- 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 $-\text{COR}$)
Hydrocarbons
A-Level Chemistry · A-Level 화학 · Topic 30 · 주제 30
7:42
탄화수소 (A2): 아렌
오렌지 브롬수는 이중 결합의 전형적인 테스트입니다. 알켄과 섞으면 오렌지색이 즉시 사라집니다. 이제 정확히 같은 브롬수를 흔들어보세요…”
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30.1
Arenes · 방향족 화합물(Arenes)
Syllabus
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
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 | a halogenoarene 卤代芳烃 (aryl halide) |
| nitration 硝化 | concentrated $\text{HNO}_3$ + concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$ | nitrobenzene |
| Friedel–Crafts alkylation 傅克烷基化 | $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat | methylbenzene (adds an alkyl group) |
| Friedel–Crafts acylation 傅克酰基化 | $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, heat | a phenyl ketone (adds an acyl group) |
| side-chain oxidation | hot alkaline $\text{KMnO}_4$, then dilute acid | benzoic acid 苯甲酸 |
| hydrogenation 氢化 | $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, heat | cyclohexane |
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.
한국어
방향족 화합물(Arenes) 은 벤젠 고리를 기반으로 constructed芳香族烃类。电子离域环是稳定且富电子的，因此苯主要通过亲电取代反应（保留环结构）进行反应，而不是通过加成反应。
벤젠 및 메틸벤젠의 반응
| 반응 | 시약 및 조건 | 생성물 |
|---|---|---|
| 할로겐화 | $\text{Cl}_2$ 또는 $\text{Br}_2$, 촉매로 $\text{AlCl}_3$ 또는 $\text{AlBr}_3$ 사용 | 할로겐아렌(아릴 할라이드) |
| 니트로화 | 농축 $\text{HNO}_3$ + 농축 $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$ | 니트로벤젠 |
| 프リード-캠프 알킬화 | $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, 가열 | 메틸벤젠(알킬기 추가) |
| 프リード-캠프 아실화 | $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, 가열 | 페닐 케톤(아실기 추가) |
| 측쇄 산화 | 뜨거운 염기성 $\text{KMnO}_4$, 이후 희석산 | 벤조산 |
| 수소화 | $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ 촉매, 가열 | 시클로헥سان |
측쇄 산화에서 측쇄(메틸벤젠의 $\text{–CH}_3$ 등) 전체가 $\text{–COOH}$ 기로 변해 벤조산을 만듭니다. 수소화에서는 세 분자의 $\text{H}_2$이 벤젠 고리에 붙어 포화 시클로헥SAN 고리가 됩니다.
반응 기전: 전자가심유입 치환반응
니트로화를 예로 들겠습니다. 산 혼합물은 전자가심유입체 $\text{NO}_2^+$를 만듭니다. 그러면:
- 고리의 비국지화 전자가 전자가심유입체와 결합하여 불안정 중간체를 만듭니다.
- 해당 탄소에서 $\text{H}^+$가 빠지며, 이는 안정한 고리를 복원합니다.
고리의 비국지화(-aromatic 안정화)가 유지되므로 치환반응이 첨가반응보다 유리합니다. 첨가반응은 이 안정된 체계를 파괴하므로 선호되지 않습니다.
측쇄인지 고리인지?
할로겐이 반응하는 위치는 조건에 따라 다릅니다:
- 할로겐 운반 촉매(예: $\text{AlCl}_3$)가 있고 **자외선(UV)**이 없는 경우 → 고리에서의 치환반응.
- 자외선이 있고 촉매가 없는 경우 → 측쇄에서의 자유 라디칼 치환반응.
지향 효과
고리에 이미 있는 그룹이 다음 그룹이 들어갈 위치를 결정함—지향 효과:
| 기존에 존재하는 그룹 | 새로운 그룹을 다음 위치로 지향함 |
|---|---|
| $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ | 위치 2 및 4 |
| $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ | 위치 3 |
작업 예제. 메틸벤젠과 니트로벤젠을 각각 니트레이션합니다. 새로운 $\text{NO}_2$ 그룹이 어디로 갈지, 그리고 어떤 화합물이 더 빠르게 반응하는지 예측해 보십시오. 고리에 이미 붙어 있는 그룹을 보십시오. 메틸벤젠에서 $\text{–CH}_3$은 알킬 그룹입니다: 이 그룹은 새로운 그룹이 2과 4 위치로 유도하고, 전자를 고리로 방출하여 고리가 전자吸引체에 더 매력적이게 만듭니다 - 따라서 메틸벤젠의 니트레이션은 벤젠보다 빠릅니다. 니트로벤젠에서 $\text{–NO}_2$은 3 위치로 유도하고, 고리로부터 전자를 탈취합니다 - 따라서 니트로벤젠의 니트레이션은 벤젠보다 느립니다. 이미 존재하는 그룹은 위치와 속도 모두를 통제하며, 두 가지는 항상 함께 움직입니다: 2,4-유도기는 고리를 활성화시키고, 3-유도기는 고리를 비활성화시킵니다.
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Arene substitution route · 아렌 치환 경로
Follow electrophilic substitution on benzene. · 벤젠의 전자 친화적 치환을 따르시오.
Explore · 탐색하기
Directing effects lab · 지향 효과 실험
Classify substituents by how they affect the benzene ring. · 벤젠 고리에 미치는 영향에 따라 치환기를 분류하시오.
Vocabulary · 어휘
Train · 연습하기
| English | 한국어 |
|---|---|
| arene/ˈæren/ | 아레인 |
| benzene/ˈbenziːn/ | 벤젠 |
| electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | 전자친화적 치환 반응 |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | 촉매 |
| halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ | 할로겐 아릴 화합물 |
| nitration/naɪˈtreɪʃn/ | 니트로화 |
| Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ | 프リード렐-크래프트 알킬화 반응 |
| Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ | 프리델-크래프트 아실화 |
| benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ | 벤조산 |
| hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ | 수소화 |
| side-chain/saɪd tʃeɪn/ | 측정 사슬 |
| benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ | 벤젠 고리 |
| delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ | 비국소화 |
| directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ | 지向导 효과 (배향 효과) |
30.1
Exam tips · 시험 팁
English
- 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.
한국어
- 벤젠은 전자심유입 치환반응을 거치며, 안정한 비국지화 고리가 파괴되기 때문에 첨가반응은 거치지 않습니다.
- 니트로화(농축 $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$)와 할로겐화(할로겐 + $\text{AlCl}_3$)를 전자가심유입체 생성 단계와 함께 학습하십시오.
- 반응성 비교: 비국지화로 인해 벤젠은 알켄보다 첨가반응을 훨씬 더 저항합니다.
Interactive lessons on this topic · 이 주제에 대한 인터랙티브 수업
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