15.3 Arenes
Unit ini membincangkan arena (arenes) seperti benzena dan metilbenzena: penamaan IUPAC, isomerisme, penukargantian elektrofilik aromatik, kesan pengarah, kestabilan benzena serta pengoksidaan dan penghalogenan alkilbenzena.
SP 15.3.1Name arenes according to IUPAC nomenclature;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Name (Menamakan)
Calon perlu menamakan benzena dan alkilbenzena (alkil C1 hingga C4) mengikut IUPAC, termasuk penomboran dua kumpulan alkil.
- IsiAlkilbenzena tunggalHuraian
Nama kumpulan alkil + benzena.
ContohC₆H₅CH₃ metilbenzena; C₆H₅C₂H₅ etilbenzena; C₆H₅CH(CH₃)₂ (1-metiletil)benzena.
- IsiDialkilbenzenaHuraian
Beri nombor kedudukan terkecil; ortho (1,2), meta (1,3), para (1,4).
Contoh1,4-dimetilbenzena (para-xilena); 1-etil-2-metilbenzena.
Poin utamaPenamaan IUPAC benzena dan alkilbenzena (alkil C1 hingga C4)
- Benzena C₆H₆ sebagai induk: metilbenzena C₆H₅CH₃, etilbenzena C₆H₅C₂H₅, propilbenzena C₆H₅CH₂CH₂CH₃, butilbenzena C₆H₅C₄H₉.
- Kumpulan alkil bercabang: (1-metiletil)benzena C₆H₅CH(CH₃)₂ (kumena), tert-butilbenzena C₆H₅C(CH₃)₃.
- Dua kumpulan alkil: nombor kedudukan terkecil, cth 1,2-dimetilbenzena; awalan lama ortho- (1,2), meta- (1,3), para- (1,4).
- Kumpulan berbeza disusun ikut abjad, cth 1-etil-4-metilbenzena. Hasil tindak balas gelang (cth nitrobenzena, bromobenzena) juga dinamakan dengan nama IUPAC.
SP 15.3.2Describe the structural isomerism in arenes;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan isomerisme struktur arena: isomer kedudukan pada gelang dan isomer rantai sisi.
- IsiIsomer kedudukanHuraian
Kumpulan sama pada kedudukan berbeza gelang.
ContohC₈H₁₀: 1,2-, 1,3- dan 1,4-dimetilbenzena.
- IsiIsomer rantai sisiHuraian
Atom karbon tersusun sebagai satu rantai sisi atau beberapa kumpulan.
ContohC₈H₁₀: etilbenzena; C₉H₁₂: propilbenzena dan (1-metiletil)benzena.
Peta pokokIsomerisme struktur dalam arena
- 1,2-dimetilbenzena (ortho-xilena)
- 1,3-dimetilbenzena (meta-xilena)
- 1,4-dimetilbenzena (para-xilena)
- Etilbenzena C₆H₅CH₂CH₃
- C₉H₁₂: propilbenzena, (1-metiletil)benzena (kumena), trimetilbenzena
SP 15.3.3Describe electrophilic aromatic substitution reactions of arenes through (i) halogenation
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan penghalogenan benzena (penukargantian elektrofilik) termasuk reagen, mangkin, elektrofil dan nama IUPAC hasil.
- IsiPenghalogenanHuraian
Cl₂ atau Br₂ kering dengan mangkin asid Lewis FeCl₃/FeBr₃/AlCl₃; elektrofil Cl⁺/Br⁺.
ContohC₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br (bromobenzena) + HBr.
- IsiPeranan mangkinHuraian
Asid Lewis menerima pasangan elektron daripada halogen dan mengutubkannya; tanpa mangkin benzena tidak bertindak balas dengan Br₂ dalam gelap.
ContohBr₂ + FeBr₃ → Br⁺ + FeBr₄⁻; serbuk besi bertindak balas dengan Br₂ membentuk FeBr₃ in situ.
JadualPenukargantian elektrofilik aromatik benzena
| Tindak balas | Bahan uji dan syarat | Elektrofil | Persamaan |
|---|---|---|---|
| Penghalogenan (halogenation) | Cl₂ atau Br₂ kering, mangkin FeCl₃/FeBr₃/AlCl₃ (atau serbuk Fe), suhu bilik | Cl⁺ / Br⁺ | C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr |
| Penitratan (nitration) | HNO₃ pekat + H₂SO₄ pekat (campuran penitratan), refluks di bawah 55 °C | Ion nitronium NO₂⁺ | C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O |
| Pengalkilan Friedel-Crafts (alkylation) | Haloalkana RCl, mangkin AlCl₃ kontang, refluks | Karbokation R⁺ | C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl |
| Pengasilan Friedel-Crafts (acylation) | Asil klorida RCOCl, mangkin AlCl₃ kontang, refluks | Ion asilium RCO⁺ | C₆H₆ + CH₃COCl → C₆H₅COCH₃ (fenil etanon) + HCl |
Poin utamaPenjanaan elektrofil
- Halogenasi: Br₂ + FeBr₃ → Br⁺ + FeBr₄⁻ (asid Lewis menerima pasangan elektron).
- Penitratan: HNO₃ + 2H₂SO₄ → NO₂⁺ + H₃O⁺ + 2HSO₄⁻. Suhu melebihi 55 °C memberi 1,3-dinitrobenzena.
- Pengalkilan: CH₃Cl + AlCl₃ → CH₃⁺ + AlCl₄⁻. Kelemahan: pengalkilan berganda dan penyusunan semula karbokation.
- Pengasilan: CH₃COCl + AlCl₃ → CH₃CO⁺ + AlCl₄⁻. Keton yang terbentuk menyahaktifkan gelang, jadi tiada penukargantian berganda.
SP 15.3.4Describe electrophilic aromatic substitution reactions of arenes through (ii) nitration
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan penitratan benzena: campuran penitratan, suhu, elektrofil dan hasil.
- IsiPenitratanHuraian
HNO₃ pekat + H₂SO₄ pekat, di bawah 55 °C; elektrofil ion nitronium NO₂⁺.
ContohC₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ (nitrobenzena) + H₂O.
- IsiPenjanaan elektrofil dan kawalan suhuHuraian
H₂SO₄ pekat memprotonkan HNO₃ untuk menghasilkan NO₂⁺; suhu melebihi 55 °C menghasilkan hasil dinitro.
ContohHNO₃ + 2H₂SO₄ → NO₂⁺ + H₃O⁺ + 2HSO₄⁻.
SP 15.3.5Describe electrophilic aromatic substitution reactions of arenes through (iii) Friedel-Crafts alkylation
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan pengalkilan Friedel-Crafts benzena dengan haloalkana dan mangkin AlCl₃ kontang.
- IsiPengalkilanHuraian
RCl + AlCl₃ menghasilkan karbokation R⁺ yang menyerang gelang; hasil alkilbenzena.
ContohC₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ (metilbenzena) + HCl.
- IsiKeadaan dan kelemahanHuraian
AlCl₃ mesti kontang; alkilbenzena lebih reaktif daripada benzena, jadi pengalkilan berganda boleh berlaku.
ContohC₆H₆ + C₂H₅Cl → C₆H₅C₂H₅ (etilbenzena) + HCl.
SP 15.3.6Describe electrophilic aromatic substitution reactions of arenes through (iv) Friedel-Crafts acylation.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan pengasilan Friedel-Crafts benzena dengan asil klorida dan mangkin AlCl₃ kontang.
- IsiPengasilanHuraian
RCOCl + AlCl₃ menghasilkan ion asilium RCO⁺; hasil keton aromatik.
ContohC₆H₆ + CH₃COCl → C₆H₅COCH₃ (1-feniletanon) + HCl.
- IsiKelebihan pengasilanHuraian
Kumpulan C=O yang terbentuk menyahaktifkan gelang, jadi hanya hasil monotukarganti terbentuk.
ContohC₆H₆ + CH₃CH₂COCl → C₆H₅COCH₂CH₃ (1-fenilpropan-1-on) + HCl.
SP 15.3.7Explain ortho-para and meta directors towards further substitution;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan kesan kumpulan sedia ada sebagai pengarah orto-para atau pengarah meta terhadap penukargantian seterusnya (terhad kepada tindak balas di atas dan hasil dwitukarganti).
- IsiPengarah orto-paraHuraian
Kumpulan penderma elektron (−CH₃, −OH, −NH₂) dan halogen mengarahkan ke kedudukan 2 dan 4.
ContohMetilbenzena + HNO₃ → 2-nitrometilbenzena dan 4-nitrometilbenzena.
- IsiPengarah metaHuraian
Kumpulan penarik elektron (−NO₂, −COOH, −CHO, −COCH₃) menyahaktif gelang dan mengarahkan ke kedudukan 3.
ContohNitrobenzena + HNO₃ → 1,3-dinitrobenzena.
Peta buih bergandaPengarah ortho-para lawan pengarah meta
SP 15.3.8Explain the mechanism of electrophilic aromatic substitution reactions;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan mekanisme penukargantian elektrofilik aromatik yang membentuk hasil monotukarganti.
- IsiSerangan elektrofilHuraian
Elektrofil dijana dahulu; elektron π gelang menyerangnya membentuk ion arenium (kedelokalan terganggu sementara, langkah perlahan).
ContohBenzena + NO₂⁺ → ion arenium.
- IsiPemulihan kearomatikanHuraian
Bes (HSO₄⁻ atau FeBr₄⁻) menyingkirkan H⁺; sistem π dipulihkan dan mangkin dijana semula.
ContohIon arenium → nitrobenzena + H⁺; H⁺ + HSO₄⁻ → H₂SO₄.
Peta alirMekanisme penukargantian elektrofilik aromatik (contoh penitratan)
- Penjanaan elektrofil: HNO₃ + 2H₂SO₄ → NO₂⁺ + H₃O⁺ + 2HSO₄⁻.
- Elektron π gelang benzena menyerang NO₂⁺; terbentuk karbokation perantaraan (ion arenium, kompleks σ) dan kedelokalan dimusnahkan sementara (langkah perlahan).
- Ion HSO₄⁻ menyingkirkan H⁺ daripada karbon yang membawa NO₂.
- Sistem elektron π terdelokal dipulihkan; terbentuk nitrobenzena dan H₂SO₄ dijana semula (mangkin).
SP 15.3.9Explain the stability of benzene towards addition reactions;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan kestabilan benzena terhadap tindak balas penambahan berdasarkan penyahsetempatan elektron π dan data entalpi penghidrogenan.
- IsiBukti tenagaHuraian
ΔH penghidrogenan benzena −208 kJ mol⁻¹ berbanding −360 kJ mol⁻¹ yang dijangka; benzena 152 kJ mol⁻¹ lebih stabil.
Contoh3 × (−120) = −360; −208 − (−360) = 152 kJ mol⁻¹.
- IsiKesan kepada kereaktifanHuraian
Penambahan memusnahkan sistem π terdelokal, jadi benzena lebih suka penukargantian.
ContohBenzena tidak menyahwarnakan air bromin atau KMnO₄ berasid.
NotaKestabilan benzena terhadap tindak balas penambahan
Benzena mempunyai enam elektron π terdelokal di atas dan di bawah satah gelang (semua karbon sp², semua ikatan C−C sama panjang 0.139 nm). Entalpi penghidrogenan benzena sebenar ialah −208 kJ mol⁻¹, berbanding −360 kJ mol⁻¹ (3 × −120) yang dijangka bagi sikloheksa-1,3,5-triena. Perbezaan 152 kJ mol⁻¹ ialah tenaga penstabilan kedelokalan (tenaga resonans). Penambahan memusnahkan kedelokalan, maka benzena lebih suka penukargantian yang mengekalkan gelang aromatik. Benzena tidak menyahwarnakan air bromin atau KMnO₄.
Peta alirContoh: tenaga penstabilan benzena
- ΔH penghidrogenan sikloheksena = −120 kJ mol⁻¹ (satu C=C).
- Jangkaan bagi tiga C=C: 3 × (−120 kJ mol⁻¹) = −360 kJ mol⁻¹.
- Nilai eksperimen benzena: −208 kJ mol⁻¹.
- Tenaga penstabilan = −208 − (−360) = 152 kJ mol⁻¹; benzena 152 kJ mol⁻¹ lebih stabil.
SP 15.3.10Describe the oxidation of alkylbenzene;
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Describe (Memerihalkan)
Calon perlu memerihalkan pengoksidaan rantai sisi alkilbenzena oleh KMnO₄ panas; kumpulan alkil mesti mempunyai hidrogen benzilik.
- IsiSyarat dan hasilHuraian
Rantai sisi dengan sekurang-kurangnya satu H pada karbon benzilik dioksidakan kepada −COOH (asid benzoik) tanpa mengira panjang rantai.
ContohC₆H₅CH₂CH₃ → C₆H₅COOH + CO₂.
- IsiTiada H benzilikHuraian
Jika karbon benzilik tiada H, tiada pengoksidaan.
Contohtert-Butilbenzena tidak dioksidakan; warna ungu kekal.
NotaPengoksidaan alkilbenzena
Rantai sisi alkil yang mempunyai sekurang-kurangnya satu H pada karbon benzilik dioksidakan oleh KMnO₄ berasid (atau beralkali, kemudian diasidkan) panas, refluks, kepada asid benzoik C₆H₅COOH tanpa mengira panjang rantai. Cth: C₆H₅CH₃ + 3[O] → C₆H₅COOH + H₂O; C₆H₅CH₂CH₃ → C₆H₅COOH + CO₂. Warna ungu dinyahwarna. tert-Butilbenzena tidak dioksidakan kerana tiada H benzilik. Gelang benzena sendiri tidak dioksidakan.
SP 15.3.11Explain the halogenation of alkylbenzene in the presence of (i) Lewis acid catalyst
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan penghalogenan alkilbenzena dengan mangkin asid Lewis yang berlaku pada gelang.
- IsiPenukargantian pada gelangHuraian
FeCl₃/AlCl₃ dalam gelap menjana Cl⁺; −CH₃ pengarah orto-para.
ContohMetilbenzena + Cl₂ → 2-klorometilbenzena dan 4-klorometilbenzena + HCl.
- IsiMekanisme elektrofilikHuraian
Cl⁺ menyerang elektron π gelang membentuk ion arenium, kemudian H⁺ disingkirkan; rantai sisi tidak terlibat.
ContohEtilbenzena + Br₂/FeBr₃ → 1-bromo-2-etilbenzena dan 1-bromo-4-etilbenzena.
Peta buih bergandaPenghalogenan metilbenzena
SP 15.3.12Explain the halogenation of alkylbenzene in the presence of (ii) ultraviolet light.
Huraian SPApa yang perlu dikuasai
Untuk guru: kata tugas Explain (Menerangkan)
Calon perlu menerangkan penghalogenan alkilbenzena di bawah cahaya UV yang berlaku pada rantai sisi melalui radikal bebas.
- IsiPenukargantian rantai sisiHuraian
UV membelah Cl₂ menjadi Cl•; H pada karbon benzilik diganti; Cl₂ berlebihan memberi hasil berbilang.
ContohC₆H₅CH₃ + Cl₂ → C₆H₅CH₂Cl (klorometil)benzena + HCl.
- IsiLangkah radikalHuraian
Pemulaan: Cl₂ → 2Cl•; perambatan: Cl• mengambil H benzilik membentuk radikal benzil yang distabilkan gelang, kemudian bertindak balas dengan Cl₂.
ContohCl₂ berlebihan: C₆H₅CHCl₂ dan C₆H₅CCl₃.
Ingat: mnemonik & kad imbas
Mnemonik
- HNAA
- Empat penukargantian elektrofilik benzena: Halogenasi, Nitratan, Alkilasi, Asilasi Friedel-Crafts.
- GGUS
- Penghalogenan metilbenzena: Gelap (dengan mangkin) → Gelang; UV → Sisi (rantai sisi).
Kad imbas
- Nama C₆H₅CH₃?
- Metilbenzena (toluena)
- Bilangan isomer dimetilbenzena?
- Tiga: 1,2-, 1,3-, 1,4-
- Elektrofil penitratan?
- Ion nitronium NO₂⁺
- Mangkin Friedel-Crafts?
- AlCl₃ kontang
- Hasil benzena + CH₃COCl/AlCl₃?
- Fenil etanon C₆H₅COCH₃
- −NO₂ pengarah apa?
- Meta, menyahaktif gelang
- Tenaga penstabilan benzena?
- 152 kJ mol⁻¹
- Hasil pengoksidaan etilbenzena dengan KMnO₄ panas?
- Asid benzoik
Semak kefahaman
Namakan C₆H₅C₂H₅ mengikut IUPAC. (SP 15.3.1)
Lihat jawapan
Etilbenzena.
Namakan tiga isomer kedudukan dimetilbenzena, C₈H₁₀. (SP 15.3.2)
Lihat jawapan
1,2-dimetilbenzena, 1,3-dimetilbenzena dan 1,4-dimetilbenzena.
Tulis persamaan pengklorinan benzena dengan mangkin FeCl₃. (SP 15.3.3)
Lihat jawapan
C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl.
Nyatakan reagen dan suhu bagi penitratan benzena. (SP 15.3.4)
Lihat jawapan
Campuran HNO₃ pekat dan H₂SO₄ pekat pada suhu di bawah 55 °C.
Tulis persamaan pengalkilan Friedel-Crafts benzena dengan klorometana. (SP 15.3.5)
Lihat jawapan
C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl (mangkin AlCl₃ kontang).
Namakan hasil organik benzena dengan CH₃COCl dan AlCl₃ kontang. (SP 15.3.6)
Lihat jawapan
1-Feniletanon (fenil etanon), C₆H₅COCH₃.
Kelaskan −CH₃ dan −NO₂ sebagai pengarah orto-para atau meta. (SP 15.3.7)
Lihat jawapan
−CH₃ ialah pengarah orto-para; −NO₂ ialah pengarah meta.
Namakan perantaraan yang terbentuk apabila elektrofil menyerang gelang benzena. (SP 15.3.8)
Lihat jawapan
Ion arenium (karbokation bergelang).
ΔH penghidrogenan sikloheksena ialah −120 kJ mol⁻¹ dan benzena −208 kJ mol⁻¹. Hitung tenaga penstabilan benzena. (SP 15.3.9)
Lihat jawapan
Dijangka 3 × (−120) = −360 kJ mol⁻¹; tenaga penstabilan = −208 − (−360) = 152 kJ mol⁻¹.
Namakan hasil organik apabila etilbenzena direfluks dengan KMnO₄ berasid. (SP 15.3.10)
Lihat jawapan
Asid benzoik, C₆H₅COOH.
Nyatakan keadaan supaya halogen menukarganti atom H pada gelang metilbenzena. (SP 15.3.11)
Lihat jawapan
Mangkin asid Lewis seperti FeCl₃ atau AlCl₃ dalam gelap.
Tulis persamaan pengklorinan metilbenzena di bawah cahaya UV (penukargantian pertama). (SP 15.3.12)
Lihat jawapan
C₆H₅CH₃ + Cl₂ → C₆H₅CH₂Cl + HCl.
29 soalan latihan pelbagai aras, kad imbas dan Kad Tahniah ada dalam mod interaktif.
Untuk guru: cadangan aktiviti ikut aras kognitif (4)
- Mengingat
Aktiviti: Murid menamakan lima arena mengikut IUPAC dan melukis isomer struktur xilena pada lembaran kerja.
Bukti hasil kerja: Lembaran kerja atau kuiz ringkas: ketepatan ingatan istilah dan fakta tentang arena.
SP disasar: 15.3.1, 15.3.2 · Latihan sepadan: aras Mengingat - Memahami
Aktiviti: Berpasangan, murid menerangkan sebab benzena lebih cenderung kepada penukargantian daripada penambahan berdasarkan kestabilan sistem aromatik.
Bukti hasil kerja: Penerangan lisan dan lukisan murid tentang arena; semak ketepatan hubungan sebab dan akibat.
SP disasar: 15.3.9 · Latihan sepadan: aras Memahami - Mengaplikasi
Aktiviti: Murid menulis persamaan penukargantian elektrofil benzena dengan penghalogenan, penitratan dan pengalkilan atau pengasilan Friedel-Crafts dan menulis reagen serta mangkin.
Bukti hasil kerja: Jawapan lembaran kerja atau hasil pengiraan tentang arena; semak kaedah dan ketepatan jawapan.
SP disasar: 15.3.3, 15.3.4, 15.3.5, 15.3.6 · Latihan sepadan: aras Mengaplikasi - Menganalisis
Aktiviti: Dalam kumpulan, murid menganalisis kesan penghala ortho-para dan meta pada penukargantian lanjut dan meramal hasil toluena berbanding nitrobenzena.
Bukti hasil kerja: Jadual atau peta pemikiran analisis arena; semak ketepatan kesimpulan berasaskan data atau bukti.
SP disasar: 15.3.7, 15.3.8, 15.3.10, 15.3.11, 15.3.12 · Latihan sepadan: aras Menganalisis
Cadangan ini mengikut aras kognitif hasil pembelajaran (bukan TP DSKP kerana STPM tiada TP). Buka unit dan latihan
Siapkan unit ini dalam mod interaktif untuk mendapat bintang, anggaran TP dan Kad Tahniah. Siapkan semua 65 unit Kimia STPM untuk Sijil Penghargaan SistemGuru.My.