Гомологи бензену. Взаємний вплив атомів у молекулі (на прикладі толуену)

Урок 75. Гомологи бензену. Взаємний вплив атомів у молекулі (на прикладі толуену)

---

Мета уроку: сформувати уявлення про гомологічний ряд бензену (арени), пояснити вплив електронної природи замісника в бензеновому ядрі на напрямок перебігу реакції електрофільного заміщення.

Очікувані результати для вчителя:

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• гомологи
• орієнтанти 1-го та 2-го роду
• добування аренів

План уроку

1. Мотивація (4 хв.).
2. Склад молекули, ізомерія та номенклатура (15 хв.).
3. Орієнтація замісників у бензеновому ядрі (15 хв.)
4. Добування гомологів бензену (8 хв.).
5. Рефлексія (3 хв.).

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 4 хв

Бензен, як й інші вуглеводні, починає відповідний гомологічний ряд. Гомологи бензену – це продукти заміщення одного чи кількох атомів Гідрогену в молекулі бензену на вуглеводневі замісники:

Молекули ароматичних вуглеводнів, як і бензену, мають підвищену енергетичну стійкість, зумовлену делокалізацією p-електронів у єдиній циклічній ароматичній системі.

Завдання 1. Виконайте вправу «Так чи ні». Прочитайте наведені твердження та позначте знаком «+» ті з них, з якими ви погоджуєтеся, і знаком «–» – ті, які вважаєте неправильними.

• За нормальних умов бензен взаємодіє з бромною водою.
• Бензен не реагує з розчинами лугів під час нагрівання.
• Бензен горить світлим киптявим полум’ям.
• Галогенування бензену за умов освітлення – це реакція заміщення.
• Бензен не знебарвлює розчин калій перманганату.
• Нітрування бензену – це реакція електрофільного заміщення.
• Нітруюча суміш – це суміш концентрованих нітратної та сульфатної кислот.
• Під час галогенування у присутності каталізатора бензен приєднує молекули галогенів.
• Під час гідрогенування бензен перетворюється на циклогексан.
• Бензен є негорючою речовиною.

Завдання 2. Виконайте вправи.

1. Укажіть реактив, за допомогою якого можна розрізнити гексен і бензен.
   • А Вапняна вода; Б бромна вода;
   • В амоніачна вода; Г баритова вода.
2. Визначте речовини, з якими може реагувати бензен.
   • А Водень; Б калій перманганат;
   • В нітратна кислота; Г гідроген хлорид.
3. Укажіть речовину, з якою реагує бензен зі збереженням бензенового ядра.
   • А Водень; Б бром за наявності каталізатора FeBr₃;
   • В кисень; Г хлор за умов освітлення.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 15 хв

Загальна формула гомологів бензену – C_nH_2n-6, де n>6.

Гомологам бензену властива структурна ізомерія, зумовлена різним числом та положенням замісників у бензеновому ядрі:

Нумерація атомів Карбону в бензеновому ядрі відбувається за певними правилами.

1. Для гомологів бензену, які містять два однакові замісники, послідовність нумерації атомів Карбону обирають так, щоб локанти були найменшими:

2. Якщо замісники різні, обирають такий напрямок нумерації атомів Карбону, щоб замісник, назву якого за алфавітом указують раніше, отримав найменший локант:

3. У дизаміщених гомологах бензену для утворення тривіальних назв використовують префікси, які виділяють курсивом і відокремлюють дефісом:

Локанти замісників	Префікси
1,2	орто- (о-)
1,3	мета- (м-)
1,4	пара- (п-)

Завдання 3. Масова частка Карбону в молекулі вуглеводню становить 90,0 %. Виведіть молекулярну формулу цієї сполуки, якщо її відносна густина за гелієм дорівнює 30. Складіть структурні формули та дайте систематичні назви будь-яких чотирьох ізомерів, що відповідають такій молекулярній формулі.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 15 хв

Реакції заміщення в бензеновому ядрі мають істотні особливості, якщо в такому ядрі уже міститься замісник. Будова молекули такого продукту реакції визначається електронною природою замісника.

