Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- Lý thuyết trọng tâm
- I. Khái niệm và danh pháp
- II. Đặc điểm cấu tạo của benzene
- III. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên
- IV. Tính chất hóa học
- V. Ứng dụng
- VI. Điều chế
- Phương pháp giải các dạng bài tập
- Dạng 1: Xác định công thức phân tử và đếm đồng phân arene
- Dạng 2: Bài toán đốt cháy arene
- Dạng 3: Xác định sản phẩm phản ứng thế của arene
- Dạng 4: Xác định công thức cấu tạo arene từ sản phẩm phản ứng
- Bảng tra nhanh
Lý thuyết trọng tâm
I. Khái niệm và danh pháp
1. Khái niệm
Arene (hay còn gọi là hydrocarbon thơm) là những hydrocarbon trong phân tử có chứa một hay nhiều vòng benzene.
- Benzene có công thức $\text{C}_6\text{H}_6$ là một hydrocarbon thơm đơn giản và điển hình nhất.
- Benzene và các đồng đẳng của nó hợp thành dãy đồng đẳng của benzene có công thức chung là:
$$\text{C}_n\text{H}_{2n-6} \quad (n \geq 6)$$
2. Công thức cấu tạo và danh pháp

Một số arene thường gặp:
| Công thức | Tên gọi |
|---|---|
| $\text{C}_6\text{H}_6$ | Benzene |
| $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_3$ | Methylbenzene (toluene) |
| $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}=\text{CH}_2$ | Vinylbenzene (styrene) |
| Hai vòng benzene ngưng tụ | Naphthalene |
Gốc aryl thường gặp:
| Công thức gốc | Tên gốc |
|---|---|
| $\text{C}_6\text{H}_5-$ | Phenyl |
| $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_2-$ | Benzyl |
Các đồng phân xylene ($\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2$):
| Vị trí 2 nhóm $\text{CH}_3$ | Tên gọi | Kí hiệu |
|---|---|---|
| Vị trí 1,2 | 1,2-dimethylbenzene | o-xylene (ortho) |
| Vị trí 1,3 | 1,3-dimethylbenzene | m-xylene (meta) |
| Vị trí 1,4 | 1,4-dimethylbenzene | p-xylene (para) |
Quy tắc gọi tên vị trí:
- ortho- (o-): vị trí số 2
- meta- (m-): vị trí số 3
- para- (p-): vị trí số 4
II. Đặc điểm cấu tạo của benzene
| Đặc điểm | Mô tả |
|---|---|
| Hình dạng | 6 nguyên tử carbon tạo thành hình lục giác đều |
| Cấu trúc phẳng | Tất cả nguyên tử carbon và hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng |
| Góc liên kết | Các góc liên kết đều bằng 120° |
| Độ dài liên kết C–C | Đều bằng 139 pm |
Để đơn giản, benzene thường được biểu diễn bởi các công thức:

III. Tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên
1. Tính chất vật lí
Bảng tính chất vật lí của một số arene:
| Arene | Nhiệt độ nóng chảy (°C) | Nhiệt độ sôi (°C) | Khối lượng riêng (g/cm³) |
|---|---|---|---|
| Benzene | 5,5 | 80,1 | 0,878 |
| Toluene | –95,0 | 110,6 | 0,867 |
| o-Xylene | –25,2 | 144 | 0,880 |
| m-Xylene | –47,4 | 139 | 0,864 |
| p-Xylene | 13,3 | 138 | 0,861 |
| Styrene | –30,0 | 145 | 0,909 |
| Naphthalene | 80,26 | 218 | 1,0253 (20 độ C)
0,9625 (100 độ C) |
Đặc điểm chung:
| Tính chất | Đặc điểm |
|---|---|
| Trạng thái | Benzene, toluene, xylene, styrene: chất lỏng; Naphthalene: chất rắn màu trắng |
| Màu sắc | Không màu, trong suốt |
| Mùi | Có mùi đặc trưng |
| Tính cháy | Dễ cháy |
| Tính tan | Không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ |
| Khối lượng riêng | Thường nhẹ hơn nước |
2. Trạng thái tự nhiên
- BTX (Benzene, Toluene, Xylene) có trong dầu mỏ với hàm lượng thấp
- Naphthalene và các arene đa vòng khác có trong dầu mỏ và nhựa than đá
IV. Tính chất hóa học
1. Phản ứng thế
Arene có thể tham gia phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene như phản ứng halogen hoá, nitro hoá,…
Quy tắc thế: Khi benzene có nhóm thế alkyl ($-\text{CH}_3$, $-\text{C}_2\text{H}_5$,…), các phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene xảy ra dễ dàng hơn so với benzene và ưu tiên thế vào vị trí số 2 hoặc số 4 (vị trí ortho hoặc para) so với nhóm alkyl.
