Skip to content · ⁨ข้ามไปยังเนื้อหา⁩

Hydrocarbons · ⁨ไฮโดรคาร์บอน⁩

A-Level Chemistry · ⁨Chemistry A-Level⁩ · Topic 30 · ⁨หัวข้อ 30⁩

Video lesson for this topic · ⁨บทเรียนวิดีโอสำหรับหัวข้อนี้⁩ Open the video page · ⁨เปิดหน้าวิดีโอ⁩
7:42

ไฮโดรคาร์บอน (A2): อะรีน

น้ำบโรมีนสีส้มคือทดสอบคลาสสิกสำหรับพันธะคู่ เขย่า它与烯烃,橙色立即消失。现在摇动同样的溴...

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨การบรรยายภาษาอังกฤษ · คำบรรยายภาษาอังกฤษ + 中文 ลอยตัวบนภาพ⁩

30.1

Arenes

Syllabus · ⁨หลักสูตร⁩
English
  1. 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
  2. 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
  3. predict whether halogenation will occur in the side-chain or in the aromatic ring in arenes depending on reaction conditions
  4. 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 $-\text{COR}$)
ไทย
  1. อธิบายเคมีของ อารีน โดยอ้างอิงจากปฏิกิริยาต่อไปนี้ของเบนซีนและเมทิลเบนซีน: (ก) ปฏิกิริยาแทนที่กับ $\text{Cl}_2$ และกับ $\text{Br}_2$ ใน وجودตัวเร่งปฏิกิริยา $\text{AlCl}_3$ หรือ $\text{AlBr}_3$ เพื่อสร้างshalogenoarenes (aryl halides) (ข) ไนเตรชัน ด้วยส่วนผสมของ $\text{HNO}_3$ เข้มข้นและ $\text{H}_2\text{SO}_4$ เข้มข้น ที่อุณหภูมิระหว่าง $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ ถึง $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (ค) Friedel–Crafts alkylation โดย $\text{CH}_3\text{Cl}$ และ $\text{AlCl}_3$ และความร้อน (ง) Friedel–Crafts acylation โดย $\text{CH}_3\text{COCl}$ และ $\text{AlCl}_3$ และความร้อน (จ) การออกซิเดชันสมบูรณ์ของสายข้างโดยใช้ $\text{KMnO}_4$碱性ร้อน ตามด้วยกรดเจือจางเพื่อให้เกิด benzoic acid (ฉ) ไฮโดรเจนेशनของวงแหวนเบนซีนโดยใช้ $\text{H}_2$ และตัวเร่งปฏิกิริยา $\text{Pt/Ni}$ และความร้อนเพื่อสร้างวงแหวนไซโคลเฮกเซน
  2. อธิบายกลไกของ electrophilic substitution ในอารีน: (ก) โดยอ้างอิงจากการเกิด nitrobenzene และ bromobenzene (ข) เกี่ยวกับผลของการกระจายตัวของอิเล็กตรอน (aromatic stabilisation) ในอารีนเพื่ออธิบายความเด่นชัดของการแทนที่เหนือการเพิ่ม
  3. ทำนายว่าการ_halogenation จะเกิดขึ้นในสายข้างหรือในวงแหวนอะโรมาติกในอารีนขึ้นอยู่กับเงื่อนไขปฏิกิริยา
  4. อธิบายว่าในการ electrophilic substitution ของอารีน ตัวแทนต่างๆ ชี้ไปยังตำแหน่งวงแหวนที่แตกต่างกัน (จำกัดอยู่เฉพาะผลชี้ทิศทางของ $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ และ $-\text{COR}$)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨แหล่งที่มา: หลักสูตร 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 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:

  1. the delocalised electrons of the ring form a bond to the electrophile, giving an unstable intermediate.
  2. 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.

ไทย

Arenes เป็น hydrocarbons อะโรมาติก ซึ่งสร้างจาก benzene ring วงแหวนของอิเล็กตรอนแบบ delocalised มีความเสถียรและมี electron-rich ดังนั้นเบนซีนส่วนใหญ่จึงทำปฏิกิริยาโดย electrophilic substitution — รักษาวงแหวนไว้ — มากกว่าโดยการบวก

กองลูกบอลแมลงวันสีขาว
Naphthalene, ใช้ในลูกบอลป้องกันแมลง, เป็น arene อย่างง่าย — วงแหวนเบนซีนสองวงเชื่อมต่อกัน

ปฏิกิริยาของเบนซีนและเมทิลเบนซีน

ปฏิกิริยา สารตั้งต้นและเงื่อนไข ผลิตภัณฑ์
การ_halogenation $\text{Cl}_2$ หรือ $\text{Br}_2$, พร้อม $\text{AlCl}_3$ หรือ $\text{AlBr}_3$ เป็น catalyst halogenoarene (aryl halide)
การไนเตรต $\text{HNO}_3$เข้มข้น + $\text{H}_2\text{SO}_4$เข้มข้น, $25$–$60\,°\text{C}$ ไนโตรเบนซีน
Friedel–Crafts alkylation $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, ความร้อน เมทิลเบนซีน (เพิ่มหมู่แอลคิล)
Friedel–Crafts acylation $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, ความร้อน ฟีนิลคีโตน (เพิ่มหมู่แอซิล)
การออกซิเดชันของโซ่ข้าง $\text{KMnO}_4$อัลคาไลน์ร้อน, แล้วตามด้วยกรดเจือจาง กรดเบนซอริก
hydrogenation $\text{H}_2$, $\text{Pt/Ni}$ catalyst, ความร้อน (datocyclohexane)
Friedel-Crafts alkylation เพิ่มหมู่แอลคิล; acylation เพิ่มหมู่แอซิล
Friedel-Crafts: alkylation เพิ่มหมู่ alkyl, acylation เพิ่มหมู่ acyl
เบนซีนอยู่ตรงกลางพร้อมลูกศรไปยังคลอโรเบนซีน, ไนโตรเบนซีน, เมทิลเบนซีน, ฟีนิลคีโตน และไซโคลเฮกซาน โดยแต่ละชนิดมีป้ายระบุสารตั้งต้น
เบนซีนรักษารingkวงที่เสถียรไว้由其 reacts主要是通过electrophilic substitution (และ通过additionเฉพาะกับไฮโดรเจน)

ในการออกซิเดชันของโซ่ข้าง, โซ่ข้าง ทั้งหมด (เช่น $\text{–CH}_3$ ในเมทิลเบนซีน) ถูกเปลี่ยนเป็นกลุ่ม $\text{–COOH}$ ให้เกิดกรดเบนซอริก ในการไฮโดรเจนเนชัน, โมเลกุลของ $\text{H}_2$ จำนวนสามโมเลกุลเพิ่มเข้าไปใน วงแหวนเบนซีน เพื่อสร้างวงแหวนไซโคลเฮกซานที่อิ่มตัว

กลไก: การแทนที่แบบอิเล็กโทรฟิลิก

ให้ใช้การไนเตรตเป็นตัวอย่าง สารผสมกรดจะสร้างelectrophile $\text{NO}_2^+$ จากนั้น:

  1. อิเล็กตรอนที่กระจายตัวของวงแหวนจะสร้างพันธะกับelectrophile ทำให้เกิด intermediate ที่ไม่เสถียร
  2. an $\text{H}^+$ ถูกสูญเสียออกจากคาร์บอนนั้น ซึ่งคืนความเสถียรให้กับวงแหวน

การแทนที่ชนะการเติมเพราะ delocalisation (aromatic stabilisation) ของวงแหวนถูกรักษาไว้ การเติมจะทำให้ระบบที่เสถียรนี้เสียหาย ดังนั้นจึงไม่เอื้ออำนวย

กลไกการไนเตรต: วงแหวนโจมตีNO2+ ด้วยลูกศรโค้งเพื่อให้เกิด intermediate บวกซึ่งสูญเสียH+ เพื่อคืนสภาพวงแหวนเป็นไนโตรเบนซีน
การแทนที่แบบอิเล็กโทรฟิลิก (การไนเตรต): วงแหวนโจมตีelectrophile NO$_2^+$ เพื่อให้เกิด intermediate ที่ไม่เสถียร แล้วสูญเสียH$^+$ เพื่อคืนสภาพวงแหวน

โซ่ข้างหรือวงแหวน?

ตำแหน่งที่ฮาโลเจนทำปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับสภาวะ:

  • กับตัวเร่งปฏิกิริยาฮาโลเจน-carrier (เช่น $\text{AlCl}_3$) และ ไม่มี แสง UV → การแทนที่ใน วงแหวน
  • กับแสง UV และ ไม่มี ตัวเร่งปฏิกิริยา → การแทนที่แบบ free-radical ใน โซ่ข้าง

เมทิลเบนซีนที่มีคลอรีนแยกสองทาง: กับAlCl3และไม่มีUV คลอรีนจะแทนที่วงแหวน, กับUVและไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาจะแทนที่หมู่เมทิลของโซ่ข้าง *สภาวะกำหนด: ฮาโลเจน-carrier (AlCl₃) แทนที่วงแหวน; แสง UV แทนที่โซ่ข้าง

ผลกระทบของการชี้ทิศทาง

หมู่ที่อยู่บนวงแหวนอยู่แล้วจะตัดสินใจว่าหมู่ถัดไปจะไปอยู่ที่ไหน — ผลกระทบของการชี้ทิศทาง ของมัน:

วงแหวนเบนซีนสองวงที่มีเลขกำกับ: วงหนึ่งเน้นตำแหน่ง 2 และ 4 สำหรับหมู่ amino, hydroxyl และ alkyl, อีกวงเน้นตำแหน่ง 3 สำหรับหมู่ nitro, carboxyl และ acyl *หมู่ที่อยู่บนวงแหวนแล้วจะชี้ทิศหมู่ถัดไป: –NH$_2$/–OH/–R ชี้ไปที่ตำแหน่ง 2 และ 4; –NO$_2$/–COOH/–COR ชี้ไปที่ตำแหน่ง 3

กลุ่มที่มีอยู่แล้ว กำหนดให้กลุ่มใหม่อยู่ที่
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ ตำแหน่ง 2 และ 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ ตำแหน่ง 3

ตัวอย่างฝึกหัด. เมทิลเบนซีนและไนโตรเบนซีนแต่ละชนิดผ่านการไนเตรต พยากรณ์ว่าหมู่ $\text{NO}_2$ ใหม่จะไปอยู่ที่ไหน และสารใดทำปฏิกิริยาเร็วกว่าดูที่หมู่ ที่มีอยู่ในวงแหวนแล้ว ในเมทิลเบนซีน $\text{–CH}_3$ เป็นหมู่แอลคิล: มันชี้ทิศหมู่ใหม่ไปที่ตำแหน่ง 2 และ 4, และมัน ปล่อย อิเล็กตรอนเข้าสู่วงแหวน ทำให้วงแหวนดึงดูดelectrophile ได้มากขึ้น - ดังนั้นเมทิลเบนซีนจึงไนเตรตได้ เร็วกว่า เบนซีน ในไนโตรเบนซีน $\text{–NO}_2$ ชี้ทิศไปที่ตำแหน่ง 3, และมัน ดึง อิเล็กตรอนออกจากวงแหวน - ดังนั้นไนโตรเบนซีนจึงไนเตรตได้ ช้ากว่า เบนซีน หมู่ที่มีอยู่ก่อนควบคุม ทั้ง ตำแหน่ง และ อัตรา และทั้งสองสิ่งนี้มักเดินทางไปด้วยกัน: ผู้ชี้ทิศ 2,4 จะกระตุ้นวงแหวน, ผู้ชี้ทิศ 3 จะยับยั้งวงแหวน

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Arene substitution route · ⁨เส้นทางแทนที่อารีน⁩

Follow electrophilic substitution on benzene. · ⁨ติดตามการแทนที่ด้วยอิเล็กโทรฟิลบนเบนซีน⁩

Explore · ⁨สำรวจ⁩

Directing effects lab · ⁨ห้องปฏิบัติการผลของการกำหนดทิศทาง⁩

Classify substituents by how they affect the benzene ring. · ⁨จำแนกหมู่แทนที่โดยวิธีที่มันส่งผลต่อวงแหวนเบนซีน⁩

Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
arene/ˈæren/ อารีน
benzene/ˈbenziːn/ benzene
electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ การแทนที่แบบอิเล็กโทรฟิลิก
catalyst/ˈkætəlɪst/ ตัวเร่งปฏิกิริยา
halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ ฮาโลเจนอารีน
Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ การอัลكيلฟริเดล–คราฟต์
Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ Friedel–Crafts acylation
benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ benzoic acid
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ hydrogenation
side-chain/saɪd tʃeɪn/ ข้างโซ่
benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ วงแหวนเบนซีน
delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ การดีโลคาไลซ์
directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ ผลของทิศทาง
30.1

Exam tips · ⁨ข้อแนะนำสำหรับการสอบ⁩

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.
ไทย
  • เบนซีนทำ การแทนที่แบบอิเล็กโทรฟิลิก ไม่ใช่การเติม เพราะการเติมจะทำให้วงแหวน delocalised ที่เสถียรเสียหาย
  • เรียนรู้ nitration (conc $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) และ halogenation (halogen + $\text{AlCl}_3$)连同Generating electrophile step.
  • เปรียบเทียบความไวต่อปฏิกิริยา: เบนซีนต้านทานการเติมมากกว่าอัลkeenมากเนื่องจากdelocalisation
Vocabulary · ⁨คำศัพท์⁩ Train · ⁨ฝึกฝน⁩
English ไทย
nitration/naɪˈtreɪʃn/ nitration

Interactive lessons on this topic · ⁨บทเรียนเชิงโต้ตอบสำหรับหัวข้อนี้⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ทำทีละขั้นตอน พร้อมแบบฝึกหัดตรวจสอบผลทันที⁩

Past Papers · ⁨ข้อสอบย้อนหลัง⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Chemistry A-Level⁩ · ⁨หัวข้อเพิ่มเติมใน A-Level Chemistry · ⁨Chemistry A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨เข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชี⁩

IGCSE, A-Level & AP