ацетона.

Что важно запомнить

1. Арены содержат бензольное кольцо, их общая формула \(\mathrm{C_nH_{2n-6}}\).
2. Устойчивость кольца объясняет ароматичность и преобладание реакций замещения.
3. Присоединение и окисление идут в более жёстких условиях.
4. Гомологи бензола окисляются по боковой цепи, а сам бензол к мягкому окислению устойчив.

Для самопроверки: напиши уравнение нитрования толуола и подумай, чем оно отличается от нитрования бензола по строению продукта. Если хочешь, разберём это вместе.

Кратко: у аренов различают изомерию положения заместителей, изомерию строения боковой цепи, межклассовую изомерию и пространственную (стерео)изомерию. Для \(\mathrm{C_8H_{10}}\) ароматических изомеров ровно 4, стереоизомеров среди них нет, но есть межклассовые изомеры.

1. Виды изомерии аренов

Вид изомерии	В чём отличие изомеров	Пример
Положения заместителей	Одинаковые заместители стоят у разных атомов кольца	о-, м-, п-ксилол
Строения боковой цепи	По-разному устроены заместители при одном и том же кольце	пропилбензол и кумол
Межклассовая	Одинаковая формула, но другое строение углеродного скелета	циклоокта-1,3,5-триен
Геометрическая (цис-транс)	Разное расположение групп у двойной связи в боковой цепи	цис- и транс-1-фенилпропен
Оптическая	Молекула и её зеркальное отражение не совпадают	втор-бутилбензол

Важно: само бензольное кольцо цис-транс изомеров не даёт — оно плоское, и поворот заместителя в положение 1,2 или 1,4 ничего не меняет. Стереоизомерия у аренов появляется только за счёт боковой цепи.

2. Изомерия положения заместителей

Если в кольце два одинаковых заместителя, возможны три положения:

\[ \mathrm{1,2{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— орто-ксилол (заместители рядом);

\[ \mathrm{1,3{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— мета-ксилол (через один атом углерода);

\[ \mathrm{1,4{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— пара-ксилол (напротив друг друга).

Почему не бывает «1,5» или «1,6»? Из-за симметрии кольца: положение 5 совпадает с положением 3, а 6 — с 2, если считать в другую сторону. Так что различных вариантов только три.

Если заместители разные, число изомеров больше. Например, для метилэтилбензола \(\mathrm{C_6H_4(CH_3)(C_2H_5)}\) тоже три изомера — 1,2-, 1,3- и 1,4-, но о- и п-изомеры уже не симметричны, потому что группы разные.

При трёх одинаковых заместителях, например у триметилбензола \(\mathrm{C_6H_3(CH_3)_3}\), возможны:

\[ \mathrm{1,2,3{-},\quad 1,2,4{-},\quad 1,3,5{-}C_6H_3(CH_3)_3} \]

— всего три изомера.

3. Изомерия строения боковой цепи

Здесь важно, как распределены атомы углерода вне кольца. Возьмём \(\mathrm{C_9H_{12}}\): в кольце 6 атомов углерода, значит, в заместителях ещё 3.

Один заместитель \(\mathrm{C_3H_7}\):

\[ \mathrm{C_6H_5CH_2CH_2CH_3} \]

— пропилбензол (н-пропилбензол);

\[ \mathrm{C_6H_5CH(CH_3)_2} \]

— изопропилбензол, или кумол. Формула одна, но цепь разветвлена по-разному.

Два заместителя — метил и этил:

\[ \mathrm{1,2{-},\ 1,3{-},\ 1,4{-}C_6H_4(CH_3)(C_2H_5)} \]

— три метилэтилбензола.

Три заместителя — три метила: 1,2,3-, 1,2,4- и 1,3,5-триметилбензол.

Итого у \(\mathrm{C_9H_{12}}\):

\[ 2+3+3=8 \]

структурных изомеров.

4. Межклассовая изомерия

Одна и та же формула может соответствовать не только арену. У \(\mathrm{C_8H_{10}}\) три степени ненасыщенности: кольцо плюс три «двойные связи» в пересчёте. Поэтому изомеры могут содержать, например, три двойные связи в цикле или две двойные связи в бициклической системе:

\[ \text{циклоокта-1,3,5-триен } \mathrm{C_8H_{10}} \]

\[ \text{бицикло[2.2.2]окта-2,5-диен } \mathrm{C_8H_{10}} \]

Возможен и вариант с тройной связью в боковой цепи, например этинилциклогексен. Все они — не арены, хотя формула совпадает. Это и есть межклассовая изомерия.

