BENZEN: LỊCH SỬ, CẤU TẠO, TÍNH CHẤT, DẪN XUẤT, CÔNG DỤNG - HÓA HỌC - 2024

Các benzen là một hợp chất hữu cơ bao gồm một trong những đơn giản nhất của tất cả các hydrocacbon thơm. Công thức hóa học của nó là C ₆ H ₆ , trong đó biết rằng tỷ lệ giữa cacbon và hydro bằng 1; nghĩa là đối với mỗi carbon có một hydro liên kết với nó.

Mặc dù bề ngoài vật lý của nó là chất lỏng không màu, nó được tìm thấy tự nhiên trong dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ. Mùi của nó rất đặc trưng, ​​giống như hỗn hợp keo, bitum và xăng; mặt khác, nó là một chất lỏng dễ bay hơi và dễ cháy.

Bình bằng benzen. Nguồn: Air1404

Hình ảnh trên cho thấy một hộp hoặc chai chứa benzen, có lẽ là loại không tinh khiết phân tích. Nếu không được đậy nắp, hơi benzen sẽ ngay lập tức lan tỏa khắp phòng thí nghiệm. Vì lý do này, chất lỏng này, thường được sử dụng như một dung môi đơn giản, được xử lý bên trong tủ hút.

Với công thức của nó là C ₆ H ₆ , các nhà hóa học của thế kỷ XIX đã đưa ra nhiều cấu trúc có thể có tương ứng với tỷ lệ C / H nói trên bằng 1. Không chỉ điều này, mà phân tử benzen phải có các liên kết đặc biệt theo cách mà nó có thể được giải thích sự ổn định bất thường của nó chống lại các phản ứng bổ sung; đặc trưng cho anken và polien.

Do đó, các liên kết của chúng là một bí ẩn đối với các nhà hóa học thời đó; cho đến khi đặc tính được gọi là tính thơm được giới thiệu. Trước khi được coi là một hexacyclotriene (với ba liên kết C = C), benzen còn nhiều hơn thế nữa, và là một ví dụ khác về sức mạnh tổng hợp trong hóa học.

Trong hóa học hữu cơ, benzen là một ký hiệu cổ điển, là cơ sở cấu tạo của các hợp chất đa thơm. Từ hình lục giác của nó, vô số dẫn xuất thu được thông qua thay thế electrophin thơm; một vòng từ có các cạnh cấu trúc xác định các hợp chất mới được dệt.

Trên thực tế, các dẫn xuất của nó là do ứng dụng công nghiệp rộng lớn mà họ cần benzen làm nguyên liệu thô. Từ việc chuẩn bị keo và sợi dệt, đến nhựa, cao su, bột màu, ma túy và chất nổ. Mặt khác, benzen được tìm thấy tự nhiên trong núi lửa, cháy rừng, xăng dầu và trong khói thuốc lá.

Lịch sử

Khám phá và tên

Khám phá ra nó có từ năm 1825, thường là do Michael Faraday, khi ông thu thập và làm thí nghiệm với một sản phẩm dầu còn lại của khí được sử dụng để thắp sáng. Chất lỏng này chứa một tỷ lệ C / H gần bằng 1, đó là lý do tại sao ông gọi nó là 'hydro được chế biến từ cacbon'.

Nhà hóa học Auguste Laurent đã đặt tên cho hiđrocacbon lạ là 'pheno', bắt nguồn từ từ 'phaínein' trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là sáng (vì nó thu được sau khi khí đốt cháy). Tuy nhiên, cái tên này không được cộng đồng khoa học chấp nhận và chỉ phổ biến là 'phenyl', để chỉ chất gốc có nguồn gốc từ benzen.

Từ kẹo cao su benzoin, nhà hóa học Eilhard Mitscherlich, chín năm sau, đã sản xuất ra hợp chất tương tự; Do đó, có một nguồn khác cho cùng một loại hydrocacbon, mà ông đã rửa tội là 'benzine'. Tuy nhiên, họ cũng không xem xét tên thích hợp để cho rằng đó là một alkaloid, chẳng hạn như quinine.

Do đó, họ đã thay thế tên 'benzine' bằng 'benzol'. Tuy nhiên, một lần nữa lại có những mâu thuẫn và khác biệt do thuật ngữ 'benzol' đã nhầm lẫn hiđrocacbon với một rượu. Sau đó, cái tên 'benzen' ra đời, được sử dụng đầu tiên ở Pháp và Anh.

