Giáo án Hóa học Lớp 11 - Bài 30: Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ (Bản hay)

Bài 30 (2 tiết) cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ I - Thuyết cấu tạo hoá học 1. Nội dung của thuyết cấu tạo hoá học 2. Hiện tượng đồng đẳng, đồng phân a) Đồng đẳng: Những hợp chất cùng chức có thành phần phân tử hơn kém nhau một hay nhiều nhóm CH2 nhưng có tính chất hoá học tương tự nhau là những chất đồng đẳng, chúng hợp thành dãy đồng đẳng. b) Đồng phân: Những hợp chất khác nhau nhưng có cùng công thức phân tử là những chất đồng phân. GT: Khái niệm đồng đẳng, đồng phân đã được chỉnh sửa nên khác so với SGK cũ: SGK cũ SGK mới Những chất có cấu tạo và tính chất tương tự nhau nhưng thành phần phân tử hơn, kém nhau một hay nhiều nhóm CH2 gọi là những chất đồng đẳng. Những hợp chất cùng chức có thành phần hơn, kém nhau một hay nhiều nhóm CH2 nhưng có tính chất tương tự nhau gọi là những chất đồng đẳng Những hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng có cấu tạo hoá học khác nhau do đó có tính chất khác nhau gọi là những chất đồng phân. Những hợp chất khác nhau nhưng có cùng công thức phân tử là những chất đồng phân. - SGK cũ vừa định nghĩa vừa giải thích. SGK mới tách riêng định nghĩa và giải thích. - Định nghĩa đồng phân ở SGK cũ chỉ đúng với đồng phân cấu tạo không đúng với đồng phân lập thể (đến đồng phân cis - trans ở anken là mâu thuẫn, vì chúng có cùng công thức cấu tạo: chúng không khác nhau về cấu tạo hóa học). - Định nghĩa đồng phân ở SGK mới chuẩn xác hơn, nó đúng với đồng phân cấu tạo và cả đồng phân lập thể. II - Liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ 1. Các loại liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ Có 2 kiểu xen phủ: xen phủ trục và xen phủ bên: Hình 4.7. a) b) Xen phủ trục ; c) Xen phủ bên TL: a) Trục: đường thẳng nối 2 hạt nhân liên kết (trục liên kết). Xen phủ trục: chỗ xen phủ ở ngay trên trục liên kết. Xen phủ bên: chỗ xen phủ ở bên ngoài trục liên kết. b) Khi xen phủ bên, 2 obitan p ở xa nhau nên sự xen phủ xảy ra ở chỗ có mật độ electron nhỏ, chỗ xen phủ lại ở xa 2 hạt nhân, vì vậy hút 2 hạt nhân kém hơn so với xen phủ trục, làm cho liên kết p kém bền hơn liên két s. c) Muốn quay quanh trục liên kết C=C phải có đủ năng lượng để làm đứt liên kết p. GT Từ những năm sáu mươi của thế kỉ XIX, trước khi phát minh ra electron, A. Kekule , A. S. Couper, A. M. Butlerop,... đã dùng gạch nối để biểu diễn liên kết hóa học. Sau phát minh ra electron (J. Thomson, 1898), các thuyết electron về liên kết hoá học lần lượt ra đời : Thuyết về liên kết ion của Kosen (W. Kossel) vào năm 1916, thuyết về liên kết cộng hoá trị của Liuyt (G.N. Lewis) và I. Langmuir vào năm 1916 – 1919. Sự xuất hiện của Cơ học lượng tử vào năm 1926 (bởi E. Schệdinger, W. Heisenberg và Paul Dirac) đã mở đầu cho thời kì phát triển lí thuyết obitan về cấu trúc nguyên tử và phân tử. Thuyết Li-uýt về liên kết cộng hóa trị và sự lai hóa đã được HS biết ở lớp 10. Đến đây cần làm cho HS hiểu và vận dụng vào việc giải thích liên kết và viết công thức các hợp chất hữu cơ. 2. Các loại công thức cấu tạo Công thức cấu tạo biểu diễn thứ tự và cách thức liên kết của các nguyên tử trong phân tử. Có 3 kiểu công thức cấu tạo: Hình 4G. Ba kiểu công thức cấu tạo [ PoPo- 30. ... ] III - Đồng phân cấu tạo 1. Khái niệm đồng phân cấu tạo Hình 4H. Minh hoạ tính chất của C4H9OH và C2H5O C2H5. Những hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng có cấu tạo hoá học khác nhau gọi là những đồng phân cấu tạo. TL: a. Đọc ở từ điển hóa học thấy khối lượng riêng của butan-1-ol là 0,81 g/ml, của đietyl ete là 0,71 g/ml. Vậy hình vẽ đúng. b. Giống nhau: đều gồm 4 nguyên tử C và 10 nguyên tử H. Khác nhau: Phân tử butan-1-ol có nhóm OH còn phân tử đietyl ete thì có nhóm C-O-C. c. "Bắt lửa" và "Tự bốc cháy" thuộc tính chất hóa học. 2. Phân loại đồng phân cấu tạo Những đồng phân khác nhau về bản chất nhóm chức gọi là đồng phân nhóm chức. Những đồng phân khác nhau về sự phân nhánh mạch cacbon gọi là đồng phân mạch cacbon. Những đồng phân khác nhau về vị trí của nhóm chức gọi là đồng phân vị trí nhóm chức. C4H10O Khác về bản chất nhóm chức Chức ete Chức ancol Khác mạch cacbon Khác mạch cacbon Khác về vị trí nhóm chức Có nhánh Có nhánh Không nhánh Không nhánh CH3OCH CH3 CH3 CH3OCH2CH2CH3 CH3CH2OCH2CH3 CH2CHCH3 OH CH3 CH3COHCH3 CH3 CH2CH2CH2CH3 OH CH3CHCH2CH3 OH IV - Cách biểu diễn cấu trúc không gian phân tử hữu cơ 1. Công thức phối cảnh Hình 4.8. Công thức phối cảnh 2. Mô hình phân tử GT: Lâu nay hầu hết GV chỉ chú ý đến cấu tạo mà ít chú ý tới cấu trúc của phân tử: Công thức phối cảnh, mô hình phân tử hầu như không được dạy và học. Điều đó đã làm hạn chế tư duy của HS về phân tử nói riêng và về thế giới khách quan nói chung. ở các nước phát triỉen, GV và HS đều dùng mô hình đặc và mô hình rỗng trên lớp và ở nhà. V - Đồng phân lập thể 1. Khái niệm về đồng phân lập thể Hình 4.9. Đồng phân lập thể của CHCl = CHCl Đồng phân lập thể là những đồng phân có cấu tạo hoá học như nhau (cùng công thức cấu tạo) nhưng khác nhau về sự phân bố không gian của các nguyên tử trong phân tử (tức khác nhau về cấu trúc không gian của phân tử). 2. Quan hệ giữa đồng phân cấu tạo và đồng phân lập thể Cùng công thức phân tử Cùng cấu tạo hoá học. Khác nhau về cấu trúc không gian Khác nhau về cấu tạo hoá học Đồng phân lập thể Đồng phân cấu tạo Công thức cấu tạo giống nhau Cấu trúc không gian khác nhau Tính chất khác nhau Công thức cấu tạo khác nhau Tính chất khác nhau 3. Cấu tạo hoá học và cấu trúc hoá học Cấu tạo hoá học cho ta biết các nguyên tử liên kết với nhau theo thứ tự nào, bằng liên kết đơn hay liên kết bội. Cấu tạo hoá học được biểu diễn bởi công thức cấu tạo. Cấu tạo hoá học và cấu trúc không gian của phân tử hợp thành cấu trúc hoá học. Cấu trúc hoá học vừa cho biết cấu tạo hoá học vừa cho biết sự phân bố không gian của các nguyên tử trong phân tử. Cấu trúc hoá học thường được biểu diễn bởi công thức lập thể. BS: Sự lai hoá của CACbon [6] Năm 1931, L. Pauling đã đề ra khái niệm lai hoá các obitan trong một nguyên tử. Theo quan niệm đó, các obitan khác nhau trong một nguyên tử có thể tổ hợp với nhau để tạo ra các obitan mới, giống nhau, thích hợp cho sự tạo thành liên kết. Đó là sự lai hoá obitan. Số obitan mới tạo ra bằng số obitan tham gia tổ hợp. Mỗi obitan mới đó đều mang một phần đặc tính của từng obitan tạo ra nó vì thế được gọi là obitan lai hoá. Cần nhớ rằng sự lai hoá khác sự xen phủ ở chỗ nó xảy ra giữa các obitan khác nhau trong cùng một nguyên tử, còn sự xen phủ xảy ra giữa các obitan của các nguyên tử khác nhau. Cấu hình electron 1s2 2s2 3p2 của C ở trạng thái cơ bản không giải thích được hoá trị 4 của nó trong mọi hợp chất hữu cơ. Ngưòi ta cho rằng khi tam gia phản ứng nó chuyển lên trạng thái kích thích với cấu hiình là: 1s2 2s1 3p3, sau đó sẽ xảy