Giải Câu hỏi 2 trang 13 Chuyên đề Hoá học 12

Lời giải

Phản ứng nitro hoá benzene là phản ứng thế electrophile vào vòng thơm (kí hiệu $S_E$), gồm các giai đoạn sau:

a) Giai đoạn 1 — Tạo tác nhân electrophile $^+NO_2$ (ion nitroni)

$H_2SO_4$ đặc proton hoá nhóm $–OH$ của $HNO_3$:

$$HO–NO_2 + H_2SO_4 \rightarrow [H_2\overset{+}{O}–NO_2] + HSO_4^-$$

Tiếp đó phần $[H_2\overset{+}{O}–NO_2]$ tách phân tử nước, giải phóng ion nitroni:

$$[H_2\overset{+}{O}–NO_2] \rightarrow {}^+NO_2 + H_2O$$

Phương trình tổng hợp tạo tác nhân electrophile:

$$HNO_3 + 2H_2SO_4 \rightarrow {}^+NO_2 + H_3O^+ + 2HSO_4^-$$

b) Giai đoạn 2 — Electrophile tấn công vòng benzene, tạo phức $\sigma$ (cation trung gian)

Cặp electron $\pi$ của vòng benzene tấn công vào nguyên tử $N$ mang điện tích dương của $^+NO_2$, tạo thành cation vòng (phức $\sigma$, ion carboni trung gian). Lúc này nguyên tử $C$ liên kết với nhóm $NO_2$ chuyển sang trạng thái lai hoá $sp^3$ và vòng tạm thời mất tính thơm:

$$C_6H_6 + {}^+NO_2 \rightarrow [C_6H_6NO_2]^+ \;(\text{phức } \sigma)$$

Điện tích dương của cation này được giải toả (cộng hưởng) trên các vị trí ortho và para của vòng nên phức $\sigma$ tương đối bền.

c) Giai đoạn 3 — Tách proton, phục hồi tính thơm

Base trong hệ (ion $HSO_4^-$) tách nguyên tử $H^+$ ở nguyên tử $C$ lai hoá $sp^3$ (C gắn nhóm $NO_2$). Cặp electron của liên kết $C–H$ quay trở lại vòng, khôi phục hệ electron $\pi$ thơm bền vững, tạo ra nitrobenzene:

$$[C_6H_6NO_2]^+ + HSO_4^- \rightarrow C_6H_5NO_2 + H_2SO_4$$

Phương trình chung của phản ứng:

$$C_6H_6 + HONO_2\,(đặc) \xrightarrow{H_2SO_4\,đặc,\ t^o} C_6H_5NO_2 + H_2O$$

Như vậy $H_2SO_4$ đặc vừa đóng vai trò tạo tác nhân electrophile $^+NO_2$, vừa được tái tạo ở giai đoạn cuối nên là chất xúc tác.

Đáp số