Bài học

Tính chất hoá học của benzene: phản ứng thế, cộng và cháy

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng phương trình phản ứng thế của benzene với bromine, xúc tác Fe, giải thích được vì sao benzene không phản ứng cộng với nước brom ở điều kiện thường như alkene nhưng vẫn cộng được H2 hoặc Cl2 trong điều kiện khắc nghiệt hơn, và viết được phản ứng cháy hoàn toàn của benzene.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em thấy vòng benzene bền vững nhờ hệ electron π giải toả. Ở Course 6, em cũng đã biết alkene phản ứng cộng đặc trưng với nước brom, làm mất màu dung dịch ngay ở điều kiện thường — dùng đúng phản ứng đó làm phép thử nhận biết. Bài này đặt benzene cạnh alkene để so sánh trực tiếp.

Khởi động

Ở Course 6, em đã biết alkene làm mất màu nước brom ngay ở điều kiện thường — đó là phản ứng cộng đặc trưng. Vậy khi cho benzene, một hydrocarbon có tới bốn đơn vị bất bão hoà, vào nước brom, hiện tượng gì sẽ xảy ra?

Kiến thức trọng tâm

Nhưng nếu thay nước brom bằng bromine khan, có mặt bột sắt làm xúc tác và đun nhẹ, benzene lại phản ứng: $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow[Fe, t^\circ]{} C_6H_5Br + HBr$ . Đây là phản ứng thế electrophin: một nguyên tử H trên vòng bị thay bởi một nguyên tử Br, còn hệ electron π giải toả của vòng được khôi phục nguyên vẹn sau phản ứng — khác hẳn phản ứng cộng, nơi liên kết π biến mất hoàn toàn ở vị trí phản ứng.

Benzene không hoàn toàn trơ với phản ứng cộng — chỉ là cần điều kiện khắc nghiệt hơn nhiều so với alkene. Với xúc tác Ni, nhiệt độ và áp suất cao đủ để phá vỡ tạm thời hệ giải toả, benzene cộng đủ ba phân tử $H_2$ : $C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow[Ni, t^\circ, p]{} C_6H_{12}$ , tạo cyclohexane. Với $Cl_2$ và ánh sáng UV — không cần xúc tác Fe, cơ chế gốc tự do khác hẳn cơ chế thế electrophin ở trên — benzene cộng đủ ba phân tử $Cl_2$ tạo $C_6H_6Cl_6$ , từng được sản xuất làm thuốc trừ sâu mang tên 666 (lindane), nay hạn chế dùng vì tồn lưu lâu trong môi trường.

Cuối cùng, benzene cháy hoàn toàn trong oxygen dư như mọi hydrocarbon: $C_6H_6 + \dfrac{15}{2}O_2 \xrightarrow{t^\circ} 6CO_2 + 3H_2O$ . Vì tỉ lệ carbon trên hydrogen trong phân tử cao hơn hẳn alkane cùng số carbon, ngọn lửa benzene có nhiều muội than.

Nhỏ nước brom, dung dịch $Br_2$ trong nước, không xúc tác, vào benzene ở điều kiện thường: màu vàng cam của nước brom KHÔNG nhạt đi. Hệ electron π giải toả của vòng bền vững đến mức không dễ bị phá vỡ để cộng thêm $Br_2$ như một liên kết đôi bình thường. Nhưng nếu thay nước brom bằng bromine khan, có mặt bột sắt làm xúc tác và đun nhẹ, benzene lại phản ứng: $C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow[Fe, t^\circ]{} C_6H_5Br + HBr$. Đây là phản ứng thế electrophin: một nguyên tử H trên vòng bị thay bởi một nguyên tử Br, còn hệ electron π giải toả của vòng được khôi phục nguyên vẹn sau phản ứng — khác hẳn phản ứng cộng, nơi liên kết π biến mất hoàn toàn ở vị trí phản ứng. Benzene không hoàn toàn trơ với phản ứng cộng — chỉ là cần điều kiện khắc nghiệt hơn nhiều so với alkene. Với xúc tác Ni, nhiệt độ và áp suất cao đủ để phá vỡ tạm thời hệ giải toả, benzene cộng đủ ba phân tử $H_2$: $C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow[Ni, t^\circ, p]{} C_6H_{12}$, tạo cyclohexane. Với $Cl_2$ và ánh sáng UV — không cần xúc tác Fe, cơ chế gốc tự do khác hẳn cơ chế thế electrophin ở trên — benzene cộng đủ ba phân tử $Cl_2$ tạo $C_6H_6Cl_6$, từng được sản xuất làm thuốc trừ sâu mang tên 666 (lindane), nay hạn chế dùng vì tồn lưu lâu trong môi trường. Cuối cùng, benzene cháy hoàn toàn trong oxygen dư như mọi hydrocarbon: $C_6H_6 + \dfrac{15}{2}O_2 \xrightarrow{t^\circ} 6CO_2 + 3H_2O$. Vì tỉ lệ carbon trên hydrogen trong phân tử cao hơn hẳn alkane cùng số carbon, ngọn lửa benzene có nhiều muội than.

