A. Lý thuyết:
I. Cấu tạo, đồng đẳng, đồng phân, danh pháp:
1. Cấu trúc phân tử benzen
a. Sự hình thành liên kết trong phân tử benzen
Sáu nguyên tử C trong phân tử benzen ở trạng thái lai hoá sp2[lai hoá tam giác]. Mỗi nguyên tử C sử dụng 3obitan lai hoáđể tạo liên kếtsvới 2 nguyên tử C bên cạnh nó và 1 nguyên tử H.Sáuobitan pcòn lại của 6 nguyên tử C xen phủ bên với nhau tạo thànhhệ liên hợpπchung cho cả vòng benzen. Nhờ vậy mà liên kếtπở benzen tương đối bền vững hơn so với liên kếtπở anken cũng như ở những hiđrocacbon không no khác.
Sáu nguyên tử C trong phân tử benzen tạo thành một lục giác đều. Cả 6 nguyên tử C và 6 nguyên tử H cùng nằm trên 1 mặt phẳng [gọi là mặt phẳng phân tử]. Các góc hoá trị đều bằng 120o.
b.Biểu diễn cấu tạo của benzen: có 2 cách biểu diễn cấu tạo của benzen
2. Dãy đồng dẳng của benzen:
Khi thay các nguyên tử hiđro trong phân tử benzen[C6H6]bằng các nhóm ankyl, ta được ankylbenzen.Các ankylbenzen hợp thànhdãy đồng đẳng của benzencó công thức chung làCnH2n-6với n6.
3. Đồng phân, danh pháp:
VD: Viết các đồng phân hiđrocacbon thơm và gọi tên hợp chất có CTPT C9H12?
- Chú ý đối với tên hệ thống:Nếu vòng benzen có nhiều nhánh [thế] phải đánh số vị trí các nhóm thế sao cho tổng số vị trí các nhóm thế là nhỏ nhất.
II. Tính chất vật lí:
- Các hiđrocacbon thơm đều là chất lỏng hoặc rắn. Có tos, tonctăng theo M.
- Các hiđrocacbon thơm thể lỏng thường có mùi đặc trưng, nhẹ ít tan, có khả năng tan trong dung môi hữu cơ.
III. Tính chất hóa hoc:
1. Phản ứng thế:
a. Thế ở nguyên tử H của vòng benzen:
* Phản ứng với halogen.
*Phản ứng với axit nitric:
Trong điều kiện trên toluen [ hoặc các ankylbenzen ] thế chủ yếu ở vị trí ortho và para so với vị trí nhóm ankyl.
- Đối với toluen:
Toluen có khả năng thế H ở vòng benzen dễ dàng hơn benzen
[trinitrotoluen - TNT]
-Qui tắc thế:
+] Khi ở vòng benzen đã có sẵnnhóm ankyl[hay các nhóm OH, NH2, OCH3], phản ứng thế vào vòng sẽdễ dàng hơnvà ưu tiên xảy ra ở vị tríorthovàpara.
+] Ngược lại, nếu ở vòng benzen đã có sẵnnhóm NO2[hoặc các nhóm COOH, SO3H, CHO] phản ứng thế vào vòng sẽkhó hơnvà ưu tiên xảy ra ở vị trímeta.
b. Thế ở nguyên tử H của mạch nhánh:
2. Phản ứng cộng:
Benzen và ankylbenzen không làm mất màu dung dịch brom [không cộng với brom] như các hiđrocacbon không no.
a. Cộng hiđro:
b. Cộng clo:
3. Phản ứng oxi hoá:
a. Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn:
Benzen không tác dụng với KMnO4[không làm mất màu dung dịch KMnO4].
Các ankylbenzen khi đun nóng với dung dịch KMnO4thì chỉ có nhóm ankyl bị oxi hoá.
b. Phản ứng oxi hoá hoàn toàn:
CnH2n -6+ O2 nCO2+ [n-3] H2O
IV. Điều chế và ứng dụng:
1. Điều chế
Benzen, toluen, xilen thường tách được bằng cách chưng cất dầu mỏ và nhựa than đá. Chúng còn được điều chế từ ankan, hoặc xicloankan
CH3[CH2]4CH3 C6H6 + 4H2
CH3[CH2]5CH3 C6H5CH3 + 4H2
Etylbenzen được điều chế từ benzen và etilen
C6H6+ CH2=CH2C6H5CH2CH3
2. Ứng dụng
Benzen là một trong những nguyên liệu quan trọng nhất của công nghiệp hoá hữu cơ. Nó được dùng nhiều nhất để tổng hợp các monome trong sản xuất polime làm chất dẻo, cao su, tơ sợi [chẳng hạn polistiren, cao su buna - stiren, tơ capron].
Từ benzen người ta điều chế ra nitrobenzen, anilin, phenol dùng để tổng hợp phẩm nhuộm, dược phẩm, thuốc trừ dịch hại,...
Toluen được dùng để sản xuất thuốc nổ TNT [trinitrotoluen].
Benzen, toluen và các xilen còn được dùng nhiều làm dung môi.
B. Bài tập:
1. Dạng 1: Phản ứng thế [clo, brom, nitro hóa]
Nhắc lại quy tắc thế vòng benzen:
+Khi ở vòng benzen đã có sẵnnhóm ankyl[hay các nhóm OH, NH2, OCH3], phản ứng thế vào vòng sẽdễ dàng hơnvà ưu tiên xảy ra ở vị tríorthovàpara.
+ Ngược lại, nếu ở vòng benzen đã có sẵnnhóm NO2[hoặc các nhóm COOH, SO3H, CHO] phản ứng thế vào vòng sẽkhó hơnvà ưu tiên xảy ra ở vị trímeta.
Lưu ý điều kiện phản ứng thế brom:
+ Điều kiện ánh sáng: thế H ở nhánh.
+ Điều kiện Fe, to: thế H ở vòng thơm.
2. Dạng 2: Phản ứng oxi hóa:
a. Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn [bằng KMnO4]:
Benzen không có phản ứng oxi hóa bằng KMnO4
Với các ankylbenzen
b. Phản ứng oxi hóa hoàn toàn:
Đốt cháy đồng đẳng benzen thu được
Số mol ankylbenzen:
3. Vận dụng:
VD1: Cho 100 ml bezen [d = 0,879 g/ml] tác dụng với một lượng vừa đủ brom khan [xúc tác bột sắt, đun nóng] thu được 80 ml brombenzen [d = 1,495 g/ml]. Hiệu suất brom hóa đạt là
A. 67,6%. B. 73,49%. C. 85,3%. D. 65,35%
Lời giải:
;
Vậy H% = 0,7618.78/87,9 = 0,676 = 67,6%. Đáp án A.
VD2: Đốt cháy hoàn toàn 6 gam chất hữu cơ A, đồng đẳng của benzen thu được 10,08 lít CO2 [đktc]. Công thức phân tử của A là
A. C9H12. B. C8H10. C. C7H8. D. C10H14.
Lời giải:
Gọi CTPT của A là CnH2n-6.
Khi đó
. Đáp án A.
VD3: Để oxi hoá hết 10,6 gam o-xylen [1,2-đimetylbenzen] cần bao nhiêu lít dung dịch KMnO40,5M trong môi trường H2SO4loãng. Giả sử dùng dư 20% so với lượng phản ứng.
A. 0,48 lít. B. 0,24 lít. C. 0,12 lít. D. 0,576 lít.
Lời giải:
Dùng dư 20% nên thực tế
Vậy. Đáp án D.