Arene và benzene: cấu tạo, tính chất, phản ứng thế, cộng, đồng đẳng toluene và bài tập có đáp án Hóa 11

Arene là hydrocarbon thơm chứa vòng benzene, đại diện là benzene C6H6. Bài viết trình bày cấu tạo vòng benzene, tính chất vật lí, phản ứng thế (brom, nitro hóa), phản ứng cộng, đặc điểm của toluene và styrene, điều chế, ứng dụng và bài tập có đáp án Hóa 11.

Arene là gì?

Arene (hydrocarbon thơm) là các hydrocarbon trong phân tử có chứa một hay nhiều vòng benzene. Chất đơn giản nhất là benzene $\ce{C6H6}$, đồng đẳng của benzene (như toluene) có công thức chung $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$ ($n \ge 6$). Vòng benzene rất bền, nên arene dễ thế, khó cộng và khó bị oxi hóa.

Cấu tạo và tính chất vật lí

Phân tử benzene phẳng, $6$ nguyên tử C tạo vòng lục giác đều, độ dài liên kết C–C đều bằng nhau ($0{,}140$ nm), giữa liên kết đơn ($0{,}154$ nm) và liên kết đôi ($0{,}134$ nm).
Sáu electron $\pi$ liên hợp trải đều trên cả vòng làm vòng bền vững.
Benzene là chất lỏng không màu, mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước, không tan trong nước, độc (gây ung thư), dễ bay hơi và dễ cháy.

Tính chất hóa học

Loại phản ứng	Phương trình
Thế brom (xúc tác Fe)	$\ce{C6H6 + Br2 ->[Fe, t] C6H5Br + HBr}$
Thế nitro hóa	$\ce{C6H6 + HNO3 ->[H2SO4 dac, t] C6H5NO2 + H2O}$
Cộng $\ce{H2}$ (Ni)	$\ce{C6H6 + 3H2 ->[Ni, t] C6H12}$ (cyclohexane)
Cộng $\ce{Cl2}$ (ánh sáng)	$\ce{C6H6 + 3Cl2 ->[as] C6H6Cl6}$
Cháy	$\ce{2C6H6 + 15O2 -> 12CO2 + 6H2O}$ (ngọn lửa nhiều muội than)

Benzene không làm mất màu nước brom và dung dịch $\ce{KMnO4}$ ở điều kiện thường.

Ví dụ 1

Cho $7{,}8$ g benzene tác dụng $\ce{HNO3}$ đặc/$\ce{H2SO4}$ đặc với hiệu suất $80\%$. Tính khối lượng nitrobenzene ($M = 123$).

$n_{\ce{C6H6}} = 0{,}1$ mol, lí thuyết $0{,}1$ mol, thực tế $0{,}08$ mol nên $m = 0{,}08 \cdot 123 = 9{,}84$ g.

Ví dụ 2

Phân biệt benzene và styrene ($\ce{C6H5CH=CH2}$).

Dùng nước brom: styrene làm mất màu (có nối đôi ngoài vòng), benzene không.

Xem bài: Alkene

Đồng đẳng: toluene và styrene

Toluene $\ce{C6H5CH3}$ dễ thế hơn benzene, nhóm $-\ce{CH3}$ định hướng thế vào vị trí ortho và para; bị $\ce{KMnO4}$ đun nóng oxi hóa nhánh thành benzoic acid $\ce{C6H5COOH}$.
Styrene $\ce{C6H5CH=CH2}$ vừa có tính chất của vòng benzene vừa có tính chất của alkene (cộng, trùng hợp tạo polystyrene PS).
Ứng dụng: dung môi, nguyên liệu sản xuất thuốc nhuộm, thuốc nổ TNT, nhựa, chất tẩy rửa; benzene được hạn chế vì độc.

Những lỗi thường gặp

Bài tập thực hành

Viết phương trình benzene tác dụng $\ce{Br2}$ (xúc tác Fe).
Viết phương trình toluene tác dụng $\ce{HNO3}$ đặc/$\ce{H2SO4}$ đặc, tạo sản phẩm thế ở vị trí para.
Tính thể tích $\ce{H2}$ (điều kiện chuẩn) cần để cộng hết vào $7{,}8$ g benzene.
Phân biệt benzene, toluene và styrene.
Vì sao benzene dễ thế nhưng khó cộng?

Đáp án

$\ce{C6H6 + Br2 ->[Fe, t] C6H5Br + HBr}$.
$\ce{C6H5CH3 + HNO3 ->[H2SO4 dac] O2N-C6H4-CH3 (para) + H2O}$.
$n_{\ce{C6H6}} = 0{,}1$ mol nên $n_{\ce{H2}} = 0{,}3$ mol, $V = 7{,}437$ L.
Nước brom: styrene mất màu; $\ce{KMnO4}$ đun nóng: toluene mất màu; benzene không phản ứng.
Vì hệ electron $\pi$ liên hợp bền vững cần được giữ nguyên; phản ứng thế giữ vòng, phản ứng cộng phá vòng.