Air bromin berwarna oranye adalah uji klasik untuk ikatan rangkap. Digoyangkan dengan alkena, warna oranye langsung hilang. Sekarang goyangkan air bromin yang sama persis…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Narasi bahasa Inggris · Subtitle bahasa Inggris + 中文 disematkan langsung
30.1
Arenes · Arena
Syllabus · Silabus
English
describe the chemistry of arenes as exemplified by the following reactions of benzene and methylbenzene: (a) substitution reactions with $\text{Cl}_2$ and with $\text{Br}_2$ in the presence of a catalyst, $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$, to form halogenoarenes (aryl halides) (b) nitration with a mixture of concentrated $\text{HNO}_3$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ at a temperature between $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ and $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) Friedel–Crafts alkylation by $\text{CH}_3\text{Cl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (d) Friedel–Crafts acylation by $\text{CH}_3\text{COCl}$ and $\text{AlCl}_3$ and heat (e) complete oxidation of the side-chain using hot alkaline $\text{KMnO}_4$ and then dilute acid to give a benzoic acid (f) hydrogenation of the benzene ring using $\text{H}_2$ and $\text{Pt/Ni}$ catalyst and heat to form a cyclohexane ring
describe the mechanism of electrophilic substitution in arenes: (a) as exemplified by the formation of nitrobenzene and bromobenzene (b) with regards to the effect of delocalisation (aromatic stabilisation) of electrons in arenes to explain the predomination of substitution over addition
predict whether halogenation will occur in the side-chain or in the aromatic ring in arenes depending on reaction conditions
describe that in the electrophilic substitution of arenes, different substituents direct to different ring positions (limited to the directing effects of $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ and $-\text{COR}$)
Bahasa Indonesia
deskripsikan kimia senyawa aren seperti yang ditunjukkan oleh reaksi-reaksi berikut benzena dan metilbenzena: (a) reaksi substitusi dengan $\text{Cl}_2$ dan dengan $\text{Br}_2$ dalam kehadiran katalis, $\text{AlCl}_3$ atau $\text{AlBr}_3$, untuk membentuk halogenaren (halida aril) (b) nitrasia dengan campuran pekat $\text{HNO}_3$ dan pekat $\text{H}_2\text{SO}_4$ pada suhu antara $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ dan $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) alkilasi Friedel–Crafts oleh $\text{CH}_3\text{Cl}$ dan $\text{AlCl}_3$ dan panas (d) asilasi Friedel–Crafts oleh $\text{CH}_3\text{COCl}$ dan $\text{AlCl}_3$ dan panas (e) oksidasi lengkap rantai samping menggunakan alkali panas $\text{KMnO}_4$ kemudian asam encer untuk menghasilkan asam benzoat (f) hidrogenasi cincin benzena menggunakan $\text{H}_2$ dan katalis $\text{Pt/Ni}$ dan panas untuk membentuk cincin sikloheksana
deskripsikan mekanisme substitusi elektrofilik dalam aren: (a) seperti yang ditunjukkan oleh pembentukan nitrobenzena dan bromobenzena (b) terkait dengan efek delokalisasi (stabilisasi aromatik) elektron dalam aren untuk menjelaskan dominasi substitusi terhadap penambahan
ramalkan apakah halogenasi akan terjadi pada rantai samping atau pada cincin aromatik dalam senyawa aren tergantung pada kondisi reaksi
deskripsikan bahwa dalam substitusi elektrofilik pada aren, substituen berbeda mengarah ke posisi cincin yang berbeda (terbatas pada efek pengarahan dari $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ dan $-\text{COR}$)
Source: Cambridge International syllabus · Sumber: Silabus Cambridge International
English
Arenes 芳烃 are aromatic hydrocarbons, built on the benzene 苯 ring. The delocalised ring of electrons is stable and electron-rich, so benzene mostly reacts by electrophilic substitution 亲电取代 — keeping the ring — rather than by addition.
