Arene (hydrocarbon thơm) SVIP

I. KHÁI NIỆM VÀ DANH PHÁP

1. Khái niệm

Arene (hydrocarbon thơm) là những hydrocarbon mà trong phân tử có chứa ít nhất một vòng benzene.

Ví dụ: Benzene (C₆H₆) và các đồng đẳng các nó có công thức chung C_nH_2n-6 (n ≥ 6).

2. Công thức cấu tạo và danh pháp

- Công thức của một số arene thường gặp:

(o- là vị trí 2 (ortho); m- là vị trí 3 (meta); p- là vị trí 4 (para))

- Công thức của một số gốc aryl thường gặp:

II. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA BENZENE

Phân tử benzene có dạng lục giác đều gồm các nguyên tử C và H cùng nằm trên một mặt phẳng với các góc liên kết (120^o) và độ dài liên kết C-C bằng nhau (139 pm).

- Các kiểu biểu diễn công thức của benzene:

III. TÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN

Arene dễ cháy và thường có mùi đặc trưng. Do kém phân cực nên các arene thường nhẹ hơn nước và không tan trong nước, nhưng tan trong dung môi hữu cơ.

IV. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

1. Phản ứng thế

- Arene có thể tham gia phản ứng thế nguyên tử H ở nhân thơm.

- Quy tắc thế: Phản ứng thế của benzene có chứa nhóm alkyl xảy ra dễ dàng hơn so với benzene và ưu tiên thế vào vị trí số 2 (ortho), số 4 (para).

a. Phản ứng halogen hóa

- Phản ứng thế halogen (Cl, Br) ở nhân thơm của arene xảy ra ở nhiệt độ cao với xúc tác là muối iron(III) halide.

b. Phản ứng nitro hóa

- Phản ứng thế H ở nhân thơm của arene bằng nhóm nitro (-NO₂) được gọi là phản ứng nitro hóa.

- Benzene với hỗn hợp HNO₃ và H₂SO₄ đặc ở nhiệt độ thấp hơn 50 ^oC tạo ra nitrobenzene - chất lỏng sánh màu vàng nhạt.

- Phản ứng nitro hóa toluene tạo thành hỗn hợp ortho- và para-nitrotoluene.

⚡ THÍ NGHIỆM 1

- Thêm từ từ 30 mL dung dịch HNO₃ đặc vào 30  mL dung dịch H₂SO₄ đặc đang làm lạnh trong bình cầu, khuấy 10 phút, rồi thêm 10 mL benzene. Lắp sinh hàn hồi lưu và đun cách thủy đến 80 ^oC trong 60 phút.

- Chuyển hỗn hợp đã nguội vào phễu chiết và để yên đến khi tách thành hai lớp (lớp trên là sản phẩm, lớp dưới là hỗn hợp acid).

- Chiết lấy lớp phía trên rồi thêm 100 mL nước để rửa acid, thu được chất lỏng màu vàng nằm phía dưới phễu chiết.

2. Phản ứng cộng

Benzene có thế tham gia phản ứng cộng với chlorine và halogen.

a. Phản ứng cộng chlorine

- Dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại, benzene tham gia phản ứng cộng với chloeine tạo ra 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane.

⚡ THÍ NGHIỆM 2

Bơm một lượng nhỏ khí chlorine vào bình tam giác chứa benzene, đậy kín, sau đó đặt dưới ánh nắng.

b. Phản ứng cộng hydrogen

- Benzene có thể tham gia phản ứng cộng với hydrogen trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao và có xúc tác kim loại (Pt, Ni).

3. Phản ứng oxi hóa

Các arene dễ cháy và khi cháy tỏa nhiệt nhiệt.

Các alkylbenzene có thể bị oxi hóa bởi dung dịch KMnO₄ khi đun nóng.

a. Phản ứng oxi hóa hoàn toàn (phản ứng cháy)

Phản ứng cháy của toluene giải phóng lượng nhiệt lớn.

\(C_6H_5CH_3+9O_2\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}7CO_2+4H_2O\)

b. Phản ứng oxi hóa nhóm alkyl

Toluene bị oxi hóa bởi dung dịch KMnO₄ tạo thành muối của benzoic acid.

\(C_6H_5CH_3+2KMnO_4\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}C_6H_5COOK+2MnO_2+KOH+H_2O\)

\(C_6H_5COOK+HCl\rightarrow C_6H_5COOH+KCl\)

⚡ THÍ NGHIỆM 3

- Chuẩn bị hai ống nghiệm có chứa 1 mL dung dịch KMnO₄ 0,05 M và 1 mL dung dịch H₂SO₄ 2 M.

- Thêm 1 mL benzene vào ống nghiệm (1) và 1 mL toluene vào ống nghiệm (2), lắc đều rồi đậy bằng nút có ống thủy tinh thẳng.

- Đun cách thủy cả hai ống nghiệm.

V. ỨNG DỤNG

Arene là nguyên liệu để tổng hợp hóa chất, vật liệu và các sản phẩm trong công nghiệp, đời sống.

- Benzene là nguyên liệu sản xuất polymer và tổng hợp hóa chất như acetone, phenol,...

- Toluene dùng để sản xuất thuốc nổ.

- Naphthalene dùng để sản xuất thuốc diệt côn trùng.

- Ngoài ra, các arene còn được dùng làm nguyên liệu sản xuất polymer, dung môi, thuốc nhuộm, dược phẩm, chất dẻo, sợi tổng hợp,...

Cách ứng xử thích hợp với việc sử dụng arene

- Arene là chất độc, đặc biệt benzene có thể gây ung thư nên khi sử dụng phải tuân thủ an toàn.

- Thuốc bảo vệ thực vật thế hệ cũ là dẫn xuất của benzene nên gây hại sức khỏe và môi trường. Vì vậy, không được dùng các loại chất đã bị cấm như DDT hay 666.

- Hiện nay, công nghệ tổng hợp hữu cơ được phát triển theo hướng an toàn, bảo vệ môi trường và sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên.

VI. ĐIỀU CHẾ

Benzene, toluene, xylene được điều chế từ quá trình reforming phân đoạn dầu mỏ chứa alkane và cycloalkane (từ C6 - C8).

Ethylbenzene được tổng hợp bằng phản ứng của benzene và ethylene, sử dụng zeolite làm xúc tác acid rắn.

Naphthalene được sản xuất bằng cách chưng cất nhựa than đá.