Węglowodory aromatyczne – areny. Metylobenzen (toluen) - właściwości - Areny

Właściwości fizykochemiczne toluenu

Toluen zawiera zarówno część alifatyczną, jak i aromatyczną, dzięki czemu przejawia właściwości dwojakiego rodzaju. Występowanie pierścienia aromatycznego wskazuje na to, że ów związek ulega m.in. reakcjom substytucji elektrofilowej, natomiast występowanie łańcucha bocznego – substytucji rodnikowej. Co więcej, oba fragmenty – alifatyczny i aromatyczny – wpływają na siebie. Grupa metylowa oddziałuje na zmianę właściwości aromatycznych pierścienia, natomiast ten z kolei decyduje o właściwościach alifatycznych łańcucha bocznego. Przykładowo, w wyniku obecności grupy metylowej nitrowanie pierścienia zachodzi łatwiej niż w samym benzenie. I odwrotnie – halogenowanie (np. bromowanie) grupy metylowej zachodzi łatwiej w obecności pierścienia niż dla samego metanu. Dlatego należy pamiętać, że każdy fragment cząsteczki wpływa na reaktywność drugiego fragmentu, wobec całego związku.

RmCIqCSnsXki01

Ilustracja przedstawia wizualizację gęstości elektronowej dla toluenu i benzenu. Atomy węgla w poszczególnych strukturach w modelu kulkowym reprezentowane są przez duże, szare kulki, zaś atomy wodoru przez małe, białe. Toluen stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupa metylową, z kolei benzen to sześcioczłonowy pierścień aromatyczny. Gęstość elektronową przedstawiono w postaci trójwymiarowej przestrzeni obejmującej wszystkie atomy benzenu, jest ona symetryczna, posiada środek, oś, jak i płaszczyznę symetrii. Podobną przestrzeń przedstawiono dla toluenu, jednakże z uwagi na obecność grupy metylowej podstawionej w pierścieniu aromatycznym symetria cząsteczki jest ograniczona do osi i płaszczyzny. W centrum obu cząsteczek gęstość elektronowa jest większa i zaznaczona na czerwono, zaś poza pierścieniem jest ona mniejsza i zaznaczona na niebiesko. Również na niebiesko zaznaczono grupę metylową w cząsteczce toluenu. Od środka pierścienia ku zewnętrznej części barwa zmienia się poprzez czerwoną, żółtą, zieloną, aż do niebieskiej. — Wizualizacja gęstości elektronowych dla toluenu (po lewej) i benzenu (po prawej). Kolorem czerwonym oznaczono obszary o dużej gęstości elektronowej, a niebieskim obszary o małej gęstości elektronowej. Można zauważyć, że obecność grupy metylowej w cząsteczce toluenu zwiększa gęstość elektronową w okolicy pierścienia, przez co jest ona większa niż w benzenie, a sama grupa metylowa charakteryzuje się bardzo małą gęstością elektronową, najmniejszą w cząsteczce toluenu. To powoduje różnice w reaktywności pierścienia aromatycznego toluenu i benzenu, jak również różnice w reaktywności grupy metylowej toluenu i grupy metylowej węglowodoru alifatycznego lub samego metanu.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Toluen ulega reakcjom substytucji elektrofilowej analogicznie jak benzen. Do reakcji substytucji elektrofilowej należą reakcje nitrowania, halogenowania (bromowania, chlorowania), alkilowania, acylowania czy sulfonowania.

