- descrever a química dos arenos, exemplificada pelas seguintes reações de benzeno e metilbenzeno: (a) reações de substituição com $\text{Cl}_2$ e com $\text{Br}_2$ na presença de um catalisador, $\text{AlCl}_3$ ou $\text{AlBr}_3$, para formar halogenoarenos ( haleto de arila) (b) nitração com uma mistura de $\text{HNO}_3$ concentrado e $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado a uma temperatura entre $25\text{ }^{\circ}\text{C}$ e $60\text{ }^{\circ}\text{C}$ (c) alquilação de Friedel–Crafts por $\text{CH}_3\text{Cl}$ e $\text{AlCl}_3$ e calor (d) acilação de Friedel–Crafts por $\text{CH}_3\text{COCl}$ e $\text{AlCl}_3$ e calor (e) oxidação completa da cadeia lateral usando $\text{KMnO}_4$ alcalino quente seguido de ácido diluído para produzir ácido benzóico (f) hidrogenação do anel de benzeno usando $\text{H}_2$ e catalisador $\text{Pt/Ni}$ e calor para formar um anel de cicloexano
- descrever o mecanismo de substituição eletrofílica em arenos: (a) exemplificado pela formação de nitrobenzeno e bromobenzeno (b) com relação ao efeito de delocalização (estabilização aromática) dos elétrons em arenos para explicar a predominância da substituição sobre a adição
- prever se a halogenação ocorrerá na cadeia lateral ou no anel aromático em arenos dependendo das condições de reação
- descrever que, na substituição eletrofílica de arenos, diferentes substituintes direcionam para diferentes posições do anel (limitado aos efeitos diretores de $-\text{NH}_2$, $-\text{OH}$, $-\text{R}$, $-\text{NO}_2$, $-\text{COOH}$ e $-\text{COR}$)
Hidrocarbonetos
Química do A-Level · Tópico 30
7:42
Hidrocarbonetos (A2): arenos
Água brominada laranja é o teste clássico para uma ligação dupla. Agite com um alceno, e a cor laranja desaparece imediatamente. Agora agite a mesma bromina…
Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas
30.1
Arenos
Programa
Fonte: Programa Cambridge International
Arenos 芳烃 são hidrocarbonetos aromáticos, construídos sobre o anel de benzeno 苯. O anel de elétrons deslocalizados é estável e rico em elétrons, então o benzeno mostly reage por substituição eletrofílica 亲电取代 — mantendo o anel — em vez de por adição.
Reações de benzeno e metilbenzeno
| Reação | Reagentes e condições | Produto |
|---|---|---|
| halogenação | $\text{Cl}_2$ ou $\text{Br}_2$, com $\text{AlCl}_3$ ou $\text{AlBr}_3$ como catalisador 催化剂 | um haloareno 卤代芳烃 ( haleto de arila ) |
| nitração 硝化 | concentrado $\text{HNO}_3$ + concentrado $\text{H}_2\text{SO}_4$, $25$–$60\,°\text{C}$ | nitrobenzeno |
| alquilação de Friedel–Crafts 傅克烷基化 | $\text{CH}_3\text{Cl}$ + $\text{AlCl}_3$, aquecimento | metilbenzeno (adiciona um grupo alquila) |
| acilação de Friedel–Crafts 傅克酰基化 | $\text{CH}_3\text{COCl}$ + $\text{AlCl}_3$, aquecimento | uma fenona (adiciona um grupo acila) |
| oxidação da cadeia lateral | alcalino quente $\text{KMnO}_4$, seguido de ácido diluído | ácido benzoico 苯甲酸 |
| hidrogenação 氢化 | $\text{H}_2$, catalisador $\text{Pt/Ni}$, aquecimento | ciclohexano |
Na oxidação da cadeia lateral, toda a cadeia lateral 侧链 (como o $\text{–CH}_3$ no metilbenzeno) é convertida em um grupo $\text{–COOH}$, produzindo ácido benzoico. Na hidrogenação, três moléculas de $\text{H}_2$ se adicionam ao anel de benzeno 苯环 para formar um anel de ciclohexano saturado.
