BENZEN: HISTORIE, STRUKTUR, EGENSKABER, DERIVATER, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den benzen er en organisk forbindelse, der består af en af de enkleste af alle aromatiske carbonhydrider. Dens kemiske formel er C ₆ H ₆, hvoraf det vides, at forholdet mellem carbon og hydrogen er lig med 1; det vil sige, at der for hvert kulstof er et brint forbundet til det.

Selv om dets fysiske udseende er som en farveløs væske, findes den naturligt i olie og olieprodukter. Dens lugt er meget karakteristisk, da den ligner en blanding af lim, bitumen og benzin; på den anden side er det en flygtig og brandfarlig væske.

Flaske med benzen. Kilde: Air1404

Billedet ovenfor viser en beholder eller flaske med benzen, formentlig af ikke-analytisk renhed. Hvis de afdækkes, spredte benzendampene straks over hele laboratoriet. Af denne grund håndteres denne væske, der ofte bruges som et simpelt opløsningsmiddel, inde i en røggas.

Bliver dens formel C ₆ H ₆, apotek af det XIX århundrede rejst mange mulige strukturer, der ville svare til nævnte C / H-forhold lig med 1. Ikke kun dette, men benzenmolekyle skulle have særlige bindinger på en sådan måde, at det kunne forklares dets usædvanlige stabilitet mod additionsreaktioner; typisk for alkener og polyener.

Det var således, at deres forbindelser repræsenterede en gåte for datidens kemikere; indtil ejendommen kaldet aromatisitet blev introduceret. Før han blev betragtet som en hexacyclotrien (med tre C = C-bindinger), er benzen meget mere end det, og det er et andet af mange eksempler på synergi i kemi.

I organisk kemi er benzen et klassisk symbol, det strukturelle grundlag for flere polyaromatiske forbindelser. Fra sin hexagon opnås uendelige derivater via aromatisk elektrofil substitution; en ring fra hvis kanter strukturen, der definerer nye forbindelser, er vævet.

Faktisk skyldes dets derivater den enorme industrielle anvendelse, som de har brug for benzen som deres råmateriale. Fra tilberedning af lim og tekstilfibre til plast, gummi, pigmenter, stoffer og sprængstoffer. På den anden side findes benzen naturligt i vulkaner, vilde brande, benzin og i cigaretrøg.

Historie

Opdagelse og navne

Opdagelsen stammer fra 1825, normalt tilskrevet Michael Faraday, da han indsamlede og udførte eksperimenter med et resterende olieprodukt af den gas, der blev brugt til belysning. Denne væske indeholdt et C / H-forhold tæt på 1, og derfor kaldte han det 'karbureret brint'.

Kemiker Auguste Laurent navngav det mærkelige kulbrinte 'feno', afledt af det græske ord 'phaínein', som betyder lyst (fordi det blev opnået efter, at gassen brændte). Imidlertid blev dette navn ikke accepteret af det videnskabelige samfund og sejrede kun som 'phenyl' for at henvise til radikalen, der stammer fra benzen.

Fra benzoingummi lykkedes kemikeren Eilhard Mitscherlich, ni år senere, at fremstille den samme forbindelse; Derfor var der en anden kilde til det samme carbonhydrid, som han døbt som 'benzin'. De overvejede imidlertid ikke det passende navn til at antage, at det var et alkaloid, såsom kinin.

Således erstattede de navnet 'benzine' med 'benzol'. Imidlertid var der igen modsigelser og uoverensstemmelser på grund af det faktum, at udtrykket 'benzol' forvirrede carbonhydridet til en alkohol. Det var dengang, at navnet 'benzen' blev født, brugt først i Frankrig og England.

Industriel produktion

Hverken lysgas eller benzoingummi var passende kilder til frembringelse af benzen i stor skala. Charles Mansfield arbejdede sammen med August Wilhelm von Hofmann og lykkedes i 1845 at isolere benzen (tyve år efter opdagelsen) fra kulstjære, et biprodukt fra koksproduktion.

Sådan begyndte den industrielle produktion af benzen fra kulstjære. Tilgængeligheden af ​​benzen i massive mængder letter studiet af dets kemiske egenskaber og gjorde det muligt at relateres til andre forbindelser med lignende reaktiviteter. August Wilhelm von Hofmann opfandt selv ordet 'aromatisk' for benzen og dets beslægtede forbindelser.

Historiske strukturer

August Kekulés drøm

Friedrich August Kekulé krediteres den hexagonale og cykliske struktur af benzen omkring året 1865, der stammer fra en mærkelig drøm med Uroboros, slangen, der bider sin egen hale ved at tegne en cirkel. Således troede han, at benzen kunne betragtes som en hexagonal ring, og andre kemikere rejste mulige strukturer, som er vist nedenfor:

Strukturer til benzenringen foreslået gennem historien. Kilde: Jü

Nogle af de højere strukturer kunne tage højde for benzenens stabilitet.

Bog, ringe og prisme

Bemærk, at den tredje struktur ikke engang er en ring, men et trekantet prisme, foreslået af Albert Ladenburg i 1869; til venstre for ham, en i form af en åben bog, foreslået af Sir James Dewar i 1867; og til højre, en med alle hydrogener rettet mod centrum af ringen, foreslået af Henry Edward Armstrong i 1887.

Den første struktur, foreslået af Adolf Karl Ludwig Claus i 1867, er også temmelig ejendommelig, da CC-forbindelserne krydses. Og den sidste var Kekulés “serpentine” ring, der drømte om i 1865.

Hvad var "vinderen"? Den femte struktur (fra venstre mod højre), foreslået i 1899 af Johannes Thiele.

I denne undersøgelse blev resonanshybrid overvejet for første gang, der kombinerede de to Kekulé-strukturer (drej den første ring til højre for at observere den) og forklarede ekstraordinært delokaliseringen af ​​elektroner og med den den indtil da usædvanlige stabilitet af benzen.

Struktur af benzen

Aromatisk benzenring. Kilde: Benjah-bmm27

Ovenfor er strukturen foreslået af Thiele ved hjælp af en model af kugler og stænger.

Benzenmolekylet er fladt med hydrogenatomer, der peger udad fra ringens sider. Alle carbonatomer har sp ^2- hybridisering, med en p orbital tilgængelig for at etablere det aromatiske system, hvor seks elektroner delokaliserer.

Disse sp ² carbonatomer er mere elektronegative end hydrogenerne, og derfor førstnævnte trække elektrontætheden til sidstnævnte (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +}). Følgelig har ringens centrum en højere koncentration af elektroner end dens sider.

Mere præcist kan det aromatiske system repræsenteres som en sky eller elektronisk pude, der er ekspanderet på begge sider af den sekskantede ring; og i midten, på sider eller kanter, en elektronisk mangel, der består af hydrogener med en positiv delladning.

Takket være denne fordeling af elektriske ladninger kan benzenmolekyler interagere med hinanden gennem dipol-dipol-kræfter; H ^{δ +} atomer tiltrækkes til det aromatiske centrum af en nabokring (dette vil blive gengivet nedenfor).

De aromatiske centre kan også stables den ene oven på den anden for at favorisere induktionen af ​​de øjeblikkelige dipoler.

resonans

Strukturer og resonanshybrid af benzen. Kilde: Edgar181 fra Wikipedia.

De to Kekulé-strukturer er vist øverst på billedet, og under dem resonanshybrid. Da de to strukturer forekommer igen og igen på samme tid, er hybriden repræsenteret af en cirkel trukket i midten (svarende til en "hexagonal donut").

Hybridcirklen er vigtig, fordi den angiver den aromatiske karakter af benzen (og den for mange andre forbindelser). Desuden påpeger han, at linkene ikke er så længe som CC, og at de heller ikke er så korte som C = C; snarere er deres længde mellem begge ekstremer. Benzen betragtes således ikke som en polyen.

Dette er blevet vist ved at måle længderne af CC (139 pm) bindinger af benzen, som er lidt mere langstrakte end CH (109 pm) bindingerne.

krystaller

Orthorhombisk krystalstruktur af benzen. Kilde: Ben Mills

Benzen er en væske ved stuetemperatur. Dens intermolekylære kræfter betyder, at det til trods for ikke at have et så udtalt dipolmoment kan holde sine molekyler sammen i en væske, der koger ved 80 ° C. Når temperaturen falder til under 5 ° C, begynder benzen at fryse: og dermed opnås dens tilsvarende krystaller.

Benzenringe kan anvende definerede strukturelle mønstre i deres faste. Deres dipoler får dem til at "vippe" mod venstre eller højre og danne rækker, der kan gengives af en orthorhombisk enhedscelle. Benzenkrystaller er således orthorhombiske.

Bemærk i det øverste billede, at vippningen af ​​ringerne favoriserer samspillet mellem H ^{δ +} og de aromatiske centre, nævnt i tidligere underafsnit.

Ejendomme

Molekylmasse

78,114 g / mol.

Fysisk fremtoning

Farveløs væske med en benzinlignende lugt.

Kogepunkt

80 ° C

Smeltepunkt

5,5 ° C

tændingspunkt

-11ºC (lukket kop).

Selvantændelsestemperatur

497,78 ° C

Massefylde

0,8765 g / ml ved 20 ° C.

Opløselighed

En liter kogende vand kan næppe opløse 3,94 g benzen. Dets apolære karakter gør det praktisk talt ikke blandbart med vand. Det er imidlertid blandbart med andre opløsningsmidler, såsom ethanol, ethere, acetone, olier, chloroform, carbontetrachlorid osv.

Dampdensitet

2,8 i forhold til luft (det vil sige næsten tre gange så tæt).

Damptryk

94,8 mm Hg ved 25 ° C

Forbrændingsvarme

-3267,6 kJ / mol (til flydende benzen).

Fordampningsvarme

33,83 kJ / mol.

Overfladespænding

28,22 mN / m ved 25 ° C.