R1K7xBT4TTXKV1

Ilustracja przedstawia wizualizację gęstości elektronowej dla toluenu. Toluen stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupa metylową. Gęstość elektronową przedstawiono w postaci trójwymiarowej przestrzeni obejmującej wszystkie atomy w cząsteczce. W centrum cząsteczki gęstość elektronowa jest większa i zaznaczona na czerwono, na co wskazuje strzałka, która również wskazuje na przeniesienie tejże gęstości z grupy metylowej do pierścienia. Na zewnątrz pierścienia, jak i w obrębie grupy metylowej przestrzeń została zaznaczona na niebiesko, co pokazuje zmniejszenie gęstości elektronowej. Od środka pierścienia ku zewnętrznej części barwa zmienia się poprzez czerwoną, żółtą, zieloną, aż do niebieskiej. — Gęstość elektronowa w cząsteczce toluenu jest przesunięta z grupy metylowej w okolice pierścienia.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Atomy wodoru pierścienia aromatycznego toluenu nie są równocenne chemicznie, więc w odróżnieniu od benzenu nie bez znaczenia jest to, który atom wodoru ulega podstawieniu. Grupa metylowa, należąca do grup alkilowych w reakcjach aromatycznego podstawienia elektrofilowego (substytucji elektrofilowej), silnie aktywuje pierścień, czyli wzbogaca go w elektrony. O takiej grupie mówi się wówczas jako o aktywującej lub elektrodonorowejpodstawniki (grupy) elektrodonoroweelektrodonorowej. Tego typu grupy są podstawnikami I rodzaju i kierują inne podstawniki w położenie orto i para.

R3aosxnwZ7K6W1

Ilustracja przedstawia położenie pozycji orto i para w pierścieniu toluenu. Toluen stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony grupa metylową. Pozycje orto zaznaczono strzałką: jej grot wskazuje atomy węgla sąsiadujące z atomem węgla podstawionym grupą metylową. Natomiast pozycję para wskazuje strzałka skierowana na atom węgla znajdujący się w pozycji czwartej względem atomu węgla połączonego z grupą metylową. — Pozycje *orto* i *para* w cząsteczce toluenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W wyniku każdej reakcji substytucji elektrofilowej powstaje zatem mieszanina produktów w postaci izomerów orto i para.

Ważne!

Podstawniki przyłączone do pierścienia aromatycznego mają wpływ na jego reaktywność.

Podstawnikami aktywującymi nazywamy podstawniki kierujące w położenie orto i para. Podstawniki takie aktywują pierścień, przez co staje się on bardziej reaktywny niż benzen.

Podstawniki decydują również o położeniu kolejnego podstawnika w pierścieniu, a zatem mają wpływ na kierunek reakcji. Reaktywność i położenie są związane z dwoma efektami: efektem indukcyjnym i efektem rezonansowym.

Ten pierwszy – efekt indukcyjny – powstaje, kiedy w grupach funkcyjnych cząsteczki znajdują się wiązania spolaryzowane. Powodują one oddawanie lub przyciąganie elektronów w relacji z pierścieniem aromatycznym.

Efekt rezonansowy opiera się na nakładaniu orbitalami p pierścienia aromatycznego z orbitalem podstawnika. Efekt jest taki sam, a nakładanie powoduje wyciąganie elektronów z pierścienia lub ich dostarczanie do pierścienia aromatycznego.

Niektóre podstawniki orto i para mogą mieć funkcję dezaktywującą pierścień.

R1ZKfNSBcLeRv

Ilustracja przedstawia żółtą strzałkę skierowaną w prawą stronę, znajduje się na niej napis "wzrost mocy kierującej podstawniki w pozycję orto i para". Od lewej strony poniżej strzałki zapisano kolojne grupy. Grupę metylową CH3, grupę fenylową (którą stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny), grupę N‑acetamidową NHCOCH3, grupę metoksylową OCH3, grupę hydroksylową OH. Na końcu strzałki znajdują się na tym samym poziomie trzy grupy o największej mocy kierującej w pozycje orto i para, to jest pierwszorzędowa grupa aminowa NH2, drugorzędowa grupa aminowa NHR oraz trzeciorzędowa grupa aminowa NR2. — Wpływ podstawnika w pierścieniu aromatycznym na podstawienie w pozycję *orto* i *para*
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Część podstawników działa dezaktywująco na pierścień aromatyczny, powodując, że kolejne podstawienia zachodzą głównie w pozycję meta (w położenie 2 pierścienia aromatycznego). Obejrzyj symulację i określ, które podstawniki należą do tej grupy. Nazywamy je podstawnikami II rodzaju.

Symulacja 1

Przeanalizuj poniższą symulację interaktywną. Sprawdź, czy możliwe jest dołączenie kolejnych podstawników do pochodnych benzenu. W tym celu określ typ podstawnika przyłączonego do cząsteczki benzenu, a następnie zaznacz miejsca, do których mogą być przyłączone pozostałe podstawniki, oraz określ ich rodzaje. Aby sprawdzić swoją wiedzę, rozwiąż kolejno zadania sprawdzające.

