Сопряженные системы (алкадиены с сопряженными связями, бензол и его гомологи)

Сопряжённые системы (алкадиены, бензол и его гомологи)

Понятие сопряжённых систем

Сопряжённая система — это система, в которой чередуются двойные и одинарные связи, что позволяет π-электронам делокализоваться по всей системе.

• Увеличивает устойчивость молекулы.
• Изменяет физические и химические свойства.

Примеры: Алкадиены с чередующимися связями: $CH_2$=CH–CH=$CH_2$ (бутадиен-1,3). Ароматические соединения: бензол ($C_6H_6$).

Алкадиены

Определение

Алкадиены — непредельные углеводороды, содержащие две двойные связи. Общая формула: $C_nH_{2n-2}$

Виды алкадиенов

1. Кумулированные — двойные связи на одном атоме: C=$CH_2$ (аллилен).
2. Изолированные — двойные связи разделены более чем одной σ-связью: $CH_2$=CH–$CH_2$–CH=$CH_2$.
3. Сопряжённые — двойные связи через одну σ-связь: $CH_2$=CH–CH=$CH_2$ (бутадиен-1,3).

Самые устойчивые и важные — сопряжённые.

Химические свойства

1. Присоединение (по двойным связям):

$CH_2=CH–CH=CH_2 + Cl_2 \to ClCH_2–CH=CH–CH_2Cl$

(или с разрывом обеих связей → тетрахлорбутан).

2. Полимеризация:

Пример: Бутадиен → каучук: $nCH_2=CH–CH=CH_2 \to (–CH_2–CH=CH–CH_2–)_n$

3. Горение:

$C_4H_6 + \tfrac{11}{2}O_2 \to 4CO_2 + 3H_2O$

Бензол и его гомологи

Строение бензола

• Формула: $C_6H_6$.
• Молекула — шестичленный плоский цикл с делокализованными π-электронами.
• Все связи эквивалентны (длина ≈ 0,139 нм).

Модель Кекуле: чередующиеся двойные связи. Современная теория: кольцо с «облаком» π-электронов над и под плоскостью цикла.

Гомологи бензола

• Метилбензол (толуол, $C_6H_5CH_3$).
• Диметилбензолы (ксилолы, $C_6H_4$($CH_3$)₂).
• Этилбензол, пропилбензол и др.

Изомерия в бензольном кольце

1. Орто- (о-) — заместители в положениях 1 и 2.
2. Мета- (м-) — в положениях 1 и 3.
3. Пара- (п-) — в положениях 1 и 4.

Пример: Диметилбензол (ксилолы) имеет три изомера: о-, м-, п-.

Физические свойства

• Жидкость ($C_6H_6$, толуол).
• Малорастворимы в воде, растворимы в органических растворителях.

Химические свойства

Отличие бензола → реакции электрофильного замещения, а не присоединения (устойчивость ароматического кольца).

1. Галогенирование:

$C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{FeCl_3} C_6H_5Cl + HCl$

2. Нитрование:

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NO_2 + H_2O$

3. Сульфирование:

$C_6H_6 + SO_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5SO_3H$

4. Алкилирование (реакция Фриделя–Крафтса):

$C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 + HCl$

5. Горение:

$2C_6H_6 + 15O_2 \to 12CO_2 + 6H_2O$

Итог

• Алкадиены бывают кумулированные, изолированные и сопряжённые; наиболее устойчивые и важные — сопряжённые (бутадиен, изопрен).
• Сопряжённые системы → основа для каучуков и полимеров.
• Бензол — классический ароматический углеводород: устойчивая π-система, реакции замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование, алкилирование).
• Гомологи бензола → толуол, ксилолы, этилбензол и др.