VISOKO POLJOPRIVREDNO-PREHRAMBENA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA U PROKUPLJU
SEMINARSKI RAD
MENTOR
STUDENT
dr Ljubiša Jovanović
Miloš Stojanović broj indeksa: zb 419/16
Prokuplje, oktobar, 2016
VISOKO POLJOPRIVREDNO-PREHRAMBENA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA U PROKUPLJU
SEMINARSKI RAD BENZEN I NJEGOVI HOMOLOZI
MENTOR
STUDENT
dr Ljubiša Jovanović
Miloš Stojanović broj indeksa: zb 419/16
Prokuplje, oktobar, 2016
BENZEN I NJEGOVI HOMOLOZI
SADRŽAJ 1. Benzen……………………………………………………………………………..1 2. Struktura
benzena………………………………………………………………..2
2.1.Eksperimentalne činjenice o benzenu……………………………………2 3.Stabilnost benzena………………………………………………………………...4 3.1.Svojstva benzena……………………………………………………..........4 3.2.Primena benzena..........................................................................................4 4.Nomenklatura...........................................................................................................5
5.Nalaženje i dobijanje.................................... ...........................................................10 5.1.Dobijanje derivata benzena........................................................................10 5.2.Wurtz-Fittig-ova reakcija...........................................................................10 5.3.Metoda sa Grignard-ovim reagensom.......................................................10
6. Fizičke i Hemijske osobine....... ..............................................................................11 6.1. Fizičke osobine............................................................................................11 6.2.Hemijske osobine.........................................................................................11
6.3.Elektrofilna aromatična supstitucija........................................................ ..12 6.4.Aktivirajuće grupe............................................. ..........................................12 6.5.Deaktivirajuće grupe................................................................................. ..12 7.Ksilen.........................................................................................................................13 8.Toluen........................................................................................................................14
9.Zaključak.......................................................................... ........................................16 10.Literatura................................................................................................................17
1. Benzen Benzen (trivijalni
naziv: benzol), molekulske formule C6H6, je najjednostavniji aromatični ugljovodonik. Otkrio ga je Majkl Faradej1825. godine. Osnovno jedinjenje velike grupe organskih aromatičnih jedinjenja - arena. To je bezbojna tečnost karakterističnog mirisa i male viskoznosti, gustina 0,885 g/cm³, tačka topljenja 5,5°C, tačka ključanja 80,2°S. Gori svetlim i jako čađavim plamenom. Otrovan je i kancerogen i u tečnom i u gasovitom stanju. Dobija se pri suvoj destilaciji uglja u koksarima, na području nekadašnje Jugoslavije u Lukavcu i Zenici. Znatne količine se proizvode i sintetički, katalitičkim krekovanjem alifatičnih i naftenskih ugljovodonika. U svetu je 1975. godine proizvedeno 8,92 miliona tona. Upotrebljava se u hemijskoj industriji kao rastvarač, sredstvo za ekstrakciju i kao sirovina za druge proizvode.
1
2. Struktura benzena Otkriven 1825. godine od strane Faraday-a.Tek 1865. godine Kekulé posta vlja zadovoljavajuću, cikličnu strukturu benzenea. Ova struktura je u skladu sa eksperimentalnom činjenicom da su svi vodonikovi atomi u benzenu ekvivalentni i da postoji samo jedan monosupstitucioni proizvod, C 6H5Y.
Po ovoj strukturi trebalo bi da postoje dva različita 1, 2 dibrombenzena.
2.1. Eksperimentalne činjenice o benzenu -
stabilan molekun
pravilan šestougaonik sve veze između C atoma su jednake dužine
-
uglovi veza C-C-C i C-C-H su 120 - trigonalna hibridizacija sve C-H veze su ekvivalente
Svaki od 6 C-atoma u benzene vezana je sp 2 hibridizovanim orbitalama za tri druga atoma ( 2C i 1H ). Svih 6 C-atoma leže u istoj ravni, u uglovima pravilnog šestougaonika (ovakvu geometriju uslovljava sp 2 hibridizacija). Svi uglovi veza C-C-C i C-C-H iznose 120
2
Svaki ugljenikov atom u benzenu sadrži josš po jednu nepromenjenu p-orbitalu sa po jednim elektornom. Preklapanjem ovih šest atomskih orbitala dobija se ukupno šest molekulskih orbital od kojih su tri vezane.
