BENZEEN: GESCHIEDENIS, STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, DERIVATEN, TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2026

De benzeen is een organische verbinding uit een van de eenvoudigste van aromatische koolwaterstoffen. De chemische formule is C ₆ H ₆ , waarvan bekend is dat de verhouding tussen koolstof en waterstof gelijk is aan 1; dat wil zeggen dat voor elke koolstof er een waterstof aan gekoppeld is.

Hoewel het er fysiek uitziet als een kleurloze vloeistof, wordt het van nature aangetroffen in aardolie en aardolieproducten. De geur is erg karakteristiek, omdat het lijkt op een mengsel van lijm, bitumen en benzine; aan de andere kant is het een vluchtige en brandbare vloeistof.

Fles met benzeen. Bron: Air1404

De afbeelding hierboven toont een container of fles met benzeen, vermoedelijk van niet-analytische zuiverheid. Als ze worden blootgelegd, verspreiden de benzeendampen zich onmiddellijk door het laboratorium. Om deze reden wordt deze vloeistof, die gewoonlijk wordt gebruikt als een eenvoudig oplosmiddel, in een zuurkast verwerkt.

Omdat het de formule C ₆ H _{6 is} , hebben de chemici van de 19e eeuw talloze mogelijke structuren opgeworpen die zouden overeenkomen met de genoemde C / H-verhouding gelijk aan 1. Niet alleen dit, maar het benzeenmolecuul moest speciale bindingen hebben op een zodanige manier dat het kon worden verklaard zijn ongebruikelijke stabiliteit tegen additiereacties; typisch voor alkenen en polyenen.

Zo vormden hun banden een raadsel voor scheikundigen uit die tijd; totdat de eigenschap aromaticiteit werd geïntroduceerd. Voordat het werd beschouwd als een hexacyclotrieen (met drie C = C-bindingen), is benzeen veel meer dan dat, en het is nog een van de vele voorbeelden van synergie in de chemie.

In de organische chemie is benzeen een klassiek symbool, de structurele basis voor meerdere polyaromatische verbindingen. Van zijn zeshoek worden eindeloze derivaten verkregen via aromatische elektrofiele substitutie; een ring waarvan de randen de structuur die nieuwe verbindingen definieert, geweven is.

In feite zijn de derivaten ervan te wijten aan de enorme industriële toepassingen waarvoor ze benzeen als grondstof nodig hebben. Van de bereiding van lijmen en textielvezels tot kunststoffen, rubbers, pigmenten, medicijnen en explosieven. Aan de andere kant wordt benzeen van nature aangetroffen in vulkanen, bosbranden, benzine en sigarettenrook.

Geschiedenis

Ontdekking en namen

De ontdekking ervan dateert uit 1825, meestal toegeschreven aan Michael Faraday, toen hij verzamelde en experimenten deed met een resterend olieproduct van het gas dat voor verlichting werd gebruikt. Deze vloeistof bevatte een C / H-verhouding van bijna 1, en daarom noemde hij het 'carburated waterstof'.

Chemicus Auguste Laurent noemde de vreemde koolwaterstof 'feno', afgeleid van het Griekse woord 'phaínein' wat helder betekent (omdat het werd verkregen nadat het gas was verbrand). Deze naam werd echter niet geaccepteerd door de wetenschappelijke gemeenschap en gold alleen als 'fenyl', om te verwijzen naar de radicaal afgeleid van benzeen.

Van benzoëgom slaagde de chemicus Eilhard Mitscherlich er negen jaar later in om dezelfde verbinding te produceren; Er was dus een andere bron voor dezelfde koolwaterstof, die hij 'benzine' noemde. Ze dachten echter ook niet aan de juiste naam om aan te nemen dat het een alkaloïde was, zoals kinine.

Daarom hebben ze de naam 'benzine' vervangen door 'benzol'. Er waren echter weer tegenstrijdigheden en discrepanties vanwege het feit dat de term 'benzol' de koolwaterstof verwarde met een alcohol. Het was toen dat de naam 'benzeen' werd geboren, voor het eerst gebruikt in Frankrijk en Engeland.

