Bài giảng Hóa học 10 - Bài 46: Benzen và AnkylBenzen - Nguyễn Thị Lệ Hằng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG HÙNG VƯƠNG Giaùo aùn ñieän töû Baøi 46 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2008 GIÁO VIÊN: Nguyeãn Thò Leä Haèng I. CẤU TRÚC, ĐỒNG ĐẲNG, ĐỒNG PHÂN VÀ DANH PHÁP II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC IV. ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG  Câu h ỏi trắc nghiệm NỘI DUNG Baøi 46 I. CẤU TRÚC, ĐỒNG ĐẲNG, ĐỒNG PHÂN VÀ DANH PHÁP 1. Cấu trúc của phân tử benzen a) Sự hình thành liên kết trong phân tử benzen b) Mô hình phân tử c) Biểu diễn cấu tạo của benzen 2. Đồng đẳng, đồng phân và danh pháp 1. Cấu trúc của phân tử benzen a) Sự hình thành liên kết trong phân tử benzen S ự hình thành các liên kết  ở benzen S ự hình thành các liên kết  ở benzen  Sáu nguyên tử C trong phân tử benzen ở trạng thái lai hóa sp 2 (lai hóa tam giác). Mỗi nguyên tử C sử dụng 3 obitan lai hóa để tạo liên kết  với 2 nguyên tử C bên cạnh nó và 1 nguyên tử H.  Sáu obitan p còn lại của 6 nguyên tử C xen phủ bên với nhau tạo thành hệ liên hợp  chung cho cả vòng benzen.  Nhờ vậy mà liên kết  ở benzen tương đối bền vững hơn so với liên kết  ở anken cũng như ở những hidrocacbon không no khác. b) Mô hình phân tử 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 liên kết đều bằng 120°. Mô hình đặc Mô hình rỗng c) Biểu diễn cấu tạo của benzen  Hai kiểu công thức bên đều được dùng để biểu diễn cấu tạo của benzen chỉ khi cần thiết mới phải ghi rõ các nguyên tử H. 2. Đồng đẳng, đồng phân, danh pháp a) Đồng đẳng  Các ankyl benzen hợp thành dãy đồng đẳng của benzen có công thức chung là C n H 2n – 6 với n  6.  Khi thay thế các nguyên tử hidro trong phân tử benzen (C 6 H 6 ) bằng các nhóm ankyl ta được ankylbenzen. C 6 H 5  CH 3 C 6 H 5  CH 2  CH 3 C 6 H 5  CH 2  CH 2  CH 3 (C 7 H 8 ) (C 8 H 10 ) (C 9 H 12 ) metylbenzen (toluen) etylbenzen propylbenzen b) Danh pháp  Có 2 cách gọi tên ankylbenzen Benzen Nhóm thế Benzen Tên nhánh Số thứ tự chỉ vị trí nhánh Cách 1 Cách 2 c) Đồng phân  Ankylbenzen có đồng phân mạch cacbon và đồng phân vị trí nhóm thế trên vòng benzen.  Khi coi vòng benzen là mạch chính thì các nhóm ankyl đính với nó là mạch nhánh (còn gọi là nhóm thế). CH 3 1 2 (o) 3 (m) 4 (p) (o) 6 (m) 5 Metylbenzen (toluen)  Để gọi tên chúng, phải chỉ rõ vị trí các nguyên tử C của vòng bằng các chữ số hoặc chữ cái o, m, p.  Đọc: 1  2: ortho (o) 3  4: meta (m) 5  6: para (p) 2 VD: Đối với C 8 H 10 CH 2  CH 3 Etylbenzen CH 3 1,2  dimetylbenzen o  dimetylbenzen (o  xilen) CH 3 CH 3 CH 3 1,4  dimetylbenzen p  dimetylbenzen (p  xilen) CH 3 1,3  dimetylbenzen m  dimetylbenzen (m  xilen) CH 3 1 1 2 3 1 2 3 4 II. TÍNH CHẤT VẬT LÝ 1. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng 2. Màu sắc, tính tan và mùi 1. Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng. Aren Công thức cấu tạo Công thức phân tử t nc , °C t s , °C D, g/cm 3 (20°C) Benzen C 6 H 6 C 6 H 6 5,5 80 0,879 Toluen CH 3 C 6 H 5 C 7 H 8  95,0 111 0,867 Etylbenzen CH 3 CH 2 C 6 H 5 C 8 H 10  95,0 136 0,867 o – Xilen 1,2-(CH 3 ) 2 C 6 H 4 C 8 H 10  25,2 144 0,880 m – Xilen 1,3-(CH 3 ) 2 C 6 H 4 C 8 H 10  47,9 139 0,864 p – Xilen 1,4-(CH 3 ) 2 C 6 H 4 C 8 H 10 13,2 138 0,861 Propylbenzen CH 3 CH 2 CH 2 C 6 H 5 C 9 H 12  99,5 159 0,862 Isopropylbenzen (Cumen) (CH 3 ) 2 CHC 6 H 5 C 9 H 12  96,0 152 0,862 Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và khối lượng riêng của benzen và một số ankylbenzen * NHẬN XÉT:  Nhiệt độ nóng chảy nhìn chung giảm dần, có sự bất thường ở p – xilen, o – xilen, m – xilen.  Nhiệt độ sôi tăng dần.  Khối lượng riêng của các hidrocacbon thơm nhỏ hơn 1g/cm 3 các hidrocacbon thơm nhẹ hơn nước. 2. Màu sắc, tính tan và mùi: Benzen và ankyl benzen là những chất không màu, hầu như không tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ, đồng thời chính chúng cũng là dung môi hòa tan nhiều chất khác. Chẳng hạn benzen hòa tan brom, iot, lưu huỳnh, cao su, chất béo... Các aren đều là những chất có mùi. Chẳng hạn như benzen và toluen có mùi thơm nhẹ, nhưng có hại cho sức khỏe, nhất là benzen. Từ công thức cấu tạo: Có hai trung tâm phản ứng: R M ạch vòng M ạch nhánh M ạch vòng M ạch nhánh III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 1. Phản ứng thế a) Phản ứng halogen hóa b) Phản ứng nitro hóa c) Quy tắc ở vòng benzen d) Cơ chế phản ứng thế ở vòng benzen 2. Phản ứng cộng 3. Phản ứng oxi hóa Br 2 Br 1. Phản ứng thế a) Phản ứng halogen hóa + + H (C 6 H 6 ) (C 6 H 5 - Br) brombenzen khí hidrobromua Fe  Trạng thái chất tham gia: brom khan, xúc tác Fe. Br 2 1 + Br 2 + HBr CH 3 CH 3 o – bromtoluen (41%) Fe Toluen phản ứng nhanh hơn benzen và tạo ra hỗn hợp hai đồng phân ortho và para. Br CH 3 p – bromtoluen (59%) 1 3 4 Br 2 C 7 H 8 C 7 H 7 Br + HBr + Br 2 + HBr C 6 H 5  CH 2 : nhóm benzyl C 6 H 5 : nhóm phenyl CH 2 benzyl bromua a/s Nếu không dùng Fe mà chiếu sáng (as) thì Br thế cho H ở nhánh C 7 H 8 H 2  C C 7 H 7 Br  H  Br (I) + Y b) Quy tắc thế ở vòng benzen X Y Y Y  Hướng I: Khi X là  OH ,  NH 2 ,  OCH 3 ... phản ứng thế dễ hơn benzen và định hướng vào vị trí ortho, pora.  Hướng II: Khi X là  NO 2 ,  COOH ,  SO 3 H ... phản ứng thế khó hơn benzen và định hướng vào meta. X + X (II) Y X c) Phản ứng nitro hóa C 6 H 6 H ỗn hợp HNO 3 , H 2 SO 4 Máy khu ấy Ống sinh hàn H 2 O Benzen tác dụng với HNO 3 đặc và H 2 SO 4 đậm đặc tạo thành nitrobenzen. + HO  NO 2 + H 2 O NO 2 nitrobenzen H 2 SO 4 C 6 H 6 H C 6 H 5 NO 2 + HO  NO 2 H 2 SO 4 C 6 H 5 NO 2 O 2 N O 2 N NO 2 + H 2 O m  dinitrobenzen C 6 H 4 (NO 2 ) 2 bốc khói + HO  NO 2 + H 2 O CH 3 NO 2 o – nitrotoluen (58%) H 2 SO 4 Toluen phản ứng nhanh hơn benzen và tạo ra hỗn hợp hai đồng phân ortho và para. C 7 H 8 CH 3 + H 2 O p – nitrotoluen (42%) CH 3 NO 2 C 7 H 7 NO 2 d) Cơ chế phản ứng ở vòng benzen  Phân tử halogen hoặc phân tử axit nitric không trực tiếp tấn công. Các tiêu phân mang điện tích dương tạo thành do tác dụng của chúng với xúc tác mới là tác nhân tấn công trực tiếp vào vòng benzen. + H + H  O  H + + H + O 2 N  O  H O 2 N  O  H + H O 2 N  O  H H + + O = N = O + N O O + H NO 2 NO 2 2. Phản ứng cộng  Benzen và ankylbenzen không làm mất màu dung dịch brom (không cộng với brom) như các hidrocacbon không no.  