Reactions of benzene and methylbenzene
Reaction
Reagents and conditions
Product
halogenation
$\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$, with $\text{AlCl}_3$ or $\text{AlBr}_3$ as a catalyst 催化剂
In the side-chain oxidation, the whole side-chain 侧链 (such as the $\text{–CH}_3$ on methylbenzene) is turned into a $\text{–COOH}$ group, giving benzoic acid. In the hydrogenation, three molecules of $\text{H}_2$ add to the benzene ring 苯环 to make a saturated cyclohexane ring.
The mechanism: electrophilic substitution
Take nitration as the example. The acid mix makes the electrophile $\text{NO}_2^+$. Then:
the delocalised electrons of the ring form a bond to the electrophile, giving an unstable intermediate.
an $\text{H}^+$ is lost from that carbon, which restores the stable ring.
Substitution wins over addition because the delocalisation 离域 (aromatic stabilisation) of the ring is kept. Addition would destroy this stable system, so it is not favoured.
Side-chain or ring?
Where a halogen reacts depends on the conditions:
with a halogen-carrier catalyst (such as $\text{AlCl}_3$) and no UV light → substitution in the ring.
with UV light and no catalyst → free-radical substitution in the side-chain.
Directing effects
A group already on the ring decides where the next group goes — its directing effect 定位效应:
Group already present
Directs the new group to
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$
positions 2 and 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$
position 3
Worked example. Methylbenzene and nitrobenzene are each nitrated. Predict where the new $\text{NO}_2$ group goes, and which compound reacts faster. Look at the group already on the ring. In methylbenzene the $\text{–CH}_3$ is an alkyl group: it directs the new group to positions 2 and 4, and it releases electrons into the ring, making the ring more attractive to an electrophile - so methylbenzene nitrates faster than benzene. In nitrobenzene the $\text{–NO}_2$ directs to position 3, and it withdraws electrons from the ring - so nitrobenzene nitrates more slowly than benzene. The group already present controls both the position and the rate, and the two always travel together: 2,4-directors activate the ring, 3-directors deactivate it.
Bahasa Indonesia
Arena adalah hidrokarbon aromatik, dibangun di atas cincin benzena. Cincin elektron yang terdelokalisasi stabil dan kaya elektron, sehingga benzena sebagian besar bereaksi melalui substitusi elektrofilik — mempertahankan cincin — alih-alih melalui reaksi adisi.
Naftalen, yang digunakan dalam bola kapur, adalah arena sederhana — dua cincin benzena yang menyatu
Reaksi benzena dan metilbenzena
Reaksi
Reagen dan kondisi
Produk
halogenasi
$\text{Cl}_2$ atau $\text{Br}_2$, dengan $\text{AlCl}_3$ atau $\text{AlBr}_3$ sebagai katalis
Friedel-Crafts: alkilasi menambahkan gugus alkil, asilasi menambahkan gugus asilBenzena mempertahankan cincin stabilnya, bereaksi sebagian besar melalui substitusi elektrofilik (dan melalui adisi hanya dengan hidrogen)
Dalam oksidasi rantai samping, seluruh rantai samping (seperti $\text{–CH}_3$ pada metilbenzena) diubah menjadi gugus $\text{–COOH}$, menghasilkan asam benzoat. Dalam hidrogenasi, tiga molekul $\text{H}_2$ beradisi ke cincin benzena untuk membentuk cincin sikloheksana yang jenuh.
Mekanisme: substitusi elektrofilik
Ambil nitrasion sebagai contoh. Campuran asam menghasilkan elektrofil $\text{NO}_2^+$. Kemudian:
elektron terdelokalisasi dari cincin membentuk ikatan dengan elektrofil, memberikan intermediat tidak stabil.
sebuah $\text{H}^+$ hilang dari karbon tersebut, yang memulihkan cincin yang stabil.