R6EuKi3OQ5Ubf1

Symulacja interaktywna pt. „Czy do pochodnych benzenu można dołączyć kolejne podstawniki?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

W symulacji przedstawiono szereg różnie podstawionych pochodnych benzenu, dla których określono, czy podstawnik w pierścieniu jest aktywujący czy dezaktywujący.

1. Nitrobenzen - podstawnik dezaktywujący i kierujący w pozycje meta.

2. Fenol - podstawnik aktywujący i kierujący w pozycje orto i para.

3. Benzaldehyd - podstawnik dezaktywujący i kierujący w pozycję meta.

4. Chlorobenzen - podstawnik dezaktywujący, z uwagi na rezonans wpływ kierujący w pozycję orto i para.

5. Anilina - grupa aminowa jest podstawnikiem aktywującym i kierujący w pozycje orto i para.

6. Etylobenzen - podstawnik aktywujący i kierujący w pozycję orto i para.

7. Kwas benzoesowy - podstawnik dezaktywujący i kierujący w pozycję meta.

Rq4o1OYjlpcAr

R16KKFg16BKTn

Ćwiczenie 1

R1BKOqVuyRK8q

Ćwiczenie 2

Nitrowanie toluenu

Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji nitrowania toluenu są o-nitrotoluen
( $1$ -metylo- $2$ -nitrobenzen) oraz p-nitrotoluen ( $1$ -metylo- $4$ -nitrobenzen), czytane jako „orto-nitrotoluen” oraz „para-nitrotoluen”.

RZkaCqikPdSEF1

Ilustracja przedstawia reakcję nitrowania toluenu. Dwie cząsteczki toluenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki kwasu azotowego(<math aria‑label="pięć">V) HNO3stężony. Strzałka w prawo, pod wpływem stężonego kwasu siarkowego(<math aria‑label="sześć">VI) H2SO4stężony powstają produkty. Cząsteczka 1-metylo-2-nitrobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego przy sąsiadujących ze sobą atomach węgla odpowiednio grupą metylową CH3 oraz grupą nitrową NO2. Dodać cząsteczkę 1-metylo-4-nitrobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego w pozycji pierwszej grupą metylową CH3 oraz w pozycji czwartej grupą nitrową NO2. Dodać dwie cząsteczki wody H2O. — Równanie reakcji nitrowania toluenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Halogenowanie toluenu

Do reakcji halogenowaniahalogenowanie toluenuhalogenowania zalicza się m.in. bromowanie oraz chlorowanie, które zachodzą pod wpływem katalizatorów, odpowiednio ${FeBr}_{3}$ i ${FeCl}_{3}$ lub samego żelaza. Dla przykładu, zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji bromowania toluenu są $1$ -bromo- $2$ -metylobenzen oraz $1$ -bromo- $4$ -metylobenzen.

bg‑gray1

R3tiRE2rQrPD31

Ilustracja przedstawia reakcję bromowania toluenu. Dwie cząsteczki toluenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki bromu Br2. Strzałka w prawo, pod wpływem bromku żelaza(<math aria‑label="trzy">III) powstają produkty. Cząsteczka 1-metylo-2-bromobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego przy sąsiadujących ze sobą atomach węgla odpowiednio grupą metylową CH3 oraz atomem bromu Br. Dodać cząsteczkę 1-metylo-4-bromobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego w pozycji pierwszej grupą metylową CH3 oraz w pozycji czwartej atomem bromu Br. Dodać dwie cząsteczki bromowodoru HBr — Przykład reakcji bromowania toluenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Alkilowanie toluenu

Reakcja alkilowaniaalkilowanie toluenualkilowania katalizowana jest ${AlCl}_{3}$ , reagującym z dowolnym halogenkiem alkilu.Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji alkilowania, w poniższym przykładzie metylowania, są $1$ , $2$ -dimetylobenzen oraz
$1$ , $4$ -dimetylobenzen.