У симетричній молекулі бензену під впливом замісника порушується рівномірний розподіл π-електронної густини ароматичної системи, відбувається її перерозподіл так, що одні атоми Карбону стають активнишими, а інші – пасивнішими в реакціях подальшого заміщення. Тому нова група-замісник займає не будь-яке, а цілком визначене положення по відношенню до уже наявного замісника: орто-, мета- або пара-положення:

За орієнтувальною дією замісники поділяють на замісники

• 1-го роду (орієнтують в орто- та пара-положення): -СН₃, -ОН, -NH₂ тощо;
• 2-го роду (орієнтують в мета-положення): -NO₂, -SO₃H, -COOH, -CHO тощо.

Замісники 1-го роду є донорами електронів, за рахунок яких електронна густина бензенового ядра зростає в орто- та пара-положеннях. Саме в цих положеннях відбуваються реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування, галогенування):

Замісники 2-го роду є акцепторами електронів, вони відтягують до себе електронну густину бензенового ядра, зменшуючи її в орто- та пара-положеннях. У мета-положеннях вона виявляється вищою, а тому електрофільне заміщення відбувається саме тут:

Через таке зміщення електронної густини реакційна здатність бензенового ядра змінюється: у випадку замісників 1-го роду – посилюється, а у випадку замісників 2-го роду – послаблюється. А тому не дивно, що толуен (метилбензен) буде активнішим за бензен, а нітробензен – менш активний у реакціях електрофільного заміщення.

Важливо пам’ятати, що правила орієнтування неоднозначні. Замісники 1-го та 2-го роду визначають лише переважний напрямок реакції, оскільки разом із основним продуктом часто утворюються інші ізомерні сполуки. Так, у разі нітрування толуену насправді утворюються орто-, мета- та пара-ізомери в такому співвідношенні:

Завдання 4. Зважаючи на характер електронної природи гідроксильної групи (див. текст вище), зробіть припущення щодо будови продукту нітрування фенолу. Складіть структурні формули можливих продуктів моно-, ди- та тринітрування.

Згідно з теорією будови органічних сполук у молекулах має місце взаємний вплив атомів (груп атомів). Орієнтувальна дія замісників у бензеновому ядрі є лише одним із виявів цього взаємного впливу. Зі свого боку, бензенове ядро впливає на замісник, з’єднаний із нею.

Демонстраційни дослід 1.

Перелік обладнання та реактивів:

1. Пробірка 2 од.
2. Толуен 5 мл
3. Бензен 5 мл
4. Калій перманганат, 1 %-ий розчин 5 мл
5. Сульфатна кислота, 70 %-ий розчин 0,5 мл
6. Штатив для пробірок 1 од.
7. Піпетка Пастера 1 од.
8. Водяна баня, 50-60 °С 1 од.

Хід дослідження:

1. У дві пробірки внесіть по 2-3 мл бензену та толуену.
2. До вмісту кожної пробірки додайте по 1 мл водного розчину калій перманганату та 2-3 краплі концентрованої сульфатної кислоти.
3. Нагрівайте уміст обох пробірок на водяній бані (близько 55 °С). Спостерігайте за перетворенням.

• Чи змінився колір розчину калій перманганату?

• Який висновок можна зробити про взаємний вплив бензенового ядра та метильної групи у складі толуену?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Молекулу толуену можна розглядати як похідну метану, в якому один атом Гідрогену заміщений на фрагмент бензену – феніл С₆Н₅. Як відомо, метан є стійким до дії окисників – не знебарвлює розчин калій перманганату. У присутності ж бензенового ядра – фенілу – метильна група легко окиснюється за хімічним рівнянням:

Завдання 5. Обчисліть об’єм (мл) 1 %-го розчину калій перманганату (густина розчину 1,05 г/мл), необхідного для добування 3,66 г бензенової кислоти окисненням толуену.

