Toluen (metylobenzen) to najprostsza alkilopochodna benzenu, w której za atom wodoru podstawiona jest grupa metylowa. Jest to przykład związku alifatyczno(łańcuchowo)-aromatycznego o następującym wzorze:

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.

Poniżej przedstawiono charakterystyczne reakcje dla toluenu.

Substytucja elektrofilowasubstytucja elektrofilowaSubstytucja elektrofilowa to typ reakcji chemicznej, charakterystycznej dla węglowodorów aromatycznych oraz ich pochodnych. Polega na podstawieniu atomu wodoru w pierścieniu aromatycznym drobiną o charakterze elektrofilowym (o ładunku dodatnim). Jest to możliwe dzięki oddziaływaniu chmury elektronowej pierścienia aromatycznego posiadającej ładunek ujemny z drobiną o ładunku dodatnim (z elektrofilem). Do reakcji substytucji elektrofilowej należą reakcje nitrowania, halogenowania (bromowania, chlorowania), alkilowania, acylowania czy sulfonowania.

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 $\text{I}$ rodzaju i kierują inne podstawniki w położenie orto i para.

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

Reakcja nitrowanianitrowanie toluenunitrowania, czyli podstawienia za atom wodoru z pierścienia aromatycznego grupy nitrowej, zachodzi w obecności mieszaniny nitrującej, czyli stężonych kwasów: azotowego($\text{V}$) oraz siarkowego($\text{VI}$). 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”.

Do reakcji halogenowaniahalogenowanie toluenuhalogenowania zalicza się m.in. bromowanie oraz chlorowanie, czyli podstawienie za atom wodoru w pierścieniu aromatycznym atomu bromu lub chloru. Reakcje zachodzą pod wpływem katalizatorów, odpowiednio ${\text{FeBr}}_3$ i ${\text{FeCl}}_3$ 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.

Reakcja alkilowaniaalkilowanie toluenualkilowania to reakcja podstawienia za atom wodoru pierścienia aromatycznego dowolnej grupy alkilowej, czyli jednowartościowej grupy utworzonej przez oderwanie atomu wodoru od alkanu. Katalizatorem reakcji alkilowania jest ${\text{AlCl}}_3$, reagujący 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.

Reakcja acylowaniaacylowanie toluenuacylowania to reakcja podstawienia za atom wodoru grupy acylowej, czyli $—\text{COR}$, gdzie $\text{R}$ oznacza resztę węglowodorową. Otrzymuje się wówczas odpowiedni keton. Katalizatorem reakcji acylowania jest ${\text{AlCl}}_3$, który reaguje z halogenkiem kwasu karboksylowego – najczęściej chlorkiem kwasowym.

Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego, produktami reakcji acylowania (w poniższym przykładzie użyto chlorku kwasu octowego) są
$1$-($2$-metylofenylo)etan-$1$-on oraz $1$-($4$-metylofenylo)etan-$1$-on.

Sulfonowaniesulfonowanie toluenuSulfonowanie to reakcja podstawienia za atom wodoru grupy sulfonowej $—{\text{SO}}_3\text{H}$, powstającej m.in. w reakcji mieszaniny ${\text{SO}}_3$ i ${\text{H}}_2{\text{SO}}_4$, czyli tzw. dymiącego kwasu siarkowego($\text{VI}$). Zgodnie z wpływem kierującym podstawnika metylowego produktami reakcji sulfonowania toluenu są kwas $2$-metylobenzenosulfonowy oraz
$4$-metylobenzenosulfonowy.

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

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

Substytucja rodnikowasubstytucja rodnikowaSubstytucja rodnikowa to typ reakcji podstawienia dla nasyconych związków organicznych. Jej przebieg wiąże się z wytwarzaniem reaktywnych rodników, najczęściej pod wpływem światła ($h\nu$). Ogólny przebieg substytucji rodnikowej przedstawia poniższy schemat:

Grupa metylowa w cząsteczce toluenu ulega zatem reakcji substytucji wolnorodnikowej w wyniku fluorowcowania za pomocą ${\text{Br}}_2$ lub ${\text{Cl}}_2$ w obecności światła.

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

Kolejnym typem reakcji, która dotyczy łańcucha bocznego, jest jego utlenianiereakcja utleniania‑redukcji (reakcja redox)utlenianie za pomocą silnego utleniaczautleniaczutleniacza, np. ${\text{KMnO}}_4$, ${\text{K}}_2{\text{Cr}}_2{\text{O}}_7$ czy ${\text{HNO}}_3$. Utlenianie toluenu prowadzi do otrzymania kwasu benzoesowego (kwasu benzenokarboksylowego). ReduktoremreduktorReduktorem w tej reakcji jest natomiast sama cząsteczka toluenu.

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

Słownik

Bibliografia

Dudek‑Różycki K., Płotek  M., Wichur T., Węglowodory. Repetytorium i zadania, Kraków 2020.

Dudek‑Różycki K., Płotek M., Wichur T., Kompendium terminologii oraz nazewnictwa związków organicznych. Poradnik dla nauczycieli i uczniów, Kraków 2020.

McMurry J., Chemia organiczna, Warszawa 2000.

Morrison R. T., Boyd R. N., Chemia organiczna, Warszawa 2000.