Bài học

Ôn tập tổng hợp: nhận biết và vận dụng arene, dẫn xuất halogen

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tổng hợp được sơ đồ nhận biết arene và dẫn xuất halogen bằng các thuốc thử đã học — nước brom, dung dịch $KMnO_4$ , $AgNO_3$ — và giải được bài tập tổng hợp nhiều bước kết hợp phản ứng thế trên vòng thơm với phản ứng thế/tách trên dẫn xuất halogen.

Sau bài này, em tổng hợp được sơ đồ nhận biết arene và dẫn xuất halogen bằng các thuốc thử đã học — nước brom, dung dịch $KMnO_4$, $AgNO_3$ — và giải được bài tập tổng hợp nhiều bước kết hợp phản ứng thế trên vòng thơm với phản ứng thế/tách trên dẫn xuất halogen.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài ôn tập này gom lại toàn bộ bốn chương trước: cấu trúc và phản ứng của benzene (Chương 1), quy tắc thế của toluene (Chương 2), cấu tạo và tính chất dẫn xuất halogen (Chương 3), phản ứng thế và tách của dẫn xuất halogen (Chương 4).

Khởi động

Trong năm bài học vừa qua, em đã gặp ba thuốc thử quen thuộc lặp lại nhiều lần: nước brom, dung dịch $KMnO_4$ , và $AgNO_3$ . Mỗi thuốc thử lại cho một kết quả khác nhau tuỳ chất đem thử. Bài ôn tập này ghép các kết quả đó lại thành một sơ đồ nhận biết hoàn chỉnh.

Trong năm bài học vừa qua, em đã gặp ba thuốc thử quen thuộc lặp lại nhiều lần: nước brom, dung dịch $KMnO_4$, và $AgNO_3$. Mỗi thuốc thử lại cho một kết quả khác nhau tuỳ chất đem thử. Bài ôn tập này ghép các kết quả đó lại thành một sơ đồ nhận biết hoàn chỉnh.

Kiến thức trọng tâm

Bước 2: với chất không mất màu nước brom, thử $Br_2$ khan, xúc tác Fe, đun nhẹ. Có khí HBr thoát ra, làm giấy quỳ ẩm hoá đỏ, là arene — nhờ phản ứng thế electrophin trên vòng thơm. Không phản ứng thì chất thử là alkane hoặc dẫn xuất halogen.

Bước 3: với arene, thử tiếp dung dịch $KMnO_4$ đun nóng. Mất màu tím, xuất hiện kết tủa nâu đen, là arene có nhánh ankyl gắn vòng — như toluene. Không mất màu là benzene, vòng thơm không có nhánh để oxi hoá.

Bước 4: với chất nghi là dẫn xuất halogen, đun với dung dịch NaOH rồi thử phần nước lọc bằng $AgNO_3$ . Xuất hiện kết tủa AgX — trắng, vàng nhạt, hoặc vàng đậm — xác nhận đó là dẫn xuất halogen, đồng thời cho biết loại halogen ban đầu.

Bước 1: thử nước brom, không xúc tác. Mất màu ngay là alkene hoặc alkyne — nhóm hydrocarbon không no đã học ở Course 6. Không đổi màu thì chất thử là alkane, arene, hoặc dẫn xuất halogen — cần bước tiếp theo để phân biệt. Bước 2: với chất không mất màu nước brom, thử $Br_2$ khan, xúc tác Fe, đun nhẹ. Có khí HBr thoát ra, làm giấy quỳ ẩm hoá đỏ, là arene — nhờ phản ứng thế electrophin trên vòng thơm. Không phản ứng thì chất thử là alkane hoặc dẫn xuất halogen. Bước 3: với arene, thử tiếp dung dịch $KMnO_4$ đun nóng. Mất màu tím, xuất hiện kết tủa nâu đen, là arene có nhánh ankyl gắn vòng — như toluene. Không mất màu là benzene, vòng thơm không có nhánh để oxi hoá. Bước 4: với chất nghi là dẫn xuất halogen, đun với dung dịch NaOH rồi thử phần nước lọc bằng $AgNO_3$. Xuất hiện kết tủa AgX — trắng, vàng nhạt, hoặc vàng đậm — xác nhận đó là dẫn xuất halogen, đồng thời cho biết loại halogen ban đầu.