bg‑gray1

RpScNltP7pDfQ1

Ilustracja przedstawia reakcję alkilowania toluenu. Dwie cząsteczki toluenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki chlorometanu CH3Cl. Strzałka w prawo, pod wpływem chlorku glinu AlCl3 powstają produkty. Cząsteczka 1,2-dimetylobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego przy sąsiadujących ze sobą atomach węgla grupami metylowymi CH3. Dodać cząsteczkę 1,4-dimetylobenzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego w pozycji pierwszej grupą metylową CH3 oraz w pozycji czwartej również pierwszej grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki chlorowodoru HCl. — Przykład reakcji alkilowania toluenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Sulfonowanie toluenu

Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego produktami reakcji sulfonowania toluenu są kwas $2$ -metylobenzenosulfonowy oraz
$4$ -metylobenzenosulfonowy.

bg‑gray1

RqA1gmnB1DSv91

Ilustracja przedstawia reakcję sulfonowania toluenu. Dwie cząsteczki toluenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki kwasu siarkowego(<math aria‑label="sześć">VI) H2SO4stężony. Strzałka w prawo, pod wpływem tlenku siarki(<math aria‑label="sześć">VI) SO3 powstają produkty. Cząsteczka kwasu 2-metylobenzosulfonowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego przy sąsiadujących ze sobą atomach węgla odpowiednio grupą metylową CH3 oraz grupą sulfonową SO3H. Dodać cząsteczkę kwasu 4-metylobenzosulfonowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego w pozycji pierwszej grupą sulfonową SO3H oraz w pozycji czwartej grupą metylową CH3. Dodać dwie cząsteczki wody H2O. — Reakcja sulfonowania toluenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Hydrogenacja pierścienia toluenu

Kolejnym typem reakcji, w której uczestniczy pierścień aromatyczny, jest reakcja addycji wodoru. Toluen w odpowiednich warunkach ulega hydrogenacji, czyli uwodornieniuuwodornienieuwodornieniu, pod wpływem katalizatorakatalizatorkatalizatora – np. $Pt$ , $Ni$ lub $Pd$ . Taka reakcja zachodzi zgodnie z mechanizmem addycji na katalizatorze i prowadzi do powstania metylocykloheksanu.

bg‑gray1

RTuag8Y1bHgXD1

Ilustracja przedstawia reakcję hydrogenacji pierścienia toluenu. Cząsteczka toluenu zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Dodać trzy cząsteczki wodoru H2. Strzałka w prawo, pod wpływem katalizatora platynowego, ciśnienia i temperatury powstaje produkt reakcji, cząsteczka metylocykloheksanu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia nasyconego podstawionego grupą metylową CH3, wszystkie wiązania w cząsteczce są wiązaniami pojedynczymi. — Reakcja hydrogenacji pierścienia w toluenie
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Reakcja ta wiąże się z utratą aromatyczności produktu, należącego do grupy cykloalkanów.

Substytucja rodnikowa w łańcuchu bocznym

Grupa metylowa w cząsteczce toluenu ulega zatem reakcji substytucji wolnorodnikowej w wyniku fluorowcowania za pomocą ${Br}_{2}$ lub ${Cl}_{2}$ w obecności światła.

bg‑gray1

R1KVaxNHVwhpF1

Ilustracja przedstawia reakcję chlorowania grupy alkilowej toluenu. Jedna cząsteczka toluenu zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Dodać cząsteczkę chloru Cl2. Strzałka w prawo, pod wpływem światła hν powstają produkty. Cząsteczka (chlorometylo)benzenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylenową CH2 związaną z atomem chloru Cl. Dodać cząsteczkę chlorowodoru HCl. — Reakcja substytucji wolnorodnikowej na metylowej grupie toluenu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

W wyniku chlorowania toluenu otrzymuje się chlorofenylometan o zwyczajowej nazwie chlorek benzylu.