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 8 хв

Значну кількість ароматичних вуглеводнів у світі добувають у процесі ароматизації окремих фракцій нафти, у результаті чого аліфатичні вуглеводні – алкани та циклоалкани – піддаються дегідроциклізації, перетворюючись на бензен, толуен, ксилени тощо:

До синтетичних методів належить одна із модифікацій реакції Вюрца: «склеювання» вуглеводневих залишків реакцією галогенопохідних алканів та аренів із металічнимнатрієм (реакція Вюрца-Віттіга):

• Подумайте, які ще продукти можуть утворюватися внаслідок такої реакції. Складіть відповідні хімічні рівняння.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Гомологи бензену можуть бути синтезовані внаслідок реакції електрофільного заміщення реакцією із галогеноалканами у присутності каталізатора (FeBr₃, AlCl₃ тощо) – реакція Фріделя-Крафтса:

Завдання 6. Складіть рівняння реакцій відповідно до ланцюга перетворень. Укажіть кінцевий продукт Х.

А Толуен; Б етилбензен; В бензен; Г метилбензен

---

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв. 

Для прикладу наводимо сенкан з теми «Гомологи бензену»:

• Реакція
• Толуен
• Ароматичний, активніший
• Розчиняє, окиснюється, заміщується
• Знебарвлює розчин калій перманганату

Складіть сенкан (від фр. cinquain — «п’ятирядковий вірш»), який допоможе узагальнити отримані протягом заняття знання з теми за наступним планом:

• 1-ий рядок – одне слово – тема (іменник);
• 2-ий рядок – два прикметника, які описують тему;
• 3-ій рядок – три дієслова, пов’язані з дією теми;
• 4-ий рядок – речення з чотирьох слів, яке передає суть або ставлення;
• 5-ий рядок – одне слово – узагальнення, підсумок або асоціація.

---

1. Виведіть молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Гідрогену в якому становить 8,70 %, а відносна густина його парів за метаном становить 5,75.
2. Чи є гомологом бензену стирен?

Складіть рівняння реакції гідрогенування стирену.

Урок 75. Гомологи бензену. Взаємний вплив атомів у молекулі (на прикладі толуену)

Робочий аркуш учнівства

---

Мета уроку: сформувати уявлення про гомологічний ряд бензену (арени), пояснити вплив електронної природи замісника в бензеновому ядрі на напрямок перебігу реакції електрофільного заміщення.

Очікувані результати для учнівства:

Ключові слова

• гомологи
• орієнтанти 1-го та 2-го роду
• добування аренів

План уроку

1. Мотивація (4 хв.).
2. Склад молекули, ізомерія та номенклатура (15 хв.).
3. Орієнтація замісників у бензеновому ядрі (15 хв.)
4. Добування гомологів бензену (8 хв.).
5. Рефлексія (3 хв.).

---

Бензен, як й інші вуглеводні, починає відповідний гомологічний ряд. Гомологи бензену – це продукти заміщення одного чи кількох атомів Гідрогену в молекулі бензену на вуглеводневі замісники:

Молекули ароматичних вуглеводнів, як і бензену, мають підвищену енергетичну стійкість, зумовлену делокалізацією p-електронів у єдиній циклічній ароматичній системі.

Завдання 1. Виконайте вправу «Так чи ні». Прочитайте наведені твердження та позначте знаком «+» ті з них, з якими ви погоджуєтеся, і знаком «–» – ті, які вважаєте неправильними.

• За нормальних умов бензен взаємодіє з бромною водою.
• Бензен не реагує з розчинами лугів під час нагрівання.
• Бензен горить світлим киптявим полум’ям.
• Галогенування бензену за умов освітлення – це реакція заміщення.
• Бензен не знебарвлює розчин калій перманганату.
• Нітрування бензену – це реакція електрофільного заміщення.
• Нітруюча суміш – це суміш концентрованих нітратної та сульфатної кислот.
• Під час галогенування у присутності каталізатора бензен приєднує молекули галогенів.
• Під час гідрогенування бензен перетворюється на циклогексан.
• Бензен є негорючою речовиною.