Sản xuất công nghiệp

Cả khí đốt và kẹo cao su benzoin đều không phải là nguồn thích hợp để tạo ra benzen trên quy mô lớn. Charles Mansfield, làm việc với August Wilhelm von Hofmann, đã thành công vào năm 1845 trong việc phân lập benzen (hai mươi năm sau khi phát hiện ra nó) từ nhựa than đá, một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất than cốc.

Đây là cách bắt đầu sản xuất công nghiệp benzen từ nhựa than đá. Sự sẵn có của benzen với số lượng lớn đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu các tính chất hóa học của nó và cho phép nó có liên quan đến các hợp chất khác có hoạt tính phản ứng tương tự. August Wilhelm von Hofmann đã tự đặt ra từ 'thơm' cho benzen và các hợp chất liên quan của nó.

Cấu trúc lịch sử

Giấc mơ của August Kekulé

Friedrich August Kekulé được cho là có cấu trúc lục giác và tuần hoàn của benzen vào khoảng năm 1865, nảy sinh từ một giấc mơ kỳ lạ với Uroboros, con rắn tự cắn đuôi của mình bằng cách vẽ một vòng tròn. Do đó, ông tin rằng benzen có thể được coi là một vòng lục giác, và các nhà hóa học khác đã nêu ra các cấu trúc có thể có, được trình bày dưới đây:

Cấu trúc của vòng benzen được đề xuất trong suốt lịch sử. Nguồn: Jü

Một số cấu trúc cao hơn có thể giải thích cho sự ổn định của benzen.

Sách, nhẫn và lăng kính

Lưu ý rằng cấu trúc thứ ba thậm chí không phải là một chiếc nhẫn mà là một hình lăng trụ tam giác, do Albert Ladenburg đề xuất năm 1869; bên trái của ông, một trong những hình dạng của một cuốn sách mở, được đề xuất bởi Sir James Dewar năm 1867; và bên phải của nó, một với tất cả các hydro hướng đến tâm của vòng, được đề xuất bởi Henry Edward Armstrong vào năm 1887.

Cấu trúc đầu tiên, do Adolf Karl Ludwig Claus đề xuất vào năm 1867, cũng khá đặc biệt, vì các liên kết CC được giao nhau. Và chiếc cuối cùng là chiếc nhẫn "serpentine" của Kekulé, được mơ ước vào năm 1865.

"Người chiến thắng" là gì? Cấu trúc thứ năm (từ trái sang phải), được đề xuất vào năm 1899 bởi Johannes Thiele.

Trong nghiên cứu này, phép lai cộng hưởng được xem xét lần đầu tiên, nó kết hợp hai cấu trúc Kekulé (xoay vòng đầu tiên sang bên phải để quan sát nó) và giải thích một cách đặc biệt sự phân định của các electron và cùng với nó là sự ổn định bất thường cho đến lúc đó của benzen.

Cấu trúc của benzen

Vòng benzen thơm. Nguồn: Benjah-bmm27

Trên đây là cấu trúc do Thiele đề xuất sử dụng mô hình khối cầu và thanh.

Phân tử benzen phẳng, với các nguyên tử hydro hướng ra ngoài từ các cạnh của vòng. Tất cả các nguyên tử cacbon đều có sự lai hóa sp ² , với một obitan p có sẵn để thiết lập hệ thơm trong đó có sáu electron phân chia.

Các nguyên tử sp ² này có độ âm điện cao hơn so với các nguyên tử hydro, và do đó, mật độ electron rút ra trước về sau (C _sp2 ^δ- -H ^{δ +} ). Do đó, tâm của vòng có nồng độ electron cao hơn các cạnh của nó.

Chính xác hơn, hệ thống thơm có thể được biểu diễn dưới dạng một đám mây hoặc đệm điện tử được mở rộng ở cả hai mặt của vòng lục giác; và ở giữa, trên các mặt hoặc các cạnh, sự thiếu hụt điện tử được tạo thành từ các hydro có điện tích dương.

Nhờ sự phân bố điện tích này, các phân tử benzen có thể tương tác với nhau thông qua lực lưỡng cực-lưỡng cực; Nguyên tử H ^{δ +} bị thu hút vào tâm thơm của một vòng lân cận (điều này sẽ được biểu diễn bên dưới).

Ngoài ra, các tâm thơm có thể được xếp chồng lên nhau để tạo thuận lợi cho việc cảm ứng các lưỡng cực tức thời.

cộng hưởng

Công thức cấu tạo và phép lai cộng hưởng của benzen. Nguồn: Edgar181 từ Wikipedia.