Substitusi menang atas adisi karena delokalisasi (stabilisasi aromatik) dari cincin tetap terjaga. Adisi akan menghancurkan sistem stabil ini, sehingga tidak disukai.
Substitusi elektrofilik (nitrasion): cincin menyerang elektrofil NO$_2^+$ untuk menghasilkan intermediat tidak stabil, kemudian melepaskan H$^+$ untuk memulihkan cincin
Rantai samping atau cincin?
Di mana halogen bereaksi bergantung pada kondisinya:
dengan katalis pembawa halogen (seperti $\text{AlCl}_3$) dan tanpa cahaya UV → substitusi di cincin.
dengan cahaya UV dan tanpa katalis → substitusi radikal bebas di rantai samping.
Kondisi yang menentukan: pembawa halogen (AlCl₃) mensubstitusi cincin; cahaya UV mensubstitusi rantai samping
Efek pengarah
Gugus yang sudah ada di cincin menentukan ke mana gugus berikutnya pergi — efek pengarah-nya:
Gugus yang sudah ada di cincin mengarahkan gugus berikutnya: –NH$_2$/–OH/–R mengirimnya ke posisi 2 dan 4; –NO$_2$/–COOH/–COR mengirimnya ke posisi 3
Gugus yang sudah ada
Mengarahkan gugus baru ke
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$
posisi 2 dan 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$
posisi 3
Contoh terpecahkan. Metilbenzena dan nitrobenzena masing-masing dinitrasi. Prediksikan ke mana gugus $\text{NO}_2$ baru pergi, dan senyawa mana yang bereaksi lebih cepat. Lihatlah gugus yang sudah ada di cincin. Dalam metilbenzena $\text{–CH}_3$ adalah gugus alkil: ia mengarahkan gugus baru ke posisi 2 dan 4, dan ia melepaskan elektron ke dalam cincin, membuat cincin lebih menarik bagi elektrofil - sehingga metilbenzena nitrasi lebih cepat daripada benzena. Dalam nitrobenzena $\text{–NO}_2$ mengarah ke posisi 3, dan ia menarik elektron dari cincin - sehingga nitrobenzena nitrasi lebih lambat daripada benzena. Gugus yang sudah hadir mengontrol keduanya posisi dan laju, dan keduanya selalu berjalan bersama: pengarah 2,4 mengaktifkan cincin, pengarah 3 menonaktifkannya.
Explore · Jelajahi
Arene substitution route · Rute substitusi aren
Follow electrophilic substitution on benzene. · Ikuti substitusi elektrofilik pada benzena.
Explore · Jelajahi
Directing effects lab · Lab efek pengarahan
Classify substituents by how they affect the benzene ring. · Klasifikasikan substituen berdasarkan bagaimana mereka mempengaruhi cincin benzena.
Benzene undergoes electrophilic substitution, not addition, because addition would destroy the stable delocalised ring.
Learn nitration (concentrated $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) and halogenation (halogen + $\text{AlCl}_3$) with the electrophile-generating step.
Compare reactivity: benzene resists addition far more than an alkene because of delocalisation.
Bahasa Indonesia
Benzena mengalami substitusi elektrofilik, bukan adisi, karena adisi akan menghancurkan cincin terdelokalisasi yang stabil.
Pelajari nitrasion ($\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$ pekat, $50-60\ ^\circ\text{C}$) dan halogenasi (halogen + $\text{AlCl}_3$) dengan langkah pembentukan elektrofil.
Bandingkan reaktivitas: benzena menolak adisi jauh lebih kuat daripada alkena karena delokalisasi.
Interactive lessons on this topic · Pelajaran interaktif untuk topik ini
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Pilih satu dan situs mengikuti Anda — catatan, kertas, video, dan latihan semua terbuka di sana.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Ketik untuk mencari catatan, pelajaran, kode, kosakata, dan pertanyaan soal lama di setiap mata pelajaran.