a) Phản ứng halogen hoá
Điều kiện: Nhiệt độ cao, xúc tác muối iron(III) halide ($\text{FeBr}_3$, $\text{FeCl}_3$).
Benzene tác dụng với bromine:
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{Br} + \text{HBr}$$
Toluene tác dụng với bromine (tạo 2 sản phẩm chính):
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3, t^\circ} o\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)\text{Br} + p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)\text{Br} + \text{HBr}$$
b) Phản ứng nitro hoá
Định nghĩa: Phản ứng nitro hoá là phản ứng trong đó một hay nhiều nguyên tử hydrogen ở vòng benzene được thay thế bằng nhóm nitro ($-\text{NO}_2$).
Điều kiện: Hỗn hợp $\text{HNO}_3$ đặc và $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nhiệt độ không quá 50°C.
Benzene tạo nitrobenzene:
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O}$$
Sản phẩm nitrobenzene là chất lỏng, màu vàng nhạt, sánh như dầu.
Toluene tạo hỗn hợp 2 sản phẩm chính:
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t^\circ} o\text{-nitrotoluene} + p\text{-nitrotoluene} + \text{H}_2\text{O}$$
2. Phản ứng cộng
a) Phản ứng cộng chlorine
Điều kiện: Ánh sáng tử ngoại (UV) và đun nóng.
$$\text{C}_6\text{H}_6 + 3\text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{UV}, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6\text{Cl}_6$$
Sản phẩm: 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane
b) Phản ứng cộng hydrogen
Điều kiện: Áp suất cao, nhiệt độ cao, xúc tác Ni hoặc Pt.
$$\text{C}_6\text{H}_6 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni}, t^\circ, p} \text{C}_6\text{H}_{12}$$
Sản phẩm: cyclohexane
Phản ứng này được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất cyclohexane.
3. Phản ứng oxi hoá
a) Phản ứng oxi hoá hoàn toàn (phản ứng cháy)
Các arene dễ cháy và toả nhiều nhiệt.
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 9\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} 7\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$$
b) Phản ứng oxi hoá nhóm alkyl
Toluene và các alkylbenzene khác có thể bị oxi hoá bởi dung dịch $\text{KMnO}_4$.
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + 2\text{MnO}_2 + \text{KOH} + \text{H}_2\text{O}$$
Sản phẩm potassium benzoate có thể chuyển thành benzoic acid:
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + \text{HCl} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{KCl}$$
Lưu ý quan trọng: Benzene KHÔNG phản ứng với dung dịch $\text{KMnO}_4$ ở điều kiện thường.
V. Ứng dụng

| Arene | Ứng dụng |
|---|---|
| Benzene | Tổng hợp styrene, cumene; sản xuất polymer, dung môi, thuốc nhuộm, dược phẩm, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp |
| Toluene | Sản xuất thuốc nổ TNT, dung môi |
| Xylene | Sản xuất polymer, dung môi |
| Styrene | Sản xuất polymer (polystyrene) |
| Cumene | Sản xuất acetone và phenol |
| Naphthalene | Diệt gián, côn trùng |
Cách ứng xử thích hợp với việc sử dụng arene:
- Arene là những chất độc, khi làm việc cần tuân thủ đúng quy tắc an toàn
- Benzene là chất làm tăng nguy cơ gây ung thư → không được tiếp xúc trực tiếp
- Không sử dụng các chất đã bị cấm như DDT, 666 (hexachlorocyclohexane)
VI. Điều chế
Trong công nghiệp:
| Phương pháp | Sản phẩm |
|---|---|
| Reforming phân đoạn dầu mỏ (từ alkane, cycloalkane $\text{C}_6$ đến $\text{C}_8$) | Benzene, toluene |
| Phản ứng benzene với ethylene (xúc tác zeolite) | Ethylbenzene → Styrene |
| Chưng cất nhựa than đá | Naphthalene |
Ví dụ:
$$\text{C}_6\text{H}_{12} \text{ (cyclohexane)} \xrightarrow{\text{xúc tác}, t^\circ} \text{C}_6\text{H}_6 + 4\text{H}_2$$
$$\text{C}_6\text{H}_6 + \text{CH}_2=\text{CH}_2 \xrightarrow{\text{H}^+, \text{xúc tác}} \text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 \text{ (ethylbenzene)}$$
Phương pháp giải các dạng bài tập
$$\text{Dãy đồng đẳng benzene: } \text{C}_n\text{H}_{2n-6}\ (n \ge 6), \qquad M = 14n – 6$$
$$\text{C}_n\text{H}_{2n-6} + \frac{3n-3}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} n\text{CO}_2 + (n-3)\text{H}_2\text{O}$$
Đơn vị thể tích khí theo chương trình mới: ở điều kiện chuẩn (đkc: $25^\circ\text{C}$, 1 bar), $1$ mol khí chiếm $24{,}79$ lít. Đề cũ dùng $22{,}4$ L/mol ở đktc.

Dạng 1: Xác định công thức phân tử và đếm đồng phân arene
Phương pháp giải
Bước 1. Đặt công thức. Với arene thuộc dãy đồng đẳng benzene (benzene và các alkylbenzene):
$$\text{C}_n\text{H}_{2n-6} \qquad M = 12n + (2n – 6) = 14n – 6$$
Bước 2. Lập phương trình theo dữ kiện đề cho:
| Đề cho | Phương trình |
|---|---|
| Phần trăm khối lượng carbon | $\%\text{C} = \dfrac{12n}{14n-6}\times 100\%$ |
| Phần trăm khối lượng hydrogen | $\%\text{H} = \dfrac{2n-6}{14n-6}\times 100\%$ |
| Tỉ khối so với không khí | $M = 29, d_{X/\text{kk}}$ |
| Tỉ khối so với hydrogen | $M = 2, d_{X/\text{H}_2}$ |
Bước 3. Giải ra $n$, rồi thay lại kiểm tra.
Bước 4. Viết đồng phân (nếu đề hỏi số đồng phân). Với alkylbenzene, đếm theo hai hướng rồi cộng lại:
- Đổi kiểu mạch carbon của nhóm alkyl (ví dụ nhóm $\text{C}_3\text{H}_7-$ có 2 dạng: propyl và isopropyl);
- Đổi vị trí các nhóm thế trên vòng (ortho, meta, para khi có 2 nhóm).
Số đồng phân alkylbenzene cần thuộc:
| Công thức phân tử | Số đồng phân | Gồm |
|---|---|---|
| $\text{C}_7\text{H}_8$ | 1 | toluene |
| $\text{C}_8\text{H}_{10}$ | 4 | ethylbenzene; o-, m-, p-xylene |
| $\text{C}_9\text{H}_{12}$ | 8 | 2 (propyl, isopropyl) + 3 (ethyltoluene) + 3 (trimethylbenzene) |
Bài tập mẫu 1
Đề bài: Alkylbenzene X có phần trăm khối lượng carbon bằng $90{,}566\%$. Xác định công thức phân tử và số đồng phân cấu tạo của X.
Lời giải
Bước 1. Đặt X là $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$, khối lượng mol $M = 14n – 6$.
Bước 2. Lập phương trình:
$$\frac{12n}{14n – 6} = 0{,}90566$$
Bước 3. Nhân chéo:
$$12n = 0{,}90566,(14n – 6) = 12{,}679n – 5{,}434$$
$$0{,}679n = 5{,}434 \Rightarrow n = 8$$
Vậy X là $\text{C}_8\text{H}_{10}$.
Kiểm tra: $\%\text{C} = \dfrac{96}{106}\times 100\% = 90{,}57\%$ ✓
Bước 4. Viết đồng phân. Với $\text{C}_8\text{H}_{10}$, phần alkyl gắn vào vòng có tổng 2 nguyên tử C, có hai hướng:
Một nhóm $\text{C}_2\text{H}_5-$ gắn vào vòng:
$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 \quad \text{(ethylbenzene)}$$
Hai nhóm $\text{CH}_3-$ gắn vào vòng, xét ba vị trí tương đối:
$$o\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2 \quad ; \quad m\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2 \quad ; \quad p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2$$
Kết luận: X là $\text{C}_8\text{H}_{10}$, có 4 đồng phân cấu tạo.
