Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Hydrocarbons · ⁨Hydrocarbon⁩

A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · Topic 30 · ⁨Chủ đề 30⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
7:42

Hydrocarbon (A2): Arene

Nước brom màu cam là bài kiểm tra điển hình cho liên kết đôi. Lắc nó với anken, màu cam biến mất ngay lập tức. Bây giờ lắc chính nước brom đó…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

30.1

Arenes · ⁨Aren⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
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 $-\text{COR}$)
Tiếng Việt
  1. mô tả hóa học của arenes được minh họa qua các phản ứng sau của benzene và methylbenzene: (a) phản ứng thế với $\text{Cl}_2$ và với $\text{Br}_2$ trong sự hiện diện của xúc tác, $\text{AlCl}_3$ hoặc $\text{AlBr}_3$, để tạo ra halogenoarene (halide aryl) (b) nitrat hóa với hỗn hợp $\text{HNO}_3$ đặc và $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc ở nhiệt độ giữa $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ và $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) alkyl hóa Friedel–Crafts bởi $\text{CH}_3\text{Cl}$ và $\text{AlCl}_3$ cùng nhiệt (d) acyl hóa Friedel–Crafts bởi $\text{CH}_3\text{COCl}$ và $\text{AlCl}_3$ cùng nhiệt (e) oxy hóa hoàn toàn nhánh bên bằng $\text{KMnO}_4$ kiềm nóng sau đó là axit loãng để tạo ra axit benzoic (f) hiđro hóa vòng benzene bằng $\text{H}_2$ và xúc tác $\text{Pt/Ni}$ cùng nhiệt để tạo ra vòng cyclohexane
  2. mô tả cơ chế thế electrophilic trong arenes: (a) được minh họa bởi sự hình thành nitrobenzene và bromobenzene (b) liên quan đến ảnh hưởng của sự phân bố (stabilisation thơm) của electron trong arenes để giải thích sự chi phối của phản ứng thế so với phản ứng cộng
  3. dự đoán liệu halogen hóa sẽ xảy ra ở nhánh phụ hay ở vòng thơm trong arenes tùy thuộc vào điều kiện phản ứng
  4. mô tả rằng trong phản ứng thế electrophilic của arenes, các nhóm thế khác nhau sẽ định hướng đến các vị trí vòng khác nhau (giới hạn ở các hiệu ứng định hướng của $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ và $-\text{COR}$)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình 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.

Tiếng Việt

Aren là hydrocarbon thơm, được xây dựng trên vòng benzen. Vòng electron phân tán rất bền và giàu electron, nên benzen hầu như chủ yếu phản ứng bằng thay thế điện tử — giữ nguyên vòng — thay vì phản ứng cộng.

Một đống viên thuốc chống sâu bọ màu trắng
Naphthalene, được dùng trong viên chống mọt, là một aren đơn giản — hai vòng benzen nối liền nhau

Phản ứng của benzen và metilbenzen

Phản ứng Thuốc thử và điều kiện Sản phẩm
halogen hóa $\text{Cl}_2$ hoặc $\text{Br}_2$, với $\text{AlCl}_3$ hoặc $\text{AlBr}_3$ làm chất xúc tác một halogenoarene (aryl halide)
nitrat hóa $\text{HNO}_3$ đặc + $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, $25$–$60\,°\text{C}$ nitrobenzene
Friedel–Crafts alkylation $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, nhiệt methylbenzene (thêm nhóm alkyl)
Friedel–Crafts acylation $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, nhiệt một phenyl ketone (thêm nhóm acyl)
oxy hóa nhánh dung dịch kiềm $\text{KMnO}_4$ nóng, sau đó axit loãng axit benzoic
hydro hóa $\text{H}_2$, chất xúc tác $\text{Pt/Ni}$, nhiệt cyclohexane
Friedel-Crafts alkylation thêm nhóm alkyl; acylation thêm nhóm acyl
Friedel-Crafts: alkylation thêm nhóm alkyl, acylation thêm nhóm acyl
Benzene ở trung tâm với các mũi tên đến chlorobenzene, nitrobenzene, methylbenzene, một phenyl ketone và cyclohexane, mỗi chất được ghi chú bằng thuốc thử của nó
Benzene giữ vòng ổn định của nó, phản ứng chủ yếu qua thế electrophil (và chỉ cộng hợp với hydro)

Trong quá trình oxy hóa nhánh, toàn bộ nhánh (như $\text{–CH}_3$ trên methylbenzene) được biến đổi thành nhóm $\text{–COOH}$, tạo ra axit benzoic. Trong quá trình hydro hóa, ba phân tử $\text{H}_2$ cộng hợp vào vòng benzene để tạo nên vòng cyclohexane bão hòa.

