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
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 $-\text{COR}$)
Tiếng Việt
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
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
dự đoán liệu halogen hóa sẽ xảy ra ở nhánh phụ hay ở vòng thơm trong arenes tùy thuộc vào điều kiện phản ứng
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
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.
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.
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 acylBenzene 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:
các electron liên kết trong vòng hình thành liên kết với electrophile, tạo ra chất trung gian không ổn định.
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.
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.
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:
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.
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.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Chọn một môn và trang sẽ điều hướng theo — ghi chú, tài liệu, video và bài tập đều mở ở đó.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Nhập để tìm ghi chú, bài học, mã, từ vựng và câu hỏi đề thi cũ trên mọi môn học.