BENZÉN: HISTÓRIA, ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, DERIVÁTY, POUŽITIA - CHÉMIA - 2025

Benzén je organická zlúčenina skladajúca sa z jednej z najjednoduchších všetkých aromatických uhľovodíkov. Jeho chemický vzorec je C ₆ H ₆ , z ktorých je známe, že pomer medzi uhlíkom a vodíkom sa rovná 1; to znamená, že pre každý uhlík je k nemu pripojený vodík.

Aj keď má fyzikálny vzhľad bezfarebnej kvapaliny, vyskytuje sa prirodzene v rope a ropných výrobkoch. Jeho vôňa je veľmi charakteristická, pretože pripomína zmes lepidla, bitúmenu a benzínu; na druhej strane je to prchavá a horľavá kvapalina.

Fľaša s benzénom. Zdroj: Air1404

Obrázok hore ukazuje nádobu alebo fľašu s benzénom, pravdepodobne bez analytickej čistoty. Ak sa odkryjú, benzénové výpary by sa okamžite rozšírili do laboratória. Z tohto dôvodu sa táto kvapalina, bežne používaná ako jednoduché rozpúšťadlo, spracováva vo vnútri odsávača pár.

Ako jej vzorca C ₆ H ₆ , lekárne XIX storočia vyvolali rad možných štruktúr, ktoré by zodpovedali uvedený pomer C / H rovný 1. nielen to, ale benzénové molekula musel mať zvláštne väzby takým spôsobom, aby mohol byť vysvetlený jeho nezvyčajná stabilita voči adičným reakciám; typické pre alkény a polyény.

Bolo to tak preto, že ich spojenia predstavovali záhadu pre chemikov tej doby; až do zavedenia vlastnosti nazývanej aromaticita. Predtým, ako sa uvažuje o hexacyklotriéne (s tromi väzbami C = C), je benzén omnoho viac a je to ďalší z mnohých príkladov synergie v chémii.

V organickej chémii je benzén klasickým symbolom, ktorý je štrukturálnym základom viacerých polyaromatických zlúčenín. Z jeho hexagónu sa nekonečné deriváty získajú aromatickou elektrofilnou substitúciou; prsteň, z ktorého okrajov je tkaná štruktúra, ktorá definuje nové zlúčeniny.

V skutočnosti sú jeho deriváty dôsledkom rozsiahleho priemyselného použitia, na ktoré potrebujú ako svoju surovinu benzén. Od prípravy glejov a textilných vlákien až po plasty, gumy, pigmenty, drogy a výbušniny. Na druhej strane sa benzén prirodzene vyskytuje v sopkách, požiaroch, benzíne a cigaretovom dyme.

histórie

Objav a mená

Jeho objav sa datuje do roku 1825, zvyčajne pripisovaný Michaelovi Faradayovi, keď zbieral a robil experimenty so zvyškom ropného produktu plynu používaného na osvetlenie. Táto kvapalina obsahovala pomer C / H blízky 1, preto ju nazval „karburovaný vodík“.

Chemik Auguste Laurent pomenoval zvláštny uhľovodík „feno“, odvodený z gréckeho slova „fhaínein“, čo znamená svetlé (pretože sa získalo po spálení plynu). Vedecké spoločenstvo však tento názov neakceptovalo a prevládalo iba ako „fenyl“, čo sa týka radikálu odvodeného od benzénu.

Z benzínovej gumy sa chemikovi Eilhardovi Mitscherlichovi o deväť rokov neskôr podarilo vyrobiť tú istú zlúčeninu; Preto existoval ďalší zdroj toho istého uhľovodíka, ktorý krstil ako „benzín“. Nepovažovali však za vhodný názov ani predpoklad, že išlo o alkaloid, napríklad chinín.

Nahradili tak názov „benzín“ za „benzol“. Opäť však došlo k rozporom a nezrovnalostiam v dôsledku skutočnosti, že výraz „benzol“ zamieňal uhľovodík za alkohol. Vtedy vzniklo meno „benzén“, ktoré sa používalo najskôr vo Francúzsku a Anglicku.