Ví dụ

Áp dụng sơ đồ nhận biết cho ba mẫu chất lỏng không màu

1
Có ba lọ mất nhãn chứa hex-1-ene, benzene, và toluene. Trình bày cách phân biệt cả ba chất chỉ bằng nước brom và dung dịch $KMnO_4$ đun nóng.
Có ba lọ mất nhãn chứa hex-1-ene, benzene, và toluene. Trình bày cách phân biệt cả ba chất chỉ bằng nước brom và dung dịch $KMnO_4$ đun nóng.
2
Nhỏ nước brom, không xúc tác, vào cả ba mẫu. Mẫu làm mất màu ngay là hex-1-ene — phản ứng cộng đặc trưng của alkene. Hai mẫu còn lại không đổi màu là benzene và toluene.
3
Với hai mẫu còn lại, đun nóng với dung dịch $KMnO_4$ . Mẫu làm nhạt màu tím, xuất hiện kết tủa nâu đen $MnO_2$ , là toluene — nhánh methyl bị oxi hoá. Mẫu không đổi màu là benzene.
Với hai mẫu còn lại, đun nóng với dung dịch $KMnO_4$. Mẫu làm nhạt màu tím, xuất hiện kết tủa nâu đen $MnO_2$, là toluene — nhánh methyl bị oxi hoá. Mẫu không đổi màu là benzene.
4
Vậy chỉ với hai thuốc thử — nước brom rồi dung dịch $KMnO_4$ đun nóng — nhận biết đủ cả ba chất: hex-1-ene (mất màu nước brom), toluene (mất màu $KMnO_4$ ), benzene (không phản ứng với cả hai).
Vậy chỉ với hai thuốc thử — nước brom rồi dung dịch $KMnO_4$ đun nóng — nhận biết đủ cả ba chất: hex-1-ene (mất màu nước brom), toluene (mất màu $KMnO_4$), benzene (không phản ứng với cả hai).

Ví dụ

Xác định chất qua chuỗi phản ứng nhiều bước

1
Hợp chất X có công thức phân tử $C_7H_7Cl$ , được điều chế bằng cách cho toluene phản ứng thế với $Cl_2$ ở nhánh methyl, chiếu sáng, không xúc tác Fe — cơ chế thế gốc tự do trên nhánh, tương tự phản ứng thế của alkane. Đun X với dung dịch NaOH dư thu được hợp chất hữu cơ Y. Xác định công thức cấu tạo của X, viết phương trình điều chế X và phản ứng tạo Y, gọi tên Y.
Hợp chất X có công thức phân tử $C_7H_7Cl$, được điều chế bằng cách cho toluene phản ứng thế với $Cl_2$ ở nhánh methyl, chiếu sáng, không xúc tác Fe — cơ chế thế gốc tự do trên nhánh, tương tự phản ứng thế của alkane. Đun X với dung dịch NaOH dư thu được hợp chất hữu cơ Y. Xác định công thức cấu tạo của X, viết phương trình điều chế X và phản ứng tạo Y, gọi tên Y.
2
Toluene ( $C_6H_5CH_3$ ) thế Cl vào nhánh methyl, không vào vòng, vì đề cho biết phản ứng chiếu sáng không xúc tác Fe — cùng kiểu cơ chế gốc tự do như phản ứng thế của alkane, xảy ra ở carbon nhánh no chứ không phải trên vòng thơm: $C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{as} C_6H_5CH_2Cl + HCl$ . Vậy X là $C_6H_5CH_2Cl$ (benzyl chloride), đúng công thức phân tử $C_7H_7Cl$ đề cho.
Toluene ($C_6H_5CH_3$) thế Cl vào nhánh methyl, không vào vòng, vì đề cho biết phản ứng chiếu sáng không xúc tác Fe — cùng kiểu cơ chế gốc tự do như phản ứng thế của alkane, xảy ra ở carbon nhánh no chứ không phải trên vòng thơm: $C_6H_5CH_3 + Cl_2 \xrightarrow{as} C_6H_5CH_2Cl + HCl$. Vậy X là $C_6H_5CH_2Cl$ (benzyl chloride), đúng công thức phân tử $C_7H_7Cl$ đề cho.
3
X là dẫn xuất halogen, Cl gắn vào carbon no ở nhánh, đun với NaOH dư xảy ra phản ứng thế nucleophin giống dẫn xuất halogen của alkane: $C_6H_5CH_2Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} C_6H_5CH_2OH + NaCl$ .
X là dẫn xuất halogen, Cl gắn vào carbon no ở nhánh, đun với NaOH dư xảy ra phản ứng thế nucleophin giống dẫn xuất halogen của alkane: $C_6H_5CH_2Cl + NaOH \xrightarrow{t^\circ} C_6H_5CH_2OH + NaCl$.
4
Vậy Y là $C_6H_5CH_2OH$ (phenylmethanol, tên thường: benzyl alcohol) — một alcohol có vòng thơm nhưng nhóm –OH không gắn trực tiếp vào vòng, khác hẳn phenol mà em sẽ gặp trong khoá học sau.
Vậy Y là $C_6H_5CH_2OH$ (phenylmethanol, tên thường: benzyl alcohol) — một alcohol có vòng thơm nhưng nhóm –OH không gắn trực tiếp vào vòng, khác hẳn phenol mà em sẽ gặp trong khoá học sau.

Ví dụ

Tính khối lượng kết tủa từ phản ứng thuỷ phân — nhận biết bằng AgNO3

1
Đun 4,3 gam bromoethane ( $C_2H_5Br$ , $M=109$ g/mol) với dung dịch NaOH dư đến khi phản ứng thế xảy ra hoàn toàn. Trung hoà lượng NaOH dư bằng $HNO_3$ , sau đó nhỏ dung dịch $AgNO_3$ dư vào. Tính khối lượng kết tủa thu được, giả thiết các phản ứng đạt hiệu suất 100%.
Đun 4,3 gam bromoethane ($C_2H_5Br$, $M=109$ g/mol) với dung dịch NaOH dư đến khi phản ứng thế xảy ra hoàn toàn. Trung hoà lượng NaOH dư bằng $HNO_3$, sau đó nhỏ dung dịch $AgNO_3$ dư vào. Tính khối lượng kết tủa thu được, giả thiết các phản ứng đạt hiệu suất 100%.
2
$n_{C_2H_5Br} = \dfrac{4{,}3}{109} \approx 0{,}0394$ mol.
$n_{C_2H_5Br} = \dfrac{4{,}3}{109} \approx 0{,}0394$ mol.
3
$C_2H_5Br + NaOH \xrightarrow{t^\circ} C_2H_5OH + NaBr$ , tỉ lệ mol 1:1, nên $n_{NaBr} = n_{C_2H_5Br} \approx 0{,}0394$ mol, tức $n_{Br^-} \approx 0{,}0394$ mol.
$C_2H_5Br + NaOH \xrightarrow{t^\circ} C_2H_5OH + NaBr$, tỉ lệ mol 1:1, nên $n_{NaBr} = n_{C_2H_5Br} \approx 0{,}0394$ mol, tức $n_{Br^-} \approx 0{,}0394$ mol.
4
$Ag^+ + Br^- \to AgBr\downarrow$ , tỉ lệ mol 1:1 nên $n_{AgBr} \approx 0{,}0394$ mol. Khối lượng $AgBr$ ( $M=188$ g/mol): $m_{AgBr} = 0{,}0394 \times 188 \approx 7{,}41$ gam.
$Ag^+ + Br^- \to AgBr\downarrow$, tỉ lệ mol 1:1 nên $n_{AgBr} \approx 0{,}0394$ mol. Khối lượng $AgBr$ ($M=188$ g/mol): $m_{AgBr} = 0{,}0394 \times 188 \approx 7{,}41$ gam.
5
Vậy khối lượng kết tủa $AgBr$ , màu vàng nhạt, thu được xấp xỉ 7,41 gam — bài toán này gộp cả phản ứng thế của dẫn xuất halogen lẫn phản ứng nhận biết ion halide bằng $AgNO_3$ trong cùng một chuỗi tính toán, đúng dạng câu hỏi tổng hợp của đề kiểm tra.
Vậy khối lượng kết tủa $AgBr$, màu vàng nhạt, thu được xấp xỉ 7,41 gam — bài toán này gộp cả phản ứng thế của dẫn xuất halogen lẫn phản ứng nhận biết ion halide bằng $AgNO_3$ trong cùng một chuỗi tính toán, đúng dạng câu hỏi tổng hợp của đề kiểm tra.

Sai lầm thường gặp

Khi làm bài tổng hợp nhiều bước, sai lầm phổ biến nhất là áp dụng nhầm điều kiện phản ứng của bước trước cho bước sau — ví dụ quên rằng $Cl_2$ chiếu sáng, không xúc tác Fe, thế vào nhánh của toluene, trong khi $Cl_2$ /Fe lại thế vào vòng. Một sai lầm khác khi tính toán là quên đổi đơn vị hoặc nhầm hệ số mol giữa các phương trình liên tiếp — luôn viết rõ số mol ở mỗi bước, không nhẩm tắt.

Khi làm bài tổng hợp nhiều bước, sai lầm phổ biến nhất là áp dụng nhầm điều kiện phản ứng của bước trước cho bước sau — ví dụ quên rằng $Cl_2$ chiếu sáng, không xúc tác Fe, thế vào nhánh của toluene, trong khi $Cl_2$/Fe lại thế vào vòng. Một sai lầm khác khi tính toán là quên đổi đơn vị hoặc nhầm hệ số mol giữa các phương trình liên tiếp — luôn viết rõ số mol ở mỗi bước, không nhẩm tắt.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Benzene bền với phản ứng cộng, chỉ thế được với xúc tác Fe. Toluene phản ứng thế dễ hơn, định hướng ortho/para, và mất màu KMnO4 khi đun. Dẫn xuất halogen thế với NaOH/nước tạo alcohol, tách với KOH/ancol tạo alkene; nhận biết ion halide bằng AgNO3. Bốn thuốc thử — nước brom, Br2/Fe, KMnO4 đun nóng, AgNO3 — cùng nhau tạo thành một quy trình nhận biết đầy đủ cho toàn bộ các nhóm hợp chất đã học trong khoá này.

Khoá học Arene và dẫn xuất halogen khép lại ở đây. Kiến thức về phản ứng thế tạo alcohol từ dẫn xuất halogen trong bài này chính là điểm khởi đầu của khoá học tiếp theo, nơi em sẽ học sâu hơn về alcohol và phenol — hai họ hợp chất chứa nhóm –OH có tính chất khác nhau rõ rệt dù cùng mang chung một nhóm chức.