Номер 6, страница 218 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

6. Объясните, почему для этилена характерны реакции электрофильного присоединения, а для бензола — электрофильного замещения.

Решение

Различие в реакционной способности этилена и бензола по отношению к электрофилам обусловлено фундаментальными различиями в строении их электронных систем, в частности, наличием у бензола особой ароматической стабильности, которой нет у этилена.

Почему для этилена характерны реакции электрофильного присоединения

Молекула этилена ($CH_2=CH_2$) содержит двойную связь, состоящую из одной прочной $\sigma$-связи и одной менее прочной $\pi$-связи. Электроны $\pi$-связи локализованы между двумя атомами углерода и образуют область повышенной электронной плотности над и под плоскостью молекулы. Эта область является доступным центром для атаки электрофильных частиц ($E^+$) — частиц, испытывающих недостаток электронов.

Механизм реакции электрофильного присоединения ($A_E$) протекает в две стадии:

1. Электрофил атакует $\pi$-связь, разрывая её и образуя новую $\sigma$-связь с одним из атомов углерода. В результате образуется промежуточная частица — карбокатион.
2. Карбокатион быстро реагирует с нуклеофилом ($Nu^-$), который присоединяется ко второму атому углерода.

Общая схема реакции:

$CH_2=CH_2 + E-Nu \rightarrow E-CH_2-CH_2-Nu$

В ходе этой реакции одна относительно слабая $\pi$-связь разрывается, и вместо неё образуются две новые, более прочные $\sigma$-связи. Этот процесс является энергетически выгодным, поэтому для этилена и других алкенов характерны именно реакции присоединения.

Почему для бензола характерны реакции электрофильного замещения

Молекула бензола ($C_6H_6$) имеет циклическое, плоское строение. Все шесть атомов углерода находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Шесть p-орбиталей, перпендикулярных плоскости кольца, перекрываются между собой, образуя единую сопряжённую $\pi$-электронную систему. Эти шесть $\pi$-электронов делокализованы по всему циклу, а не принадлежат конкретным парам атомов углерода.

Такая делокализация электронов придаёт бензольному кольцу особую термодинамическую стабильность, называемую ароматичностью. Энергия бензола значительно ниже, чем у гипотетического циклогексатриена с тремя изолированными двойными связями. Разрушение этой стабильной ароматической системы требует больших затрат энергии.

Если бы бензол вступал в реакцию присоединения, ароматическая система была бы разрушена, что энергетически крайне невыгодно. Поэтому бензол вступает в реакции таким образом, чтобы сохранить свою стабильную $\pi$-систему. Это достигается в реакциях электрофильного замещения ($S_EAr$).

Механизм реакции электрофильного замещения:

1. Электрофил ($E^+$) атакует ароматическую $\pi$-систему, образуя промежуточный $\sigma$-комплекс (арениевый ион), в котором ароматичность временно нарушена.
2. На второй стадии от $\sigma$-комплекса отщепляется протон ($H^+$), что приводит к восстановлению стабильной ароматической системы.

Общая схема реакции:

$C_6H_6 + E^+ \rightarrow C_6H_5E + H^+$

В результате реакции один атом водорода в кольце замещается на электрофильную частицу, а стабильная ароматическая система сохраняется. Этот путь является гораздо более энергетически предпочтительным для бензола, чем присоединение.

Ответ: Для этилена характерны реакции электрофильного присоединения, так как они приводят к энергетически выгодной замене одной менее прочной $\pi$-связи на две более прочные $\sigma$-связи. Для бензола, обладающего особой стабильностью из-за ароматической $\pi$-системы, реакции присоединения энергетически невыгодны, поскольку они привели бы к разрушению этой стабильной системы. Поэтому для бензола характерны реакции электрофильного замещения, в ходе которых происходит замена атома водорода на электрофил с сохранением стабильного ароматического кольца.