ra sự lai hoá các obitan. Có 3 kiểu lai hóa: ã Lai hóa sp3: 1 obitan s + 3 obitan p đ 4 obitan lai hóa sp3 . Hình 4C. a) Lai hoá tứ diện (sp3) ; b) Một obitan sp3 ã Lai hóa sp2: 1 obitan s + 2 obitan p đ 3 obitan lai hóa sp2 . Hình4D. Lai hoá tam giác (sp2) ã Lai hóa sp: 1 obitan s + 1 obitan p đ 2 obitan lai hóa sp . Hình 4E. a) Lai hoá đường thẳng (sp) ; b) Các obitan ở nguyên tử C lai hoá sp (Csp) A. M. Butlerop (1828-1886) Ngừơi góp phần đặt nền móng cho Thuyết cấu tạo, một trong những lí thuyết cơ bản trong hoá học. GY GV đưa ra các ví dụ theo từng luận điểm của thuyết cấu tạo hoá học và hướng dẫn HS rút ra các nhận xét tương ứng với các luận điểm đó. ã C2H6O : CH3CH2OH À CH3OCH3 ã CH4, CCl4, CH3Cl, CHCl3; C2H5OH, CH3OCH3 ĐT GV hướng dẫn HS nghiên cứu các thí dụủơ mục I.2 (SGK) để trả lời các câu hỏi. H: a. Tính chất hóa học của các hiđrocacbon dãy CnH2n+2 giống với chất nào mà em đã học ? b. Tính chất hóa học của dãy CnH2n+1OH giống với chất nào mà em đã học, vì sao lại giống nhau ? c- Qua các thí dụ đã nêu, theo em, thế nào là có cấu tạo tương tự ? TL: a. metan. b. CH3CH2OH. Vì chúng được biểu diễn bởi công thức cấu tạo tổng quát CnH2n+1OH , tức là cấu tạo của chúng tương tự nhau. c. Có cùng công thức phân tử tổng quát và cùng nhóm chức, tức là có cùng công thức cấu tạo tổng quát. ĐT GV hướng dẫn HS xem xét hình 4.7. H: a. Trong hình 4.7, thế nào là trục; thế nào là xen phủ trục; thế nào là xen phủ bên ? b. Vì sao nói "xen phủ bên kém hiệu quả hơn xen phủ trục làm cho liên kết p kém bền hơn liên két s " ? c. Vì sao nói liên kết p cản trở sự quay của 2 nguyên tử cacbon quanh trục liên kết C=C ? HV: Hãy gọi tên ''cây" trong chậu cảnh ở bài 30, SGK Hóa học 11 nâng cao. SĐ S: ã Những hợp chất có thành phần hơn, kém nhau một hay nhiều nhóm -CH2- nhưng có tính chất tương tự nhau gọi là những chất đồng đẳng. ã Isobutan, (CH3)2CHCH3 , không cùng dãy đồng đẳng với propan (CH3CH2CH3), vì chúng khác nhau không phải một nhóm -CH2- . Đ: ã Trong định nghĩa đồng đẳng, nhóm CH2 là nói về thành phần , không nói về cấu tạo, không nên hiểu là nhóm -CH2- . ã Về cấu tạo, chúng khác nhau không phải 1 nhóm -CH2- , nhưng về thành phàn thì chúng khác nhau 1 nhóm CH2 . Về tính chất hóa học thì chúng tương tự nhau, nên chúng thuộc cùng dãy đồng đẳng. Hai butan đồng phân đều có thành phần là C4H10 chúng thuộc thành viên thứ tư của dãy đồng đẳng của metan. GY: GV yêu cầu HS so sánh 3 công thức của cùng một chất viết ở 3 hàng khác nhau ở hình 4G để rút ra nhận xét về 3 loại công thức cấu tạo. GT: Công thức cấu tạo thu gọn nhất được dùng rất phổ biến và rất thuận tiện trong hóa hữu cơ. Tuy nhiên các ngôn ngữ khác nhau gọi nó bằng những từ ngữ với nghĩa không giống nhau. Chẳng hạn tiếng Pháp dùng " E'criture topologique des formules" hiểu là "sơ đồ công thức"; tiếng Anh dùng "bon - line formulas" hiểu là "công thức vạch liên kết". Xét theo thực chất biến đổi của 3 loại công thức cấu tạo đã nêu, chúng tôi đề nghị gọi là công thức cấu tạo thu gọn nhất. ĐT GV hướng dẫn HS xem xét hình 4H để trả lời câu hỏi nhằm rút ra khái niệm về đồng phân cấu tạo. H: a) Khối lượng riêng của Na là 0,97 g/ml. Cả 2 mẩu Na trong hình vẽ đều ở đáy bình, đúng hay sai ? b) Phân tử của 2 chất trong 2 bình có gì giống nhau, có gì khác nhau ? c) Trong 2 trang từ điển hóa học ở hình vẽ, có nói gì về tính chất hóa học của hợp chất không, nói như thế nào ? GT: Việc phân loại đồng phân