Родоначальником соединений группы нафталина является углеводород нафталин С₁₀Н₈. Молекулярная формула нафталина была впервые установлена А. А. Воскресенским.

Строение нафталина очень сходно со строением бензола. Рентгенографические исследования свидетельствуют, что молекула нафталина плоская, как и молекула бензола, но межатомные расстояния не так выравнены, как в молекуле бензола, и составляют от 1,356 до 1,425 А.

Однозамещенные бензола не имеют изомеров. Иначе обстоит дело с однозамещенными нафталина. В молекуле нафталина есть два атома углерода, принадлежащих одновременно обоим бензольным ядрам; из остальных восьми атомов углерода нафталина четыре связаны непосредственно с общими атомами углерода — эти четыре атома углерода обычно обозначают буквой А. Остальные четыре атома углерода отделены от двух общих атомов угле рода α атомами; удаленные атомы углерода обозначают буквой β.

В связи с этим каждое однозамещенное нафталина может существовать в виде α и β изомера в зависимости от того, у какого из атомов углерода произошла замена.

Иногда атомы углерода, у которых может произойти замещение, нумеруют цифрами от 1 до 8. Положения 1, 4, 5 и 8 совершенно равнозначны; они соответствуют α положениям. Положения 2, 3, 6 и 7 также равнозначны между собой и соответствуют β положениям.

Получение нафталина

Главный источник получения нафталина — каменноугольный деготь, содержащий 8—10% нафталина. При фракционировании каменноугольного дегтя нафталин переходит вместе с фенолами преимущественно во фракцию карболового масла. Фенолы отделяют от нафталина при помощи щелочи, растворяющей фенолы, затем нафталин очищают перегонкой под вакуумом и возгонкой. Нафталин можно получить и синтетически. Однако в связи с высоким содержанием нафталина в каменноугольном дегте и его дешевизной синтетические способы получения практического значения не имеют.

Нафталин в виде своих многочисленных производных широко применяется для изготовления красителей, лекарственных, взрывчатых веществ, растворителей и т. д.

Физические свойства

Нафталин — твердое кристаллическое вещество с характерным запахом; летуч и легко возгарается. В воде нафталин нерастворим, хорошо растворим в горячем спирте, эфире, бензоле.

Химические свойства

Нафталин, сходный с бензолом по своему строению, обладает ароматическим характером, т. е. легко нитруется, сульфируется и т. д. По сравнению с бензолом нафталин отличается меньшей стойкостью и легче вступает в ряд реакций, чем бензол.

1.  

1. Присоединение водорода (гидрирование).

К двойным связям нафталина может присоединяться водород.

В зависимости от условий гидрирования получают дигидронафталин, тетрагидронафталин и декагидронафталин. Продукты восстановления нафталина — тетралин и декалин — получили широкое применение в технике в качестве растворителей, горючего и т. д.

2. Замещение атомов водорода.

Атомы водорода в нафталине легко замещаются, причем в большинстве случаев легче получаются α производные. Во многих случаях β производные получаются более длительным путем.

3. Окисление.

Энергичное окисление нафталина или более легко идущее окисление его окси и аминопроизводных приводит к образованию нафтохинонов.

Группа антрацена

Антрацен и фенантрен, имеющие одинаковую молекулярную формулу С₁₄Н₁₀, содержатся в каменноугольном дегте; их выделяют из фракции антраценового масла.

Антрацен представляет собой сочетание трех шестичленных циклов. Изучение антрацена при помощи рентгеноструктурного анализа показывает, что все 14 атомов углерода молекулы антрацена лежат в одной плоскости. Это кристаллическое вещество, хорошо растворимое в горячем бензоле, плохо растворимое в спирте и эфире и нерастворимое в воде. Особенно подвижны в молекуле антрацена атомы водорода в положении 9 и 10, т. е. в среднем, так называемом мезоположении.

Подвижность атомов водорода в мезоположении проявляется, в частности, в том, что при действии окислителей они окисляются гораздо легче других атомов с образованием антрахинона.

Наибольшее значение из производных антрацена имеют антрахинон и ализарин.

Группа фенантрена и другие конденсированные системы

Фенантрен — изомер антрацена (С₁₄Н₁₀,) так же, как и последний, представляет собой конденсированную систему, состоящую из трех шестичленных циклов. Эти циклы сочетаются иначе, чем в молекуле антрацена, и изображаются двояко.

Для обозначения производных фенантрена его атомы в формуле нумеруют, как показано выше.

Фенантрен — блестящие бесцветные кристаллы, легко растворимые в бензоле и его гомологах.

Крайние ядра фенантрена обладают ароматическим характером подобно бензолу. В среднем ядре 9 й и 10 й атомы углерода, связанные двойной связью, ведут себя подобно цепям ненасыщенных углеводородов, легко присоединяя бром (с разрывом двойной связи), легко окисляясь и т. д.

Фенантрен не нашел такого широкого технического применения, как антрацен. Однако значение его очень велико. Оказалось, что ядро фенантрена лежит в основе большого ряда соединений, обладающих физиологическим действием. Так, например, ядро фенантрена (частично гидрированного, т. е. имеющего меньшее число двойных связей) лежит в основе таких важнейших алкалоидов, как морфин и кодеин.

Ядро полностью гидрированного фенантрена, конденсированное с пятичленным кольцом циклопентана, называется циклопентанопергидрофенантреном. Это ядро лежит в основе молекул стероидов, к которым относятся стерины, витамины группы D, желчные кислоты, половые гормоны, агликоны сердечных гликозидов и ряд других исключительно важных в биологическом отношении веществ.

Другие конденсированные системы

Наряду с нафталином, антраценом и фенантреном в каменноугольном дегте содержится большое число других углеводородов с конденсированными циклами.

Многие ароматические углеводороды со спаянными циклами являются канцерогенными веществами, т. е. обладают способностью вызывать рак. Особенно сильным канцерогенным действием обладает так называемый метилхолантрен.

Сложность связи канцерогенности и строения соответствующих очень сложна, даже в пределах группы многоядерных ароматических соединений. Так, из нескольких десятков соединений этой группы сильным канцерогенным действием обладало лишь несколько соединений. Была сделана попытка подойти к решению этой проблемы с позиций тонкого электронного строения и химии. Было установлено, что на проявление биологической активности большое влияние оказывают определенные соотношения реакционных индексов мезофенантреновой и мезоантра ценовой областей. Хотя и не всегда, но в ряде случаев расчетные данные находились в соответствии с результатами биологических экспериментов.