O mecanismo: substituição eletrofílica
Pegue a nitração como exemplo. A mistura ácida forma o eletrófilo $\text{NO}_2^+$. Em seguida:
- os elétrons deslocalizados do anel formam uma ligação com o eletrófilo, gerando um intermediário instável.
- um $\text{H}^+$ é perdido desse carbono, o que restaura o anel estável.
A substituição vence a adição porque a deslocalização 离域 (estabilização aromática) do anel é mantida. A adição destruiria esse sistema estável, portanto não é favorecida.
Cadeia lateral ou anel?
Onde um halogênio reage depende das condições:
- com um catalisador de portador de halogênio (como $\text{AlCl}_3$) e sem luz UV → substituição no anel.
- com luz UV e sem catalisador → substituição de radical livre na cadeia lateral.
Efeitos orientadores
Um grupo já presente no anel decide onde o próximo grupo irá — seu efeito orientador 定位效应:
| Grupo já presente | Orienta o novo grupo para |
|---|---|
| $\text{–NH}_2$, $\text{–OH}$, $\text{–R}$ | posições 2 e 4 |
| $\text{–NO}_2$, $\text{–COOH}$, $\text{–COR}$ | posição 3 |
Exemplo resolvido. Metilbenzeno e nitrobenzeno são nitrados individualmente. Preveja onde o novo grupo $\text{NO}_2$ irá, e qual composto reage mais rápido. Olhe para o grupo já presente no anel. No metilbenzeno, o $\text{–CH}_3$ é um grupo alquila: ele orienta o novo grupo para as posições 2 e 4, e libera elétrons para o anel, tornando-o mais atrativo para um eletrófilo - então o metilbenzeno nitrata mais rapidamente que o benzeno. No nitrobenzeno, o $\text{–NO}_2$ orienta para a posição 3, e retira elétrons do anel - então o nitrobenzeno nitrata mais lentamente que o benzeno. O grupo já presente controla ambos a posição e a velocidade, e os dois sempre andam juntos: diretores 2,4 ativam o anel, diretores 3 o desativam.
Explorar
Rota de substituição de areno
Siga a substituição eletrofílica no benzeno.
Explorar
Laboratório de efeitos de direção
Classifique substituintes por como afetam o anel de benzeno.
Vocabulário
Treinar
| Inglês | Chinês | Pinyin |
|---|---|---|
| arene/ˈæren/ | 芳烃 | fāng tīng |
| benzene/ˈbenziːn/ | 苯 | běn |
| electrophilic substitution/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ | 亲电取代 | qīn diàn qǔ dài |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | 催化剂 | cuī huà jì |
| halogenoarene/ˈheɪləʊdʒnɔːren/ | 卤代芳烃 | lǔ dài fāng tīng |
| nitration/naɪˈtreɪʃn/ | 硝化 | xiāo huà |
| Friedel–Crafts alkylation/ˈfriːdl kræfts ˌælkɪˈleɪʃn/ | 傅克烷基化 | fù kè wán jī huà |
| Friedel–Crafts acylation/ˈfriːdl kræfts əkɪˈleɪʃn/ | 傅克酰基化 | fù kè xiān jī huà |
| benzoic acid/benˈzəʊɪk ˈæsɪd/ | 苯甲酸 | běn jiǎ suān |
| hydrogenation/haɪˈdrɒdʒəneɪʃn/ | 氢化 | qīng huà |
| side-chain/saɪd tʃeɪn/ | 侧链 | cè liàn |
| benzene ring/ˈbenziːn rɪŋ/ | 苯环 | běn huán |
| delocalisation/dɪˌlɒkəlaɪˈzeɪʃn/ | 离域 | lí yù |
| directing effect/daɪˈrektɪŋ ɪˈfekt/ | 定位效应 | dìng wèi xiào yìng |
30.1
Dicas de prova
- O benzeno sofre substituição eletrofílica, não adição, porque a adição destruiria o anel deslocalizado estável.
- Aprenda nitração (concentrado $\text{HNO}_3$/$\text{H}_2\text{SO}_4$, $50-60\ ^\circ\text{C}$) e halogenação (halogênio + $\text{AlCl}_3$) com o passo de geração do eletrófilo.
- Compare a reatividade: o benzeno resiste à adição muito mais que um alceno devido à deslocalização.
Aulas interativas sobre este tópico
Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.