Hai cấu trúc Kekulé được hiển thị ở trên cùng của hình ảnh, và bên dưới chúng là sự kết hợp cộng hưởng. Vì hai cấu trúc xảy ra lặp đi lặp lại cùng một lúc, nên phép lai được biểu diễn bằng một vòng tròn được vẽ ở giữa (tương tự như một “chiếc bánh rán hình lục giác”).

Vòng lai hóa rất quan trọng vì nó chỉ ra đặc tính thơm của benzen (và của nhiều hợp chất khác). Hơn nữa, ông chỉ ra rằng các liên kết không dài bằng CC, cũng không ngắn như C = C; đúng hơn, độ dài của chúng nằm giữa cả hai cực. Vì vậy, benzen không được coi là một polyene.

Điều này đã được chứng minh bằng cách đo độ dài của các liên kết CC (139 pm) của benzen, các liên kết này kéo dài hơn một chút so với các liên kết CH (109 pm).

Pha lê

Cấu trúc tinh thể trực thoi của benzen. Nguồn: Ben Mills

Benzen là chất lỏng ở nhiệt độ thường. Lực liên phân tử của nó có nghĩa là, mặc dù không có mômen lưỡng cực rõ rệt như vậy, nó có thể giữ các phân tử của mình lại với nhau trong một chất lỏng sôi ở 80ºC. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới 5ºC, benzen bắt đầu đông đặc: và do đó thu được các tinh thể tương ứng.

Các vòng benzen có thể áp dụng các mô hình cấu trúc xác định trong chất rắn của chúng. Các lưỡng cực của chúng khiến chúng "nghiêng" sang trái hoặc phải, tạo thành các hàng có khả năng được tái tạo bởi một tế bào đơn vị trực thoi. Do đó, các tinh thể benzen là trực thoi.

Lưu ý trong hình trên rằng sự nghiêng của các vòng ủng hộ tương tác giữa H ^{δ +} và các trung tâm thơm, đã được đề cập trong các phần phụ trước.

Tính chất

Khối lượng phân tử

78,14 g / mol.

Ngoại hình

Chất lỏng không màu, có mùi giống xăng.

Điểm sôi

80 ° C.

Độ nóng chảy

5,5 ° C.

điểm đánh lửa

-11ºC (cốc kín).

Nhiệt độ tự bốc cháy

497,78 ° C.

Tỉ trọng

0,8765 g / mL ở 20 ° C.

Độ hòa tan

Một lít nước sôi có thể hòa tan vừa đủ 3,94 g benzen. Đặc tính vô cực của nó làm cho nó thực tế không thể trộn lẫn với nước. Tuy nhiên, nó có thể trộn lẫn với các dung môi khác, chẳng hạn như etanol, ete, axeton, dầu, cloroform, cacbon tetraclorua, v.v.

Mật độ hơi

2,8 so với không khí (nghĩa là, gần như gấp ba lần).

Áp suất hơi

94,8 mm Hg ở 25 ° C.

Nhiệt do cháy

-3267,6 kJ / mol (đối với benzen lỏng).

Nhiệt hóa hơi

33,83 kJ / mol.

Sức căng bề mặt

28,22 mN / m ở 25 ° C.

Chỉ số khúc xạ

1,5011 ở 20 ° C.

Các dẫn xuất

Các hydro của benzen có thể được thay thế bằng các nhóm hoặc nguyên tử khác. Có thể có một hoặc nhiều sự thay thế, tăng mức độ thay thế cho đến khi không còn lại sáu hydro nguyên ban đầu.

Ví dụ, giả sử benzen là Ph-H, trong đó H là bất kỳ trong số sáu hydro của nó. Hãy nhớ rằng trung tâm của vòng có mật độ điện tử cao hơn, nó thu hút các electrophin, chúng tấn công vòng để thay thế H trong một phản ứng được gọi là thay thế thơm electrophin (SEAr).

Nếu thay H này bằng OH, ta sẽ có Ph-OH, phenol; được thay thế bằng CH ₃ , Ph-CH ₃ , toluen; nếu là NH ₂ , Ph-NH ₂ , anilin; hoặc nếu là CH ₂ CH ₃ , Ph-CH ₂ CH ₃ , etylbenzen.

Các dẫn xuất có thể giống hoặc độc hơn benzen, hoặc ngược lại, chúng có thể trở nên phức tạp đến mức có tác dụng dược lý mong muốn.

Các ứng dụng

Nó là một dung môi tốt cho nhiều loại hợp chất, ví dụ như trong sơn, vecni, chất kết dính và chất phủ.

