Arene (Hydrocarbon thơm)

1. Khái niệm

Arene hay còn gọi là hydrocarbon thơm là những hydrocarbon trong phân tử có chứa một hay nhiều vòng benzene.

Benzene có công thức C₆H₆ là một hydrocarbon thơm đơn giản và điển hình nhất.

Benzene và các đồng đẳng của nó hợp thành dãy đồng đẳng của benzene có công thức chung là C_nH_2n-6 (n≥6).

2. Công thức cấu tạo và danh pháp

Một số arene, gốc ary thường gặp có công thức cấu tạo và tên gọi như sau:

benzene	1-3-dimethylbenzene	naphthalene	methylbezene (toluene)

II. Đặc điểm cấu tạo của benzene

Phân tử benzene có 6 nguyên tử carbon tạo thành hình lục giác đều, tất cả nguyên tử carbon và hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng, các góc liên kết đều bằng 120°, độ dài liên kết carbon – carbon đều bằng 139 pm.

Mô hình phân tử	Công thức cấu tạo

III. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên

Benzene, toluene, xylene, styrene ở điều kiện thường là chất lỏng không màu, trong suốt, dễ chảy và có mùi đặc trưng.

Naphthalene là chất rắn màu trắng, có mùi đặc trung (có thể phát hiện được ở nồng độ thấp).

Các arene không phân cực hoặc kém phân cực nên không tan trong nước và thường nhẹ hơn nước, tan được trong các dung môi hữu cơ.

Arene	Nhiệt độ nóng chảy (oC)	Nhiệt độ sôi (oC)	Khối lương riêng (g/cm3)
Benzene	5,5	80,1	0,878
Toluene	-95,0	110,6	0,867
o-Xylene	-25,2	144	0,880
m-xylene	-47,4	139	0,864
p-xylene	13,3	138	0,861
styrene	-30,0	145	0,909
Naphthalene	80,26	218	1,0253 (20oC) 0,9625 (100oC)

IV. Tính chất hoá học

1. Phản ứng thế

Arene có thể tham gia phản ứng thể nguyên tử hydrogen ở vòng benzene như phản ứng halogen hoá, nitro hoa,..

Quy tắc thể: Khi benzene có nhóm thể alkyl (–CH₃, -C₂H₅,...), các phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene xảy ra dễ dàng hơn so với benzene và ưu tiên thế vào vị trí số 2 hoặc số 4 (vị trí ortho hoặc para) so với nhóm alkyl.

1.1. Phản ứng halogen hoá

Các arene tham gia phản ứng thế nguyên tử hydrogen gắn với vòng thơm bằng halogen (chlorine, bromine) ở nhiệt độ cao khi có xúc tác muỗi Iron(III) halide.

1.2. Phản ứng nitro hóa

Phản ứng nitro hoá là phản ứng trong đó một hay nhiều nguyên tử hydrogen ở vòng benzene được thay thế bằng nhóm nitro (-NO₂).

Benzene được nitro hóa bằng hổn hợp HNO₃ đặc và H₂SO₄ đặc ở nhiệt độ không quá 50^oC tạo nitrobenzene dạng lỏng, màu vàng nhạt, sánh như dầu:

Tolunene được nitro hóa tạo thành hỗn hợp hai sản phẩm chính ortho và para-nitrotolune.

2. Phản ứng cộng

2.1. Phản ứng cộng chlorine

Phản ứng cộng chlorine vào benzene trong điều kiện có ánh sáng từ ngoại và đun nóng, sản phẩm thu được là 1,2,3,4,5,6 hexachlorocyclohexane.

2.2. Phản ứng cộng hydrogen

Phản ứng cộng hydrogen vào benzene tạo thành cyclohexane. Phản ứng xảy ra ở điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao, với sự có mặt của các chất xúc tác dị thể như platinum, nickel.

                                                          cyclohexane

Phản ứng này được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất cyclohexane.

3. Phản ứng oxi hóa

3.1. Phản ứng oxi hóa hoàn toàn (phản ứng cháy)

Các arene như benzene, toluene, xylene dễ cháy và tỏa nhiều nhiệt.

C₆H₅CH₃ + 9O₂ \(\overset{t^{o} }{\rightarrow}\) 7CO₂ + 4H₂O

3.2. Phản ứng oxi hoá nhóm alkyl

Toluene và các alkylbenzene khác có thể bị oxi hoá bởi các tác nhân oxi hoá như dụng dịch KMnO₄.

Ví dụ:

C₆H₅CH₃ + 2KMnO₄  \(\overset{t^{o} }{\rightarrow}\) C₆H₅COOK + KOH + 2MnO₂ + H₂O

C₆H₅COOK + HCl → C₆H₅COOH + KCl

V. Ứng dụng

VI. Điều chế

Trong công nghiệp, benzene, toluene được điều chế từ quá trình refoming phân đoạn dầu mỏ chứa các alkane và cydoalkane C6 – C8.

Ví dụ:

Ethylbenzene được điều chế từ phản ứng giữa benzene và ethylene với xúc tác acid rắn là zeolite.

Naphthalene được điều chế chủ yếu bằng phương pháp chưng cất nhựa than đá.