ARENY RNDr Marta Najbertov Gymnzium a Jazykov kola

ARENY RNDr. Marta Najbertová

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Název školy Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Adresa školy IČO Operační program Registrační číslo Označení vzdělávacího materiálu Vzdělávací oblast Vzdělávací obor Tematický okruh Sokolovská 1638 620 330 26 Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost CZ. 1. 07/1. 1. 28/01. 0050 K_INOVACE_1. CH. 18 Člověk a příroda Chemie Uhlovodíky - areny Zhotoveno Ročník Vyšší stupeň osmiletého gymnázia a čtyřleté gymnázium (RVP – G) Anotace Materiál je určen jako studijní materiál v předmětu chemie. Je zaměřen na obecnou charakteristiku, rozdělení, vlastnosti a popis zástupců arenů. Předpokládá zvládnutí teorie atomového obalu, chemické vazby a obecné chemie. Materiál je určen pro seminář chemie, lze jej využít i v hodinách chemie.

Aromatické karbocyklické uhlovodíky Cyklické uhlovodíky, v jejichž molekule se vyskytují δ a ∏ vazby. Vzájemná poloha jednoduchých a dvojných vazeb způsobuje změnu vzdálenosti atomů uhlíku tvořících cyklus. Molekule benzenu by měla odpovídat struktura sloučeniny cyklohex-1, 3, 5 -trien. Vzdálenost mezi atomy C-C jednoduché vazby by měla být 0, 154 nm, mezi atomy C-C dvojné vazby 0, 133 nm. Ve skutečnosti je délka vazeb mezi atomy C-C 0, 139 nm.

Struktura benzenu Za předpokladu, že je benzen cyklohex-1, 3, 5 -trien, jsou atomy C v hybridizaci sp 2. Nezhybridizované ∏ orbitaly směřují kolmo na rovinu molekuly. Jejich vzájemným překrytím vznikne souvislý pás, ve kterém se pohybují elektrony původních ∏ orbitalů. Označujeme je jako delokalizované – nejsou umístěny mezi dvojice atomů, ale pohybují se volně v překrytých orbitalech. Systém delokalizovaných elektronů zvyšuje stabilitu sloučeniny a výrazně ovlivňuje chemické vlastnosti.

Struktura benzenu Skutečnou strukturu molekuly benzenu lze vystihnout několika vzorci (teorie rezonance). Nejčastější: Nejvýstižnější, ale dnes nepoužívaný: Nepoužívané:

Aromatický charakter Sloučeniny, které splňují následující podmínky, jsou aromatické: 1. Molekuly musí být cyklické a atomy v cyklu leží v jedné rovině. 2. Musí existovat nejméně dvě rezonanční struktury 3. Počet ∏ elektronů včetně volných elektronových párů musí být roven 4 n + 2, kde n = celé kladné číslo (tj. Hückelovo pravidlo). U benzenu se vzorcem C 6 H 6 je počet ∏ elektronů 6. To odpovídá vzorci 4*1+2=6.

Názvosloví Systematické názvosloví je nahrazeno nesystematickým s využitím názvu základního arenu – benzen. 1. Jeden substituent – není nutné vyjadřovat číslem atom C, který je substituován, všechny atomy jsou rovnocenné. Methylbenzen = toluen

Názvosloví 2. Dva substituenty – vzájemná poloha se vyjádří čísly nebo předponou. 1, 2 -dimethylbenzen, ortho (o)-dimethylbenzen 1, 3 -dimethylbenzen, meta (m)-dimethylbenzen 1, 4 -dimethylbenzen, para (p)-dimethylbenzen

Názvosloví V případě kondenzovaného arenu naftalenu se poloha substituentu vyjádří číslicí, nebo písmenem řecké abecedy. Polohy 1, 4, 5, 8 se označují α, polohy 2, 3, 6, 7 se označují β. 2 -ethylnaftalen β-ethylnaftalen

Názvosloví - aryly Obecné označení aryly se používá pro skupiny odvozené myšleným odtržením jednoho nebo více atomů vodíku z molekuly arenu. fenyl benzyl 1 -naftyl α-naftyl

Fyzikální vlastnosti Areny jsou buď kapaliny, nebo pevné látky. V polárních rozpouštědlech (voda) jsou nerozpustné, rozpouštějí se v nepolárních rozpouštědlech. Jsou výbornými nepolárními rozpouštědly – použití jako technická rozpouštědla. Většina se vyznačuje typickou vůní (častokrát je název aromatické uhlovodíky s touto vlastností spojován). Některé pevné areny sublimují. Většina běžně používaných jedovatá, karcinogenní, s narkotickými účinky.

Chemické vlastnosti Oproti předpokladům neochotně reagují adičními reakcemi – adice vede k porušení stabilního systému delokalizovaných elektronů. + 3 H 2 benzen cyklohexan + 3 Cl 2 benzen 1, 2, 3, 4, 5, 6 -hexachlorcyklohexan

Elektrofilní substituce Nevede k porušení aromaticity systému. Probíhá přes komplexy π a σ. komplex π benzen komplex σ substituovaný benzen

Nitrace nitroniový kationt nitrační směs nitrobenzen

Sulfonace sulfoniový kationt sulfonační směs sulfobenzen

Halogenace + Br 2 brombenzen Br+ brombenzen

Friedelova-Craftsova alkylace + R+ alkylbenzen

Friedelova-Craftsova acylace acylbenzen

Reakce postranního řetězce Tyto reakce obvykle mají stejný charakter, jako kdyby aromatické jádro nebylo přítomno. Postranní řetězce lze halogenovat, oxidovat, dehydrogenovat… benzaldehyd toluen

Substituce do dalších stupňů Další substituce je výrazně ovlivněna původním substituentem. + 2. substituent poloha ortho poloha metha poloha para

Substituce do polohy ortho a para Atomy nebo skupiny, které mají na centrálním atomu nevazebný elektronový pár, řídí další substituci do polohy ortho a para. R může být alkyl, alkenyl i alkynyl. Halogen další substituci znesnadňuje.