Ví dụ

Viết phương trình phản ứng thế benzene với bromine có xúc tác sắt

1
Cho benzene phản ứng với bromine khan có mặt bột sắt làm xúc tác, đun nhẹ. Viết phương trình hoá học và cho biết đây là loại phản ứng gì.
2
Bột Fe tác dụng với một phần $Br_2$ sinh ra $FeBr_3$ , chất này phân cực hoá liên kết Br–Br, tạo điều kiện cho vòng benzene tấn công vào nguyên tử Br mang điện dương.
Bột Fe tác dụng với một phần $Br_2$ sinh ra $FeBr_3$, chất này phân cực hoá liên kết Br–Br, tạo điều kiện cho vòng benzene tấn công vào nguyên tử Br mang điện dương.
3
$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow[Fe, t^\circ]{} C_6H_5Br + HBr$
$C_6H_6 + Br_2 \xrightarrow[Fe, t^\circ]{} C_6H_5Br + HBr$
4
Một nguyên tử H trên vòng benzene bị thay thế bởi một nguyên tử Br, còn hệ electron π giải toả của vòng được giữ nguyên sau phản ứng — đây là phản ứng thế, không phải phản ứng cộng.

Ví dụ

Phân biệt benzene và hex-1-ene bằng nước brom

1
Có hai lọ mất nhãn chứa hex-1-ene và benzene. Chỉ dùng nước brom, dung dịch $Br_2$ trong nước, không xúc tác, hãy đề xuất cách phân biệt hai chất và giải thích bằng phương trình hoá học nếu có.
Có hai lọ mất nhãn chứa hex-1-ene và benzene. Chỉ dùng nước brom, dung dịch $Br_2$ trong nước, không xúc tác, hãy đề xuất cách phân biệt hai chất và giải thích bằng phương trình hoá học nếu có.
2
Hex-1-ene có một liên kết đôi C=C linh động, phản ứng cộng trực tiếp với $Br_2$ ngay ở điều kiện thường nên làm mất màu nước brom nhanh chóng: $CH_2{=}CH{-}[CH_2]_3CH_3 + Br_2 \to CH_2Br{-}CHBr{-}[CH_2]_3CH_3$ . Benzene có hệ electron π giải toả bền vững, không cộng với $Br_2$ trong nước ở điều kiện thường nên không làm mất màu nước brom.
Hex-1-ene có một liên kết đôi C=C linh động, phản ứng cộng trực tiếp với $Br_2$ ngay ở điều kiện thường nên làm mất màu nước brom nhanh chóng: $CH_2{=}CH{-}[CH_2]_3CH_3 + Br_2 \to CH_2Br{-}CHBr{-}[CH_2]_3CH_3$. Benzene có hệ electron π giải toả bền vững, không cộng với $Br_2$ trong nước ở điều kiện thường nên không làm mất màu nước brom.
3
Nhỏ vài giọt nước brom vào hai ống nghiệm chứa hai mẫu chất, lắc nhẹ. Ống nào làm nước brom mất màu ngay là hex-1-ene; ống còn lại vẫn giữ màu vàng cam của nước brom là benzene.
4
Vậy phép thử nước brom không xúc tác phân biệt được alkene và benzene: alkene mất màu ngay do phản ứng cộng, benzene không mất màu do vòng thơm bền, chỉ phản ứng thế khi có xúc tác thích hợp như Fe.