Priemyselná produkcia

Ani svietiaci plyn, ani benzínová guma neboli vhodnými zdrojmi na výrobu benzénu vo veľkom meradle. Charlesovi Mansfieldovi sa v spolupráci s augustom Wilhelmom von Hofmannom podarilo v roku 1845 izolovať benzén (dvadsať rokov po jeho objavení) z uhoľného dechtu, vedľajšieho produktu výroby koksu.

Takto sa začala priemyselná výroba benzénu z uhoľného dechtu. Dostupnosť benzénu v obrovských množstvách uľahčila štúdium jeho chemických vlastností a umožnila jeho spojenie s inými zlúčeninami s podobnou reaktivitou. Sám August Wilhelm von Hofmann razil slovo „aromatický“ pre benzén a jeho príbuzné zlúčeniny.

Historické štruktúry

Sen Augusta Kekulého

Friedrichovi Augustovi Kekulému sa pripisuje šesťuholníková a cyklická štruktúra benzénu okolo roku 1865, ktorá vznikla podivným snom s Uroborosom, hadom, ktorý uhryznutím vlastného chvosta nakreslí kruh. Preto veril, že benzén možno považovať za šesťuholníkový kruh, a ďalší chemici vyzdvihli možné štruktúry, ktoré sú uvedené nižšie:

Štruktúry benzénového kruhu navrhnuté v histórii. Zdroj: Jü

Niektoré z vyšších štruktúr môžu zodpovedať za stabilitu benzénu.

Kniha, krúžky a hranoly

Všimnite si, že tretia štruktúra nie je ani prsteň, ale trojuholníkový hranol, ktorý navrhol Albert Ladenburg v roku 1869; po jeho ľavej strane jeden v tvare otvorenej knihy, navrhnutý Sirom Jamesom Dewarom v roku 1867; a jeho pravý, jeden so všetkými vodíkmi namierenými do stredu kruhu, ktorý navrhol Henry Edward Armstrong v roku 1887.

Prvá štruktúra, ktorú navrhol Adolf Karl Ludwig Claus v roku 1867, je tiež dosť zvláštna, pretože krížové prepojenia sa prechádzajú. A posledný z nich bol Kekulého „hadovitý“ prsteň, o ktorom sa snívalo v roku 1865.

Čo bol „víťaz“? Piata štruktúra (zľava doprava), navrhnutá v roku 1899 Johannesom Thielem.

V tejto súvislosti sa po prvýkrát uvažovalo o rezonančnom hybride, ktorý kombinoval dve Kekulého štruktúry (prvý krúžok otočil napravo, aby ho pozoroval) a výnimočne vysvetlil delokalizáciu elektrónov a tým až do tej doby nezvyčajnú stabilitu elektrónov. benzén.

Štruktúra benzénu

Aromatický benzénový kruh. Zdroj: Benjah-bmm27

Hore je štruktúra navrhnutá Thiele s použitím modelu guľôčok a tyčí.

Molekula benzénu je plochá, pričom atómy vodíka smerujú von zo strán kruhu. Všetky atómy uhlíka majú sp ² hybridizácie , s p orbitálne dispozícii stanoviť aromatický systém, v ktorom šesť elektróny relokovateľné.

Tieto SP ² uhlíky sú elektronegativní než atómy vodíka, a preto je bývalý odstúpiť elektrónová hustota na druhý (C _SP2 ^δ- H ^{δ +} ). V dôsledku toho má stred kruhu vyššiu koncentráciu elektrónov ako jeho strany.

Presnejšie, aromatický systém môže byť predstavovaný ako oblak alebo elektronická podložka expandovaná na oboch stranách šesťhranného kruhu; a uprostred, po stranách alebo hranách, elektronický nedostatok, ktorý sa skladá z vodíkov s kladným čiastočným nábojom.

Vďaka tomuto rozdeleniu elektrických nábojov môžu molekuly benzénu vzájomne interagovať prostredníctvom dipól-dipólových síl; Atómy H5 ⁺ sú priťahované k aromatickému centru susedného kruhu (toto bude uvedené nižšie).

Aromatické centrá môžu byť tiež naskladané jedna na druhú, aby sa podporila indukcia okamžitých dipólov.

rezonancie

Štruktúry a rezonančný hybrid benzénu. Zdroj: Edgar181 z Wikipédie.