Utlenianie łańcucha bocznego

Kolejnym typem reakcji, która dotyczy łańcucha bocznego, jest jego utlenianieutlenianie za pomocą silnego utleniaczautleniaczutleniacza, np. ${KMnO}_{4}$ , $K_{2} {Cr}_{2} O_{7}$ czy ${HNO}_{3}$ . Utlenianie toluenu prowadzi do otrzymania kwasu benzoesowego (kwasu benzenokarboksylowego). ReduktoremreduktorReduktorem w tej reakcji jest natomiast sama cząsteczka toluenu.

bg‑gray1

RGF66m0wmy4RC1

Ilustracja przedstawia reakcję utleniania grupy alkilowej toluenu. Jedna cząsteczka toluenu zbudowana z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową CH3. Strzałka w prawo, pod wpływem silnego utleniacza powstaje cząsteczka kwasu benzoesowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą karboksylową COOH. — Utlenianie toluenu do kwasu benzoesowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Pozostałe produkty reakcji zależą od użytego utleniacza oraz warunków prowadzenia reakcji, tak jak pokazano na poniższych przykładach, gdzie utleniaczem jest np. manganian( $VII$ ) potasu oraz dichromian( $VI$ ) potasu w środowisku kwasowym.

bg‑gray1

RmysvZV4wYfWP1

Ilustracja przedstawia dwie reakcje utleniania grupy alkilowej toluenu. Pierwsza reakcja. Pięć cząsteczek toluenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową C H indeks dolny, 3, koniec indeksu dolnego. Dodać sześć cząsteczek manganianu(siedem) potasu K M n O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, dodać dziewięć cząsteczek kwasu siarkowego(sześć) H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego. Strzałka w prawą stronę, za strzałką pięć cząsteczek kwasu benzoesowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym jeden z atomów węgla zamiast atomem wodoru podstawiony jest grupą karboksylową C O O H, dodać sześć cząsteczek siarczanu(sześć) manganu(dwa) M n S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, dodać trzy cząsteczki siarczanu(sześć) potasu K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, dodać czternaście cząsteczek wody H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O. Zapis drugiej reakcji toluenu z dichromianem(sześć) potasu i kwasem siarkowym(sześć). Cząsteczka toluenu zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego podstawionego grupą metylową C H indeks dolny, 3, koniec indeksu dolnego. Dodać cząsteczkę dichromianu(sześć) potasu K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, C r indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O indeks dolny, siedem, koniec indeksu dolnego, dodać cztery cząsteczki kwasu siarkowego(sześć) H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego. Strzałka w prawo, za strzałką cząsteczka kwasu benzoesowego zbudowanego z sześcioczłonowego pierścienia aromatycznego, w którym jeden z atomów węgla podstawiony jest grupą karboksylową C O O H, dodać cząsteczkę siarczanu(sześć) chromu(trzy) C r indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, dodać cząsteczkę siarczanu(sześć) potasu K indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, dodać pięć cząsteczek wody H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O. — Utlenianie toluenu w środowisku kwaśnym przy użyciu utleniacza, jakim jest manganian( $VII$ ) potasu (pierwsza reakcja) oraz dichromian( $VI$ ) potasu (reakcja druga)
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gray1

Przeprowadź poznane reakcje chemiczne toluenu w poniższym wirtualnym laboratorium oraz wykonaj zawarte pod nim ćwiczenia.

bg‑gray1

Laboratorium 1

Na pewno wiesz już, jaki jest wzór toluenu i do jakiej grupy związków należy, ale czy wiesz, jakim reakcjom ulega? Przeprowadź doświadczenie w wirtualnym laboratorium chemicznym, uzupełnij formularz, a następnie rozwiąż zadania.

Spróbuj wykonać doświadczenie samodzielnie. Jeśli jednak będziesz mieć problemy, możesz skorzystać z instrukcji, która znajduje się pod znakiem zapytania w prawym górnym rogu.

RDqJonSrCVPZz1

Wirtualne laboratorium pt. „Reakcje, jakim ulega toluen”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

R19W9aeuGf67d

Obserwacje: Spójrz na zawartość probówek i zastanów się, jakie zmiany zaszły. Jaki kolor przyjął uniwersalny papierek wskaźnikowy?

Wyniki: Zapisz, czy w obu probówkach zaszła reakcja chemiczna i na co wskazuje barwa uniwersalnego papierka wskaźnikowego.

Wnioski: Zastanów się, jaką rolę odgrywa światło oraz bromek żelaza( $III$ ) w reakcji toluenu z wodą bromową i co jest produktem reakcji.

