a. Vòng benzene và hydrocarbon thơm

– Benzene có công thức phân tử C₆H₆. Sáu nguyên tử carbon trong phân tử benzene nằm ở sáu đỉnh của một lục giác đều.

– Toàn bộ phân tử nằm trên một mặt phẳng.

Hình 14.2. Mô hình phân tử benzene

 

– Để đơn giản, benzene thường được biểu diễn bởi các kiểu công thức dưới đây:

Hình 14.3. Các cách viết công thức cấu tạo dạng thu gọn của benzene

 

Những hydrocarbon trong phân tử chứa vòng benzene được gọi là các hydrocarbon thơm hay arene.

 

– Benzene và các đồng đẳng của nó hợp thành dãy đồng đẳng của benzene có công thức chung là C_nH_{2n -6} (n ≥ 6).

– Ngoài dãy đồng đẳng của benzene, còn có các hydrocarbon thơm mà mạch nhánh chứa liên kết bội (ví dụ styrene) hay các hydrocarbon thơm do hai hay nhiều vòng benzene ghép lại với nhau (ví dụ naphthalene) (xem Hình 14.1).

b. Danh pháp

– Nhiều hợp chất thơm được gọi theo tên thông thường (toluene, xylene,…). Khi gọi theo tên thay thế, vòng benzene được xem là mạch chính.

– Khi trên vòng benzene có hai nhóm thế, vị trí của chúng có thể được minh hoạ bằng các chữ số 1,2; 1,3 hoặc 1,4 hay bằng các chữ tương ứng là ortho, meta, para (viết tắt là o, m, p). (xem ví dụ ở bảng 14.1)

– Trong điều kiện thường, trừ naphthalene ở thể rắn, có màu trắng, các arene còn lại trong Bảng 14.1 đều là những chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng.

– Các arene hầu như không tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ như acetone, diethyl ether, chloroform, …

– Hầu hết arene đều có hại cho sức khoẻ nếu tiếp xúc trong một thời gian dài.

Bảng 14.1. Tên gọi và tính chất vật lí của một số hydrocarbon thơm

 

– Các hydrocarbon trong dãy đồng đẳng của benzene thể hiện tính chất hoá học của vòng thơm và tính chất của mạch nhánh alkyl.

a. Phản ứng thế

– Arene có thể tham gia phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene như phản ứng halogen hoá, nitro hoá,…

Quy tắc thế: Khi benzene có nhóm thế alkyl (–CH3, –C2H5…), các phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene xảy ra dễ dàng hơn so với benzene và ưu tiên thế vào vị trí số 2 hoặc số 4 (vị trí ortho hoặc para) so với nhóm alkyl.

 

Phản ứng thế halide

– Các arene tham gia phản ứng thế nguyên tử hydrogen gắn với vòng thơm bằng halogen (chlorine, bromine) ở nhiệt độ cao khi có xúc tác muối iron(III) halide.

– Khi có mặt xúc tác FeBr₃ hoặc AlBr₃ benzene tác dụng với bromine khan tạo thành bromobenzene.

 

– Toluene phản ứng nhanh hơn benzene trong điều kiện tương tự tạo hỗn hợp sản phẩm chính (đồng phân ortho và para)

 

 

Phản ứng nitro hoá

– Phản ứng nitro hoá là phản ứng trong đó một hay nhiều nguyên tử hydrogen ở vòng benzene được thay thế bằng nhóm nitro (–NO₂).

– Benzene được nitro hoá bằng hỗn hợp HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc ở nhiệt độ không quá 50°C tạo nitrobenzene dạng lỏng, màu vàng nhạt, sánh như dầu:

 

– Toluene được nitro hoá tạo thành hỗn hợp hai sản phẩm chính là ortho và para-nitrotoluene.

 

b. Phản ứng cộng

Phản ứng cộng chlorine

– Phản ứng cộng chlorine vào benzene trong điều kiện có ánh sáng tử ngoại và đun nóng, sản phẩm thu được là 1,2,3,4,5,6 – hexachlorocyclohexane.

 

Phản ứng cộng hydrogen

– Phản ứng cộng hydrogen vào benzene tạo thành cyclohexane. Phản ứng xảy ra ở điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao, với sự có mặt của các chất xúc tác dị thể như platinum, nickel.

– Phản ứng này được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất cyclohexane.

 

 c. Phản ứng oxi hoá

Phản ứng oxi hoá hoàn toàn (phản ứng cháy)

– Các arene như benzene, toluene, xylene dễ cháy và toả nhiều nhiệt.

C₆H₅CH₃ + 9O₂ \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) 7CO₂ + 4H₂O

Phản ứng oxi hoá nhóm alkyl

– Toluene và các alkylbenzene khác có thể bị oxi hoá bởi các tác nhân oxi hoá như dung dịch KMnO₄.

Ví dụ:

C₆H₅CH₃ + 2KMnO₄ \(\xrightarrow{{{t}^{o}}}\) C₆H₅COOK + 2MnO₂ + KOH + H₂O

C₆H₅COOK + HCl → C₆H₅COOH + KCl

a. Điểu chế

Ngày nay arene hầu hết đều được điều chế từ dầu mỏ qua quá trình reforming xúc tác để chuyển các alkane có chỉ số octane thấp thành các arene có chỉ số octane cao hơn.

b. Ứng dụng