Не путай со стиролом: у него формула \(\mathrm{C_8H_8}\), это не изомер \(\mathrm{C_8H_{10}}\).

5. Полный разбор \(\mathrm{C_8H_{10}}\)

Действуем по алгоритму.

Шаг 1. В бензольном кольце 6 атомов углерода. Остаётся:

\[ 8-6=2 \]

атома углерода.

Шаг 2. Распределяем эти два атома углерода в заместители. Возможны только два варианта:

• один заместитель \(\mathrm{C_2H_5}\);
• два заместителя \(\mathrm{CH_3}\) и \(\mathrm{CH_3}\).

Шаг 3. Для каждого варианта перебираем положения.

Один заместитель даёт единственное соединение:

\[ \mathrm{C_6H_5{-}CH_2{-}CH_3} \]

— этилбензол.

Два одинаковых заместителя дают три положения:

\[ \mathrm{1,2{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— о-ксилол;

\[ \mathrm{1,3{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— м-ксилол;

\[ \mathrm{1,4{-}C_6H_4(CH_3)_2} \]

— п-ксилол.

Шаг 4. Проверяем, нет ли пропущенных вариантов. Два атома углерода нельзя распределить иначе: либо вместе, либо по одному. Значит, структурных ароматических изомеров:

\[ 1+3=4 \]

Шаг 5. Проверяем стереоизомерию. В этилбензоле и ксилолах боковые цепи насыщенные, двойных связей нет, хиральных центров нет. Поэтому цис-транс и оптических изомеров среди этих четырёх соединений нет.

Шаг 6. Учитываем межклассовые изомеры — циклооктатриен, бициклооктадиен и подобные. Если в задании спрашивают «сколько изомеров у арена \(\mathrm{C_8H_{10}}\)», обычно имеют в виду 4 ароматических.

6. Алгоритм для любого арена

1. По формуле \(\mathrm{C_nH_{2n-6}}\) найди \(n\).
2. Отними 6 атомов углерода кольца — останется число атомов углерода в заместителях.
3. Разложи остаток на заместители всеми способами: один, два, три и т.д.
4. Для каждого набора заместителей перебери их положения с учётом симметрии кольца.
5. Внутри одного набора проверь изомерию строения заместителя: прямая или разветвлённая цепь.
6. Отдельно отметь возможную стереоизомерию — только если в боковой цепи есть двойная связь или хиральный центр.
7. Проверь каждую формулу подсчётом атомов \(\mathrm{C}\) и \(\mathrm{H}\).

Для самопроверки: примени алгоритм к \(\mathrm{C_{10}H_{14}}\). Сколько получится изомеров, если распределить 4 атома углерода как один бутильный заместитель, как этил + этил, как метил + пропил и как четыре метила? Если хочешь, разберём это вместе.

Вот структурные формулы четырёх ароматических изомеров \(\mathrm{C_8H_{10}}\).

В записях \(\mathrm{C_6H_5{-}}\) — бензольное кольцо с одним заместителем (фенил), а \(\mathrm{C_6H_4}\) — кольцо с двумя заместителями.

1. Этилбензол

\[ \mathrm{C_6H_5{-}CH_2{-}CH_3} \]

2. 1,2-Диметилбензол (\(о\)-ксилол)

\[ \mathrm{1,2{-}C_6H_4(CH_3)_2} \] Две группы \(\mathrm{-CH_3}\) стоят у соседних атомов углерода кольца.

3. 1,3-Диметилбензол (\(м\)-ксилол)

\[ \mathrm{1,3{-}C_6H_4(CH_3)_2} \] Группы \(\mathrm{-CH_3}\) расположены через один атом углерода кольца.

4. 1,4-Диметилбензол (\(п\)-ксилол)

\[ \mathrm{1,4{-}C_6H_4(CH_3)_2} \] Группы \(\mathrm{-CH_3}\) стоят напротив друг друга.

Все четыре формулы соответствуют составу \(\mathrm{C_8H_{10}}\). Другие изомеры с такой формулой, например циклооктатриен, не относятся к аренам, потому что не содержат бензольного кольца.