Sprawdź, czy Twoje obserwacje, wyniki i wnioski są podobne do poniższych.

Obserwacje:
W obu probówkach ich zawartość odbarwia się, a zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy zabarwia się na czerwono.

Wyniki:
W obu probówkach zaszła reakcja. Czerwona barwa uniwersalnego papierka wskaźnikowego świadczy o powstaniu substancji, której wodny roztwór wykazuje odczyn kwasowy.

Wnioski:
W obydwu przypadkach reakcje zachodzą pod wpływem katalizatorów: dla reakcji w pierwszej probówce jest nim światło, a dla reakcji w drugiej probówce – bromek żelaza( $III$ ). Produktem obu reakcji jest bromowodór (kolor czerwony uniwersalnego papierka wskaźnikowego). Hipoteza została potwierdzona.

Na pewno wiesz już, jaki jest wzór toluenu i do jakiej grupy związków należy, ale czy wiesz, jakim reakcjom ulega? Zapoznaj się z opisem przeprowadzonego doświadczenia, a następnie rozwiąż zadania.

Analiza doświadczenia: Badanie reaktywności toluenu wobec bromu.

Problem badawczy: Czy toluen reaguje z bromem w obecności światła lub bromku żelaza( $III$ )?

Hipoteza: Toluen ulega reakcji z bromem zarówno w obecności światła, jak i bromku żelaza( $III$ ).

Odczynniki:

toluen
bromek żelaza( $III$ )
woda bromowa

Sprzęt laboratoryjny:

probówki – podłużne naczynia szklane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;
statyw na probówki – prostokątny sprzęt laboratoryjny z rzędami otworów, w których umieszczane są probówki;
pipety – wąskie rurki służące do pobierania i przenoszenia niewielkiej ilości cieczy przy pomocy ssawki;
łyżki laboratoryjne – długie trzonki wykonane ze szkła, porcelany lub metalu zakończony z jednej strony łyżeczką, służące do nabierania sypkich substancji chemicznych;
uniwersalne papierki wskaźnikowe – kawałek bibuły najczęściej w kształcie paska, nasączony roztworem substancji chemicznej będącej indykatorem i wysuszony.

Instrukcja wykonania doświadczenia:

Do dwóch probówek ostrożnie wprowadzono za pomocą pipety szklanej po około $1 {cm}^{3}$ toluenu.
Następnie do obu probówek dodano za pomocą pipety szklanj po około $5$ kropli wody bromowej.
Pierwsza probókę przesieniono w zaciemnione miejsce, a następnie dodano do niej niewielką ilość ${FeBr}_{3}$ . Zamieszano zawartość ostrożnie wstrząsając. Do wylotu probówki zbliżono zwilżony wodą uniwersalny papierek wskaźnikowy.
Druga probówkę zamknięto korkiem, a następnie wystawiono na działanie światła słonecznego lub silnej żarówki. Po kilku minutach zbliżono zwilżony wodą uniwersalny papierek wskaźnikowy do wylotu probówki.
Zanotowano obserwacje i wnioski.

Obserwacje:

W obu probówkach ich zawartość odbarwia się, a zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy zabarwia się na czerwono.

Wyniki:

W obu probówkach zaszła reakcja. Czerwona barwa uniwersalnego papierka wskaźnikowego świadczy o powstaniu substancji, której wodny roztwór wykazuje odczyn kwasowy.

Wnioski:

W obydwu przypadkach reakcje zachodzą pod wpływem katalizatorów: dla reakcji w pierwszej probówce jest nim światło, a dla reakcji w drugiej probówce – bromek żelaza( $III$ ). Produktem obu reakcji jest bromowodór (kolor czerwony uniwersalnego papierka wskaźnikowego). Hipoteza została potwierdzona.

R1WGU6j3H5rpx

Ćwiczenie 3

Wiedząc, że mimo bardzo podobnych obserwacji w obu probówkach w wyniku reakcji powstały różne produkty organiczne, uzupełnij poniższe równania reakcji, dorysowując wzory odpowiednich związków chemicznych.