Tương tự như vậy, nó có thể hòa tan dầu, mỡ hoặc sáp, đó là lý do tại sao nó được sử dụng làm dung môi chiết xuất tinh chất. Tính chất này được Ludwig Roselius sử dụng vào năm 1903 để khử caffein trong cà phê, một hoạt động đã không được sử dụng do độc tính của benzen. Tương tự như vậy, nó đã được sử dụng trong quá khứ để tẩy dầu mỡ cho kim loại.

Trong một trong những cách sử dụng cổ điển của nó, nó không hoạt động như một dung môi mà là một chất phụ gia: tăng trị số octan của xăng, thay thế chì cho mục đích này.

Các dẫn xuất của benzen có thể có các công dụng khác nhau; một số dùng làm thuốc trừ sâu, chất bôi trơn, chất tẩy rửa, chất dẻo, chất nổ, nước hoa, thuốc nhuộm, keo dán, thuốc, v.v. Nếu quan sát thấy một vòng benzen trong cấu trúc của nó, rất có thể sự tổng hợp của nó đã bắt đầu từ benzen.

Trong số các dẫn xuất quan trọng nhất của nó là: cumene, xylen, anilin, phenol (để tổng hợp nhựa phenol), axit benzoic (chất bảo quản), xyclohexan (để tổng hợp nylon), nitrobenzene, resorcinol và ethylbenzene.

Danh pháp

Danh pháp của các dẫn xuất benzen thay đổi tùy thuộc vào mức độ thay thế, nhóm thế là gì và vị trí tương đối của chúng. Do đó, benzen có thể thay thế mono, di, tri, tetra, v.v.

Khi hai nhóm được gắn vào các nguyên tử cacbon liền kề, ký hiệu 'ortho' được sử dụng; nếu có một carbon ở giữa phân tách chúng, 'meta'; và nếu các cacbon nằm ở vị trí ngược nhau, là 'para'.

Các hình ảnh dưới đây cho thấy các ví dụ về các dẫn xuất benzen với tên gọi tương ứng của chúng do IUPAC quản lý. Chúng cũng được đi kèm với tên thông thường hoặc truyền thống.

Dẫn xuất đơn chức của benzen. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Các dẫn xuất khác của benzen. Nguồn: Gabriel Bolívar.

Lưu ý rằng trong benzen được thế ba nhóm, các chất chỉ thị ortho, para và meta không còn hữu ích nữa.

Độc tính

Benzen là một hợp chất phải được xử lý cẩn thận. Với mùi đặc biệt của nó, các tác động tiêu cực ngay lập tức có thể là nghẹt thở, chóng mặt, nhức đầu, run rẩy, buồn ngủ, buồn nôn và thậm chí tử vong (nếu tiếp xúc nhiều). Nếu ăn phải, ngoài những điều nói trên, nó có thể gây đau bụng dữ dội và co giật.

Ngoài ra, các tác động lâu dài khi tiếp xúc liên tục với chất lỏng này là chất gây ung thư; làm tăng khả năng cá nhân mắc một số loại ung thư, đặc biệt là ung thư máu: bệnh bạch cầu.

Trong máu, nó có thể làm giảm nồng độ hồng cầu, gây thiếu máu, và cũng ảnh hưởng đến tủy xương và gan, nơi nó được cơ thể đồng hóa để tạo ra các dẫn xuất benzen độc hơn; ví dụ, hydroxyquinone. Nó cũng tích tụ trong thận, tim, phổi và não.

Người giới thiệu

1. Morrison, RT và Boyd, RN (1987). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ 5). Addison-Wesley Iberoamericana.
2. Carey, FA (2008). Hóa học hữu cơ. (Tái bản lần thứ 6). McGraw-Hill, Interamerica, Editores SA
3. Graham Solomons TW, Craig B. Fryhle. (2011). Hóa học hữu cơ. Các amin. (Tái bản lần thứ 10.). Wiley Plus.
4. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (2019). Benzen. Cơ sở dữ liệu PubChem. CID = 241, được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Wikipedia. (2019). Benzen. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
6. Garcia Nissa. (2019). Benzen là gì? - Công dụng, Cấu trúc & Công thức. Học. Phục hồi từ: study.com
7. Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa dịch bệnh. (Ngày 4 tháng 4 năm 2018). Sự thật về benzen. Đã khôi phục từ: khẩn cấp.cdc.gov
8. Tổ chức Y tế Thế giới. (2010). Tiếp xúc với benzen: một mối quan tâm lớn về sức khỏe cộng đồng. . Đã khôi phục từ: ai.int
9. Fernández Germán. (sf). Bài toán về danh pháp benzen. Hóa học hữu cơ. Phục hồi từ: quimicaorganica.org