Завдання 2. Виконайте вправи.

1. Укажіть реактив, за допомогою якого можна розрізнити гексен і бензен.
   • А Вапняна вода; Б бромна вода;
   • В амоніачна вода; Г баритова вода.
2. Визначте речовини, з якими може реагувати бензен.
   • А Водень; Б калій перманганат;
   • В нітратна кислота; Г гідроген хлорид.
3. Укажіть речовину, з якою реагує бензен зі збереженням бензенового ядра.
   • А Водень; Б бром за наявності каталізатора FeBr₃;
   • В кисень; Г хлор за умов освітлення.

---

Загальна формула гомологів бензену – C_nH_2n-6, де n>6.

Гомологам бензену властива структурна ізомерія, зумовлена різним числом та положенням замісників у бензеновому ядрі:

Нумерація атомів Карбону в бензеновому ядрі відбувається за певними правилами.

1. Для гомологів бензену, які містять два однакові замісники, послідовність нумерації атомів Карбону обирають так, щоб локанти були найменшими:

2. Якщо замісники різні, обирають такий напрямок нумерації атомів Карбону, щоб замісник, назву якого за алфавітом указують раніше, отримав найменший локант:

3. У дизаміщених гомологах бензену для утворення тривіальних назв використовують префікси, які виділяють курсивом і відокремлюють дефісом:

Локанти замісників	Префікси
1,2	орто- (о-)
1,3	мета- (м-)
1,4	пара- (п-)

Завдання 3. Масова частка Карбону в молекулі вуглеводню становить 90,0 %. Виведіть молекулярну формулу цієї сполуки, якщо її відносна густина за гелієм дорівнює 30. Складіть структурні формули та дайте систематичні назви будь-яких чотирьох ізомерів, що відповідають такій молекулярній формулі.

---

Реакції заміщення в бензеновому ядрі мають істотні особливості, якщо в такому ядрі уже міститься замісник. Будова молекули такого продукту реакції визначається електронною природою замісника.

У симетричній молекулі бензену під впливом замісника порушується рівномірний розподіл π-електронної густини ароматичної системи, відбувається її перерозподіл так, що одні атоми Карбону стають активнишими, а інші – пасивнішими в реакціях подальшого заміщення. Тому нова група-замісник займає не будь-яке, а цілком визначене положення по відношенню до уже наявного замісника: орто-, мета- або пара-положення:

За орієнтувальною дією замісники поділяють на замісники

• 1-го роду (орієнтують в орто- та пара-положення): -СН₃, -ОН, -NH₂ тощо;
• 2-го роду (орієнтують в мета-положення): -NO₂, -SO₃H, -COOH, -CHO тощо.

Замісники 1-го роду є донорами електронів, за рахунок яких електронна густина бензенового ядра зростає в орто- та пара-положеннях. Саме в цих положеннях відбуваються реакції електрофільного заміщення (нітрування, сульфування, галогенування):

Замісники 2-го роду є акцепторами електронів, вони відтягують до себе електронну густину бензенового ядра, зменшуючи її в орто- та пара-положеннях. У мета-положеннях вона виявляється вищою, а тому електрофільне заміщення відбувається саме тут:

Через таке зміщення електронної густини реакційна здатність бензенового ядра змінюється: у випадку замісників 1-го роду – посилюється, а у випадку замісників 2-го роду – послаблюється. А тому не дивно, що толуен (метилбензен) буде активнішим за бензен, а нітробензен – менш активний у реакціях електрофільного заміщення.

