Giáo trình Cơ sở hóa học hữu cơ Trung học Phổ thông

Chương I ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ 1.1. HÓA HỌC HỮU CƠ VÀ HỢP CHẤT HỮU CƠ: 1.1.1. Hợp chất hữu cơvà hóa học hữu cơ: a. Khái niệm về hợp chất hữu cơ và hóa học hữu cơ: Hợp chất hữu cơ là những hợp chất của các bon ( trừ CO, CO2, muối cacbonat, xianua, cacbua,) Hợp chất hữu cơ là để chỉ các chất được tạo ra từ cơ thể sống, tức là từ sinh vật (để phân biệt hợp chất vô cơ được tạo ra từ các khoáng chất ). Người ta còn cho rằng “lực sống” Hóa học hữu cơ là một ngành khoa học tự nhiên chuyên nghiên cứu về các hợp chất chất hữu cơ. b. Đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ: Về thành phần cấu tạo: trong thành phần của hợp chất hữu cơ nhất thiết phải có cacbon và thường có hiđro, oxi và có thể có nitơ, photpho, lưu huỳnh, các halogen. Liên kết chủ yếu trong hợp chất hữu cơ là liên kết cộng hóa trị, rất ít khi có liên kết ion Nguyên tử cacbon không chỉ lien kết với nguyên tử của các nguyên tố khác mà còn lien kết với nhau bằng các liên kết tương đối bền và rất đa dạng Về tính chất vật lý: các hợp chất hữu cơ thường có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp, không tan hoặc ít tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ Về tính chất hóa học: Đa số các chất hữu cơ cháy khi bị đốt, các hợp chất hữu cơ thường kém bền đối với nhiệt và các chất oxi hóa mạnh. Các phản ứng hóa học trong có hợp chất hữu cơ tham gia thường xảy ra với tốc độ chậm không hoàn toàn và không theo một hướng nhất định nên thường sinh ra nhiều sản phẩm phụ 1.1.2. Phương pháp tách chiếc và tinh chế hợp chất hữu cơ: Pương pháp chưng cất: để tách các chất lỏng có nhiệt độ sôi khác nhau ta dung chưng cất thường hoặc chưng cất phân đoạn Phương pháp chiết: khi hai chất lỏng không hòa tan vào nhau chất lỏng có khối lượng riêng nhỏ hơn ở phía trên, chất lỏng có khối lượng lớn hơn ở phía dưới dung phểu chiết để tách. Phương pháp tinh chết: gồm các phương pháp hòa tan, lọc nóng, kết tinh, lọc hút 1.2. PHÂN LOẠI HỢP CHẤT HỮU CƠ: 1.2.1. Phân loại hợp chất hữu cơ a. Phân loại: Hợp chất hữu cơ được phân thành hiđrocacbon và dẫn xuất của hiđrocacbon Hiđrocacbon là những hợp chất hữu cơ được tạo thành từ hai nguyên tố C và H: gồm hiđrocacbon no, hiđrocacbon không no và hiđrocacbon thơm. Dẫn xuất của hiđrocacbon là những hợp chất hữu cơ trong phân tử ngoài C, H còn có một hay nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác như O, N, S, halogen:gồm dẫn xuất halogen, ancol, anđehit, axit. b. Nhóm chức: là nhóm nguyên tư gây ra những phản ứng hóa học đặc trưng của phân tử hợp chất hữu cơ Ví dụ: R – OH Với R ( phần gốc rađical có hóa trị 1) là kí hiệu là gốc hiđrocac bon OH là nhóm chức (hyđroxyl ) 1.2.2. Danh pháp hợp chất hữu cơ: Trong hóa hữu cơ tồn tại nhiều danh pháp khác nhau như danh pháp thông thường, danh pháp thương mại, danh pháp Giơ-ne-vơ ( 1892 ), danh pháp IUC ( International Union Chemistry 1950 ), danh pháp IUPAC ( International Union of Pure and Applied Chemistry 1957 ) a. Tên thông thường: Gọi tên các hợp