RIL9m8EkW709P

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1NBB04Yw78fU1

W wyniku reakcji pod wpływem światła podstawieniu ulega grupa alkilowa, a w wyniku reakcji pod wpływem bromku żelaza( $III$ ) podstawieniu ulegają dwa atomy wodoru, w pozycjach wynikających z wpływu kierującego podstawnika $I$ rodzaju, jakim jest grupa metylowa.

R9qkB6gxzrPvg

Ćwiczenie 3

bg‑gray1

Ćwiczenie 4

Uzupełnij zdania, wstawiając w puste pola odpowiednie wyrazy spośród wymienionych możliwości.

R4iTZhqt7vqKh

Alkilowe pochodne benzenu wykazują właściwości chemiczne, charakterystyczne zarówno dla benzenu, jak i 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów. Jednym z takich związków jest 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów o zwyczajowej nazwie toluen, która jest nazwą zalecaną przez IUPAC. Pod wpływem światła, czyli w warunkach typowych dla 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów, podstawieniu ulega jeden z atomów wodoru grupy 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów. Reakcja ta zachodzi zgodnie z mechanizmem 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów. Natomiast pod wpływem F e B r indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego niemal natychmiast powstaje mieszanina produktów podstawienia wodoru w pierścieniu aromatycznym w pozycjach 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów. Ta z kolei reakcja jest reakcją 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów, zachodzącą z mechanizmem 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów, w której czynnikiem 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów jest 1. orto i meta, 2. orto i para, 3. meta i para, 4. metanobenzen, 5. etylobenzen, 6. addycji rodnikowej, 7. B r indeks górny, minus, koniec indeksu górnego, 8. alkenów, 9. elektrofilowym, 10. B r, 11. metylowej, 12. substytucji, 13. addycji, 14. metylobenzen, 15. etylowej, 16. rodnikowym, 17. alkinów, 18. rodnikowym, 19. nukleofilowym, 20. substytucji rodnikowej, 21. metanowej, 22. nukleofilowym, 23. eliminacji, 24. alkenów, 25. elektrofilowym, 26. B r indeks górny, plus, koniec indeksu górnego, 27. alkanów, 28. alkinów, 29. substytucji elektrofilowej, 30. alkanów.

bg‑gray1

Symulacja 2

Przeanalizuj poniższą symulację interaktywną i sprawdź, czy metylobenzen reaguje z ${KMnO}_{4}$ . W tym celu, za pomocą jednorazowej pipety, wprowadź do probówek metylobenzen, a następnie klika kropli roztworu ${KMnO}_{4}$ . Kolejno, do wybranych probówek dodaj kwas siarkowy( $VI$ ), wodorotlenek potasu oraz wodę destylowaną. Wypełnioną probówkę umieść w zlewce, włącz płytę grzejną i obserwuj, co się stanie. Na końcu wykonaj załączone do medium ćwiczenia sprawdzające.

Zapoznaj się z opisem symulacji interaktywnej i sprawdź, czy metylobenzen reaguje z ${KMnO}_{4}$ . Na końcu wykonaj załączone do medium ćwiczenia sprawdzające.

R1AbSZQF2OI9e1

W symulacji przeprowadzono reakcje z udziałem metylobenzenu oraz manganianu(<math aria‑label="siedem">VII) potasu w różnych środowiskach, to jest w obecności wodorotlenku potasu, kwasu siarkowego(<math aria‑label="sześć">VI) oraz wody. W tym celu w trzech probówkach umieszczono kolejno po kilka centymetrów sześciennych metylobenzenu oraz manganianu(<math aria‑label="siedem">VII) potasu. Do pierwszej probówki dodano kilka centymetrów sześciennych wodnego roztworu wodorotlenku potasu, do drugiej wodnego roztworu kwasu siarkowego(<math aria‑label="sześć">VI), a do trzeciej wody. Następnie kolejno umieszczano probówki w łaźni wodnej, czekając na pojawienie się zmian. W pierwszej probówce w wyniku ogrzania barwa z fioletowej zmieniła się na zieloną. W drugiej probówce nastąpiło odbarwienie roztworu, a w trzeciej wytrącił się brunatny osad z jednoczesnym odbarwieniem roztworu pierwotnie fioletowego. Równanie pierwszej reakcji.