Industriële productie

Noch aanmaakgas, noch benzoëgom waren geschikte bronnen om op grote schaal benzeen te produceren. Charles Mansfield, in samenwerking met August Wilhelm von Hofmann, slaagde er in 1845 in om benzeen (twintig jaar na de ontdekking ervan) te isoleren uit koolteer, een bijproduct van de cokesproductie.

Zo begon de industriële productie van benzeen uit koolteer. De beschikbaarheid van benzeen in enorme hoeveelheden vergemakkelijkte de studie van de chemische eigenschappen ervan en maakte het mogelijk om het te relateren aan andere verbindingen met vergelijkbare reactiviteiten. August Wilhelm von Hofmann bedacht zelf het woord 'aromatisch' voor benzeen en zijn verwante verbindingen.

Historische structuren

De droom van August Kekulé

Friedrich August Kekulé wordt gecrediteerd voor de hexagonale en cyclische structuur van benzeen rond het jaar 1865, ontstaan ​​uit een vreemde droom met Uroboros, de slang die in zijn eigen staart bijt door een cirkel te tekenen. Daarom geloofde hij dat benzeen kon worden beschouwd als een zeshoekige ring, en andere chemici brachten mogelijke structuren naar voren, die hieronder worden weergegeven:

Structuren voor de benzeenring die door de geschiedenis heen zijn voorgesteld. Bron: Jü

Sommige van de hogere structuren zouden de stabiliteit van benzeen kunnen verklaren.

Boek, ringen en prisma

Merk op dat de derde structuur niet eens een ring is maar een driehoekig prisma, voorgesteld door Albert Ladenburg in 1869; links van hem, een in de vorm van een open boek, voorgesteld door Sir James Dewar in 1867; en aan de rechterkant, een met alle waterstofatomen gericht naar het midden van de ring, voorgesteld door Henry Edward Armstrong in 1887.

De eerste structuur, voorgesteld door Adolf Karl Ludwig Claus in 1867, is ook nogal eigenaardig, aangezien de CC-links worden gekruist. En de laatste was de "serpentine" ring van Kekulé, waarvan in 1865 werd gedroomd.

Wat was de "winnaar"? De vijfde structuur (van links naar rechts), in 1899 voorgesteld door Johannes Thiele.

In deze studie werd voor het eerst rekening gehouden met de resonantiehybride, die de twee Kekulé-structuren combineerde (draai de eerste ring rechts om hem te observeren) en buitengewoon de delokalisatie van elektronen verklaarde en daarmee de tot dan toe ongebruikelijke stabiliteit van de benzeen.

Structuur van benzeen

Aromatische benzeenring. Bron: Benjah-bmm27

Hierboven is de structuur voorgesteld door Thiele met behulp van een model van bollen en staven.

Het benzeenmolecuul is plat, met de waterstofatomen naar buiten gericht vanaf de zijkanten van de ring. Alle koolstofatomen hebben sp ^2- hybridisatie , met een p-orbitaal beschikbaar om het aromatische systeem vast te stellen waarin zes elektronen delokaliseren.

Deze sp ^2- koolstofatomen zijn meer elektronegatief dan de waterstofatomen, en daarom onttrekken de eerste de elektronendichtheid aan de laatste (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Bijgevolg heeft het midden van de ring een hogere concentratie elektronen dan de zijkanten.

Preciezer gezegd, het aromatische systeem kan worden weergegeven als een wolk of een elektronisch kussen dat aan beide zijden van de zeshoekige ring is uitgezet; en in het midden, aan de zijkanten of randen, een elektronisch defect bestaande uit waterstofatomen met een positieve gedeeltelijke lading.

Dankzij deze verdeling van elektrische ladingen kunnen benzeenmoleculen met elkaar interageren via dipool-dipoolkrachten; H ^{δ +} -atomen worden aangetrokken door het aromatische centrum van een naburige ring (dit wordt hieronder weergegeven).

Ook kunnen de aromatische centra op elkaar worden gestapeld om de inductie van de instantane dipolen te bevorderen.

Resonantie

Structuren en resonantiehybride van benzeen. Bron: Edgar181 van Wikipedia.