chất theo lịch sử thu nhận được theo nguồn gốc nguyên liệu ban đầu, theo phương pháp tổng hợpnhư khí mỏ (từ mỏ), axit focmic (kiến), vanilin ( vani – cây vani )Nhiều chất được gọi tên theo nhà bác học tìm ra chúng. b. Tên hệ thống theo danh pháp IUPAC - Tên gốc – chức: Tên phần gốc Tên phần định chức CH3CH2 – Cl CH3CH – O – COCH3 CH3CH2 – O – CH3 (etyl clorua) ( etyl axetat ) (eyl metyl ete) - Tên thay thế: Phần thay thế Tên mạch cacbon chính Tên phần định thức (có thể không có) (phần bắt buột phải có) (bắt buột phải có) H3C – CH3 H3C – CH2 – Cl H2C = CH2 CH2 = CH – Cl ( et + an ) ( clo + et + an ) ( et + en ) ( clo + et + en ) etan cloetan eten clo eten OH 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 CH2 = CH – CH2 – CH3 CH3 – CH = CH – CH3 CH3 – CH – CH = CH2 but – 1 – en but – 2 – en but – 3 – en – 2 – ol Chú ý :êtylen (H2C = CH2 ) và allen ( CH = C = CH ) không theo hệ thống IUPAC 1.3. CÔNG THỨC PHÂN TƯ HỢP CHẤT HỮU CƠ: 1.3.1. Công thức đơn giản nhất: a. Công thức tổng quát, công thức phân tư và công thức đơn giản nhất - Công thức tổng quát: cho biết trong phân tử hợp chất hữu cơ chất hữu cơ có những loại nguyên tố nào. Kí hiệu : CxHyOzNt ( x, y, z, t nguyên dương ) - Công thức phân tử: cho biết số lượng nguyên tử của các nguyên tố tạo nên phân tử phân tử chất hữu cơ - Công thức đơn giản nhất: cho biết tỉ lệ số nguyên tử của các nguyên tổ có trong phân tử ( biểu diễn bằng tỉ lệ các số nguyên tố tối giản ) b. Thiết lập công thức đơn giản nhất: Từ kết quả phân tích hợp chất CxHyOzNt lập tỉ lệ chuyển về tỉ lệ tối giản nhất: x : y : z : t = %C/12 : %H/1 : %O/16 : %N/14 = = p : q : r : t 1.3.2. Thiểt lập công thức phân tử a. Xác định khối lượng mol phân tử: - Đối với chất khí và chất lỏng dể hóa hơi: xác định khối lượng mol phân tử dựa vào tỉ khối: MA = MB.dA/B ; MA = 29.dA/KK Đối với chất rắn và chất lỏng khó bay hơi: do độ giảm nhiệt độ đông đặc hoặc đo độ tăng nhiệt độ sôi, dung phương pháp phổ khối lượng b. Thiết lập công thức phân tử - Thiết lập công thức phân tử qua công thức đơn giản - Thiết lập công thức phân tử qua không qua công thức đơn giản 1.4. CẤU TRÚC PHÂN TỬ HỢP CHẤT HỮU CƠ: 1.4.1. Thuyết cấu tạo hóa học: Trong các thuyết đưa ra để giải thích cấu tạo hợp chất hữu cơ thuộc nhiều thế hệ khác nhau đáng chú ý là các thuyết: - Thuyết kiểu của Zerar: các hợp chất hữu cơ phân bố theo kiểu H2O, HCl, H3N, H2 thay thê hyđrô của các kiểu bằng gốc hữu cơ sẻ thu được chất khác nhau VD H CH3 C2H5 C2H3O O O O O H H H H nước metanol êtanol axit axetic Năm 1851 Viliamxơn đưa ra thuyết rađical của nhiều nguyên tử - tức là các rađicalcó khả năng thay thế 2 hoặc nhiều hyđrô trong các kiểu. - Thuyết cấu tạo của A.M.Buttlerop: Năm 1861 thuyết cấu tạo hóa học của Buttlerop ra đời là nền tảng cho sự phát triển hóa học hữu cơ .