Hóa học 11 KNTT Bài 17: Arene (Hydrocarbon thơm)

a. Khái niệm

Arene hay còn gọi là hydrocarbon thơm là những hydrocarbon trong phân tử có chứa một hay nhiều vòng benzene.

 

- Benzene có công thức C₆H₆ là một hydrocarbon thơm đơn giản và điển hình nhất.

- 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).

b. Công thức cấu tạo và danh pháp

- Một số arene, gốc aryl thường gặp có công thức cấu tạo và tên gọi như sau:

 

- (o-; m-; p- là viết tắt của các từ tương ứng ortho; meta-; para- chỉ vị trí 2, 3, 4 của nhóm thế thứ hai).

Phân tử benzene có 6 nguyên tử carbon tạo thành hình lục giác đều, tất cả nguyên tử carbon và hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng, các góc liên kết đều bằng 120°, độ dài liên kết carbon – carbon đều bằng 139 pm.

 

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

 

Hình 17.1. Công thức cấu tạo (a) và mô hình phân tử (b) của benzene

 

- Benzene, toluene, xylene, styrene ở điều kiện thường là chất lỏng không màu, trong suốt, dễ cháy và có mùi đặc trưng.

- Naphthalene là chất rắn màu trắng, có mùi đặc trưng (có thể phát hiện được ở nồng độ thấp).

- Các arene không phân cực hoặc kém phân cực nên không tan trong nước và thường nhẹ hơn nước, tan được trong các dung môi hữu cơ.

Bảng 17.1. Tính chất vật lí của một số arene

 

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 halogen hoá

- 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.

 

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

 

Quy tắc an toàn khi sử dụng arene

- Arene (chủ yếu là benzene, toluene và xylene) là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nhiều loại hoá chất và vật liệu hữu cơ quan trọng, có nhiều ứng dụng trong đời sống.

- Benzene là chất làm tăng nguy cơ gây ung thư và các bệnh khác, vì vậy không được tiếp xúc trực tiếp với hoá chất này.

- Đặc biệt, các thuốc bảo vệ thực vật (thuốc trừ sâu, trừ cỏ) thế hệ cũ là dẫn xuất của benzene đều có tác hại đối với sức khoẻ con người và gây ô nhiễm môi trường.

 - Không được sử dụng các chất đã bị cấm như DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane) hay 666 (1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane), thay vào đó là những thuốc thế hệ mới vừa hiệu quả vừa an toàn.

Trong công nghiệp, benzene, toluene được điều chế từ quá trình reforming phân đoạn dầu mỏ chứa các alkane và cycloalkane C6 – C8.

 

Ví dụ:

 

 

Ethylbenzene được điều chế từ phản ứng giữa benzene và ethylene với xúc tác acid rắn là zeolite.

 

 

Naphtalene được điều chế chủ yếu bằng phương pháp chưng cất nhựa than đá.