Арены нефти. Непредельные соединения

Арены (ароматические углеводороды) – углеводороды, в состав молекул которых входит бензольное кольцо. Атомы углерода в бензольном кольце находятся в состоянии sp²-гибридизации, или втором валентном состоянии.

Молекула бензола С₆Н₆плоская, все связи С – С имеют одинаковую длину, которая составляет 0,140 нм и является промежуточной между соответствующими значениями для одинарной С – С (0,154 нм) и двойной С=С (0,134 нм) связей. Каждый углеродный атом бензола имеет 3σ-связи, две из которых направлены к соседним атомам углерода, а третья – к атому водорода. Кроме того, каждый атом углерода имеет 2р – АО, которые частично перекрываются, формируя делокализованную π-молекулярную орбиталь, равномерно распределённую по всему кольцу С₆, обладающую большой подвижностью. Такое строение бензола определяет его особые ароматические свойства, а геометрическая форма молекулы носит название тор.

Ароматичность – это совокупность особых свойств, которыми обладают органические вещества, содержащие в молекуле бензольное кольцо, или некоторые гетероциклические структуры. Эти свойства обусловлены плоскостным строением молекулы и равномерным распределением π – электронной плотности в кольце. Критическим для принадлежности к аренам является число π – электронов в цикле, которое определяется согласно правилу Хюккеля. В соответствии с правилом Хюккеля (4n+2), ароматическое соединение должно содержать плоское кольцо с делокализованной системой π – связей, в образовании которой участвуют (4n+2) π –электронов. Связь между углеродными атомами в молекуле бензола называется ароматической.

Арены нефти представлены соединениями следующих рядов:

- бензол и его гомологи с общей формулой C_nH₂_n-6;

- нафталин и его гомологи с общей формулой C_nH₂_n-12;

- сложные конденсированные системы, состоящие из 3, 4 и 5 конденсированных ядер;

- гибридные, или смешанные, углеводороды, состоящие из нафтеновых и ароматических фрагментов.

Обычно в нефтях содержится до 15-20% аренов; в ароматических (смолистых) нефтях их содержание может достигать до 35%. В бензиновых фракциях содержатся гомологи бензола: толуол, этилбензол, ксилолы, триметилбензолы, кумол, пропилбензол, метилэтилбензолы. В средних фракциях преобладают алкилбензолы, в основном, ди- и тризамещённые, а также гомологи нафталина. В высших фракциях содержатся высшие гомологи бензола, нафталина, диарилалканы, в молекулах которых изолированные ароматические ядра связаны углеводородным мостиком, например:

а также в небольшом количестве гомологи полициклических углеводородов с конденсированными кольцами, например:

Выделенные из нефти арены используют в разных целях. Главным образом – это ценное сырьё для промышленного органического и нефтехимического синтеза (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, нафталин). Возможна их добавка к моторным маслам, так как они наименее склонны к детонации; зато в дизельном топливе они не желательны, потому что ухудшают процесс его сгорания.

Для ряда ароматических углеводородов сохранились тривиальные названия:

CH₃

СН₃

бензол толуол м – ксилол п- кс илол о – ксилол стирол

(метил- (1,2 –диме- (1,4-диме- (1,3-диме-

бензол) тилбензол) тилбензол) тилбензол)

Для бензола и его гомологов характерна изомерия положения боковых радикалов. Так, для двух одинаковых боковых радикалов кроме наименьших числовых обозначений, существует и буквенные обозначения. Например, диметилбензол (ксилол) существует в виде трёх изомеров (см.выше): 1,2 –диметилбензол или о - ксилол, 1,3 –диметилбензол или м – ксилол, 1,4 –диметилбензол или п – ксилол. Изомер, у которого два заместителя стоят у соседних атомов углерода кольца, называется орто – изомером; изомер с расположением заместителей через один атом углерода в кольце – мета –изомером; изомер с расположением заместителей на противоположных сторонах кольца – пара – изомером

В молекуле бензола все атомы углерода совершенно равноценны. Поэтому замещение любого из них, например, атомом брома, даст один и тот же бромбензол:

Другие ароматические углеводороды рассматриваются как гомологи бензола или перечисленных выше углеводородов, если вводимый заместитель не идентичен имеющемуся в данном соединении заместителю. Во всех остальных случаях ароматические углеводороды называют как производные бензола.