Arene (Hydrocarbon thơm) — Benzene, Toluene — Tính chất và phản ứng thế vòng thơm

I. Khái niệm và danh pháp

1. 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 CnH2n – 6 (n ≥ 6).

2. Công thức cấu tạo và danh pháp

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

(Chú ý: 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).

Một số gốc aryl thường gặp:

II. Đặc điểm cấu tạo của benzene

Phân tử benzene có 6 nguyên tử carbon tạo thành hình lục giác đều, tất cả các nguyên tử carbon và hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng, các góc liên kết đều bằng 120o, 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:

III. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

– 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 có 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.

– Benzene, toluene, xylene (được gọi chung là BTX) có trong dầu mỏ với hàm lượng thấp. Khi chưng cất dầu thô thường nhận được phân đoạn có chứa các arene này. Naphthalene và các arene đa vòng khác có trong dầu mỏ và nhựa than đá.

IV. Tính chất hoá học

1. 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.

a) 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.

b) 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 50oC 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.

2. Phản ứng cộng

a) 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.

b) 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.

3. Phản ứng oxi hoá

a) Phản ứng oxi hoá hoàn toàn (phản ứng cháy)

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

Tổng quát: CnH2n – 6 + 3n-32O2 →to nCO2 + (n – 3)H₂O

b) 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:

C6H5 – CH3 + 2KMnO4 →to C6H5 – COOK + 2MnO2↓ + KOH + H₂O

C6H5COOK + HCl → C6H5COOH + KCl

V. Ứng dụng

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 cuộc sống.

Một số ứng dụng của arene được thể hiện trong sơ đồ sau:

Tuy nhiên, arene là những chất độc nên khi làm việc với arene cần tuân thủ các nguyên tắc an toàn.

VI. Điều chế

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

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

Naphthalein được điều chế chủ yếu từ phương pháp chưng cất nhựa than đá.