Dve štruktúry Kekulé sú zobrazené v hornej časti obrazu a pod nimi rezonančný hybrid. Pretože tieto dve štruktúry sa vyskytujú znovu a znovu v rovnakom čase, hybrid predstavuje kruh nakreslený v strede (podobný kruhu „šesťuholníkový šiška“).

Hybridný kruh je dôležitý, pretože naznačuje aromatický charakter benzénu (a mnohých ďalších zlúčenín). Ďalej zdôrazňuje, že prepojenia nie sú také dlhé ako CC, ani nie sú také krátke ako C = C; ich dĺžka je skôr medzi obidvomi extrémami. Benzén sa teda nepovažuje za polyén.

Bolo to demonštrované meraním dĺžok väzieb CC (139 pm) benzénu, ktoré sú mierne predĺžené ako väzby CH (109 pm).

kryštály

Ortorombická kryštalická štruktúra benzénu. Zdroj: Ben Mills

Benzén je kvapalina pri izbovej teplote. Jeho intermolekulárne sily znamenajú, že napriek tomu, že nemá taký výrazný dipólový moment, dokáže udržať svoje molekuly pohromade v kvapaline, ktorá vrie pri 80 ° C. Keď teplota klesne pod 5 ° C, benzén začne zamrznúť: získajú sa jeho zodpovedajúce kryštály.

Benzénové kruhy môžu vo svojej pevnej látke zaujať definované štruktúrne vzorce. Ich dipóly spôsobujú, že sa „naklonia“ doľava alebo doprava a vytvárajú rady, ktoré je možné reprodukovať pomocou ortorombickej jednotkovej bunky. Benzénové kryštály sú teda ortorombické.

Na hornom obrázku je potrebné poznamenať, že naklonenie krúžkov uprednostňuje interakcie medzi H ^{+ +} a aromatickými centrami uvedenými v predchádzajúcich pododdieloch.

vlastnosti

Molekulová hmotnosť

78,114 g / mol.

Fyzický vzhľad

Bezfarebná kvapalina s benzínovým zápachom.

Bod varu

80 ° C

Bod topenia

5,5 ° C

bod zapálenia

-11 ° C (uzavretá šálka).

Teplota samovznietenia

497,78 ° C

Hustota

0,8765 g / ml pri 20 ° C

rozpustnosť

Jeden liter vriacej vody môže sotva rozpustiť 3,94 g benzénu. Vďaka svojej nepolárnej povahe je prakticky nemiešateľný s vodou. Je však miešateľný s inými rozpúšťadlami, ako je etanol, étery, acetón, oleje, chloroform, chlorid uhličitý atď.

Hustota pár

2,8 v porovnaní so vzduchom (tj takmer trikrát hustejšia).

Tlak vodnej pary

94,8 mm Hg pri 25 ° C

Spaľovacie teplo

-3267,6 kJ / mol (pre tekutý benzén).

Odparovacie teplo

33,83 kJ / mol.

Povrchové napätie

28,22 mN / m pri 25 ° C

Index lomu

1,5011 pri 20 ° C

deriváty

Vodíky benzénu môžu byť nahradené inými skupinami alebo atómami. Môže existovať jedna alebo viac substitúcií, ktoré zvyšujú stupeň substitúcie, až kým nezostane žiadny z pôvodných šiestich vodíkov.

Napríklad sa predpokladá, že benzén je Ph-H, kde H je ktorýkoľvek z jeho šiestich vodíkov. Pamätajúc na to, že stred kruhu má vyššiu elektrónovú hustotu, priťahuje elektrofily, ktoré atakujú kruh, aby nahradili H v reakcii nazývanej elektrofilná aromatická substitúcia (SEAr).

Ak je toto H nahradené OH, budeme mať Ph-OH, fenol; nahradzované CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluén; v prípade, že je skupina NH ₂ , fenyl-NH ₂ , anilín; alebo v prípade, že je skupina CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etylbenzén.

Deriváty môžu byť rovnaké alebo toxickejšie ako benzén alebo naopak môžu byť také komplexné, že majú požadovaný farmakologický účinok.

aplikácia

Je to dobré rozpúšťadlo pre širokú škálu zlúčenín, napríklad vo farbách, lakoch, lepidlách a povlakoch.