Đây là bướt nhảy vọt về thuyết hóa học hữu cơ. a. Nội dung thuyết cấu tạo hóa học ( A.M.Buttlerop ) - Các nguyên tử trong phân tử hợp chất hữu cơ không phải sắp xếp hỗn độn, vô trật tự mà các nguyên tử liên kết với nhau theo đúng hóa trị và theo một thứ tự nhất định. Thứ tự liên kết đó được gọi là cấu tạo hóa học. Sự thay đổi thứ tự liên kết đó, tức là thay đổi cấu tạo hóa học sẻ tạo ra chất khác - Trong phân tử hợp chất hữu cơ, cacbon có hóa trị 4. Nguyên tử cacbon không những có thể liên kết với nguyên tử của các nguyên tố khác mà còn liên kết với nhau tạo thành mạch cac bon - Tính chất của các chất phụ thuộc vào thành phần phân tử ( bản chất và số lượng các nguyên tử ) và cấu tạo hóa học ( thứ tự liên kết các nguyên tử ). Các nguyên tử trong phân tử có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau b. Đồng đẵng, đồng phân: - Đồng đẵng: Đồng đẵng là hiện tượng các chất có cấu tạo và tính chất tương tự nhau.Nhưng về thành phần phân tử khác nhau một hay nhiều nhóm – CH2 ( metylen ). Nhưng chất đó được gọi là đồng đẵng - Đồng phân: Những hợp chất khác nhau nhưng có cùng công thức phân tử là những chất đồng phân. Các loại đông phân: đồng phân cấu tạo, đồng phân lập thể ( đồng phân quang học, đồng phân hình học ) 1.4.2. Liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ: a. Các loại liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ: Sự phát triển của các thuyết về liên kết hóa học – tức là lực giữa các nguyên tử với nhau trong phân tử. Có hai thuyết cơ bản là thuyết liên kết ion ( W.Kosell – 1926 ) và thuyết liên kết cộng hóa trị ( G.N.Lewis ) Liên kết ion (liên kết điện hóa trị ): được hình thành do sự chuyển một hoặc nhiều electron từ nguyên tử này sang nguyên tử kia tạo ra các ion đương và âm liên kết với nhau bằng lực hút tỉnh điện. Liên kết cộng hóa trị: được hình thành giữa các nguyên tử do sự dùng chung các cặp electron hóa trị. + Liên kết đơn: tạo bởi một cặp electron dùng chung và được biểu diễn bởi 2 dấu chấm hay 1 gạch nối giữu 2 nguyên tử. Liên kết đơn thuộc loại liên kết  + Liên kết bội: Liên kết đôi: tạo bởi 2 cặp electron dùng chung và được biểu diễn bởi 4 dấu chấm hay 2 gạch nối. Liên kết đôi gồm 1 liên kết  và 1 liên kết  Liên kết 3 tạo bởi 3 cặp electron dùng chung và được biểu diễn bởi 6 dấu chấm hay 3 gạch nối. Liên kết 3 gồm 1liên kết  và 2 liên kết  Nguyên tử C sử dụng obitan lai hóa để tạo liên kết  theo kiểu xen phủ trục: và sử dụng obitan p để tạo liên kết  theo kiểu xen phủ bên: b. Các loại công thức cấu tạo: - Công thức khai triển: H H H H H H H H H C H H H H H H H C H H H H H – C – C – C –C –H H – C –C – C = C – H H – C – C – H - Công thức thu gọn: CH3 CH3 – CH – CH2 – CH3 CH3CH2CH = CH2 CH2 – CH2 CH2 - Công thức rất thu gọn: 1.4.3. Đồng phân cấu tạo: a. Khái niệm đồng phân cấu tạo: Những hợp chất hữu cơ có cùng công thức phân tư nhưng có cấu tạo hóa học khác nhau gọi là những đồng phân cấu tạo b. Phân loại: 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. 