De twee Kekulé-structuren worden bovenaan de afbeelding getoond en daaronder de resonantiehybride. Omdat de twee structuren keer op keer tegelijkertijd voorkomen, wordt de hybride voorgesteld door een cirkel in het midden (vergelijkbaar met een "zeshoekige donut").

De hybride cirkel is belangrijk omdat deze het aromatische karakter van benzeen (en dat van vele andere verbindingen) aangeeft. Verder wijst hij erop dat de links niet zo lang zijn als CC, en ook niet zo kort als C = C; hun lengte ligt eerder tussen beide uitersten in. Benzeen wordt dus niet als een polyeen beschouwd.

Dit is aangetoond door het meten van de lengtes van de CC (139 pm) -bindingen van benzeen, die iets langer zijn dan de CH (109 pm) -bindingen.

Kristallen

Orthorhombische kristalstructuur van benzeen. Bron: Ben Mills

Benzeen is een vloeistof bij kamertemperatuur. Door zijn intermoleculaire krachten kan het, ondanks dat het niet zo'n uitgesproken dipoolmoment heeft, zijn moleculen bij elkaar houden in een vloeistof die kookt bij 80 ° C. Wanneer de temperatuur onder de 5 ° C daalt, begint de benzeen te bevriezen: en zo worden de overeenkomstige kristallen verkregen.

Benzeenringen kunnen bepaalde structurele patronen in hun vaste stof aannemen. Hun dipolen zorgen ervoor dat ze naar links of rechts "kantelen", waardoor ze rijen vormen die kunnen worden gereproduceerd door een orthorhombische eenheidscel. Benzeenkristallen zijn dus orthorhombisch.

Merk op in de bovenste afbeelding dat het kantelen van de ringen de wisselwerking tussen de H ^{δ +} en de aromatische centra bevordert, zoals vermeld in de voorgaande paragrafen.

Eigendommen

Moleculaire massa

78,114 g / mol.

Fysiek uiterlijk

Kleurloze vloeistof met een benzine-achtige geur.

Kookpunt

80 ° C.

Smeltpunt

5,5 ° C.

ontstekingspunt

-11ºC (gesloten beker).

Zelfontbranding temperatuur

497,78 ° C.

Dichtheid

0,8765 g / ml bij 20 ° C.

Oplosbaarheid

Een liter kokend water lost amper 3,94 g benzeen op. Het apolaire karakter maakt het praktisch niet mengbaar met water. Het is echter mengbaar met andere oplosmiddelen, zoals ethanol, ethers, aceton, oliën, chloroform, tetrachloorkoolstof, enz.

Dampdichtheid

2.8 ten opzichte van lucht (dat wil zeggen, bijna drie keer zo dicht).

Dampdruk

94,8 mm Hg bij 25 ° C.

Verbrandingswarmte

-3267,6 kJ / mol (voor vloeibare benzeen).

Warmte van verdamping

33,83 kJ / mol.

Oppervlaktespanning

28,22 mN / m bij 25 ° C.

Brekingsindex

1.5011 bij 20 ° C.

Derivaten

De waterstofatomen van benzeen kunnen worden vervangen door andere groepen of atomen. Er kunnen een of meer substituties zijn, waardoor de substitutiegraad toeneemt totdat geen van de oorspronkelijke zes waterstofatomen overblijft.

Neem bijvoorbeeld benzeen als Ph-H, waarbij H een van de zes waterstofatomen is. Onthoud dat het midden van de ring een hogere elektronendichtheid heeft, het trekt elektrofielen aan, die de ring aanvallen om H te vervangen in een reactie die elektrofiele aromatische substitutie (SEAr) wordt genoemd.

Als deze H wordt vervangen door een OH, hebben we de Ph-OH, fenol; vervangen door een CH ₃ , Ph-CH ₃ , tolueen; als het NH ₂ , Ph-NH ₂ , aniline; of als het CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , ethylbenzeen is.

De derivaten kunnen hetzelfde of giftiger zijn dan benzeen, of integendeel, ze kunnen zo complex worden dat ze een gewenst farmacologisch effect hebben.

Toepassingen

Het is een goed oplosmiddel voor een grote verscheidenheid aan verbindingen, bijvoorbeeld aanwezig in verven, vernissen, lijmen en coatings.