cấu tạo vừa phải logic, vừa phải chỉ hướng cho việc giải bài tập về đồng phân, vì vậy đối với HS chúng tôi phân thành 3 loại: Đồng phân nhóm chức; Đồng phân mạch cacbon; Đồng phân vị trí nhóm chức. Cách phân loại như trên là hợp lí và có lợi nhất cho việc dạy và học. Tuy nhiên cần chú ý hiểu đúng khái niệm nhóm chức theo như đã trình bày ở bài 26 SGK. Các cách phân chia đồng phân cấu tạo thành nhiều loại hơn thường là không logic và không hệ thống. ĐT GV cần thông qua đàm thoại để hướng dẫn cho học sinh khi nhìn vào công thức phối cảnh, mô hình rỗng, mô hình đặc, biết hình dung đúng cấu trúc không gian của phân tử. H: a. ở công thức phối cảnh của metyl clorua (hình 4.8) có tối đa mấy nguyên tử cùng nằm trên 1 mặt phẳng, có mấy mặt phẳng như thế ? b. Phân tử metyl clorua (hình 4.8) có tâm đối xứng không, có mặt phẳng đối xứng không ? Nếu có hãy chỉ ra. c. ở công thức phối cảnh của 1,2-ddicloetan có tối đa mấy nguyên tử cùng nằm trên 1 mặt phẳng, có mấy mặt phẳng như thế ? d) Phân tử 1,2-đicloetan có tâm đối xứng không, có mặt phẳng đối xứng không ? Nếu có hãy chỉ ra. e. ở mô hình rỗng của etan, có nhóm H-C-C-H nào tạo thành 1 đường thẳng không, có tối đa mấy nguyên tử cùng nằm trên 1 mặt phẳng, có mấy mặt phẳng như thế ? Nếu có hãy chỉ ra. g. Mô hình rỗng và mô hình đặc ở hình bên tương ứng với nhau về mặt không gian như thế nào ? TL: a. 3, 10; b. không, có, mặt phẳng HCCl; c. 4, 3; d. Tâm đối xứng là trung điểm của liên kết C-C, mặt phẳng đối xứng là Cl-C-C-Cl; e. Không, 4, 3 mặt phẳng H-C-C-H; g. Hai nguyên tử C và 6 nguyên tử H được sắp xếp trong không gian (trên-dưới, phải-trái, trước-sau ) hoàn toàn như nhau ở cả 2 mô hình. ĐT: GV đặt các câu hỏi để hướng dẫn HS nghiên cứu khái niệm đồng phân lập thể. H: a. Hãy cho biết trạng thái lai hóa của 2 nguyên tử C và số đo góc hóa trị Cl-C-H ở phân tử ClCH=CHCl. b. Mỗi công thức cho dưới đây và cho ở cột bên trái của hình 4.9 thuộc loại công thức phân tử, cấu tạo hay lập thể ? c. Hãy dùng ngôn ngữ hình học để nêu rõ sự khác nhau giữa 2 công thức và giữa 2 mô hình đặc ở hình 4.9. TL: a. sp2, 120o. b. Ba công thức trên là công thức cấu tạo, 2 công thức ở cột bên trái là công thức phối cảnh tức là công thức lập thể. c. Khoảng cách giữa 2 nguyên tử Cl, giữa 2 nguyên tử H ở đồng phân cis nhỏ hơn so với khoảng cách tương ứng ở đồng phân trans. Hoặc: Đồng phân cis có 2 mặt phẳng đối xứng nhưng không có tâm đối xứng; Đồng phân trans có 1 mặt phẳng đối xứng và 1 tâm đối xứng. (GV cần làm rõ điều này, xem PoPo- 30. .....) GT: Cần phân biệt khái niệm cấu tạo (constitution) và khái niệm cấu trúc (structure), đồng phân cấu tạo (constitutional isomer) và đồng phân lập thể (stereoisomer, thực chất là đồng phân không gian hay đồng phân cấu trúc). Vì cấu trúc đã bao gồm cấu tạo nên nhiều tài liệu tiếng Anh thường dùng "structure" chung cho cả hai trường hợp. HV: Đ Một con bướm lã đủ, vì sao lại vẽ những 2 con bướm (cột bên phải của hình 4.9) ? Đ Ba công thức dưới đây biểu diễn 3 đồng phân lập thể hay cùng một chất ? Đ GV: - Bốn công thức dưới đây biểu diễn 2, 3, hay 4 chất khác nhau ? HS: Thày cho em mượn cuốn sách nào giúp tìm hiểu vì sao lại là 3 chất. GV: Thày không có cuốn sách nào ngoài SGK và SGV !!! Linus Pauling (1901-1994) Nhà hoá học Mỹ, người duy nhất được 2 giải thưởng Nobel trọn vẹn: về hoá học năm1954, về hoà bình (chống thử bom hạt nhân) năm 1962, người xây dựng thuyết lai hoá obitan.