1.4.4. Cách biểu diễn cấu trúc không gian phân tử hữu cơ: a. Công thức phối cảnh: H H H H Cl H Cl Cl H H ClCH2 – CH2Cl CH3Cl b. Mô hình phân tử: Mô hình rổng: Mô hình đặc: CH3 – CH3 CH3 – CH3 1.4.5. Đồng phân lập thể: a. Đồng phân lập thể: là những đồng phân cấu tạo hóa 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) Ví dụ: đicloeten trans - đicloeten H Cl H Cl C C cis - đicloeten Cl Cl H H C C Hiện nay đồng phân lập thể chia thành 3 loại: đồng phân quang học, đồng phân hình học và đồng phân cấu dạng b. Cấu tạo hóa học và cấu trúc hóa học: - Cấu tạo hóa học: biết được thứ tự liên kết, các loại liên kết và số liên kết trong phân tử chất hữu cơ nhưng không biết cấu trúc không gian cua chúng. - Cấu trúc hóa học: biết được cấu tạo hóa học và cấu trúc không gian của phân tử chất hữu cơ. 1.5. PHẢN ỨNG HỮU CƠ: 1.5.1. Phân loại phản ứng hữu cơ: - Phản ứng thê: ( kí hiệu S từ chữ Substiution tức là thế ) R – H + Cl – Cl as R – Cl + HCl R – X + Y- R – Y + X- - Phản ứng cộng: ( kí hiệu A từ chữ Addition tức là cộng hợp ) H2C = CH2 + H2 Ni t0 H3C – CH3 - Phản ứng tách: (kí hiệu E từ chữ Elimination tức là tách ) CH3 – CH2OH H+,1700C CH2 = CH2 + H2O Ngoài ra còn phản ứng phân hủy phá hủy các phân tử thành các nguyên tử hoặc phân tử nhỏ hơn. 1.5.2. Các kiểu phân cắt liên kết cộng hóa trị: a. Phân cắt đồng li: đôi electron dùng chung được chia đều cho hai nguyên tử tạo các tiểu phân mang electron độc thân gọi là gốc tự do. b.Phân cắt dị li: nguyên tử có độ âm điện lớn hơn chiếm cả cặp electron dùng chung tạo thành anion và nguyên tử có độ âm điện bé hơn bị mất một electron thành cation. HIĐROCABON Hiđrocacbon là hợp chất hữu cơ đơn giản nhất chỉ chứa hai nguyên tố cacbon và hiđro dựa vào cấu tạo khác nhau chia làm hai loại chính là hợp chất không thơm và hợp chất thơm hoặc có thể chia thành hợp chất no và không no. Chương 2: HIĐRÔCACBON NO Hiđrocacbon no ( còn gọi là hiđrocacbon bảo hòa ) là loại hiđrocacbon mà trong phân tử chỉ có liên kết đơn và được chia làm hai loại là ankan và xicloankan. 2.1.ANKAN Là những hiđrocacbon no mạch hở ( trước đây gọi là parafin từ chữ la tinh parumaffinnis tức là ái lực hóa học yếu ) 2.1.1. Đồng đẵng, đồng phân và danh pháp: a. Đồng đẵng: gồm các chất: mêtan CH4(n=1), etan C2H6(n=2) propan C3H8(n=3).có công thức chung CnH2n + 2 .Chúng hợp thành dãy đồng đẵng gọi là dãy đồng đẵng metan b. Đông phân: Cùng với sự tăng lên của số lượng nguyên tử cacbon trong phân tử sẻ làm tăng số lượng những khả năng phân bố khác nhau của nguyên tử cacbon dẫn đến sự tạo thành các đồng phân khác nhau nên ankan có đồng phân cấu tạo là đồng phân về mạch cacbon. c. Bậc của cacbon: Bậc của một nguyên tử cacbon là số nguyên tử cacbon liên kết trực tiếp với nó. - Nguyên tử cacbon bậc I, II, III, IV là nguyên tử cacbon liên kết với một, hai, ba, bốn nguyên tử cacbon khác. H CH3 I IV I H H CH3 H CH3 H H H II H H I II H H H I VD: III H – C – C – C – C – H H – C – C – C – C – H H ( ankan không phân nhánh ) ( ankan phân nhánh ) d. Danh pháp: - Danh pháp không phân nhánh: theo IUPAC Nhóm nguyên tử còn lại sau khi bớt đi 1 nguyên tử hiđro từ phân tử ankan được gọi là nhóm ankyl Tên của một số ankan và nhóm ankyl không phân nhánh n CnH2n +2: Ankan CnH2n +1: Ankyl Công thức Tên Công thức Tên 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 20 CH4 CH3CH3 CH3CH2CH3 CH3(CH2)2CH3 CH3(CH2)3CH3 CH3(CH2)4CH3 CH3(CH2)5CH3 CH3(CH2)6CH3 