Важливо пам’ятати, що правила орієнтування неоднозначні. Замісники 1-го та 2-го роду визначають лише переважний напрямок реакції, оскільки разом із основним продуктом часто утворюються інші ізомерні сполуки. Так, у разі нітрування толуену насправді утворюються орто-, мета- та пара-ізомери в такому співвідношенні:

Завдання 4. Зважаючи на характер електронної природи гідроксильної групи (див. текст вище), зробіть припущення щодо будови продукту нітрування фенолу. Складіть структурні формули можливих продуктів моно-, ди- та тринітрування.

Згідно з теорією будови органічних сполук у молекулах має місце взаємний вплив атомів (груп атомів). Орієнтувальна дія замісників у бензеновому ядрі є лише одним із виявів цього взаємного впливу. Зі свого боку, бензенове ядро впливає на замісник, з’єднаний із нею.

Демонстраційни дослід 1.

Перелік обладнання та реактивів:

1. Пробірка 2 од.
2. Толуен 5 мл
3. Бензен 5 мл
4. Калій перманганат, 1 %-ий розчин 5 мл
5. Сульфатна кислота, 70 %-ий розчин 0,5 мл
6. Штатив для пробірок 1 од.
7. Піпетка Пастера 1 од.
8. Водяна баня, 50-60 °С 1 од.

Хід дослідження:

1. У дві пробірки внесіть по 2-3 мл бензену та толуену.
2. До вмісту кожної пробірки додайте по 1 мл водного розчину калій перманганату та 2-3 краплі концентрованої сульфатної кислоти.
3. Нагрівайте уміст обох пробірок на водяній бані (близько 55 °С). Спостерігайте за перетворенням.

• Чи змінився колір розчину калій перманганату?

• Який висновок можна зробити про взаємний вплив бензенового ядра та метильної групи у складі толуену?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Молекулу толуену можна розглядати як похідну метану, в якому один атом Гідрогену заміщений на фрагмент бензену – феніл С₆Н₅. Як відомо, метан є стійким до дії окисників – не знебарвлює розчин калій перманганату. У присутності ж бензенового ядра – фенілу – метильна група легко окиснюється за хімічним рівнянням:

Завдання 5. Обчисліть об’єм (мл) 1 %-го розчину калій перманганату (густина розчину 1,05 г/мл), необхідного для добування 3,66 г бензенової кислоти окисненням толуену.

---

Значну кількість ароматичних вуглеводнів у світі добувають у процесі ароматизації окремих фракцій нафти, у результаті чого аліфатичні вуглеводні – алкани та циклоалкани – піддаються дегідроциклізації, перетворюючись на бензен, толуен, ксилени тощо:

До синтетичних методів належить одна із модифікацій реакції Вюрца: «склеювання» вуглеводневих залишків реакцією галогенопохідних алканів та аренів із металічнимнатрієм (реакція Вюрца-Віттіга):

• Подумайте, які ще продукти можуть утворюватися внаслідок такої реакції. Складіть відповідні хімічні рівняння.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Гомологи бензену можуть бути синтезовані внаслідок реакції електрофільного заміщення реакцією із галогеноалканами у присутності каталізатора (FeBr₃, AlCl₃ тощо) – реакція Фріделя-Крафтса:

Завдання 6. Складіть рівняння реакцій відповідно до ланцюга перетворень. Укажіть кінцевий продукт Х.

А Толуен; Б етилбензен; В бензен; Г метилбензен

---

Складіть сенкан (від фр. cinquain — «п’ятирядковий вірш»), який допоможе узагальнити отримані протягом заняття знання з теми за наступним планом:

• 1-ий рядок – одне слово – тема (іменник);
• 2-ий рядок – два прикметника, які описують тему;
• 3-ій рядок – три дієслова, пов’язані з дією теми;
• 4-ий рядок – речення з чотирьох слів, яке передає суть або ставлення;
• 5-ий рядок – одне слово – узагальнення, підсумок або асоціація.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

---

1. Виведіть молекулярну формулу вуглеводню, масова частка Гідрогену в якому становить 8,70 %, а відносна густина його парів за метаном становить 5,75.
2. Чи є гомологом бензену стирен?

Складіть рівняння реакції гідрогенування стирену.