Cơ chế: thế electrophil

Lấy nitrat hóa làm ví dụ. Hỗn hợp axit tạo ra electrophile là $\text{NO}_2^+$. Sau đó:

  1. các electron liên kết trong vòng hình thành liên kết với electrophile, tạo ra chất trung gian không ổn định.
  2. một $\text{H}^+$ bị loại bỏ khỏi carbon đó, khôi phục lại vòng ổn định.

Thế thắng cộng hợp vì sự liên hợp (ổn định thơm) của vòng được giữ nguyên. Cộng hợp sẽ phá hủy hệ thống ổn định này, nên không được ưu tiên.

Cơ chế nitrat hóa: vòng tấn công NO2+ bằng mũi tên cong để tạo trung gian dương, sau đó mất H+ để khôi phục vòng thành nitrobenzene
Thế electrophil (nitrat hóa): vòng tấn công electrophile NO$_2^+$ để tạo trung gian không ổn định, sau đó mất H$^+$ để khôi phục vòng

Nhánh hay vòng?

Vị trí phản ứng của halogen phụ thuộc vào điều kiện:

  • với chất xúc tác mang halogen (như $\text{AlCl}_3$) và không có ánh sáng UV → thế trong vòng.
  • với ánh sáng UV và không có chất xúc tác → thế gốc tự do trong nhánh.
Methylbenzene với clo phân nhánh hai cách: với AlCl3 và không có UV thì clo thế vào vòng, với UV và không có chất xúc tác thì clo thế vào nhóm metyl của nhánh
Điều kiện quyết định: chất mang halogen (AlCl₃) thế vào vòng; ánh sáng UV thế vào nhánh

Hiệu ứng định hướng

Một nhóm đã có sẵn trên vòng quyết định vị trí nhóm tiếp theo đi vào — hiệu ứng định hướng của nó:

Hai vòng benzene đánh số: một vòng highlight vị trí 2 và 4 cho nhóm amino, hydroxyl và alkyl, vòng kia highlight vị trí 3 cho nhóm nitro, carboxyl và acyl
Một nhóm đã có trên vòng định hướng nhóm tiếp theo: –NH$_2$/–OH/–R đưa nó đến vị trí 2 và 4; –NO$_2$/–COOH/–COR đưa nó đến vị trí 3
Nhóm đã hiện diện Định hướng nhóm mới đến
$\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ vị trí 2 và 4
$\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ vị trí 3

Ví dụ giải. Methylbenzene và nitrobenzene đều bị nitrat hóa. Dự đoán vị trí nhóm $\text{NO}_2$ mới đi vào, và hợp chất nào phản ứng nhanh hơn. Xem xét nhóm đã có sẵn trên vòng. Trong methylbenzene, $\text{–CH}_3$ là nhóm alkyl: nó định hướng nhóm mới vào các vị trí 2 và 4, và nó phóng thích electron vào vòng, làm vòng trở nên hấp dẫn hơn với electrophile - do đó methylbenzene nitrat hóa nhanh hơn so với benzene. Trong nitrobenzene, $\text{–NO}_2$ định hướng vào vị trí 3, và nó hút electron từ vòng - do đó nitrobenzene nitrat hóa chậm hơn so với benzene. Nhóm đã có sẵn kiểm soát cả vị trí và tốc độ, và hai yếu tố luôn đi kèm nhau: các chất định hướng 2,4 kích hoạt vòng, các chất định hướng 3 khử hoạt hóa vòng.

Explore · ⁨Khám phá⁩

Arene substitution route · ⁨Lộ trình thế Arenes⁩

Follow electrophilic substitution on benzene. · ⁨Làm theo phản ứng thế điện tử dương trên benzene.⁩

Explore · ⁨Khám phá⁩

Directing effects lab · ⁨Phòng thí nghiệm tác dụng định vị⁩

Classify substituents by how they affect the benzene ring. · ⁨Phân loại các nhóm thế theo cách chúng ảnh hưởng đến vòng benzene.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
arene/ˈæren/ aren
benzene/ˈbenziːn/ benzene
electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ thế electrophilic
catalyst/ˈkætəlɪst/ chất xúc tác
halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ haloarene
nitration/naɪˈtreɪʃn/ nitrat hóa
Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ alkyl hóa Friedel–Crafts
Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ Acyl hóa Friedel–Crafts
benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ benzoic acid
hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ hydro hóa
side-chain/saɪd tʃeɪn/ chuỗi bên
benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ vòng benzen
delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ liên delocalisation
directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ hiệu ứng định hướng
30.1

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

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.
Tiếng Việt
  • Benzene trải qua thế electrophil, không phải cộng hợp, vì cộng hợp sẽ phá hủy vòng liên hợp ổn định.
  • Học nitrat hóa ($\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, $50-60\ ^\circ\text{C}$) và halogen hóa (halogen + $\text{AlCl}_3$) cùng bước tạo electrophile.
  • So sánh tính phản ứng: benzene kháng lại cộng hợp mạnh hơn nhiều so với anken do liên hợp.

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP