Phản ứng giữa benzen và brom (Br2) là một phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ, đặc biệt là trong việc điều chế các hợp chất thơm halogen hóa. Phản ứng này thuộc loại phản ứng thế electrophile thơm (Electrophilic Aromatic Substitution – EAS). Tuy nhiên, benzen không phản ứng trực tiếp với Br2 mà cần có xúc tác là một axit Lewis, thường là sắt(III) bromua (FeBr3) hoặc nhôm(III) bromua (AlBr3).
Cơ Chế Phản Ứng Brom Hóa Benzen
Cơ chế của phản ứng benzen + Br2 diễn ra qua các giai đoạn sau:
1. Tạo tác nhân electrophile mạnh hơn:
Brom (Br2) phản ứng với chất xúc tác FeBr3 tạo thành phức chất có tính electrophile mạnh hơn. FeBr3 đóng vai trò là axit Lewis, nhận cặp electron từ Br2.
Br2 + FeBr3 <--> [FeBr4]- + Br+Hoặc một cách biểu diễn khác:
Br2 + FeBr3 --> Brδ+ - Brδ- - FeBr3Phức chất này có tính phân cực cao, làm cho một nguyên tử brom mang điện tích dương một phần (Brδ+), trở thành một electrophile mạnh.
2. Tấn công electrophile vào vòng benzen:
Vòng benzen, giàu electron do có hệ thống pi liên hợp, bị tấn công bởi electrophile Brδ+. Cặp electron pi của vòng benzen tạo liên kết với nguyên tử brom mang điện dương một phần, tạo thành một cation trung gian gọi là phức sigma (σ-complex) hoặc ion arenium. Phức sigma này không còn tính thơm và có năng lượng cao hơn benzen.
3. Tái tạo tính thơm:
Một ion bromua (Br-) từ [FeBr4]- hoặc một base khác trong dung dịch sẽ loại bỏ một proton (H+) từ carbon mang brom trong phức sigma. Việc loại bỏ proton này tái tạo lại hệ thống pi liên hợp của vòng benzen, phục hồi tính thơm và tạo thành brombenzen. Đồng thời, HBr được tạo thành.
[C6H6Br]+ + [FeBr4]- --> C6H5Br + HBr + FeBr3Chất xúc tác FeBr3 được tái tạo và tiếp tục tham gia vào phản ứng.
Tóm tắt phản ứng:
C6H6 + Br2 --FeBr3--> C6H5Br + HBrẢnh Hưởng của Các Nhóm Thế
Sự có mặt của các nhóm thế trên vòng benzen ảnh hưởng đến tốc độ và vị trí của phản ứng brom hóa.
- Nhóm thế hoạt hóa (Electron-donating groups – EDG): Các nhóm như -OH, -NH2, -OCH3 làm tăng mật độ electron trên vòng benzen, giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn và ưu tiên thế vào vị trí ortho và para.
- Nhóm thế bất hoạt (Electron-withdrawing groups – EWG): Các nhóm như -NO2, -COOH, -CHO làm giảm mật độ electron trên vòng benzen, làm chậm phản ứng và ưu tiên thế vào vị trí meta.
Ứng Dụng
Phản ứng brom hóa benzen có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong việc sản xuất các dược phẩm, thuốc nhuộm, và các hóa chất công nghiệp khác. Brombenzen là một chất trung gian quan trọng để tổng hợp các hợp chất khác phức tạp hơn.
Lưu Ý An Toàn
Brom và các chất xúc tác như FeBr3 là các hóa chất ăn mòn và độc hại. Cần thực hiện phản ứng trong tủ hút và sử dụng các biện pháp bảo hộ cá nhân phù hợp (găng tay, kính bảo hộ).