Substituce do polohy ortho a para o-nitrotoluen p-nitrotoluen neprobíhá nebo jen omezeně m-nitrotoluen

Substituce do polohy metha Atomy nebo skupiny, které mají na centrálním atomu úplný nebo částečný kladný náboj, řídí další substituci do polohy metha.

Substituce do polohy metha neprobíhá nebo jen omezeně kyselina o-sulfobenzoová kyselina m-sulfobenzoová kyselina benzoová neprobíhá nebo jen omezeně kyselina p-sulfobenzoová

Předpověď průběhu substituce Předpovědět následnou substituci lze pouze v případě, když již přítomné substituenty řídí další substituci souhlasně. Další nitroskupina vstoupí do polohy 4 vzhledem k souhlasnému efektu obou skupin. ?

Předpověď průběhu substituce Někdy o vstupu substituentu rozhodují vlivy stérické (strukturální). + Vzhledem k objemnosti skupin nevznikl očekávaný produkt 1, 2, 4, ale 1 -terc. butyl-3, 5 -dimethylbenzen.

Rozdělení arenů 1. benzenoidní s 1 benzenovým jádrem vinylbenzen se 2 a více kondenzovanými naftalen se 2 a více nekondenzovanými bifenyl 2. nebenzenoidní cyklopentadienový anion cykloheptatrienyliový kation

Výroba arenů 1. Karbonizací černého uhlí – produktem koks a černouhelný dehet – z něj oddělovány destilací. 2. Katalytickou dehydrogenací alicyklických uhlovodíků z ropy. 3. Cyklizací a izomerací alifatických uhlovodíků z ropných frakcí. + +

Benzen Bod varu 80◦C, karcinogenní, způsobuje útlum krvetvorby. Objeven 1825. Laboratorní nepolární rozpouštědlo. benzen

Methylbenzen (toluen) Bod varu 110 ◦C, narkotický (inhalační toxikomanie), rozpouštědlo barev, výroba TNT a sacharinu. Výroba ze sedmiuhlíkatých frakcí ropy. +

Dimethylbenzeny (xyleny) Výroba z toluenu transalkylací nebo disproporcionací. Vzniká směs o-, m- a pisomerů, meta bez využití. o-xylen – oxidací kyselina ftalová, její dehydratací a následnou kopolymerací s vícesytným alkoholem vznik ftalátů, laminátů, nátěrových hmot. p-xylen – oxidací vzniká kyselina tereftalová, následnou esterifikací metanolem, transesterifikací etylenglykolem a polykondenzací vzniká PET

Vinylbenzen (styren) Vyrábí se katalytickou dehydrogenací ethylbenzenu, polymerací vzniká polystyren, kopolymerací s buta-1, 3 -dienem butadienstyrenový kaučuk. n vinylbenzen (styren) n +n polyvinylbenzen (polystyren)

Isopropylbenzen (kumen) Vyrábí se Friedelovou – Craftsovou alkylací benzenu. Výchozí surovina pro výrobu fenolu a acetonu.

Naftalen Získává se z černouhelného dehtu nebo pyrolýzou ropných frakcí. Insekticid. K výrobě léků, pesticidů, azobarviv. Nejdůležitější je oxidace na ftalanhydrid.

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Zdroje a použitá literatura 1. ČERVINKA, Otakar a kol. Mechanismy organických reakcí: učebnice pro vys. školy chemickotechnologické. 1. vyd. Praha: SNTL, 1976. 483, [1] s. Řada chemické literatury. 2. HALBYCH, Josef a KLÍMOVÁ, Helena. Didaktika organické chemie: příklady vyučovacích postupů. 1. vyd. Praha: Univerzita Karlova, 1988. 158 s. 3. MCMURRY, John. Organická chemie. Vyd. 1. V Brně: VUTIUM, 2007. xxv, 1176, 61, 31 s. Překlady vysokoškolských učebnic; sv. 2. ISBN 978 -80 -214 -3291 -8. 4. PACÁK, Josef. Stručné základy organické chemie. 1. vydání. Praha: SNTL Nakladatelství technické literatury, 1975. Řada chem. literatury. 5. Fotografie a vzorce z vlastní databáze autora. Vytvořeny programy ACD FREE 12, Snagit Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízeních. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu.

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Zdroje a použitá literatura 1. Petroleum. cz/ropa/. Petroleum. cz [online]. [cit. 2013 -11 -27]. Dostupné z: http: //www. petroleum. cz/ 2. Studiumchemie. cz: Portál PřF UK na podporu výuky chemie na ZŠ a SŠ [online]. [cit. 2013 -11 -27]. Dostupné z: http: //www. studiumchemie. cz/ 3. Benzen. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 - [cit. 2013 -11 -27]. Dostupné z: http: //cs. wikipedia. org/wiki/Benzen 4. Toluen. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 - [cit. 2013 -11 -27]. Dostupné z: http: //cs. wikipedia. org/wiki/Toluen 5. Xylen. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 - [cit. 2013 -11 -27]. Dostupné z: http: //cs. wikipedia. org/wiki/Xyleny 6. Styren. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001 - [cit. 2013 -11 -27]. Dostupné z: http: //cs. wikipedia. org/wiki/Styren Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízeních. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu.