Giáo án Hóa đại cương - Bài 1: Hiđrocacbon no - Nguyễn Xuân Hoàng

Bài 1: hiđrocacbon no 1. Ankan 1.1. Công thức tổng quát, công thức cấu tạo, đồng phân, danh pháp 1.1.1. Công thức tổng quát, công thức cấu tạo Công thức tổng quát của hiđro no là CnH2n+2 với n∈N* Trong phân tử hiđrocacbon no chỉ có liên kết đơn C-H và C-C. 1.1.2. Đồng phân, danh pháp 1.1.2.1. Đồng phân Ankan chỉ có một loại đồng phân là đồng phân mạch cacbon. 1.1.2.2. Tên gọi gốc và bậc của gốc Các gốc anyl hoá trị một có công thức chung CnH2n+1, kí hiệu R- và có tên gọi là gốc ankyl. Các gốc ankyl bao gồm gốc ankyl bậc một, gốc ankyl bậc hai và gốc ankyl bậc ba. Bậc của gộc chính là bậc của nguyên tử cacbon mang hoá trị tự do. Các gốc ankyl bậc môt có dạng tổng quát R-CH2- , gốc ankyl bậc hai (R)2-CH- và gốc ankyl bậc ba (R)3- C- Tên gọi của gốc được dựa theo tên gọi của ankan tương ứng. Tên của ankan khi đổi đuôi an thành đuôi – yl ta được tên của gốc hoá trị một, đổi đuôi an thành đuôi – yliđen ta được tên của gốc hoá trị hai (riêng gốc hoá trị hai của metan có tên gọi metylen). Ví dụ: -CH3 metyl -CH2- metylen -C2H5 etyl -C2H4- etyliden 1.1.2.3. Danh pháp hợp chất hữu cơ *Danh pháp thông thường Danh pháp thông thường của hợp chất hữu cơ ra đời bắt nguồn từ vật chứa chất đó hoặc tên nhà bác học hoặc thành phố tìm ra hợp chất. Tên thông thường của 10 ankan không phân nhánh đầu tiên như sau Công thức phân tử Công thức cấu tạo Tên gọi n-CH4 CH4 mêtan n-C2H6 CH3-CH3 êtan n-C3H8 CH3-CH2-CH3 propan n-C4H10 CH3-(CH2)2-CH3 butan n-C5H12 CH3-(CH2)3-CH3 pentan n-C6H14 CH3-(CH2)4-CH3 hecxan n-C7H16 CH3-(CH2)5-CH3 heptan n-C8H18 CH3-(CH2)6-CH3 octan n-C9H20 CH3-(CH2)7-CH3 nonan n-C10H22 CH3-(CH2)8-CH3 đecan iso-C4H10 CH3-CH(CH3)-CH3 iso butan neo-C5H12 CH3-C(CH3)2-CH3 neo pentan *Danh pháp IUPAC Danh pháp này được sử dụng để gọi tên các hợp chất hữu cơ một cách khoa học và hệ thống. Đối với các ankan không phân nhánh, tên gọi của chúng giống như tên gọi của chúng giống như tên gọi thông thường. Để gọi tên các ankan phân nhánh, ta phải tiến hành các bước sau đây: - Chọn mạch chính: Mạch chính là mạch cacbon dài nhất và chứa nhiều mạch nhánh. Tên gọi của mạch chính là tên của ankan gọi theo các thông thường. - Đánh số mạch chính: Những nguyên tử cacbon trên mạch chính được đánh số thứ tự sao cho tổng các chỉ số vị trí mạch nhánh là nhỏ nhất. - Gọi tên: tên hiđrocacbon = chỉ số mạch nhánh + tên mạch nhánh + tên mạch chính Tên gọi của các nhánh được gọi theo thứ tự a, b, c,... Nếu có nhiều nhánh giống nhau thì thêm vào trước tên gọi của chúng các tiền tố đi, tri, tetra,v.v.. 9 6 5 4 3 2 1 8 CH3 CH3-CH-CH-CH2-CH-CH2-CH2-CH3 CH3 CH3 Ví dụ: 2,3,5-trimetyl octan 2. Phương pháp điều chế Dầu mỏ, khí thiên nhiên và sáp là nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp các ankan. Ngoài ra bằng con đường tổng hợp người ta đã điều chế được nhiều ankan khác nhau. 2.1. Phản ứng Vuyếc – Fittic R-X + Na + X-R’ R-R’ + 2NaX Ví dụ: 2CH3I + 2Na đ CH3-CH3 + 2NaCl 2.2. Đề cacboxyl axit cacboxylic R-COOH R-H + CO2 2.3. Phương pháp mới phổ biến là nung chảy cacboxylat natri với kiềm : R-COOH + NaOH R-H + Na2CO3 Ví dụ: CH3COOH + NaOH CH4 + Na2CO3 3. Tính chất vật lý Các ankan là những chất không màu, không mùi, ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Khối lượng riêng nhỏ hơn 1,0. Bốn chất đầu trong dãy đồng đẳng là những chất khí. Những ankan từ C5 đến C17 là những chất lỏng. Những ankan khác là chất rắn. Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của các ankan tăng lên khi số nguyên tử cacbon tăng, các đồng phân mạch cacbon có nhiệt độ sôi thấp hơn các đồng phân mạch thẳng. Nhiệt độ sôi càng tháp nếu số nmạch nhánh càng nhiều và càng gần đầu mạch. 4. Tính chất hoá học ở điều kiện thường, các ankan không tham gia phản ứng với dung doịch kiềm, ngay cả kiềm đặc, axit sufuric đặc và các chất oxi hoá như KMnO4, K2Cr2O7, ở nhiệt độ cao hoặc trong những điều kiện ngặt nghèo, ankan tham gia một số phản ứng, trong đó phản ứng thế và phản ứng nhiệt phân là hai phản ứng đặc trưng. 4.1. Phản ứng thế Phản ứng thế nguyên tử hiđro, quan trọng là thế halogen, của liên kết C-H xảy ra theo cơ chế gốc và qua 3 giai đoạn - Giai đoạn thứ nhất (giai đoạn khơi mào): X2 2 - Giai đoạn thứ hai (giai đoạn phát triển mạch) R-H +đ + HX + X2 đ R-X + - Giai đoạn thứ ba (giai đoạn tắt mạch) + đ R-R + đ R-X + đ X2 Ví dụ: - Giai đoạn thứ nhất (giai đoạn khơi mào): Cl2 2 - Giai đoạn thứ hai (giai đoạn phát triển mạch) CH4 +đ + HCl + Cl2 đ CH3Cl + - Giai đoạn thứ ba (giai đoạn tắt mạch) + đ CH3-CH3 + đ CH3Cl + đ Cl2 Có thể thế hết nguyên tử hiđro mà vẫn giữ nguyên mchj cacbon, thường chỉ thực hiện với metan, etan và propan, đối với các đồng đẳng khác sẽ xảy ra phản ứng cắt đứt mạch cacbon. Tốc độ phản ứng halogen hoá phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: halogen, ankan, điều kiện phản ứng, Đối với tác nhân halogen hoá, hiệu suất phản ứng lớn nhất là brom, kém nhất là flo vì xảy ra phản ứng phân huỷ CH4 + 2F2 đ C + 4HF Độ bền của gốc tự do càng lớn, hiệu suất phản ứng càng cao.. Độ bền của gốc càng lớn, hiệu suất phản ứng càng cao. Ví dụ: Khi clo hoá propan ta thu được hai sản phẩm như sau: 41,1% CH3-CH2-CH3 + Cl2 đ CH3-CH-CH3 + CH3-CH2-CH2-Cl Cl 58,09% Điều đó có nghĩa, khi halogen hoá ankan, nguyên tử halogel ưu tiên thế nguyên tử hiđro ở cacbon có bậc cao hơn. Đó là nội dung của quy tắc thế. Ngoài phản ứng halogen hoá, ankan còn tham gia phản ứng nitro hoá và phản ứng sunfo hoá - Phương pháp notro hoá ankan được ứng dụng để táh các ankan ra khỏi thành phần của dầu mỏ rồi chuyển thành các sản phẩm hưũ cơ khác. - Sunfo hoá ankan cho các ankyl sunfomic axit. Phản ứng xảy ra khi cho ankan tác dụng với axit suforic đặc ở nhiệt độ cao R-H + HO-SO3H đ R-SO3H + H2O Do hiệu suất phản ứng thấp nên phương pháp này không có ứng dụng trong thực tế. 4.2. Phản ứng oxi hoá ở điều kiện thường ankan không bị oxi hoá bởi oxi không khí hoặc các chất oxi hoá mạnh như H2SO4(đ), KMnO4,, nhưng ở nhiệt độ cao chúng bị oxi hoá thành những sản phẩm chứa oxi. Ankan bị oxi hoá không hoàn toàn thành axit cacboxylic ở nhiệt độ 100-160oC với sự có mặt của xúc tác KMnO4 Ví dụ: CH3-(CH2)16-CH3 + 2O2 đ 2 CH3-(CH2)16-COOH + H2O Khi có mặt oxi dư, ankan bị hoàn toàn tạo thành CO2 và H2O, đồng thời giải phóng một nhiệt lượng lớn. 4.3. Phản ứng đề hiđro hoá CnH2n+2 CnH2n + H2 Bài 2: hiđrocacbon chưa no Hiđrocacbon chưa no là hiđrocacbon mạch hở có liên kết p trong phân tử. Bao gồm các dãy đồng đẳng: anken, ankađien và ankin. 1. Công thức tổng quát, công thức cấu tạo, đồng phân , danh pháp 1.2. Công thức tổng quát, công thức cấu tạo - Ankan CnH2n (n ³ 0), trong phân tử có một liên kết p C-C, còn lại là liên kết đơn. - Ankađien CnH2n-2 (n ³ 3), trong phân tử có hai liên kết đôi C-C, còn lại là liên kết đơn. - Ankin CnH2n-2 (n ³ 2), trong phân tử có một lien kết ba C-C, còn lại là liên kết đơn. 1.3. Đồng phân, danh pháp 1.3.1. Đồng phân Hiđrocacbon không no ngoài đồng phân phẳng còn có đồng phân hình học (trừ ankin). 1.3.2. Danh pháp thông thường Danh pháp thông thường của anken được thành lập khi đổi đuôi an trong danh pháp của ankan tương ứng thành ilen. Các ankin được coi là dẫn xuất của axetilen, do vậy, để gọi tên ankin ta gọi tên gốc ankyl và cộng thêm đuôi axtilen. 1.3.3. Danh pháp IUPAC theo IUPAC, tên của hiđrocacbon chưa no bằng tên của ankan khi thay an thành en đối với anken, in đối với ankin, đien đối với ankadien. Mạch chính được đánh số thứ tự sao cho chỉ số của liên kết bội là nhỏ nhất. 2. Phương pháp điều chế 2.1. Đi từ đãn xuất halogen Bằng phản ứng loại HX trong môi trường kiềm, ancol thu được hiđrocacbon không no. Tuỳ vào số lượng và vị trí loại bỏ phân tử HX mà ta có anken, ankadien hay ankin. 3. Tính chất vật lý Các anken từ C2 đến C4 là những chất khí không mà, từ C5 đến C16 là những chất lỏng, từ C17 trở lên là những chất rắn. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của anken dều thấp hơn ankan tương ứng.