-
Energetski dijagram π-molekulskih orbitala kod benzena
3
3. Stabilnost benzena Razlika između količinu toplote koja stvarno oslobodi i vrednosti izračunate na osnovu Kekule-ove structure naziva se rezonanciona energija ili energija delokalizaje. Kekule-ove strukture kojima se predstavlja benzene nisu različiti molekuli koji su u ravnoteži, već prestavljaju jedan molekul koji se opisuje sa dve rezonantne strukture.
Što je vrednost za toplotu hidrogenizacije manja, to je jedinjenje stabilnije.
3.1. Svojstva benzena -
Na sobnoj temperature benzene je bezbojna tečnnost karakterističnost mirisa. Benzen se rastvara u etru i ugljen tetra hloridu, jer su to nepolarni rastvarači Benzen je veoma otrovna supstanca, za koju je utvrđeno da dovodi do razvoja kancera
-
Benzen gori čađavim plamenom jer sadrži visok procenat ugljenika
3.2. Primena benzena Benzen se koristi za dobijanje lekova, boja, detrdženata, eksploziva i za
proizvodnju drugih aromatičnih jedinjenja.
4
4. Nomenklatura IUPAC nomenklatura je preuzela i zadržala ime beznen. Različiti derivati benzena dobijaju se zamenom jednog ili vise vodonikovih atoma u benzenu drugim atomima il i grupama.
Monosupstituisani derivati dobijaju imena tako što se alkil, alkenil ili arenil grupi doda reč benzen. Neki od ovih derivate imaju svoja imena.
Jednovalentna grupa, nastala uklanjanjem jednog H-atoma iz benzena, C 6H6-, naziva se fenil
grupa i često se koristi pri imenovanju.
Sledeće grupe su poznate po svojim trivijalnim imenima :
5
Postoje tri disupstituisana benzenova derivate, prema tome da li su supstituenti u položajima 1,2-, 1,3-, ili 1,4- . Obeležavaju se prefiksima o-(orto), m-(meta), i p(para):
Supstituenti u principu dobijaju najmanje moguće brojeve. U slučaju kada se imena izvode iz gore navedenih jedinjenja sa zadržanim trivijalnim imenima, najniži broj se daje supstituentu ( ili supstituentima) koji se već nalaze u jedinjenju:
Veći aromatični sistemi ili policiklični aromatični sistemi označavaju se slično benzenu i njegovim derivatima.
6
Potpuni ili delimični redukcioni proizvodi aromatičnih jedinjenja se često nazivaju hidro derivati ili perhidro- jedinjenja osnovnog sistema:
Sulfonovanje -
Benzen reaguje sa koncentrovanom sumpornom kiselinom ili sa pušljivom sumpornom kiselinom
-
U oba slučaja, elektrolit je sumpor trioksid SO 3
Tok reakcije sulfonovanja
7
Halogenovanje Benzen reaguje sa bromom ili hlorom samo u prisustvu Lewis- ove kiseline i to najčešće FeCl3,FeBr 3, AlCl3 i gradi brom ili hlorobenzen.
Tok reakcije nitrovanja
Gradjenje s-kompleksa
-kompleks
gubi proton i gradi nitrobenzen:
8
Uvođenje još jedne nitro-grupe
Da bi se uvela još jedna nitro grupa u molekul, potrebni su oštriji reakcioni uslovi:
9
5. Nalaženje i dobijanje Glavni industrijski izvor benzena i ostalih aromatičnih jedinjenja je katran kamenog uglja. U laboratoriji se benzen može dobiti na više načina: -
Dekarboksilovanjem aromatičnih kiselina ili njihovih soli
5.1. Dobijanje derivata benzena Za dobijanje benzenovih derivata ili arena postoji nekoliko opštih metoda -
Friedel-Crafts-ovo alkilovanje. Reakciju su otkrili 1877. na Pariskom Univerzitetu Francuz Charles Friedel i Amerikanac James Crafts
-
Najvažnija mestoja za uvođenje bočnog niza (alkil grupe) u aromatično jezgro
5.2. -
5.3. -
Wurtz-Fittig-ova reakcija 1863. Rudolph Fittig, profesor Univerziteta u Strazburu primenio je Wurtzovu reak ciju na mešovite alkil - i aril- halogenide. Ova reakcija se koristiza sintetu homologa benzena.