Bài tập mẫu 2
Đề bài: Hydrocarbon X có tỉ khối so với không khí xấp xỉ $3{,}173$. Ở nhiệt độ thường, X không làm mất màu dung dịch bromine; khi đun nóng, X làm mất màu dung dịch $\text{KMnO}_4$. Xác định X.
Lời giải
Bước 1. Tìm khối lượng mol
$$M_{\text{X}} = 29 \times 3{,}173 \approx 92$$
Bước 2. Tìm công thức phân tử. Giả thiết X thuộc dãy đồng đẳng benzene:
$$14n – 6 = 92 \Rightarrow 14n = 98 \Rightarrow n = 7$$
Vậy X là $\text{C}_7\text{H}_8$.
Bước 3. Đối chiếu với tính chất hoá học
| Dữ kiện | Ý nghĩa |
|---|---|
| Không làm mất màu dung dịch bromine ở nhiệt độ thường | X không có liên kết bội ngoài vòng, loại styrene |
| Đun nóng làm mất màu dung dịch $\text{KMnO}_4$ | X có nhóm alkyl gắn vào vòng, loại benzene |
Kết luận: X là toluene $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_3$.
Ghi nhớ để loại đáp án: benzene không phản ứng với $\text{KMnO}_4$ dù đun nóng; styrene làm mất màu dung dịch bromine ngay ở nhiệt độ thường vì có liên kết đôi $\text{C}=\text{C}$ ở nhánh.
Dạng 2: Bài toán đốt cháy arene
Phương pháp giải
Bước 1. Viết phương trình cháy tổng quát của dãy đồng đẳng benzene:
$$\text{C}_n\text{H}_{2n-6} + \frac{3n-3}{2}\text{O}_2 \xrightarrow{t^\circ} n\text{CO}_2 + (n-3)\text{H}_2\text{O}$$
Bước 2. Ghi nhớ hệ thức đặc trưng — đây là công cụ chính của dạng này:
$$n_{\text{CO}_2} – n_{\text{H}_2\text{O}} = 3\, n_{\text{arene}} \qquad \Longrightarrow \qquad n_{\text{arene}} = \frac{n_{\text{CO}_2} – n_{\text{H}_2\text{O}}}{3}$$
So sánh với các dãy đã học:
| Loại hydrocarbon | Quan hệ số mol sản phẩm cháy |
|---|---|
| Alkane $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$ | $n_{\text{H}_2\text{O}} – n_{\text{CO}_2} = n_{\text{chất}}$ |
| Alkene $\text{C}_n\text{H}_{2n}$ | $n_{\text{H}_2\text{O}} = n_{\text{CO}_2}$ |
| Alkyne $\text{C}_n\text{H}_{2n-2}$ | $n_{\text{CO}_2} – n_{\text{H}_2\text{O}} = n_{\text{chất}}$ |
| Arene $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$ | $n_{\text{CO}_2} – n_{\text{H}_2\text{O}} = 3\,n_{\text{chất}}$ |
Bước 3. Tính số nguyên tử carbon:
$$n = \frac{n_{\text{CO}_2}}{n_{\text{arene}}}$$
Bước 4. Nếu đề chỉ cho khối lượng arene và một sản phẩm, lập phương trình theo $n$:
$$n_{\text{arene}} = \frac{m}{14n – 6} \qquad ; \qquad n\times\frac{m}{14n-6} = n_{\text{CO}_2}$$
Bài tập mẫu 1
Đề bài: Đốt cháy hoàn toàn một alkylbenzene X, thu được $17{,}6$ gam $\text{CO}_2$ và $4{,}5$ gam $\text{H}_2\text{O}$. Xác định công thức phân tử của X.
Lời giải
Bước 1. Tính số mol sản phẩm
$$n_{\text{CO}_2} = \frac{17{,}6}{44} = 0{,}4\ \text{mol} \qquad n_{\text{H}_2\text{O}} = \frac{4{,}5}{18} = 0{,}25\ \text{mol}$$
Bước 2. Tính số mol arene
$$n_{\text{X}} = \frac{n_{\text{CO}_2} – n_{\text{H}_2\text{O}}}{3} = \frac{0{,}4 – 0{,}25}{3} = \frac{0{,}15}{3} = 0{,}05\ \text{mol}$$
Bước 3. Tính số nguyên tử carbon
$$n = \frac{0{,}4}{0{,}05} = 8$$
Kiểm tra: $\text{C}_8\text{H}_{10}$ cháy cho $8\text{CO}_2$ và $5\text{H}_2\text{O}$, vậy $0{,}05$ mol X cho $0{,}4$ mol $\text{CO}_2$ và $0{,}25$ mol $\text{H}_2\text{O}$ ✓
Kết luận: X là $\text{C}_8\text{H}_{10}$.
Bài tập mẫu 2
Đề bài: Đốt cháy hoàn toàn $9{,}2$ gam một alkylbenzene A, thu được $30{,}8$ gam $\text{CO}_2$. Xác định công thức phân tử của A.
Lời giải
Bước 1. Tính số mol $\text{CO}_2$
$$n_{\text{CO}_2} = \frac{30{,}8}{44} = 0{,}7\ \text{mol}$$
Bước 2. Đặt công thức và lập phương trình. Đặt A là $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}$, khối lượng mol $M = 14n – 6$:
$$n_{\text{A}} = \frac{9{,}2}{14n – 6}$$
Mỗi mol A cháy cho $n$ mol $\text{CO}_2$:
$$n \times \frac{9{,}2}{14n – 6} = 0{,}7$$
Bước 3. Giải phương trình
$$9{,}2n = 0{,}7,(14n – 6) = 9{,}8n – 4{,}2$$
$$0{,}6n = 4{,}2 \Rightarrow n = 7$$
Kiểm tra: $M = 14\times 7 – 6 = 92$; $n_{\text{A}} = \dfrac{9{,}2}{92} = 0{,}1$ mol, cho $0{,}1\times 7 = 0{,}7$ mol $\text{CO}_2$ ✓
Kết luận: A là $\text{C}_7\text{H}_8$ (toluene).
Chọn cách làm nào? Đề cho cả hai sản phẩm cháy thì dùng hệ thức hiệu số mol (bài mẫu 1), nhanh hơn. Đề cho khối lượng arene và một sản phẩm thì lập phương trình theo $n$ (bài mẫu 2).
Dạng 3: Xác định sản phẩm phản ứng thế của arene
Phương pháp giải
Bước 1. Xác định vòng benzene đã có nhóm thế alkyl hay chưa.
Bước 2. Áp dụng quy tắc thế:
| Chất tham gia | Số sản phẩm thế | Vị trí |
|---|---|---|
| Benzene (chưa có nhóm thế) | 1 sản phẩm | 6 nguyên tử H tương đương nhau |
| Alkylbenzene (toluene, ethylbenzene…) | 2 sản phẩm chính | Vị trí số 2 (ortho) và số 4 (para) so với nhóm alkyl |
Lưu ý: Khi vòng benzene đã có nhóm alkyl thì phản ứng thế xảy ra dễ dàng hơn so với benzene.
Bước 3. Ghi đúng điều kiện phản ứng — đây là chỗ mất điểm nhiều nhất:
| Loại phản ứng | Tác nhân | Điều kiện |
|---|---|---|
| Halogen hoá | $\text{Br}_2$, $\text{Cl}_2$ | Xúc tác $\text{FeBr}_3$ hoặc $\text{FeCl}_3$, $t^\circ$ |
| Nitro hoá | $\text{HNO}_3$ đặc | $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, nhiệt độ không quá $50^\circ\text{C}$ |
Bước 4. Viết phương trình, sản phẩm phụ luôn là $\text{HBr}$ (halogen hoá) hoặc $\text{H}_2\text{O}$ (nitro hoá).
Bài tập mẫu
Đề bài: Viết phương trình hoá học của phản ứng giữa ethylbenzene với:
a) $\text{Br}_2$, xúc tác $\text{FeBr}_3$, đun nóng.
b) $\text{HNO}_3$ đặc, xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc.
Lời giải
Ethylbenzene $\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5$ có nhóm alkyl $-\text{C}_2\text{H}_5$ gắn vào vòng, nên phản ứng thế ưu tiên vào vị trí ortho và para so với nhóm này, tạo hai sản phẩm chính.
Câu a. Phản ứng halogen hoá
$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3,, t^\circ} o\text{-Br}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HBr}$$
$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{FeBr}_3,, t^\circ} p\text{-Br}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HBr}$$
Sản phẩm: 1-bromo-2-ethylbenzene và 1-bromo-4-ethylbenzene.
Câu b. Phản ứng nitro hoá
$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4\ \text{đặc},, t^\circ} o\text{-}\text{O}_2\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$
$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{HNO}_3 \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_4\ \text{đặc},, t^\circ} p\text{-}\text{O}_2\text{N}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{C}_2\text{H}_5 + \text{H}_2\text{O}$$
Sản phẩm: 1-ethyl-2-nitrobenzene và 1-ethyl-4-nitrobenzene.

Dạng 4: Xác định công thức cấu tạo arene từ sản phẩm phản ứng
Phương pháp giải
Dạng này cho sản phẩm, yêu cầu suy ngược ra arene ban đầu. Có hai hướng suy luận, tuỳ loại phản ứng.
Hướng 1 — từ sản phẩm cộng hydrogen.
Mỗi vòng benzene cộng đúng 3 phân tử $\text{H}_2$ để thành vòng cyclohexane; các nhóm thế giữ nguyên cả loại lẫn vị trí.
$$\text{Vòng benzene} + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni},, t^\circ,, p} \text{Vòng cyclohexane}$$
Cách suy ngược: đổi vòng cyclohexane trong sản phẩm trở lại thành vòng benzene, giữ nguyên nhóm thế.
Đếm số mol $\text{H}_2$: $n_{\text{H}_2} = 3\times(\text{số vòng benzene}) + (\text{số liên kết } \pi \text{ ở nhánh})$. Ví dụ styrene $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}=\text{CH}_2$ cần $3 + 1 = 4$ phân tử $\text{H}_2$; naphthalene có 2 vòng nên cần 5 phân tử $\text{H}_2$ để no hoàn toàn.
Hướng 2 — từ sản phẩm oxi hoá bởi $\text{KMnO}_4$.
Mỗi nhóm alkyl gắn trực tiếp vào vòng bị oxi hoá thành một nhóm $-\text{COOH}$, bất kể nhóm alkyl đó dài bao nhiêu; vòng benzene được giữ nguyên.
$$-\text{CH}_3 \ \text{hoặc}\ -\text{C}_2\text{H}_5 \ \xrightarrow{\text{KMnO}_4,, t^\circ}\ -\text{COOH}$$
Cách suy ngược: số nhóm $-\text{COOH}$ = số nhóm alkyl, và vị trí giữ nguyên. Số nguyên tử carbon còn lại của đề sẽ cho biết mỗi nhánh dài bao nhiêu.
Phương trình với toluene (tỉ lệ mol $1:2$):
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3 + 2\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + 2\text{MnO}_2\downarrow + \text{KOH} + \text{H}_2\text{O}$$
$$\text{C}_6\text{H}_5\text{COOK} + \text{HCl} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{COOH} + \text{KCl}$$
Chốt quan trọng: benzene không bị oxi hoá bởi $\text{KMnO}_4$ vì không có nhóm alkyl. Nếu đề nói chất làm mất màu $\text{KMnO}_4$ khi đun nóng thì chất đó chắc chắn không phải benzene.
Bài tập mẫu 1
Đề bài: Hydrogen hoá hoàn toàn arene X (công thức phân tử $\text{C}_8\text{H}_{10}$) có xúc tác nickel, thu được sản phẩm là ethylcyclohexane. Xác định công thức cấu tạo của X.
Lời giải
Bước 1. Phân tích sản phẩm. Ethylcyclohexane gồm một vòng cyclohexane và một nhóm $-\text{C}_2\text{H}_5$.
Bước 2. Suy ngược. Vòng cyclohexane sinh ra từ vòng benzene, nhóm $-\text{C}_2\text{H}_5$ giữ nguyên. Vậy X gồm một vòng benzene và một nhóm ethyl:
$$\text{X}: \text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5$$
Bước 3. Kiểm tra công thức phân tử. $\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5$ có $6 + 2 = 8$ C và $5 + 5 = 10$ H, đúng là $\text{C}_8\text{H}_{10}$ ✓
Phương trình:
$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{C}_2\text{H}_5 + 3\text{H}_2 \xrightarrow{\text{Ni},\, t^\circ,\, p} \text{C}_6\text{H}_{11}-\text{C}_2\text{H}_5$$
Kết luận: X là ethylbenzene.
