Bài 35: Benzen và đồng đẳng. Một số hiđrocacbon thơm khác

1.1. Đồng đẳng, đồng phân, danh pháp, cấu tạo

Dãy đồng đẳng của benzen

C₆H₆ (benzen), C₇H₈ (toluen), C₈H₁₀, ... , C_nH_2n-6  (n ≥ 6, nguyên)

Đồng phân, danh pháp

Đồng phân

C₆H₆ và C₇H₈ không có đồng phân hidrocacbon thơm.

Từ C₈H₁₀ trở đi có:

đồng phân vị trí tương đối của các nhóm ankyl 

đồng phân cấu tạo mạch cacbon của nhánh

Ví dụ: Đồng phân của C₈H₁₀

 

Đồng phân vị trí tương đối của các nhóm ankyl

a) o-xilen;     b) m-xilen;   c) p-xilen

Đối với nhóm thế có từ 3C trở lên thì các em có thêm đồng phân cấu tạo mạch C của nhánh. 

Danh pháp

Tên hệ thống: nhóm ankyl + benzen

Chú ý: Nếu vòng benzen liên kết với nhiều nhóm ankyl tên gọi: số chỉ vị trí nhánh + tên nhánh + benzen

​

Cách đánh số các nguyên tử C trong vòng benzen sao cho tổng chỉ số trong tên gọi là nhỏ nhất.

Cấu tạo

Hình 1: Mô hình benzen

Có 3 liên kết đôi, có cấu trúc lục giác đều.

Cả 6 nguyên tử C và 6 nguyên tử H cùng nằm trên một mặt phẳng.

Có hai cách biểu diễn công thức của benzen: ​

1.2. Tính chất vật lí

Các hiđrocacbon thơm đều là chất lỏng hoặc rắn ở điều kiện thường ; t_s, t_nc tăng theo chiều tăng của phân tử khối.

Hiđrocacbon thơm ở thể lỏng có mùi đặc trưng, không tan trong nước, nhẹ hơn nước, hòa tan được nhiều chất hữu cơ.

1.3. Tính chất hóa học

Benzen tương đối dễ tham gia phản ứng thế hơn so với các chất oxi hóa. Đó cũng chính là tính chất hóa học đặc trưng chung của các hiđrocacbon thơm nên được gọi là tính thơm

Thế nguyên tử H của vòng benzen

a) Phản ứng với halogen

Benzen phản ứng thế với brom:

 (ĐK: có xúc tác bột Fe)

Toluen tác dụng với brom:

Phản ứng với axit nitric:

Quy tắc thế ở vòng benzen: khi ở vòng benzen đã có sẵn nhóm ankyl (hay các nhóm –OH, -NH₂, -OCH₃,...), phản ứng thế vào vòng sẽ dễ dàng hơn và ưu tiên thế vào vị trí o-, p-. Nếu vòng benzen đã có sẵn nhóm –NO₂ ( hoặc các nhóm –COOH, -SO₃H, ...) phản ứng thế vào vòng sẽ khó hơn và ưu tiên xảy ra ở vị trí m-.

b) Thế nguyên tử H của mạch nhánh

Phản ứng cộng

a) Cộng Hidro

b) Cộng Clo

Chú ý: Phản ứng này được dùng để sản xuất thuốc trừ sâu 666 nhưng do chất này có độc tính cao và phân hủy chậm nên ngày nay không được sử dụng.

Phản ứng oxi hóa

a) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

Hình 2: Benzen và toluen không làm mất màu dung dịch KMnO₄ ở điều kiện thường

Khi đun nóng hai ống nghiệm trong nồi cách thủy:

Benzen vẫn không làm mất màu dung dịch KMnO₄

Toluen làm mất màu dung dịch KMnO₄ , tạo kết tủa MnO₂

b) Phản ứng oxi hóa hoàn toàn

Nhận xét: Số mol CO₂ luôn lớn hơn số mol H₂O

2.1. STIREN

Cấu tạo và tính chất vật lí

a) Cấu tạo

Stiren có CTPT: C₈H₈

Công thức cấu tạo: ​

b) Tính chất vật lí

Stiren (còn gọi là Vinylbenzen) là chất lỏng, không màu, sôi ở 146^oC, không tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ.

Tính chất hóa học

Stiren có đặc điểm phần nhánh giống etilen, phần vòng giống benzen. Vì vậy, stiren thể hiện tính chất hóa học giống etilen ở phần mạch nhánh và thể hiện tính chất giống benzen ở phần nhân thơm.

a) Phản ứng cộng

b) Phản ứng trùng hợp

c) Phản ứng oxi hóa

2.2. NAPHTALEN

Cấu tạo và tính chất vật lí

Công thức phân tử: C₁₀H₈

Công thức cấu tạo: 

Naphtalen (băng phiến) là chất rắn, nóng chảy ở 80^oC, tan trong benzen, ete, ... và có tính thăng hoa.