Metoda sa Grignard-ovim reagensom Dejstvom alkil-halogenida na fenilmagnezijum- bromid dobijaju se takođe
10
6. Fizičke i Hemijske osobine 6.1. Fizičke osobine -
Benzen je bezbojna tečnost specifičnog mirisa Za paljiv je i gori čađavim plamenom, što je karakteristika svih aromatičnih jedinjenja (veliki procenat ugljenika) Benzen i njegovi homolozi su slabo polarni
nerastvorni u void, rastvorni u nepolarnim rastvaračima kao što su alcohol, etar, ugljentetrahlorid itd.
-
sam benzen je dobar rastvarač za masti, smole, sumpor, jod, itd. gustina skoro svih aromatičnih jedinjenja je manja od vode
-
Tačka ključanja raste sa povećanjem molekulske mase ( za 20 – 30 za svaki C-atom)
-
Tačka topljenja ne zavisi samo od molekulske mase, već i od oblika molekula. što je jedinjenje simetričnije, ima višu tačku topljenja i manju rastvorljivost
izomer
t.t.
o-ksilen
-25C
m-ksilen
-48C
p-ksilen
+13C
6.2. Hemijske osobine -
Karakteristična reakcija aromatičnih jedinjenja je elektrofilna supstitucija Prva faza elektrofilne supstitucije podseća na elektrofilnu adiciju kod alkena
11
6.3. Elektrofilna aromatična supstitucija
6.4.
Aktivirajuće grupe
6.5. Deaktivirajuće grupe
Jako aktivirajuće
- NO2
- NH2 (- NHR, - NR 2) - OH
- N(CH3)3+ - CN - COOH (- COOR) - SO3H - CHO, - COR
Srednje aktivirajuće - OCH3 (- OC2H5, itd.) - NHCOCH3
Slabo aktivirajuće - C6H5, CH3 12
7. Ksilen Ksilen (C6H10) obuhvataju tri izomera dimetilbenzena. Izomeri se označavaju oznakama orto(o-),meta- (m-), i para- ( p-), koje ukazuju na kojim atomima ugljenika benzenovog prstena su dve metil grupe vezane. Brojeći atome počevši od jednog atoma prstena sa metil grupom i idući ka drugom ugljeniku sa metil grupom, o- izomer ima IUPAC ime 1,2-dimetilbenzen, mizomer, 1,3 dimetilbenzen, i p-izomer 1,4-dimetilbenzen. Mešavina je umereno masna, bezbojna tečnost. Ona se često koristi kao rastvarač. Nekoliko miliona tona se proizvede godišnje.
Ksilen je u vodi nerastvorljiv ( samo 0,2 g/l ). U eteru, alkoholima, benzolu i acetonu, ksilen
pokazuje veoma dobru rastvorljivost. Tačka gorenja iznosi, u zavisnosti od izomera, oko 30 °C, a tačka paljena na 460 °C.
Upotreba: -
- kao rastvarač umesto benzena
-
u industriji papira, gume, kože
-
proizvodnji boja i lakova
-
u građevinarstvu gde se radi sa polietanskim hidrolizacijama
-
u medicini u laboratorijama itd...
-
13
8. Toluen Toluen (toluol) je čista u vodi nerastvorna tečnost sa tipičnim mirisom rastvarača. Hemijski on je mono-substituisani derivat benzena, tj. jedan atom vodonika benzen je zamenjen CH3 grupom.
On je aromatični ugljovodonik koji je u širokoj upotrebi kao industrijska sirovina i
rastvarač. Poput drugih rastvarača, toluen se u nekim slučajevima takođe koristi kao inhalirajući lek zbog svojih opojnih svojstava; međutim, to može potencijalno da prouzrokuje ozbiljne neurološke povrede.+ Toluen je važan organski rastvarač, ali isto tako ima sposobnost rastvaranja brojnih neorganskih hemikalija kao što je sumpor .
Toluen reaguje kao normalan aromatičan ugljovodonik u pogledu elektrofilne aromatične supstitucije. Metilna grupa ga čini oko 2 5 puta reaktivnijim od benzena u takivm reakcijama. On podleže sulfonaciji i daje p-toluenesulfonsku kiselinu, i hlorinaciji sa Cl2u prisustvu FeCl3 i daje orto i para izomere hlorotoluena. On podleže nitraciji čime nastaju orto i para nitrotoluenski izomeri, ali ako se zagreje daje dinitrotoluen i ultimatno eksploziv trinitrotoluen (TNT).
Sa drugim reagensima metil bočni lanac toluena može da reaguje, podležući oksidaciji. Reakcija sa kalijum permanganatom i razblaženom kiselinom (npr. sumpornom kiselinom) ili kalijum permanganatom sa koncentrovanom sumpornom kiselinom, proizvod ibenzojevu kiselinu, dok reakcija sa hromil hloridom daje benzaldehid (Etardova reakcija). Halogenacija se može izvesti pod uslovima slobodnih radikala. Na primer, N bromosukcinimid (NBS) zagrevan sa toluenom u prisustvu AIBN dovodi do benzil bromida. 14
Toluen se takože može tretirati sa elementarnim bromom u prisustvu UV svetla (direktna sunčeva svetlost) da proizvede benzil bromid . Toluen se isto tako može brominisati tretiranjem sa HBr i H2O2 u prisustvu svetla .
Katalitička hidrogenacija toluena do metilcikloheksana zahteva visok pritisak vodonika do bi se završila, zbog stabilnosti aromatičnog sistema. pKa je aproksimativno 45.
15
9. Zaključak Areni ( aromatični ugljovodinici ) su ciklični ugljovodinici koji se po svom hemijskom ponašanju razlikuju od alifatičnih ugljovodika . Najprostiji aromatični ugljovodik je upravo benzen ( C6H6). Areni sa alkil grupama grade njegve homologe toluene i ksilen.
U ogranskoj hemiji strukture nekih atomskih prstenova su neuobičajeno stabilne. Aromatičnost je hemijska osobina kojom konjugovani prsten nezasićenih veza, slobodnih parova ili praznih orbital pokazuje stabilizaciju jaču nego što bi se očekivalo kao posledica same konjugacije.To se takođe smatra manifestacijom ciklične delokalizacije i resonance. Naziv aromatični nose po tome što imaju karakterističan miris ( aromu ). Obično se smatra da je zato što su elektroni slobodni da se kreću oko kružnog aranžmana atoma koji su alternativno jednostruko i dvostruko vezani jedan za drugog. Na te veze se moze gledati kao hybrid jednostrukih i dvostrukih veza gde su sve veze u prstenu identične.
Ovaj uobičajeni model aromatičnog prstena, zapravo ideju da je benzen formiran od šestočlanog ugljeničnog prstena sa naizmeničnim jednostrukim i dvostrukim vezama ( cikloheksatrien) je razvio Fridrih Kekule. Model benzena se sastoji od dve rezonatne forme.
Benzen je stabilniji molekuk nego što bi se očekivalo bez uzimanja u obzir delokalizacije naelektrisanja. -
Policiklični aromatični ugljovodonici su molekuli koji sadrže dva ili više jednostavna aromatična prstena vezana putem zajedničke veze i prsteni dele dva atoma. Primeri su naftalen, antracen i fenatren.
-
Postoji veliki broj hemijskih jedninja koja su aromatični prstenovi sa jednim ili više vezanih supstituenata. Prime ri su trinitrotoluene ( TNT ), acetilsalicilna kiselina ( aspirin ), paracetamol i DNK nukleotidi.
-
Aromatičnost je isto tako nađena kod jona ciklopropenilni katjon (2e system ), ciklopentadienilni (6e system), tropilijumski jon (6e) ciklooktatetraenski d ianjoj (10e). Aromatične osobine su bile pripisane ne -benzenoidnim
jedinjenjima kao što je tropon. Granični slučaj aromatičnih osobina poseduje klasa jedinjenja zvana ciklofani.
16
10. Literatura -
Stanimir Arsenijević, Opšta i neorganska hemija, Naučna knjiga, Beograd 1980. Ilija Rikovski, Organska hemija, Građevinska knjiga, Beograd 1983.
S.Nršić, J. Vučetić. Organska preparativna hemija. Građevinska knjiga, Beograd 1996 . Pine, S.H. Hendrickson. J. B. Cram. D.J.Hammond, G.S. Organska hemija, Školska knjiga, Zagreb 1984.
Mihailović M.: Osnovi teorijske organske hemije i stereohemije, udžbenik, Građevinska knjiga, Beograd, 1975. Rakić B., Stojanović S., Praktikum iz organske hemije, Evropski univerzitet, Farmaceutski fakultet, Novi Sad, 2013. Stanimir R. Arsenijević, Organska hemija, VI izdanje, Naučna knjiga, Beograd, 1990.
M. Petković, Organska hemija, Univerzitet u Nišu, 1985. K.Peter C.Volhardt, Neil E.Schore, ORGANSKA HEMIJA, Data stat us, Beograd, 2004 https://sr.wikipedia.org/ http://www.svethemije.com/ http://www.chemgeneration.com/rs/ http://polj.uns.ac.rs/
17