C_{6} H_{5} {CH}_{3} + 6 {KMnO}_{4} + 7 KOH \to C_{6} H_{5} COOK + 6 K_{2} {MnO}_{4} + 5 H_{2} O

. Równanie drugiej reakcji.

5 C_{6} H_{5} {CH}_{3} + 6 {KMnO}_{4} + 9 H_{2} {SO}_{4} \to 5 C_{6} H_{5} COOH + 6 {MnSO}_{4} + 3 K_{2} {SO}_{4} + 14 H_{2} O

. Równanie trzeciej reakcji.

C_{6} H_{5} {CH}_{3} + 2 {KMnO}_{4} \to 2 C_{6} H_{5} COOK + 2 {MnO}_{2} + KOH + H_{2} O

. W informacji obok podano kilka definicji. Utleniacz to atom, jon lub cząsteczka, które w reakcji oksydacyjno‑redukcyjnej są akceptorem elektronu lub elektronów. Reduktor to substancja oddająca elektrony substancji redukowanej, a sama ulegająca utlenieniu. Reakcja oksydacyjno‑redukcyjna to reakcja utlenienia‑redukcji, reakcja redoks, w której dochodzi do przeniesienia jednego lub więcej elektronów od atomu, jonu, cząsteczki donora (czyli reduktora) do akceptora (czyli utleniacza).

Symulacja interaktywna pt. Czy toluen reaguje z

{KMnO}_{4}

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Manganian $(VII)$ potasu jest silnym utleniaczem.

Warto jednak pamiętać, że pierścień aromatyczny nie reaguje z manganianem $(VII)$ potasu - utlenieniu ulega jedynie łańcuch węglowodorowy przyłączony do pierścienia. Reakcja ta zachodzi niezależnie od długości przyłączonego łańcucha alkilowego, ale jedynie w związkach, w których przy atomie węgla połączonym z pierścieniem występuje atom wodoru.

bg‑gray1

R17L9Yev39ZGg

Ćwiczenie 5

Rr8wI5SV0KGjA

Ćwiczenie 6

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

podstawniki (grupy) elektrodonorowe

podstawniki, które „dostarczają” elektrony do pierścienia aromatycznego (np. $— OH$ , $— Cl$ , $— {CH}_{3}$ , $— {NH}_{2}$ ); podstawnik ulega sprzężeniu z pierścieniem aromatycznym

halogenowanie toluenu

reakcja substytucji elektrofilowej, polegająca na wprowadzaniu atomu fluorowca (najczęściej $— Cl$ lub $— Br$ ) do cząsteczki toluenu, w wyniku podstawienia atomów wodoru w pozycjach orto i para

alkilowanie toluenu

reakcja substytucji elektrofilowej, polegająca na wprowadzeniu do cząsteczki toluenu grupy alkilowej $— R$ , w wyniku podstawienia atomów wodoru w pozycjach orto i para

uwodornienie

uwodornianie, hydrogenizacja, hydrogenacja, wodorowanie, hydrogenoliza; reakcja redukcji polegająca na przyłączaniu wodoru do danego związku chemicznego

katalizator

substancja chemiczna, którą dodaje się do układu w celu zwiększenia szybkości reakcji chemicznej; katalizator nie zużywa się podczas trwania reakcji

reakcja utleniania‑redukcji (reakcja redox)

reakcja, w której dochodzi do przeniesienia jednego lub więcej elektronów od atomu, jonu lub cząsteczki donora (czyli reduktora) do akceptora (czyli utleniacza)

utleniacz

cząsteczka lub jon, który w reakcjach redoks przyjmuje elektrony, zmniejszając tym samym swój stopień utlenienia

reduktor

cząsteczka lub jon, który w reakcjach redoks oddaje elektrony, zwiększając swój stopień utlenienia

Węglowodory aromatyczne – areny. Metylobenzen (toluen) - budowa

WWA

Węglowodory aromatyczne – areny. Metylobenzen (toluen) - właściwości

Właściwości fizykochemiczne toluenu

Nitrowanie toluenu

Halogenowanie toluenu

Alkilowanie toluenu

Sulfonowanie toluenu

Hydrogenacja pierścienia toluenu

Substytucja rodnikowa w łańcuchu bocznym

Utlenianie łańcucha bocznego

Notatnik