МЕТИЛБЕНЗОЛ

Физические свойства

По физическим свойствам метилбензол (толуол) сходен с бензолом. При нормальных условиях он представляет собой бесцветную жидкость, нерастворимую в воде, но растворимую в органических растворителях. Подобно бензолу, он является хорошим растворителем органических соединений. В настоящее время толуол шире используют в качестве растворителя, чем бензол, из-за гораздо меньшей токсичности.

Химические свойства

Все реакции метилбензола можно подразделить на два типа: а) реакции, затрагивающие бензольное кольцо, и б) реакции, затрагивающие метильную группу.

Реакции в ароматическом кольце. Метилбензол вступает во все реакции электрофильного замещения, которые были описаны выше для бензола, а именно: в реакции нитрования, галогенирования, сульфирования и реакции Фриделя-Крафтса. Во всех этих реакциях метилбензол обнаруживает более высокую реакционную способность, и его реакции протекают с большей скоростью.

Нитрование метилбензола может осуществляться таким же способом, как и бензола. Продуктом нитрования метилбензола является смесь двух изомеров метилнитробензола:

Хлорирование толуола (метилбензола) в бензольное кольцо может проводиться путем пропускания через толуол газообразного хлора в присутствии хлорида алюминия (реакция проводится в темноте). Хлорид алюминия играет при этом роль катализатора. В этом случае образуются 2- и 4-замещенный изомеры:

Сульфирование метилбензола концентрированной серной кислотой тоже приводит к образованию смеси 2- и 4-замещенного изомеров:

Механизм всех этих реакций электрофильного замещения подобен механизму соответствующих реакций бензола. В этих реакциях 3-замещенные изомеры образуются в столь незначительных количествах, что ими можно пренебречь. Ниже эта особенность будет подробно обсуждена при рассмотрении направляющей (ориентирующей) способности замещающих групп.

Реакции в боковой цепи. Метильная группа в метилбензоле может вступать в определенные реакции, характерные для алканов, но также и в другие реакции, не характерные для алканов. Рассмотрим по одному примеру каждой из таких реакций.

Подобно алканам, метильная группа может галогенироваться по радикальному механизму. Для осуществления этой реакции хлор продувают через кипящий метилбензол в присутствии солнечного света или источника ультрафиолетового излучения. Отметим, что галогенирование бензольного кольца в метилбензоле требует совершенно иных условий.

Обратим внимание, что эта реакция представляет собой замещение. Дальнейшее галогенирование приводит к образованию следующих соединений:

Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и приводит к образованию соответствующих бромозамещениых соединений.

В предыдущем разделе указывалось, что алканы не вступают в реакции окисления даже с такими сильными окислителями, как перманганат калия. Однако метильная боковая цепь в метилбензоле подвергается окислению даже такими сравнительно мягкими окислителями, как оксид

Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее окисление:

Направляющее (ориентирующее) действие заместителей на бензольном кольце

Выше мы уже указывали, что электрофильное замещение метилбензола приводит к образованию 2- и 4-замещенного изомеров метилбензола. Поэтому метальную группу в метилбензоле называют 2,4-направляющей (или, иначе, ориентирующей в положения 2 и 4). Существуют и другие заместители на бензольном кольце, которые тоже обладают 2,4-направляющим действием в реакциях электрофильного замещения. Для таких реакций можно записать следующее общее уравнение:

В этом уравнении означает электрофил, а X-2,4-направляющий заместитель. Такие заместители обычно представляют собой насыщенные группы. К их числу относятся . При определенных условиях 2,4-направляющие заместители оказываются также 6-направляющими:

Реакции электрофильного замещения в положения 2 и 4 обычно имеют большую скорость, чем соответствующие реакции бензола.

Ненасыщенные заместители, как правило, являются 3-направляющими:

К их числу относятся такие группы, как и . Реакции электрофильного замещения в положении 3 протекают медленнее, чем соответствующие реакции бензола.

Направляющая (ориентирующая) способность заместителей зависит от того, являются ли они донорами электронов для бензольного кольца или же, наоборот,

оттягивают от него электроны. 2,4-Замещение обусловливается положительным индуктивным эффектом либо положительным мезомерным эффектом. -Направляющие группы отдают электроны бензольному кольцу, вызывая указанные эффекты, и таким образом активируют кольцо. Поэтому они называются активирующими группами. 3-Направляющие группы оттягивают электроны от бензольного кольца, вызывая — и -эффекты. Они называются дезактивирующими группами.

Итак, повторим еще раз!

1. Ароматические соединения обладают следующими общими свойствами: а) горят с образованием дымного пламени;

(см. скан)

Рис. 18.7. Важнейшие реакции бензола.

Рис. 18.8. Важнейшие реакции метилбензола (толуола).

б) вступают в реакции замещения,

в) с трудом вступают в реакции присоединения.

2. Молекула бензола может рассматриваться как резонансный гибрид, образованный двумя предельными резонансными структурами.

3. Важнейшие химические реакции бензола указаны на рис. 18.7.

4. Важнейшие химические реакции метилбензола указаны на рис. 18.8.

5. В реакциях конденсации происходит соединение двух реагирующих молекул в новую молекулу с одновременным отщеплением небольшой молекулы какого-либо простого соединения, например воды или хлороводорода.

6. Насыщенные заместители на бензольном кольце обладают 2,4-направляющим (ориентирующим) действием.

7. Ненасыщенные заместители на бензольном кольце обладают З-иаправляю-щим (ориентирующим) действием.