CH3(CH2)7CH3 CH3(CH2)8CH3 CH3(CH2)9CH3 CH3(CH2)10CH3 CH3(CH2)18CH3 Mêtan Etan Propan Butan Pentan Hexan Heptan Octan Nonan Đecan Unđecan Đođecan Eicosan CH3- CH3CH2- CH3CH2CH2- CH3(CH2)2CH2- CH3(CH2)3CH2- CH3(CH2)4CH2- CH3(CH2)5CH2- CH3(CH2)6CH2- CH3(CH2)7CH2- CH3(CH2)8CH2- CH3(CH2)9CH2- CH3(CH2)10CH2- CH3(CH2)18CH2- Metyl Etyl Propyl Butyl Pentyl Hexyl Heptyl Octyl Nonyl Đecyl Unđecyl Đođecyl Eicosyl - Ankan phân nhánh: . Chọn mạch cacbon dài nhất và có nhiều nhánh nhất làm mạch chính. . Đánh số thứ tự các nguyên tử cacbon trên mạch chính sao cho số chỉ vị trí nhóm thế nhỏ nhất. . Gọi tên nhóm thế theo thứ tự quy tắt α ( đặt trước tên nhánh theo thứ tự bảng chữ cái ) . Nếu có nhiều nhánh cùng tên thì sau tất cả các số chỉ vị trí trước tên nhóm ta thêm các tiền tố như đi ( hai ), tri ( ba ), tetra ( bốn ), penta ( năm ) ... để chỉ số lượng nhóm cùng tên. . Dấu – để nối các chỉ số với tên nhánh, dấu , để phân cách hai chỉ số cạnh nhau . Số chỉ vị trí – Tên nhánh + Tên mạch chính + an CH3 CH3 CH2 – CH3 CH3 Ví dụ: 7 6 5 4 3 2 1 CH3 – CH2 – CH – CH2 – CH – CH – CH3 3 – etyl – 2,5,5 – trimetylheptan (không đọc 2,5,5 trimetyl – 3 – etylheptan) IUPAC chấp nhận tên thong thường của các AnKan phân nhánh 4 hoặc 5 nguyên tử cacbon: CH3 – CH(CH3) – CH3 , CH3 – CH(CH3) – CH2 – CH3 , CH3 – C(CH3)2 – CH3 Isobutan isopentan neopentan Một số nhóm anlyl phân nhánh: Công thức Tên gọi (CH3)2CH – isopropyl (CH3)2CHCH2 – isobutyl ( 2 – metylprppyl ) CH3CH2(CH3)CH – sec – butyl ( 1 – metyl propyl ) (CH3)3C – tert – butyl ( 1,1 – đimetyletyl ) (CH3)3CCH2 – neopentyl ( 2,2 – đimetylpropyl ) 2.1.2. Cấu trúc phân tử và tính chất vật lí: a. Cấu tạo hóa học: Nguyên tử cacbon trong Ankan ở trạng thái lai hóa sp3. - Liên kết trong phân tử ankan: là liên kết đơn b. Cấu trúc không gian của AnKan: Cấu trúc rổng: CH3 CH3 – CH2 – CH3 CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH – CH3 Cấu trúc đặc: CH3 – CH2 – CH3 CH3 CH3 – CH2 – CH2 – CH3 CH3 – CH – CH3 Cấu dạng: c. Tính chất vật lý: Ở nhiệt độ thường, các Ankan từ CH4 đến C4H10 ở trạng thái khí,từ C5H12 đến khoảng C18H38 là chất loảng, từ khoảng C18H38 trở lên là chất rắn. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sô tăng dần khi khối lượng phân tử tăng, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sô thay đổi khi cấu trúc thay đổi. Các Ankan không tan trong nước tan nhiều trong dung môi hữu cơ, vì vậy ankan không có tính hiđrophin ( ưa nước ) mà có tính hiđrophobic ( kị nước ) 2.1.3. Tính chất hóa học : Ankan có ái lực hóa học yếu, khả năng phản ứng yếu, không có khả năng kết hợp với hiđrô nên được gọi là hiđrocacbon no Ở nhiệt độ thường, ankan tương đối trơ về mặt hóa học, khi có xúc tác hoặc ở nhiệt độ cao, ankan tham gia phản ứng thế, tách, oxi hóa nhưng không bao giờ tham gia phản ứng cộng. Phản ứng của ankan thường xảy ra theo cơ chế gốc. a. Phản ứng thế: ( thế gốc – SR ) Cở chế phản ứng: Phản ứng : R – H + X2 askt Giai đoạn 1: ( khơi mào ) X2 hf 2X* Giai đoạn 2: ( phát triển ) R – H + X* R* + HX R* + X2 R – X + X* Giai đoạn 3 : ( kết thúc ) X* + X* X2 R* + X* R – X R* + R* R – R CH4 + Cl2 hv CH3Cl + CH2Cl2 + CHCl3 + CCl4 + HCl Metylclorua Metylenclorua Clorofom Cacbontetraclorua Clometan Điclometan Triclometan Tetraclometan b.Phản ứng tách: ( Phản ứng nhiệt phân ) - Phản ứng tách hiđro: ( đehiđro hóa – dehydrogenation ) CnH2n+2 Ni, t0 CnH2n + H2 Áp dụng chủ yếu đối với các ankan có phân tử khối thấp. Các Ankan từ C2H6 – C4H10 bị tách thành Anken: CH3 – CH3 xt, t0 CH2 = CH2 + H2 CH3CH2CH2CH3 xt, t0 CH3 – CH = CH – CH3 + H2 Các phản ứng này thuận nghịch, vì cũng trong điều kiện đó cũng tạo phản ứng hiđrohoa anken Ankan từ C5H12 có thể tạo ra xicloankan, còn C6H14 – C8H18 có thể tạo aren. CH3(CH2)3CH3 xt, t0 + H2 CH3(CH2)4CH4 xt,t0 C6H6 + 4H2 -Phản ứng Cracking: ( Phản ứng cắt mạch ) CnH2n+2 xt, t0 CxH2x+2 + CyH2y ( Với n = x + y ) Ankan Ankan Anken CH3(CH2)2CH3 xt, t0 CH4 + CH2 = CH – CH3 CH3(CH2)2CH3 xt, t0 CH3 – CH3 + CH2 = CH2 c. Phản ứng oxi hóa: - Oxi hóa hoàn toàn: CnH2n +2 + O2 nCO2 + ( n + 1 )H2O CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O - Oxi hóa không hoàn toàn: CH4 + O2 NO,6000C HCH=O + H2O 2.1.4. Điều chế: a. Trong công nghiệp: chưng cất phân đoạn dầu mỏ thu được các ankan b. Trong phòng thí nghiệm: Các ankan từ CH4 – C4H10 ta nhiệt phân hoặc điện phân muối kim loại của axit ankanoic. Nhiệt phân bằng hỗn hợp “vôi tôi xút” (CaO +NaOH rắn) R – COONa + NaOH CaO, t0 R – H + Na2CO3 CH3COONa + NaOH CaO, t0 CH4 + Na2CO3 Điên phân theo phương pháp Konbơ: 2R – COONa + 2H2O điện phân R – R + CO2↑ + 2NaOH + H2↑ Metan còn có thể điều chế từ nhôm cacbua: Al4C3 + 12H2O 3CH4 + 4Al(OH)3 2.2 XIClOANKAN : Là những hiđrocacbon no mạch vòng.xicloankan có 1 vòng gọi là monoxicloankan, xicloankan có nhiều vòng gọi là polixicloankan. Monoxicloankan có công thức chung là CnH2n (n≥ 3) 2.2.1.Cấu trúc, đồng phân, danh pháp: a. Cấu trúc phân tư một số xicloankan: Công thức phân tử C3H6 C4H8 C5H10 Công thức cấu tạo Mô hình rổng Mô hình đặc b. Đồng phân và cách gọi tên monoxicloankan: - Quy tắc: Số chỉ vị trí nhánh – tên nhánh + xiclo + tên mạch chính + an Mạch chính là mạch vòng, đánh số sao cho tổng các số chỉ vị trí nhánh là nhỏ nhất Monoxicloankan có các đồng phân về cở vòng hoặc về sự phân nhánh VD: Xicloankan C5H10 có 5 đồng phân: CH3 CH2CH3 H3C CH3 CH3 CH3 Xiclo Metylxiclo Etylxiclo 1,1 – Đimetylxiclo 1,2 – Đimetylxiclo Pentan Butan Propan Propan Propan 2.2.2. Tính chất : a. Tính chất vật lý: Các xicloankan nói chung đều nhẹ hơn nước, và đều nặng hơn các ankan có cùng số nguyên tử C. Tính tan của xicloankan tương tự tính tan của ankan. Xicloankan thuộc loại lipophin (ưa dầu mở) và hiđrophobic (kị nước). b. Tính chất hóa học: - Phản ứng mở vòng của xicloankan và xiclobutan: + H2 Ni, 800C CH3 – CH2 – CH3 propan + Br2 Br – CH2 – CH2 – CH2 – Br 1,3 – đibrompropan + HBr CH3 – CH2 – CH2 – Br 1 – brompropan + C6H6 Al2O3,t0 CH3 – CH2 – CH2 – C6H5 Xiclobutan có phản ứng cộng với hiđro ở nhiệt độ cao hơn xiclopropan: + H2 Ni, 120oC CH3 – CH2 – CH2 – CH3 Butan - Phản ứng thế: SR Phản ứng thế ở xicloankan tương tự ankan: + Cl2 Cl + HCl + Br2 Br + HBr - Phản ứng nhiệt phân : Xicloankan bị đề hiđro hóa thành hiđrocacbon thơm, phản ứng này sử dụng trong phương pháp refoming nhằm tăng chỉ số octan của xăng CH3 Pt/SiO2, 5000C + 3H2 > 5000C + 3H2 CH3 >5000C CH3 - Phản ứng oxi hóa: CnH2n O2 nCO2 + nH2O C6H12 + 9O2 6CO2 + 6H2O Xicloankan không làm mất màu dung dịch KMnO4 2.2.3. Điều chế: Thông thường dùng phản ứng đóng vòng các hợp chất không vòng: - Đóng vòng dẫn xuất đihalogen bằng Na hoặc Zn ( giống phản ứng Vuyếc ): Br(CH2)nBr +Na (CH2)n + NaBr - Đóng vòng ankan: CH3[CH2]4CH3 + H2 Chương 3 HIĐROCACBON KHÔNG NO Hiđrocacbon không no ( còn gọi là hiđrocacbon không bảo hòa ) là loại hiđrocacbon mà trong phân tử có chứa liên kết đôi ( C = C ) hoặc liên kết ba ( C ≡ C ) hoặc có cả hai loại liên kết đó. Hiđrocacbon không no chứa 1 liên kết đôi C = C gọi là anken, chưa 1 liên kết ba C ≡ C là ankin, chứa đồng thời liên kết đôi và liên kết ba gọi là ankenin. 3.1. ANKEN Anken trước kia gọi là olefin (có nghĩa là tạo dầu) là hiđrocacbon không no có chứa một liên kết đôi C = C 3.1.1. Đồng đẵng và danh pháp: a. Dãy đồng đẵng và tên gọi thông thường của anken: - Dãy đồng đẵng gồm các chất : C2H4 (etilen), C3H6 (propilen), C4H8 (butilen) đều có một liên kết đôi C = C và có công thức chung là CnH2n (n ≥ 2) gọi là dãy đồng đẵng của etilen - Tên thông thường: Anken có tên lích sử là olefin nên một số anken đơn giản được gọi tên bằng cách lấy tên ankan tương ứng đổi đuôi an thành đuôi ilen. CH2 = CH – CH3, CH2 = CH – CH2 – CH3, CH2 = C(CH3) – CH3, (CH3)2C=C(CH3)2 Propilen α – Butilen Isobutilen Trimetyletilen b.Tên thay thế: (Danh pháp IUPAC) Mạch chính là mạch cacbon dài nhất có chứa liên kết đôi Đánh số C ở mạch chính bắt đầu từ phía gần liên kết đôi Gọi tên nhánh (theo thứ tự vần chữ cái) số chỉ vị trí đặt trước tên Gọi tên mạch chính theo quy tắc sau: Số chỉ vị trí nhánh – Tên nhánh +Tên mạch chính – số chỉ vị trí nối đối – en ANKEN VD: CH2 = CH – CH3, CH2 = CH – CH2 – CH3, CH2 = C(CH3) – CH3, (CH3)2C=C(CH3)2 propen but – 1 – en 2 – metylpropen 2,3 – đimetylbut – 2 – en 3.1.2.Cấu trúc và đồng phân : a.Cấu trúc: Mô hình rổng Mô hình đặc CH2 = CH2 CH2 = CH2 Hai nguyên tử mang nối đôi của anken ở trạng thái lai hóa sp2.Liên kết  được hình thành do sự xen phủ trục của hai orbital lai hóa sp2. Liên kết  được hình thành do sự xen phủ bên của 2 orbital p thuân kiết H H C C H H Hai nguyên tử C liên kết đôi và 4 nguyên tử H liên kết trực tiếp với chúng nằm trên cùng một mặt phẳng gọi là mặt phẳng phân tử. Mặt phẳng chứa orbital  và trục liên kết C – C, vuông phẳng với mặt phẳng phân tử gọi là mặt phẳng . b. Đồng phân: - Đồng phân cấu tạo: Các anken từ C4H8 trở lên có đồng phân về mạch cacbon và đồng phân về vị trí liên kết đôi: VD: C4H10 có các đồng phân CH2 = CH – CH2 – CH3 , CH2 = C(CH3) – CH3 , CH3 – CH = CH – CH3 - Đồng phân hình học: (Đồng phân không gian) Đồng phân hình học là loại đồng phân xuất hiện do sự cản trở quay gốc tự do của các nguyên tử xung quanh liên kết đôi C = C, các đồng phân có hai nhóm thế hoặc hai nguyên tử giống nhau