BÀI 14. ARENE (HYDROCARBON THƠM)

MỞ ĐẦU

Benzene, toluene, styrene và naphthalene là những hydrocarbon thơm (arene) có công thức cấu tạo như ở Hình 14.1:

Hãy nhận xét điểm giống và khác nhau về cấu tạo của các hợp chất hydrocarbon thơm trên với alkane và alkene.

Giải nhanh:

- Giống: Đều là hydrocarbon, chỉ chứa carbon và hydrogen.

- Khác: Hydrocarbon thơm chứa vòng benzene; alkane và alkene không chứa vòng benzene.

I. KHÁI NIỆM VÀ DANH PHÁP

Luyện tập: Viết công thức cấu tạo và gọi tên các hydrocarbon thơm có công thức phân tử C₈H₁₀. Trong các chất trên, cho biết chất nào là đồng phân của o-xylene về số lượng các gốc alkyl gắn với vòng benzene.

Giải nhanh:

Là chất (3) và (4).

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Vận dụng 1: Trên nhãn của chai chứa benzene trong phòng thí nghiệm thường có một số biểu tượng sau:

Cho biết cần chú ý gì khi sử dụng benzene.

Giải nhanh:

- Cần đặt benzene xa các nguồn nhiệt.

- Không được tiếp xúc trực tiếp với benzene.

Vận dụng 2: Vì sao khu vực có trạm xăng dầu, khu vực có nhiều xe cơ giới qua lại, nơi có khói thuốc lá,... lại được xem là nơi có nguồn hydrocarbon thơm gây tổn hại đến sức khoẻ con người? Hãy tìm hiểu và kể tên một số hydrocarbon thơm thường có trong không khí ở các khu vực trên.

Giải nhanh:

Vì trong xăng tồn tại benzene (C₆H₆), trong thuốc lá tồn tại nicotine gây hại đến sức khoẻ con người.

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Thực hành: Quan sát video thí nghiệm sau:

Thí nghiệm 1. Nitro hoá benzene

Cho từ từ 2 mL dung dịch sulfuric acid đặc vào ống nghiệm đã chứa sẵn 1,5 mL dung dịch nitric acid đặc và làm lạnh trong chậu nước đá để tạo hỗn hợp nitro hoá. Nhỏ tiếp từ từ 1 mL benzene vào ống nghiệm trong 6 đến 10 phút. Sau đó, rót từ từ hỗn hợp trong ống nghiệm vào cốc chứa 20 đến 30 mL nước lạnh (khoảng 0 – 10 ^oC). Dùng đũa thuỷ tinh khuấy đều hỗn hợp rồi để yên. Quan sát màu của chất lỏng ở đáy cốc.

Yêu cầu: Viết phương trình hoá học của phản ứng đã xảy ra và cho biết nitrobenzene có tan trong nước không.

Giải nhanh:

PTHH: 

Nitrobenzen không tan trong nước.

Câu hỏi 1: Trong Thí nghiệm 1, chất lỏng xuất hiện ở đáy cốc có phải là benzene không? Vì sao?

Giải nhanh:

Không phải vì có phản ứng xảy ra, tạo nitrobenzene có màu vàng nhạt .

Thực hành: Theo dõi mô tả thí nghiệm sau.

Thí nghiệm 2. Chlorine hóa benzene

Cho 5 mL benzene vào bình tam giác 150 mL, sau đó dẫn một lượng nhỏ khí chlorine vào bình. Đậy kín nắp bình rồi đưa ra ngoài ánh nắng. Trong bình xuất hiện khói trắng và trên thành bình thấy xuất hiện một lớp bột 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane màu trắng.

Yêu cầu: Viết phương trình hoá học xảy ra và cho biết phản ứng chlorine hoá benzene xảy ra thuận lợi trong điều kiện nào? Vì sao hiện nay 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane không còn được sử dụng là thuốc trừ sâu trong nông nghiệp?

Giải nhanh:

PTHH: 

- Điều kiện có ánh sáng.

- Vì nó gây hại với sức khỏe của con người, động vật và gây ô nhiễm môi trường...

Câu hỏi 2: Nhỏ từ từ nước bromine vào ống nghiệm chứa styrene, lắc đều rồi để yên ống nghiệm. Dự đoán hiện tượng xảy ra. Giải thích.

Giải nhanh:

- Dung dịch bromie bị nhạt màu. Vì có phản ứng xảy ra.

- PTHH: C₆H₅-CH=CH₂ + Br₂ → C₆H₅-CHBr-CH₂Br 

Thực hành: Thí nghiệm 3. Oxi hóa toluen bằng potassium permanganate

Chuẩn bị: Benzene, toluene, dung dịch KMnO₄ 0,1M; ống nghiệm, kẹp ống nghiệm, đèn cồn.

Tiến hành: Cho vào hai ống nghiệm, mỗi ống khoảng 2 mL dung dịch KMnO₄ 0,1M. Thêm vào ống nghiệm thứ nhất khoảng 1 mL toluene và vào ống nghiệm thứ hai khoảng 1 mL benzene. Lắc đều các ống nghiệm, sau đó dùng kẹp ống nghiệm kẹp các ống nghiệm rồi lần lượt đun nóng các ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn trong khoảng 3 phút (vừa đun vừa lắc đều).