Brydningsindeks

1.5011 ved 20 ° C

derivater

Hydrogenerne af benzen kan erstattes af andre grupper eller atomer. Der kan være en eller flere substitutioner, hvilket øger substitutionsgraden, indtil ingen af ​​de originale seks hydrogener er tilbage.

Antag f.eks. Benzen som Ph-H, hvor H er en af ​​dens seks hydrogener. Husk, at midten af ​​ringen har en højere elektron-densitet, tiltrækker det elektrofiler, der angriber ringen for at erstatte H i en reaktion kaldet elektrofil aromatisk substitution (SEAr).

Hvis denne H erstattes af en OH, vil vi have Ph-OH, phenol; blive erstattet af en CH ₃, Ph-CH ₃, toluen; hvis det er NH ₂, Ph-NH ₂, anilin; eller hvis det er CH ₂ CH ₃, Ph-CH ₂ CH ₃, ethylbenzen.

Derivaterne kan være de samme eller mere toksiske end benzen, eller tværtimod kan de blive så komplekse, at de har en ønskelig farmakologisk virkning.

Applikationer

Det er et godt opløsningsmiddel til en lang række forbindelser, der for eksempel findes i malinger, lakker, klæbemidler og belægninger.

Ligeledes kan det opløse olier, fedt eller voks, hvorfor det er blevet brugt som et ekstraktionsmiddel til essenser. Denne ejendom blev brugt af Ludwig Roselius i 1903 til koffeinfri kaffe, en operation, der ikke længere er i brug på grund af toksiciteten af ​​benzen. Ligeledes blev det tidligere brugt til affedtning af metaller.

I en af ​​dets klassiske anvendelser fungerer det ikke som et opløsningsmiddel, men som et tilsætningsstof: forøgelse af oktantallet af benzin og erstatter bly til dette formål.

Derivater af benzen kan have forskellige anvendelser; nogle tjener som pesticider, smøremidler, vaskemidler, plast, sprængstoffer, parfume, farvestoffer, lim, medikamenter osv. Hvis der observeres en benzenring i dens struktur, er det meget sandsynligt, at dens syntese er startet fra benzen.

Blandt dets vigtigste derivater er: kumen, xylen, anilin, phenol (til syntese af phenolharpikser), benzoesyre (konserveringsmiddel), cyclohexan (til syntese af nylon), nitrobenzen, resorcinol og ethylbenzen.

nomenklatur

Nomenklaturen for benzenderivater varierer afhængigt af substitutionsgraden, hvad substituentgrupperne er og deres relative positioner. Benzen kan således gennemgå substitutioner med mono, di, tri, tetra osv

Når de to grupper er knyttet til tilstødende kulstof, benævnes betegnelsen 'ortho'; hvis der er et kulstof i mellem at adskille dem, 'meta'; og hvis kulstofene er i modsatte positioner, 'para'.

Billederne nedenfor viser eksempler på benzenderivater med deres respektive navne styret af IUPAC. De ledsages også af almindelige eller traditionelle navne.

Monoderivativer af benzen. Kilde: Gabriel Bolívar.

Andre derivater af benzen. Kilde: Gabriel Bolívar.

Bemærk, at i trisubstitueret benzen er ortho-, para- og meta-indikatorerne ikke længere nyttige.

Toksicitet

Benzen er en forbindelse, der skal håndteres med omhu. I betragtning af dens særlige lugt kan de øjeblikkelige negative virkninger være kvælning, svimmelhed, hovedpine, rysten, døsighed, kvalme og endda død (med stor eksponering). Hvis det indtages, ud over det nævnte, kan det forårsage alvorlige mavesmerter og krampeanfald.

Derudover er langtidsvirkningerne under konstant eksponering for denne væske kræftfremkaldende; øger chancerne for, at den enkelte vil lide af en eller anden type kræft, især blodkræft: leukæmi.

I blodet kan det reducere koncentrationen af ​​røde blodlegemer, forårsage anæmi og også påvirke knoglemarven og leveren, hvor det assimileres af kroppen for at generere endnu mere giftige benzenderivater; for eksempel hydroxyquinon. Det ophobes også i nyrerne, hjertet, lungerne og hjernen.

Referencer

1. Morrison, RT og Boyd, RN (1987). Organisk kemi. (5. udgave). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organisk kemi. (6. udgave). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organisk kemi. Aminer. (10. udgave.). Wiley Plus.
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Benzen. PubChem-database. CID = 241, Genvundet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Gendannet fra: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Hvad er Benzen? - Anvendelser, struktur og formler. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
7. Centre for sygdomsbekæmpelse og -forebyggelse. (4. april 2018). Fakta om benzen. Gendannes fra: emergency.cdc.gov
8. Verdenssundhedsorganisationen. (2010). Eksponering for benzen: et stort folkesundhedsmæssigt anliggende.. Gendannes fra: who.int
9. Fernández Germán. (Sf). Problemer med benzen-nomenklatur. Organisk kemi. Gendannes fra: quimicaorganica.org