So sánh để hiểu rõ: cũng có công thức $\text{C}_8\text{H}_{10}$ nhưng nếu sản phẩm là 1,4-dimethylcyclohexane thì X phải là p-xylene. Sản phẩm hydrogen hoá cho biết chính xác số lượng và vị trí nhóm thế.
Bài tập mẫu 2
Đề bài: Terephthalic acid $p\text{-HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}$ là nguyên liệu tổng hợp nhựa PET, được điều chế bằng cách oxi hoá arene X (công thức phân tử $\text{C}_8\text{H}_{10}$) bởi dung dịch thuốc tím. Xác định công thức cấu tạo của X.
Lời giải
Bước 1. Phân tích sản phẩm. Terephthalic acid có một vòng benzene và 2 nhóm $-\text{COOH}$ ở vị trí para.
Bước 2. Suy ngược. Mỗi nhóm $-\text{COOH}$ sinh ra từ một nhóm alkyl, vị trí giữ nguyên. Vậy X có một vòng benzene và 2 nhóm alkyl ở vị trí para.
Bước 3. Xác định độ dài mỗi nhánh. X là $\text{C}_8\text{H}_{10}$, vòng benzene chiếm 6 C, còn lại $8 – 6 = 2$ C chia cho 2 nhánh, vậy mỗi nhánh là $-\text{CH}_3$.
$$\text{X}: p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2$$
Bước 4. Kiểm tra. $p$-xylene có công thức phân tử $\text{C}_8\text{H}_{10}$ ✓
Phương trình:
$$p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{CH}_3)_2 + 4\text{KMnO}_4 \xrightarrow{t^\circ} p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{COOK})_2 + 4\text{MnO}_2\downarrow + 2\text{KOH} + 2\text{H}_2\text{O}$$
$$p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{COOK})_2 + 2\text{HCl} \longrightarrow p\text{-}\text{C}_6\text{H}_4(\text{COOH})_2 + 2\text{KCl}$$
Kết luận: X là p-xylene (1,4-dimethylbenzene).
Vì sao không phải ethylbenzene? Ethylbenzene cũng là $\text{C}_8\text{H}_{10}$ nhưng chỉ có một nhóm alkyl, khi oxi hoá chỉ cho một nhóm $-\text{COOH}$, tức là benzoic acid chứ không phải terephthalic acid.
Bảng tra nhanh
| Đề cho | Cần tìm | Cách làm | Dạng |
|---|---|---|---|
| $\%\text{C}$ hoặc $\%\text{H}$ | Công thức phân tử | $\dfrac{12n}{14n-6}$ hoặc $\dfrac{2n-6}{14n-6}$ | 1 |
| Tỉ khối so với không khí hoặc $\text{H}_2$ | Công thức phân tử | $M = 29d$ hoặc $M = 2d$, rồi $14n – 6 = M$ | 1 |
| Công thức phân tử | Số đồng phân | Đổi mạch nhánh và đổi vị trí o, m, p | 1 |
| $n_{\text{CO}_2}$ và $n_{\text{H}_2\text{O}}$ | Công thức phân tử | $n_{\text{arene}} = \dfrac{n_{\text{CO}_2} – n_{\text{H}_2\text{O}}}{3}$ | 2 |
| Khối lượng arene và $m_{\text{CO}_2}$ | Công thức phân tử | $n\times\dfrac{m}{14n-6} = n_{\text{CO}_2}$ | 2 |
| Arene $+\ \text{Br}_2/\text{FeBr}_3$ hoặc $\text{HNO}_3/\text{H}_2\text{SO}_4$ | Sản phẩm | Benzene cho 1 sản phẩm; alkylbenzene cho 2 sản phẩm o, p | 3 |
| Sản phẩm hydrogen hoá | Công thức cấu tạo arene | Đổi vòng cyclohexane thành vòng benzene, giữ nguyên nhánh | 4 |
| Sản phẩm oxi hoá $\text{KMnO}_4$ | Công thức cấu tạo arene | Số nhóm $-\text{COOH}$ = số nhánh alkyl, vị trí giữ nguyên | 4 |

ThS. Lê Thị Mai Nhi
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT
Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ

