Hóa 11 chương trình mới: Arene (Hydrocarbon thơm)

1. Khái niệm về Arene 

1.1 Đặc điểm liên kết và hình dạng phân tử benzene 

Arene hay còn được biết với cái tên là hydrocarbon thơm là những hydrocarbon mà trong phân tử của chúng có chứa một hoặc nhiều vòng benzene.

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

Benzene cùng các đồng đẳng của nó như toluene (C₇H₈), xylene (C₈H₁₀),... hợp lại thành một dãy đồng đẳng của benzene với công thức chung là C_nH_2n-6 (với n ≥ 6).

Ngoài dãy đồng đẳng của benzene, còn có những hydrocarbon thơm khác mà mạch nhánh của chúng có chứa liên kết bội (như styrene) hay những hydrocarbon thơm được cấu tạo từ hai hoặc nhiều vòng benzene ghép lại với nhau (như naphthalene)

Phân tử benzene bao gồm 6 nguyên tử carbon liên kết với nhau thành một vòng kín, tạo nên một hình lục giác đều, tất cả các nguyên tử carbon và nguyên tử hydro đều thuộc cùng một mặt phẳng, các góc liên kết của nó đều bằng 1200, độ dài của liên kết carbon – carbon đều là 139 pm.

Để đơn giản hoá, benzene thường được biểu diễn dưới những kiểu công thức như sau:

1.2 Công thức và tên gọi một số Arene

Tên gốc aryl
	Phenyl
	Benzyl

Ở một số arene, gốc aryl thường gặp có công thức cấu tạo cùng tên gọi như sau: 

Công thức cấu tạo	Tên hợp chất
	benzene
	methylbenzene (toluene)
	vinylbenzene (styrene)
	naphthalene
	1,2-dimethylbenzene (o-xylene)
	1,3-dimethylbenzene (m-xylene)
	1,4-dimethylbenzene (p-xylene)

Trong đó o-, m-, p- là những chữ viết tắt của những từ tương ứng ortho-, meta-, para- chỉ những vị trí thứ 2, 3, 4 của nhóm thế thứ hai.

2. Tính chất vật lý của Arene 

Hydrocarbon ở trong dãy đồng đẳng của benzene là những chất lỏng hoặc chất rắn khi ở điều kiện thường. Benzene, toluene, styrene và xylene khi ở điều kiện thường là những chất lỏng không màu và trong suốt.

Naphthalene lại là chất rắn có màu trắng.Các hợp chất này thường rất dễ cháy và có mùi vô cùng đặc trưng (có khả năng phát hiện được ở nồng độ thấp). Chúng nhẹ hơn nước và không phân cực hoặc kém phân cực nên kém tan trong nước, tan được trong những dung môi hữu cơ. Bởi vậy, chúng thường được sử dụng làm dung môi nhằm hoà tan các hợp chất hữu cơ.

Mặc dù có độ tan trong nước không lớn nhưng độ tan trong nước của các hydrocarbon thơm thường lớn hơn các hydrocarbon khác.

Tính chất vật lí của một số hydrocarbon thơm đầu tiên trong dãy đồng đẳng của benzene được dẫn ra ở bảng 

Benzene, toluene và xylene (được gọi chung là BTX) xuất hiện trong dầu mỏ chỉ với hàm lượng thấp. Khi chưng cất dầu thô thì thường thu được phân đoạn có chứa những arene này. Naphthalene cùng với những arene đa vòng khác cũng có mặt trong dầu mỏ và nhựa than đá. 

Các hydrocarbon thơm có tác động tới sức khoẻ của con người chủ yếu thông qua hít thở không khí bị ô nhiễm, đặc biệt tại những khu vực có sự xuất hiện của nhiều xe cơ giới hoặc khu vực có các trạm xăng dầu và những nơi có khói thuốc lá.

Đăng ký khóa học DUO để được các thầy cô giải đáp các câu hỏi liên quan đến kiến thức hóa học 11 bạn nhé! 

3. Tính chất hóa học của Arene 

Các hydrocarbon có mặt trong dãy đồng đẳng của benzene thể hiện được tính chất hoá học của vòng thơm cùng với tính chất của mạch nhánh alkyl.

Vòng benzene có tính chất hoá học rất khác khi so với các hydrocarbon không no khác bao gồm allkene và alkyne. Vòng benzene rất khó tham gia phản ứng cộng, chúng bền với những tác nhân oxi hoá và có phản ứng tiêu biểu chính là phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene.   

3.1 Phản ứng thế 

Arene có khả năng tham gia vào phản ứng thế nguyên tử hydrogen trên vòng benzene bao gồm phản ứng halogen hoá, phản ứng nitro hoá,...

Quy tắc thế: Khi benzene có nhóm thế là alkyl (–CH₃, –C₂H₅,...), những phản ứng thế nguyên tử hydrogen trên vòng benzene diễn ra một cách dễ dàng hơn so với benzene và ưu tiên việc thế vào các vị trí số 2 hoặc số 4 (đó là vị trí ortho hoặc para) khi so với nhóm alkyl.

a. Phản ứng halogen hoá 

Các arene có khả năng tham gia vào phản ứng thế nguyên tử hydrogen gắn với vòng thơm bởi các halogen (như chlorine, bromine) trong điều kiện nhiệt độ cao và có xúc tác của muối iron(lll) halide (FeCl3 hoặc FeBr3). Benzene phản ứng với chlorine và bromine để hình thành nên halobenzene và hydrogen halide tương ứng.

Ví dụ:

Những alkylbenzene dễ dàng phản ứng với các halogen hơn là với benzene và tạo ra sản phẩm thế chủ yếu vào vị trí ortho hoặc para khi so với nhóm alkyl.

b. Phản ứng nitro hoá 

Phản ứng nitro hoá là phản ứng mà trong đó có một hoặc nhiều nguyên tử hydrogen trên vòng benzene được thay thế bởi nhóm nitro (–NO₂).

Benzene được nitro hoá bởi hỗn hợp HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc trong điều kiện nhiệt độ không quá 50^oC hình thành nên nitrobenzene ở dạng lỏng, có màu vàng nhạt, sánh như dầu:

Toluene được nitro hoá tạo ra hỗn hợp bao gồm hai sản phẩm chính đó là ortho và para-nitrotoluene.

3.2 Phản ứng cộng 

Phản ứng công vào vòng benzene diễn ra ở những điều kiện vô cùng khắc nghiệt như nhiệt độ cao, chiếu tia tử ngoại, áp suất cao.

a. Phản ứng cộng chlorine 

Phản ứng cộng chlorine vào benzene ở điều kiện có ánh sáng tử ngoại và phải đun nóng, sản phẩm tạo ra là 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane.

b. Phản ứng cộng hydrogen

Phản ứng cộng hydrogen vào vòng benzene sẽ tạo ra cyclohexane. Phản ứng này diễn ra ở điều kiện cả áp suất và nhiệt độ đều cao, với sự có mặt của những chất xúc tác dị thể như là plantinum hoặc nickel.

Phản ứng này được dùng trong công nghiệp nhằm sản xuất ra cyclohexane 

Cán đích điểm 9+ hóa học với bộ sách độc quyền từ vuihoc.vn 

3.3 Phản ứng oxi hóa 

a. Phản ứng oxi hoá hoàn toàn (hay còn gọi là phản ứng cháy)

Các arene bao gồm benzene, toluene và xylene rất dễ cháy và toả ra nhiều nhiệt.

C₆H₅CH₃ + 9O₂  7CO₂ + 4H₂O

b. Phản ứng oxi hoá nhóm alkyl

Mạch nhánh alkyl ở còng benzene mang nhiều tính chất giống như hydrocarbon mạch hở. Tuy nhiên, vì ảnh hưởng của vòng benzene, khi tương tác với chất oxu hoá mạnh, mạch nhánh alkyl thường sẽ bị gãy tại nguyên tử carbon mà liên kết trực tiếp với vòng thơm. Toluene và những alkylbenzene khác đều có thể bị oxi hoá bằng những tác nhân oxi hoá như là dung dịch KMnO4.

Ví dụ:

Trong môi trường acid, phản ứng sẽ diễn ra dễ dàng hơn và tạo ra sản phẩm benzoic acid.

5C₆H₅CH₃ + 6KMnO₄ + 9H₂SO₄  5C₆H₅COOH + 3K₂SO₄ + 6MnSO₄ + 14H₂O

3.4 Phản ứng cháy 

Phản ứng oxi hoá hoàn toàn hydrocarbon thơm (được gọi là phản ứng cháy) toả ra rất nhiều nhiệt 

C₆H₆ + O₂  6CO₂ + 3H₂O

Benzene

4. Ứng dụng và điều chế arene trong công nghiệp 

 4.1 Ứng dụng 

 Hydrocarbon thơm có trong thành phần của xăng, dầu (trong xăng có khoảng 5% toluene và khoảng 1% – 6%  xylene). Mặc dù có chỉ số octane cao, nhiều arene lại là tác nhân gây đột biến tế bào (dẫn đến bệnh ung thư) nên hiện nay người ta có xu hướng hạn chế sự có mặt của chúng trong thành phần của nhiên liệu. Hydrocarbon thơm thường được dùng làm dung môi để sản xuất sơn, cao su, các loại polymer, mực in, mỹ phẩm, dược phẩm,...

Benzene là nguyên liệu hết sức quan trọng để sản xuất được các alkylbenzene sulfonate mạch không phân nhánh (hay còn gọi là linear alkylbenzenesulfonate, LAS) là thành phần chính của bột giặt, sản xuất styrene – nguyên liệu cho chế tạo nhựa PS (polystyrene) và một số polymer khác. Benzene và một số hydrocarbon thơm khác là nguyên liệu đầu dùng để sản xuất thuốc trừ sâu, chất điều hoà sinh trưởng thực vật, phẩm nhuộm,...

Lưu ý cách ứng xử phù hợp với việc sử dụng arene:

Arene (chủ yếu bao gồm những hợp chất benzene, toluene và xylene) là nguồn nguyên liệu nhằm tổng hợp nhiều loại hoá chất cùng những vật liệu hữu cơ quan trọng khác nhau, có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.

Tuy nhiên, arene lại là những chất độc nên khi làm việc cùng arene cần phải tuân thủ theo đúng các quy tắc an toàn. Benzene là chất làm tăng nguy cơ gây nên các bệnh về ung thư cũng như các bệnh khác, vì thế không được tiếp xúc trực tiếp với những hoá chất có chứa benzene.

Đặc biệt, những loại thuốc bảo vệ thực vật (thuốc trừ sâu hoặc diệt cỏ) thế hệ cũ là dẫn cuất của benzene đều có tác hại tới sức khỏe của con người và còn làm gây ô nhiễm môi trường, do đó cần hết sức cẩn thận khi sử dụng. Không được sử dụng những chất đã bị cấm như là DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane) hay 666 (1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane), thay vào đó là các thuốc thế hệ mới vừa có hiệu quả lại vừa an toàn.

Ngày nay, những nhà khoa học cũng đang nghiên cứu và đưa ra công nghệ tổng hợp hữu cơ an toàn và thân thiện với môi trường, hơn nữa còn hướng tới những nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ thiên nhiên  

4.2 Điều chế

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

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

Chủ yếu Naphthalene được điều chế bởi phương pháp chưng cất nhựa than đá.

Arene (Hydrocarbon thơm) là một hợp chất đáng chú ý không chỉ có trong các dạng lý thuyết và bài tập của chương trình THPT mà cần phải nắm được kiến thức để phòng ngừa những tác hại có thể có bên cạnh những ứng dụng của chúng.

Bởi vậy, cùng tham khảo bài viết tổng hợp về lý thuyết của arene (hydrocarbon thơm) trong chương trình hóa học 11 mới của VUIHOC và chia sẻ bài viết tới mọi người xung quanh để cùng nhau tiến bộ. Ngoài ra, để học thêm những kiến thức bổ ích trong môn Hoá học nói riêng và các môn học khác nói chung, hãy nhanh tay truy cập tới địa chỉ website vuihoc.vn và đăng ký những khoá học để cùng đồng hành với các thầy cô VUIHOC ngay nhé!

>> Mời bạn tham khảo thêm: 

• Hydrocarbon không no
• Alkane
• Cấu tạo hoá học hợp chất hữu cơ