Hình 3: Thí nghiệm Naphtalen thăng hoa

Tính chất hóa học

a) Phản ứng thế

b) Phản ứng cộng

Hình 4: Ứng dụng của hidrocacbon

Bài 1:

Nhận biết các chất lỏng riêng biệt: ancol etylic, clorofom, benzen bằng 1 thuốc thử nào sau đây?

Hướng dẫn:

Dùng H₂O ⇒ benzen phân lớp còn 2 chất còn lại tan.
Sau đó cho 2 chất còn lại vào benzen. Vì benzen tan rất kém trong nước và rượu nên sẽ phân lớp nếu có ancol etylic và tan tốt trong dung môi hữu cơ là clorofom.

Bài 2:

Cho sơ đồ phản ứng sau: 

\(Toluen \xrightarrow[1:1]{+Cl_2\ (as)} X \xrightarrow[]{+NaOH,t^0} Y \xrightarrow[]{+CuO,t^0} Z \xrightarrow[]{dd\ AgNO_3/NH_3} T\)

Biết rằng X, Y, Z, T là những sản phẩm chính. Công thức cấu tạo của chất T là:

Hướng dẫn:

\({C_6}{H_5}C{H_3} \to {C_6}{H_5}C{H_2}Cl \to {C_6}{H_5}C{H_2}OH{C_6}{H_5}C{H_2}OH \to {C_6}{H_5}CHO \to {C_6}{H_5}COON{H_4}\)

Bài 3:

Cho 17,08 gam hỗn hợp X gồm hai hợp chất hữu cơ đơn chức là dẫn xuất của benzen và có cùng công thức phân tử C₇H₆O₂ tác dụng với lượng dư dung dịch AgNO₃ trong NH₃ (đun nóng), thu được 10,8 gam Ag. Cho 8,54 gam X nói trên tác dụng với 100 ml dung dịch NaOH 1,0 M rồi cô cạn dung dịch sau phản ứng, thu được m gam chất rắn khan. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Giá trị của m là

Hướng dẫn:

X gồm : HCOOC₆H₅ và C₆H₅COOH

=> n_HCOOC6H5 = ½ n_Ag = 0,05 mol

=> n_C6H5COOH = 0,09 mol

8,54g X + NaOH (0,1 mol)

HCOOC₆H₅ + 2NaOH → HCOONa + C₆H₅ONa + H₂O

C₆H₅COOH + NaOH → C₆H₅COONa + H₂O

Chất rắn gồm : 0,025 mol HCOONa ; 0,025 mol C₆H₅ONa ; 0,045 mol C₆H₅COONa ; 0,005 mol NaOH

=> m = 11,28g

1.1. Đồng đẳng, đồng phân, danh pháp, cấu tạo

Dãy đồng đẳng của benzen

C₆H₆ (benzen), C₇H₈ (toluen), C₈H₁₀, ... , C_nH_2n-6  (n ≥ 6, nguyên)

Đồng phân, danh pháp

Đồng phân

C₆H₆ và C₇H₈ không có đồng phân hidrocacbon thơm.

Từ C₈H₁₀ trở đi có:

đồng phân vị trí tương đối của các nhóm ankyl 

đồng phân cấu tạo mạch cacbon của nhánh

Ví dụ: Đồng phân của C₈H₁₀

 

Đồng phân vị trí tương đối của các nhóm ankyl

a) o-xilen;     b) m-xilen;   c) p-xilen

Đối với nhóm thế có từ 3C trở lên thì các em có thêm đồng phân cấu tạo mạch C của nhánh. 

Danh pháp

Tên hệ thống: nhóm ankyl + benzen

Chú ý: Nếu vòng benzen liên kết với nhiều nhóm ankyl tên gọi: số chỉ vị trí nhánh + tên nhánh + benzen

​

Cách đánh số các nguyên tử C trong vòng benzen sao cho tổng chỉ số trong tên gọi là nhỏ nhất.

Cấu tạo

Hình 1: Mô hình benzen

Có 3 liên kết đôi, có cấu trúc lục giác đều.

Cả 6 nguyên tử C và 6 nguyên tử H cùng nằm trên một mặt phẳng.

Có hai cách biểu diễn công thức của benzen: ​

1.2. Tính chất vật lí

Các hiđrocacbon thơm đều là chất lỏng hoặc rắn ở điều kiện thường ; t_s, t_nc tăng theo chiều tăng của phân tử khối.

Hiđrocacbon thơm ở thể lỏng có mùi đặc trưng, không tan trong nước, nhẹ hơn nước, hòa tan được nhiều chất hữu cơ.

1.3. Tính chất hóa học

Benzen tương đối dễ tham gia phản ứng thế hơn so với các chất oxi hóa. Đó cũng chính là tính chất hóa học đặc trưng chung của các hiđrocacbon thơm nên được gọi là tính thơm

Thế nguyên tử H của vòng benzen

a) Phản ứng với halogen

Benzen phản ứng thế với brom:

 (ĐK: có xúc tác bột Fe)

Toluen tác dụng với brom:

Phản ứng với axit nitric:

Quy tắc thế ở vòng benzen: khi ở vòng benzen đã có sẵn nhóm ankyl (hay các nhóm –OH, -NH₂, -OCH₃,...), phản ứng thế vào vòng sẽ dễ dàng hơn và ưu tiên thế vào vị trí o-, p-. Nếu vòng benzen đã có sẵn nhóm –NO₂ ( hoặc các nhóm –COOH, -SO₃H, ...) phản ứng thế vào vòng sẽ khó hơn và ưu tiên xảy ra ở vị trí m-.

b) Thế nguyên tử H của mạch nhánh

Phản ứng cộng

a) Cộng Hidro

b) Cộng Clo

Chú ý: Phản ứng này được dùng để sản xuất thuốc trừ sâu 666 nhưng do chất này có độc tính cao và phân hủy chậm nên ngày nay không được sử dụng.

Phản ứng oxi hóa

a) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

Hình 2: Benzen và toluen không làm mất màu dung dịch KMnO₄ ở điều kiện thường

Khi đun nóng hai ống nghiệm trong nồi cách thủy:

Benzen vẫn không làm mất màu dung dịch KMnO₄

Toluen làm mất màu dung dịch KMnO₄ , tạo kết tủa MnO₂

b) Phản ứng oxi hóa hoàn toàn

Nhận xét: Số mol CO₂ luôn lớn hơn số mol H₂O

2.1. STIREN

Cấu tạo và tính chất vật lí

a) Cấu tạo

Stiren có CTPT: C₈H₈

Công thức cấu tạo: ​

b) Tính chất vật lí

Stiren (còn gọi là Vinylbenzen) là chất lỏng, không màu, sôi ở 146^oC, không tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ.

Tính chất hóa học

Stiren có đặc điểm phần nhánh giống etilen, phần vòng giống benzen. Vì vậy, stiren thể hiện tính chất hóa học giống etilen ở phần mạch nhánh và thể hiện tính chất giống benzen ở phần nhân thơm.

a) Phản ứng cộng

b) Phản ứng trùng hợp

c) Phản ứng oxi hóa

2.2. NAPHTALEN

Cấu tạo và tính chất vật lí

Công thức phân tử: C₁₀H₈

Công thức cấu tạo: 

Naphtalen (băng phiến) là chất rắn, nóng chảy ở 80^oC, tan trong benzen, ete, ... và có tính thăng hoa.

Hình 3: Thí nghiệm Naphtalen thăng hoa

Tính chất hóa học

a) Phản ứng thế

b) Phản ứng cộng

Hình 4: Ứng dụng của hidrocacbon

Bài 1:

Nhận biết các chất lỏng riêng biệt: ancol etylic, clorofom, benzen bằng 1 thuốc thử nào sau đây?

Hướng dẫn:

Dùng H₂O ⇒ benzen phân lớp còn 2 chất còn lại tan.
Sau đó cho 2 chất còn lại vào benzen. Vì benzen tan rất kém trong nước và rượu nên sẽ phân lớp nếu có ancol etylic và tan tốt trong dung môi hữu cơ là clorofom.

Bài 2:

Cho sơ đồ phản ứng sau: 

\(Toluen \xrightarrow[1:1]{+Cl_2\ (as)} X \xrightarrow[]{+NaOH,t^0} Y \xrightarrow[]{+CuO,t^0} Z \xrightarrow[]{dd\ AgNO_3/NH_3} T\)

Biết rằng X, Y, Z, T là những sản phẩm chính. Công thức cấu tạo của chất T là:

Hướng dẫn:

\({C_6}{H_5}C{H_3} \to {C_6}{H_5}C{H_2}Cl \to {C_6}{H_5}C{H_2}OH{C_6}{H_5}C{H_2}OH \to {C_6}{H_5}CHO \to {C_6}{H_5}COON{H_4}\)

Bài 3:

Cho 17,08 gam hỗn hợp X gồm hai hợp chất hữu cơ đơn chức là dẫn xuất của benzen và có cùng công thức phân tử C₇H₆O₂ tác dụng với lượng dư dung dịch AgNO₃ trong NH₃ (đun nóng), thu được 10,8 gam Ag. Cho 8,54 gam X nói trên tác dụng với 100 ml dung dịch NaOH 1,0 M rồi cô cạn dung dịch sau phản ứng, thu được m gam chất rắn khan. Biết các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Giá trị của m là

Hướng dẫn:

X gồm : HCOOC₆H₅ và C₆H₅COOH

=> n_HCOOC6H5 = ½ n_Ag = 0,05 mol

=> n_C6H5COOH = 0,09 mol

8,54g X + NaOH (0,1 mol)

HCOOC₆H₅ + 2NaOH → HCOONa + C₆H₅ONa + H₂O

C₆H₅COOH + NaOH → C₆H₅COONa + H₂O

Chất rắn gồm : 0,025 mol HCOONa ; 0,025 mol C₆H₅ONa ; 0,045 mol C₆H₅COONa ; 0,005 mol NaOH

=> m = 11,28g