nằm về cùng một phía của mặt phẳng là đồng phân cis, nếu khác phía là đồng phân trans. VD C4H10 cis – but – 2 – en trans – but – 2 – en Đồng phân hình học chỉ xuất hiện khi nào các nhóm thế ở các nguyên tử cacbon nôi đôi khác nhau: VD: CH3 – CH = CH2 , C2H5 - CH = CH2 , CH2 = C(CH3)2 không có đông phân hình học, còn (Cl)HC=CH(Cl) có 2 đông phân cis – đicloeten và trans – đicloeten. Đặc điểm của đồng phân hình học là có các tính chất vật lí khác nhau, có tính chất hóa học tương tự nhau nhưng mức độ tham gia phản ứng hóa học khác nhau do phân bố không gian khác nhau. 3.1.3 Tính chất vật lí: Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng của anken không khác nhiều so với ankan tương ứng. Nhưng thường nhỏ hơn so với các xicloankan tương ứng. Các Cis – anken có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhưng có nhiệt độ sôi cao hơn so với đồng phân trans – anken. Ở điều kiên thường, anken từ C2 đến C4 là chất khí. Các anken đều nhẹ hơn nước. Các anken không tan trong nước, tan tốt trong các dung môi không hoặc ít phân cực. Anken có tên lịch sử là olefin (có nghĩa là tạo dầu) nên tan tốt trong dầu mở. Các anken thường là những chất không màu. 3.1.4. Tính chất hóa học: Liên kết  ở nối đôi của anken kém bền vững, nên trong phản ứng để bị đứt ra tạo thành liên kết  nên nhóm C = C quyết định tính chất hóa học đặc trưng của anken. Anken có các phản ứng hóa học đặc trưng là phản ứng cộng (cộng theo kiểu phân cực: AE, công không phân cực: AR, cộng H2) ngoài ra còn phản ứng trùng hợp(polime hóa), phản ứng oxi hóa. a. Phản ứng công hiđro: (phản ứng hiđro hóa) khi có mặt chất xúc tác như Pt, Ni, Pd, nghiền nhỏ ở dạng tinh kiết: CnH2n + H2 CnH2n + 2 C2H4 + H2 C2H6 b. Phản ứng cộng halogen: CnH2n + X2 CnH2nX2 Phản ứng xảy ra theo cơ chế AE (cộng electrophin) gồm hai giai đoạn: R – CH = CH – R + Br2 chậm R – CH – CH – R + Br- Br + R – CH – CH – R + Br- nhanh R – CHBr – CHBr – R VD: CH2 = CH2 + Cl2 ClCH2 – CH2Cl (đicloetan) Phân tử X2 bình thường không phân cực nhưng đưới tác dụng của nối đôi và xúc tác nó bị phân cực. Hiên tượng này gọi là sự phân cực hóa. c. Phản ứng cộng axit và cộng nước - Phản ứng cộng axit: CnH2n + HA CnH2n+1A Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng electrophin (AE): >C = CCH – C+< + A- >CH – C+CH – CA< VD: CH2 = CH2 + H – Cl CH3CH2Cl (etylclorua) CH2 = CH2 + H2SO4 CH3CH2OSO3H (etyl hiđrosunfat) - Phản ứng cộng nước: Ở nhiệt độ thích hợp có xúc tác axit anken phản ứng cộng AE(cơ chế tương tự cộng axit) với nước tạo thành ancol (rượu) : CnH2n + H2O H+, t0 CnH2n+1OH CH2 = CH2 +H2O H+, t0 CH3 – CH2 – OH (ancol etylic) - Hướng của phản ứng cộng electrophin vào anken: Phản ứng công axit hoặc nước vào anken không đối xứng thường tạo ra hổn hợp hai đồng phân trong đó có một sản phẩm chinh (sản phẩm chính là sản phẩm nhiều nhất) sau khi nghiêm cứu năm 1870 Maccopnhicop đã đưa ra quy tắc về sự định hướng của phản ứng cộng electrophin(AE): Trong phản ứng cộng axit hoặc nước vào liên kết C = C của anken, phân tử mang điện tích dương (tác nhân electrophin) ưu tiên