Evenzo kan het oliën, vetten of was oplossen, daarom is het gebruikt als extractiemiddel voor essences. Deze eigenschap werd in 1903 door Ludwig Roselius gebruikt om koffie te decaffeineren, een operatie die al in onbruik was geraakt vanwege de giftigheid van benzeen. Evenzo werd het in het verleden gebruikt om metalen te ontvetten.

Bij een van zijn klassieke toepassingen fungeert het niet als een oplosmiddel maar als een additief: het octaangetal van benzine verhogen en daarvoor lood vervangen.

Benzeenderivaten kunnen op verschillende manieren worden gebruikt; sommige dienen als pesticiden, smeermiddelen, wasmiddelen, plastic, explosieven, parfums, kleurstoffen, lijmen, medicijnen, enz. Als een benzeenring wordt waargenomen in zijn structuur, is het vrij waarschijnlijk dat de synthese is begonnen met benzeen.

Tot de belangrijkste derivaten behoren: cumeen, xyleen, aniline, fenol (voor de synthese van fenolharsen), benzoëzuur (conserveermiddel), cyclohexaan (voor de synthese van nylon), nitrobenzeen, resorcinol en ethylbenzeen.

Nomenclatuur

De nomenclatuur van benzeenderivaten varieert afhankelijk van de substitutiegraad, wat de substituentgroepen zijn en hun relatieve posities. Benzeen kan dus mono-, di-, tri-, tetra-, enz. Substituties ondergaan

Wanneer de twee groepen zijn gehecht aan aangrenzende koolstofatomen, wordt de aanduiding 'ortho' gebruikt; als er een koolstof tussen zit die ze scheidt, 'meta'; en als de koolstofatomen zich in tegenovergestelde posities bevinden, 'para'.

De onderstaande afbeeldingen tonen voorbeelden van benzeenderivaten met hun respectievelijke namen die onder de IUPAC vallen. Ze gaan ook vergezeld van gewone of traditionele namen.

Monoderivaten van benzeen. Bron: Gabriel Bolívar.

Andere derivaten van benzeen. Bron: Gabriel Bolívar.

Merk op dat in trigesubstitueerde benzeen de ortho-, para- en meta-indicatoren niet langer bruikbaar zijn.

Toxiciteit

Benzeen is een stof waarmee met zorg moet worden omgegaan. Gezien de specifieke geur kunnen de onmiddellijke negatieve effecten verstikking, duizeligheid, hoofdpijn, trillingen, slaperigheid, misselijkheid en zelfs de dood zijn (bij hoge blootstelling). Als het wordt ingeslikt, kan het naast het bovengenoemde ernstige maagpijn en toevallen veroorzaken.

Bovendien zijn de effecten op lange termijn bij constante blootstelling aan deze vloeistof kankerverwekkend; vergroot de kans dat het individu lijdt aan een vorm van kanker, vooral bloedkanker: leukemie.

In het bloed kan het de concentratie rode bloedcellen verlagen, bloedarmoede veroorzaken, en ook het beenmerg en de lever aantasten, waar het door het lichaam wordt opgenomen om nog meer giftige benzeenderivaten te produceren; bijvoorbeeld hydroxychinon. Het hoopt zich ook op in de nieren, het hart, de longen en de hersenen.

Referenties

1. Morrison, RT en Boyd, RN (1987). Organische chemie. (5e editie). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Organische chemie. (6e editie). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Organische chemie. Amines. (10e editie.). Wiley Plus.
4. Nationaal centrum voor informatie over biotechnologie. (2019). Benzeen. PubChem-database. CID = 241, Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzeen. Hersteld van: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Wat is benzeen? - Gebruik, structuur en formule. Studie. Hersteld van: study.com
7. Centrum voor ziektecontrole en Preventie. (4 april 2018). Feiten over benzeen. Hersteld van: emergency.cdc.gov
8. Wereldgezondheidsorganisatie. (2010). Blootstelling aan benzeen: een groot probleem voor de volksgezondheid. . Hersteld van: who.int
9. Fernández Germán. (sf). Problemen met de nomenclatuur van benzeen. Organische chemie. Hersteld van: quimicaorganica.org