Yêu cầu: Quan sát, nhận xét hiện tượng xảy ra; viết phương trình phản ứng (nếu có) để giải thích.

Chú ý an toàn: Benzene và toluene có tính độc.

Giải nhanh:

- Ống (1): màu tím nhạt dần và mất màu

- Ống (2): màu tím giữ nguyên.

PTHH: 

Vận dụng 3: Benzoic acid là một chất phụ gia được dùng để bảo quản thực phẩm. Để điều chế benzoic acid từ toluene, người ta khuấy và đun sôi toluene với lượng dư dung dịch potassium permanganate trong bình cầu có lắp ống sinh hàn. Sau khi kết thúc phản ứng, vừa lắc vừa thêm từng lượng nhỏ oxalic acid đến khi mất màu tím; lọc bỏ chất rắn, cô đặc phần dung dịch lọc rồi acid hoá bằng hydrochloric acid. Lọc lấy chất rắn, kết tinh lại bằng nước để có sản phẩm sạch.

Cho biết mục đích của các thao tác thực nghiệm (ghi chữ đậm) trong quy trình trên. Nếu hiệu suất của quá trình tổng hợp là 80% thì cần bao nhiêu kg toluene để điều chế được 5 kg benzoic acid?

Giải nhanh:

- Khuấy và đun sôi: tăng hiệu suất phản ứng

- Lọc bỏ chất rắn kết tinh, cô đặc: loại bỏ tạp chất MnO₂

- Acid hoá: tạo benzoic acid.

- Lọc lấy chất rắn, kết tinh lại: thu sản phẩm sạch, tinh khiết.

Sơ đồ: C₆H₅CH₃ → C₆H₅COOH

92  → 122 (gam) (H=100%)

m →  5 (kg)   (H=80%) 

m = 5.92122.10080=4,71 kg.

IV. ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG

BÀI TẬP

Bài 1: Cho các chất có công thức sau: 

Trong các chất trên, những chất là sản phẩm chính khi cho toluene tác dụng với chlorine trong điều kiện đun nóng và có mặt FeCl₃ là

A. (1) và (2) B. (2) và (3) C. (1) và (4)  D. (2) và (4).

Giải nhanh:

Chọn đáp án D.

Bài 2: Toluene và xylene được dùng làm dung môi hoà tan sơn, mực in,... Trong trường hợp hoạ sĩ muốn tranh chậm khô hơn để giữ được độ bóng, mịn của màu sơn thì nên pha sơn bằng toluene hay xylene sẽ cho kết quả tốt hơn? Giải thích.

Giải nhanh:

Dùng xylene vì xylene có thể hoà tan tốt và thời gian bay hơi lâu hơn.

Bài 3: Theo Data Bridge Market Research, trong giai đoạn 2021 – 2028, tốc độ tăng trưởng thương mại của chlorotoluene (bao gồm các đồng phân khác nhau) vào khoảng 6,2% hằng năm và đạt đến 3 654,7 triệu USD vào năm 2028. Chlorotoluene được sử dụng trong các lĩnh vực hoá dược, hoá nông, polymer, dệt,... và được điều chế bằng phản ứng giữa chlorine và toluene. Viết phương trình hoá học và nêu rõ điều kiện của phản ứng trên.

Giải nhanh:

Bài 4: Trình bày phương pháp hoá học để phân biệt các chất benzene, toluene, styrene.

Giải nhanh:

- Dùng dung dịch KMnO₄ cho 3 ống và lắc đều: KMnO₄ mất màu - styrene.

- Đem đun nóng 2 ống còn lại: KMnO₄ mất màu – toluene, còn lại là benzene. 

PTHH: 2KMnO₄ + 3C₆H₅ – CH = CH₂ + 4H₂O → 3C₆H₅ – CHOH – CH₂OH + 2MnO₂ + 2KOH

C₆H₅ – CH₃ + 2KMnO₄  t°→  C₆H₅ – COOK + 2MnO₂ + KOH + H₂O

Bài 5: Terephthalic acid (p-HOOCC₆H₄COOH) là nguyên liệu để sản xuất poly(ethylene terephthalate) (PET, loại polymer quan trọng, được sử dụng làm sợi dệt và chai nhựa,...). Viết phương trình hoá học của phản ứng điều chế terephthalic acid từ p-xylene.

Giải nhanh:

Bài 6: 2,4,6-trinitrotoluene dùng để sản xuất thuốc nổ TNT.

a) Viết phương trình hoá học của phản ứng điều chế 2,4,6-trinitrotoluene từ toluene và nitric acid (xúc tác sulfuric acid).

b) Từ 1 tấn toluene điều chế được bao nhiêu kg 2,4,6-trinitrotoluene, biết hiệu suất của phản ứng là 62%.

Giải nhanh:

a)

b) C₆H₅CH₃ + 3HNO₃ → C₆H₂(NO₂)₃CH₃ + 3H₂O

gam     92                                 227

kg      1000.62%                          x

x = 22792.62100 = 1530 kg