Почему этилен обесцвечивает бромную воду, а бензол нет, хотя на бумаге у него три двойные связи? Сравни структуры Кекуле с настоящим кольцом, капни бромную воду в пробирки и посмотри, как ведут себя толуол, фенол и стирол.
Бензол C₆H₆ это кольцо из шести атомов углерода, у каждого по одному водороду. Чтобы у каждого углерода было четыре связи, в кольце нужно нарисовать три двойные связи через одну. Но нарисовать их можно двумя способами, и оба верны одинаково. Химик Кекуле считал, что связи быстро меняются местами. На деле молекула одна, и она посередине между двумя рисунками.
Опыт это подтверждает: все шесть связей в бензоле одинаковой длины, 140 пм, а не 134 и 154 пм, как было бы у чередующихся двойных и одинарных. Шесть электронов «лишних» связей размазаны облаком над и под кольцом. Такое облако очень устойчиво, поэтому бензол не любит присоединять и охотнее замещает атом водорода. Молекулы с таким кольцом называют ароматическими.
ⓘ Опыт виртуальный. Бензол, толуол, ксилолы, фенол и анилин ядовиты: их пары вредны для печени, нервной системы и крови, а бензол вызывает рак крови. С ними работают только в вытяжном шкафу, в перчатках и очках. Бромная вода едкая.
Ароматичность можно проверить счетом и измерить в килоджоулях. Числа под формулами берутся из опыта, а подсвечена карточка, которая объясняет то, что ты сейчас видишь.
Когда кольцо ароматическое
Плоское замкнутое кольцо ароматическое, если в его общем облаке 2, 6, 10, 14 электронов. Это правило Хюккеля. У бензола три пары от трех двойных связей, всего 6.
Насколько облако устойчивее
Присоедини водород к кольцу с одной двойной связью: выделится Q₁. Если бы у бензола были три обычные двойные связи, выделилось бы втрое больше. Выделяется меньше, и разница это энергия стабилизации.
Замещение вместо присоединения
Этилен раскрывает двойную связь и присоединяет бром, поэтому бромная вода бледнеет. Бензол бережет облако: он только меняет водород на бром, и то лишь с катализатором FeBr₃ и чистым бромом.
У каждого атома углерода в кольце три соседа: два углерода и водород. На эти три связи он тратит три электрона, и все три связи лежат в одной плоскости под углом 120°. Четвертый электрон остается в p-облаке, похожем на восьмерку, которая торчит над и под плоскостью кольца.
У каждого атома два соседа, и его p-облако одинаково перекрывается с обоими. Нет причины выбрать одного из них для двойной связи, поэтому шесть p-облаков сливаются в два кольца: над и под молекулой. Электроны в них двигаются по всему кольцу, и это снижает энергию на 151 кДж/моль.
Если присоединить к бензолу хоть одну молекулу, кольцо разорвется и эта выгода пропадет. Поэтому бензол реагирует замещением: кольцо и облако остаются целыми, меняется только атом на краю. Подробно про замещение и присоединение в теме о механизмах реакций.
Толуол и ксилолы почти не детонируют: их октановое число по исследовательскому методу около 120, выше эталона изооктана. Поэтому ароматику добавляют в бензин. Но бензол токсичен, и его доля в бензине по техническому регламенту не больше 1% по объему, а всей ароматики не больше 35%. Подробнее в теме о топливе.
Толуол, ксилол и сольвент растворяют смолы эмалей, грунтов и клеев для техники и кузовов. Их пары тяжелее воздуха, вредны для нервной системы и печени и легко загораются. Красят только при работающей вентиляции, в респираторе с угольным фильтром и вдали от огня.
Двойная связь в боковой цепи стирола раскрывается, и молекулы сцепляются в полистирол: корпуса приборов, одноразовая посуда, пенопласт для утепления. Каучук из стирола и бутадиена идет на шины. Подробнее в теме о полимерах.
Фенол с формальдегидом дает фенолформальдегидные смолы. Они держат жар и не плавятся, поэтому связывают тормозные колодки и диски сцепления, текстолит, фанеру и литейные формы.
Из анилина получают сырье для полиуретана: пенополиуретан для сидений машин, утеплитель, валики и уплотнители. Раньше анилин был основой синтетических красителей, отсюда «анилиновые краски».
Бензольное кольцо есть в аспирине, парацетамоле, ибупрофене и многих других лекарствах. Плоское устойчивое кольцо служит жестким скелетом, к которому химики прикрепляют нужные группы.
Молекулы нарисованы плоскими скелетными формулами: вершина кольца это атом углерода, водород у кольца подписан буквой H. Структуры Кекуле на рисунке сменяют друг друга только для наглядности: настоящая молекула не переключается, она всегда одна и та же, промежуточная. Облако показано кольцом внутри шестиугольника, на деле оно лежит над и под плоскостью. Длины связей справочные: C−C в этане 154 пм, C=C в этилене 134 пм, в бензоле 139,7 пм; у нафталина связи немного разные, от 137 до 142 пм. Теплоты гидрирования для газа при 25 °C. В пробирках показан итог реакции через несколько секунд после встряхивания при комнатной температуре: бензол, толуол и ксилолы в бромной воде без катализатора не реагируют, а только забирают бром в свой верхний слой; нафталин взят твердым, при долгом стоянии он медленно реагирует, здесь это не показано. Фенол и анилин взяты в виде водных растворов.