Bài 14.18 trang 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66 SBT Hóa 11 - Chân trời sáng tạo: Nitro hoá toluene thu được hỗn hợp 3 sản phẩm là o-nitrotoluene...

Trong phản ứng nitro hoá benzene và các hợp chất có vòng benzene, nếu quy ước tốc độ phản ứng tại một trong các carbon bất kì của benzene là 1,0 thì tỉ lệ tốc độ phản ứng tương đối của các vị trí trong vòng benzene ở một số hợp chất được cho như sau:

Từ dữ liệu tỉ lệ tốc độ phản ứng tương đối của các vị trí trong vòng benzene của một số hợp chất đã cho trên, hãy cho biết:

a) Nhóm thế nào làm tăng hoạt và giảm hoạt trong vòng benzene ở trên.

b) Nitro hoá toluene thu được hỗn hợp 3 sản phẩm là o-nitrotoluene, m-nitrotoluene và p-nitrotoluene với tỉ lệ phần trăm mỗi sản phẩm là bao nhiêu?

c) Câu hỏi tương tự khi nitro hoá tert-butylbenzene thu được hỗn hợp 3 sản phẩm ở các vị trí ortho, meta và para? d) Vì sao sản phẩm thế ở vị trí ortho trong phản ứng nitro hoá tert-butylbenzene lại giảm hẳn so với trong phản ứng nitro hoá toluene?

e) Nhận xét tỉ lệ phần trăm sản phẩm thế meta trong các phản ứng nitro hoá toluene và tert-butylbenzene. Rút ra kết luận.

Phương pháp giải :

Quy luật thế vào vòng benzene: Khi trong vòng benzene đã có sẵn một nhóm alkyl, như –CH₃ (hay các nhóm –OH, –NH₂, ....), phản ứng thế vào vòng sẽ dễ dàng hơn, với hướng thế ưu tiên vào các vị trí ortho và para. Ngược lại, nếu vòng benzene đã có sẵn một nhóm –NO₂ (hay –COOH, —COOR, —CHO, ...), phản ứng thế vào vòng sẽ khó hơn và hướng thế ưu tiên vào các vị trí meta. Nhóm –Cl làm khả năng phản ứng thế trong vòng benzene khó hơn, nhưng hướng thế lại ưu tiên thế vào các vị trí ortho và para.

Lời giải chi tiết:

a) Từ dữ liệu bài cho, ta thấy các nhóm thế alkyl làm tăng hoạt vòng benzene, các nhóm thế halogen và ester (-COOCH₃) làm giảm hoạt vòng benzene.

b) Khi nitro hóa toluen, nhóm thế nitro thế vào các vị trí ortho, meta, para trên nhân benzene. Trong đó có 2 vị trí ortho, 2 vị trí meta và 1 vị trí para.

Tỉ lệ phần trăm của sản phẩm thế vào vị trí ortho: \[\frac{{43 \times 2}}{{43 \times 2 + 3 \times 2 + 55}} \times 100\% \approx 58,5\% \]

Tỉ lệ phần trăm của sản phẩm thế vào vị trí meta: \[\frac{{3 \times 2}}{{43 \times 2 + 3 \times 2 + 55}} \times 100\% \approx 4,08\% \]

Tỉ lệ phần trăm của sản phẩm thế vào vị trí para: \[100\% - (58,5\% + 4,08\% ) = 37,42\% \]

c) Khi nitro hoá tert-butylbenzene thu được hỗn hợp 3 sản phẩm có nhóm nitro được thế ở các vị trí ortho, meta và para. Trong đó có 2 vị trí ortho, 2 vị trí meta và 1 vị trí para.

Tỉ lệ phần trăm của sản phẩm thế vào vị trí ortho: \[\frac{{8 \times 2}}{{8 \times 2 + 4 \times 2 + 75}} \times 100\% \approx 16,16\% \]

Tỉ lệ phần trăm của sản phẩm thế vào vị trí meta: \[\frac{{4 \times 2}}{{8 \times 2 + 4 \times 2 + 75}} \times 100\% \approx 8,08\% \]

Tỉ lệ phần trăm của sản phẩm thế vào vị trí para: \[100\% - (16,16\% + 8,08\% ) = 75,76\% \]

d) Nhóm tert-butyl có kích thước lớn làm cản trở sự tấn công tại các vị trí ortho nên phần trăm sản phẩm thế ortho vào tert-butylbenzene giảm so với toluene.

e) Tỉ lệ phần trăm sản phẩm thế meta trong các phản ứng nitro hoá toluene và tert-butylbenzene đều thấp, chứng tỏ các nhóm alkyl làm cho phản ứng có hướng thế ưu tiên vào các vị trí ortho và para hơn so với vào vị trí meta.