Ví dụ

Phản ứng cộng của benzene trong điều kiện khắc nghiệt và phản ứng cháy

1
Trong công nghiệp, benzene có thể cộng hydrogen để tạo cyclohexane — nguyên liệu sản xuất tơ nylon. Viết phương trình phản ứng đó, và viết phương trình phản ứng cháy hoàn toàn của benzene trong oxygen.
2
Ở điều kiện thường benzene không cộng $H_2$ . Nhưng với xúc tác Ni, nhiệt độ và áp suất cao, vòng thơm bị phá vỡ hệ giải toả tạm thời, cộng đủ 3 phân tử $H_2$ : $C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow[Ni, t^\circ, p]{} C_6H_{12}$ .
Ở điều kiện thường benzene không cộng $H_2$. Nhưng với xúc tác Ni, nhiệt độ và áp suất cao, vòng thơm bị phá vỡ hệ giải toả tạm thời, cộng đủ 3 phân tử $H_2$: $C_6H_6 + 3H_2 \xrightarrow[Ni, t^\circ, p]{} C_6H_{12}$.
3
Benzene cháy hoàn toàn trong oxygen dư tạo $CO_2$ và $H_2O$ : $C_6H_6 + \dfrac{15}{2}O_2 \xrightarrow{t^\circ} 6CO_2 + 3H_2O$ . Vì tỉ lệ carbon trên hydrogen trong phân tử cao hơn hẳn alkane cùng số carbon, benzene cháy cho ngọn lửa có nhiều muội than.
Benzene cháy hoàn toàn trong oxygen dư tạo $CO_2$ và $H_2O$: $C_6H_6 + \dfrac{15}{2}O_2 \xrightarrow{t^\circ} 6CO_2 + 3H_2O$. Vì tỉ lệ carbon trên hydrogen trong phân tử cao hơn hẳn alkane cùng số carbon, benzene cháy cho ngọn lửa có nhiều muội than.
4
Vậy dù bền với phản ứng cộng ở điều kiện thường, benzene vẫn cộng được $H_2$ khi xúc tác và điều kiện đủ mạnh để phá vỡ tạm thời hệ electron π giải toả, và vẫn cháy toả nhiệt như mọi hydrocarbon khác, chỉ khác ở ngọn lửa nhiều muội do tỉ lệ carbon cao.
Vậy dù bền với phản ứng cộng ở điều kiện thường, benzene vẫn cộng được $H_2$ khi xúc tác và điều kiện đủ mạnh để phá vỡ tạm thời hệ electron π giải toả, và vẫn cháy toả nhiệt như mọi hydrocarbon khác, chỉ khác ở ngọn lửa nhiều muội do tỉ lệ carbon cao.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em kết luận vội rằng benzene không bao giờ phản ứng cộng, vì nó không mất màu nước brom. Thực ra benzene vẫn cộng được $H_2$ , xúc tác Ni, nhiệt độ và áp suất cao, hoặc $Cl_2$ , chiếu sáng UV, không cần xúc tác Fe — chỉ là các điều kiện này khắc nghiệt hơn nhiều so với alkene, và sản phẩm cộng $Cl_2$ ( $C_6H_6Cl_6$ ) từng là thuốc trừ sâu 666, nay hạn chế dùng vì tồn lưu lâu trong môi trường.

Nhiều em kết luận vội rằng benzene không bao giờ phản ứng cộng, vì nó không mất màu nước brom. Thực ra benzene vẫn cộng được $H_2$, xúc tác Ni, nhiệt độ và áp suất cao, hoặc $Cl_2$, chiếu sáng UV, không cần xúc tác Fe — chỉ là các điều kiện này khắc nghiệt hơn nhiều so với alkene, và sản phẩm cộng $Cl_2$ ($C_6H_6Cl_6$) từng là thuốc trừ sâu 666, nay hạn chế dùng vì tồn lưu lâu trong môi trường.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Benzene phản ứng THẾ với $Br_2$ khan/Fe, tạo $C_6H_5Br$ và HBr, và với $HNO_3$ /H2SO4 đặc, nhưng KHÔNG làm mất màu nước brom ở điều kiện thường. Benzene chỉ CỘNG trong điều kiện khắc nghiệt: $H_2$ /Ni/t°/p tạo cyclohexane, $Cl_2$ /ánh sáng UV tạo $C_6H_6Cl_6$ . Benzene cháy cho ngọn lửa nhiều muội than do tỉ lệ carbon cao.

Benzene phản ứng THẾ với $Br_2$ khan/Fe, tạo $C_6H_5Br$ và HBr, và với $HNO_3$/H2SO4 đặc, nhưng KHÔNG làm mất màu nước brom ở điều kiện thường. Benzene chỉ CỘNG trong điều kiện khắc nghiệt: $H_2$/Ni/t°/p tạo cyclohexane, $Cl_2$/ánh sáng UV tạo $C_6H_6Cl_6$. Benzene cháy cho ngọn lửa nhiều muội than do tỉ lệ carbon cao.

Benzene chỉ là hydrocarbon thơm đơn giản nhất. Bài tiếp theo giới thiệu toluene — đồng đẳng gần benzene nhất, có thêm một nhóm methyl gắn vào vòng — và cho em thấy nhóm methyl đó làm thay đổi cả vị trí phản ứng thế lẫn khả năng bị oxi hoá.