Rovnako môže rozpúšťať oleje, tuky alebo vosky, a preto sa používa ako extrakčné rozpúšťadlo na esencie. Túto vlastnosť použil Ludwig Roselius v roku 1903 na dekofeináciu kávy, čo je operácia, ktorá sa už nevyužíva z dôvodu toxicity benzénu. Podobne sa v minulosti používal na odmasťovanie kovov.

Pri jednom zo svojich klasických použití nepôsobí ako rozpúšťadlo, ale ako prísada: zvyšuje oktánové číslo benzínu, pričom na tento účel nahrádza olovo.

Deriváty benzénu môžu mať rôzne použitie; niektoré slúžia ako pesticídy, mazadlá, saponáty, plasty, výbušniny, parfémy, farbivá, gleje, lieky atď. Pokiaľ je benzénový kruh pozorovaný vo svojej štruktúre, je celkom pravdepodobné, že jeho syntéza začala z benzénu.

Medzi jeho najdôležitejšie deriváty patria: kumén, xylén, anilín, fenol (na syntézu fenolových živíc), kyselina benzoová (konzervačné látky), cyklohexán (na syntézu nylonu), nitrobenzén, rezorcinol a etylbenzén.

názvoslovie

Názvoslovie benzénových derivátov sa líši v závislosti od stupňa substitúcie, toho, čo sú substituenty a od ich relatívnych polôh. Benzén tak môže podliehať mono, di, tri, tetra, atď. Substitúciám

Ak sú obe skupiny naviazané na susedné atómy uhlíka, používa sa označenie „ortho“; ak medzi ich separáciou existuje uhlík, „meta“; a ak sú uhlíky v opačných polohách, „para“.

Na obrázkoch nižšie sú uvedené príklady benzénových derivátov s ich príslušnými názvami, ktoré sa riadia IUPAC. Sprevádzajú sa tiež bežné alebo tradičné názvy.

Monoderiváty benzénu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Ostatné deriváty benzénu. Zdroj: Gabriel Bolívar.

Všimnite si, že v trisubstituovanom benzéne už nie sú užitočné orto, para a meta indikátory.

toxicita

Benzén je zlúčenina, s ktorou sa musí zaobchádzať opatrne. Vzhľadom na jeho zvláštnu vôňu môžu byť okamžitými negatívnymi účinkami dusenie, závraty, bolesti hlavy, chvenie, ospalosť, nevoľnosť a dokonca smrť (pri vysokej expozícii). Pri požití môže okrem vyššie uvedeného spôsobiť aj silnú bolesť žalúdka a záchvaty.

Okrem toho sú dlhodobé účinky pri stálom vystavení tejto tekutine karcinogénne; zvyšuje šance, že jednotlivec bude trpieť nejakým typom rakoviny, najmä rakoviny krvi: leukémia.

V krvi môže znižovať koncentráciu červených krviniek, čo spôsobuje anémiu, a tiež ovplyvňuje kostnú dreň a pečeň, kde je v tele asimilovaná na tvorbu ešte toxickejších benzénových derivátov; napríklad hydroxychinón. Zhromažďuje sa aj v obličkách, srdci, pľúcach a mozgu.

Referencie

1. Morrison, RT a Boyd, RN (1987). Organická chémia. (5. vydanie). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organická chémia. (6. vydanie). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organická chémia. Amíny. (10. vydanie.). Wiley Plus.
4. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Benzén. PubChem Database. CID = 241, získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzén. Obnovené z: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Čo je benzén? - Použitie, štruktúra a vzorec. Štúdia. Obnovené z: study.com
7. Centrá pre kontrolu a prevenciu chorôb. (4. apríla 2018). Fakty o benzéne. Obnovené z: emergency.cdc.gov
8. Svetová zdravotnícka organizácia. (2010). Vystavenie benzénu: hlavný problém v oblasti verejného zdravia. , Získané z: who.int
9. Fernández Germán. (SF). Problémy s názvoslovím benzénu. Organická chémia. Získané z: quimicaorganica.org