Khi chiếu sáng benzen cộng với clo thành C 6 H 6 Cl 6 . + 3H 2 t°, a/s (C 6 H 6 ) (C 6 H 12 ) xiclohexan 3. Phản ứng oxi hóa  Benzen không tác dụng với KMnO 4 (không làm mất màu dung dịch KMnO 4 ).  Các ankylbenzen khi đun nóng với dung d ịch KMnO 4 thì chỉ có nhóm ankyl bị oxi hóa. KMnO 4 , H 2 O toluen C 6 H 5  CH 3 C 6 H 5  C  OK O kali benzoat axit bezoic C 6 H 5  C  OH O 80 – 100°C HCl  Các aren khi cháy trong không khí thường tạo ra muội than, khi aren cháy hoàn toàn tạo ra CO 2 , H 2 O và tỏa nhiều nhiệt. C 6 H 6 CO 2 + O 2 15 2 + H 2 O 6 3 C n H 2n  6 + O 2 3n  3 2 CO 2 n + H 2 O (n  3) H =  3273 KJ * Nhận xét: Benzen tương đối dễ tham gia phản ứng thế, khó tham gia phản ứng cộng và bền vững với chất oxi hóa. Đó cũng là tính chất hóa học đặc trưng chung của các hidro thơm nên được gọi là tính thơm. IV. ĐIỀU CHẾ VÀ ỨNG DỤNG 1. Điều chế 2. Ứng dụng 1. Điều chế: a) Chưng cất nhựa than đá hoặc dầu mỏ  benzen. b) Từ ankan hoặc xicloankan. xt, t° CH 3 [CH 2 ] 4 CH 3 C 6 H 6 H 2 4 + xt, t° CH 3 [CH 2 ] 5 CH 3 C 6 H 5  CH 3 H 2 4 + xt, t° C 6 H 6 C 6 H 5  CH 2  CH 3 + CH 2 = CH 2 2. Ứng dụng  Chất dẻo: (polistiren)  Cao su (Buna – Stiren)  Phẩm nhuộm, thuốc nổ TNT, dược phẩm (Poli Stiren) Chất dẻo (Buna – Stiren) Cao su (Tơ capron) Tơ sợi (Phẩm nhuộm) Nitro benzen (Dược phẩm) Anilin (thuốc trừ hại) Phenol (Sản xuất thuốc nổ TNT) Toluen Dung môi CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 1. Có 4 chất: etylen, propin, buta – 1,3 dien; benzen. Xét khả năng làm mất màu dung dịch brom của bốn chất trên, điều khẳng định nào sau đây là đúng ? ĐÁP ÁN ĐÚNG LÀ CÂU B Cả bốn chất đều có khả năng làm mất màu dung dịch brom Có ba chất có khả năng làm mất màu dung dịch brom Có hai chất có khả năng làm mất màu dung dịch brom Ch ỉ có một chất có khả năng làm mất màu dung dịch brom 2. Trong các dữ kiện sau: 1/- Phân tử benzen có hình lục giác đều phẳng 2/- Phản ứng thế 1H bằng 1Cl chỉ cho ra một sản phẩm duy nhất 3/- Trong phản ứng cộng Cl 2 , 6 nguyên tử Cl cộng vào cùng một lúc 4/- Phản ứng hủy với Cl 2 cho ra C và HCl Dữ kiện nào cho thấy trong benzen, 6C và 6H đều tương đương nhau ? 1, 2, 3 1, 2 3, 4 2, 3 ĐÁP ÁN ĐÚNG LÀ CÂU A 3. Benzen phản ứng được với tất cả các chất trong nhóm chất nào sau đây ? Dung dịch Br 2 , H 2 , Cl 2 O 2 , Cl 2 , HBr H 2 , Cl 2 , HNO 3 đậm đặc H 2 , KMnO 4 , C 2 H 5 OH ĐÁP ÁN ĐÚNG LÀ CÂU C 4. Thuốc thử dùng để phân biệt 2 chất lỏng metyl benzen, vinyl benzen ở nhiệt độ thường có thể là: N ước brom Dung d ịch thuốc tím N ước vôi trong A, B đều đúng ĐÁP ÁN ĐÚNG LÀ CÂU D