Giáo trình Hóa học hữu cơ

Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..1 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP I - HÀ NỘI -------------------------- ĐINH VĂN HÙNG - TRẦN VĂN CHIẾN PGS.TS. ĐINH VĂN HÙNG (Chủ biên) GIÁO TRÌNH HOÁ HỌC HỮU CƠ Năm 2007 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..2 2 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “ hoá hữu cơ” này được biên soạn theo đề cương môn học chính thức dùng cho khối ngành Nông- Lâm- Ngư nghiệp do bộ môn hoá trường Đại học Nông nghiệp I chủ trì và đã được hội đồng khối ngành thông qua. Giáo trình nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về Hoá hữu cơ. Trọng tâm của giáo trình là cấu tạo và tính chất của các hợp chất hữu cơ, cấu tạo và tính chất của một số loại hợp chất tự nhiên có liên quan nhiều đến các môn học cơ sở và chuyên môn của khối ngành. Tuy nhiên, do thời lượng môn học rất ít (2 ĐVH), nên chúng tôi đã cải tiến chương mục sao cho gọn nhất. Cũng chính vì vậy không tránh khỏi sai sót khi biên soạn. chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình được hoàn thiện hơn cho lần tái bản sau. Hà Nội, 2007 Các tác giả Chương I. ĐẠI CƯƠNG Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..3 3 Xưa kia, người ta không phân biệt chất vô cơ và chất hữu cơ, mặc dù từ thời cổ đại người ta đã biết dùng và sản xuất một số chất hữu cơ như người Ấn Độ đã biết lấy đường từ mía, biết lấy chàm từ cây chàm; người Ai Cập biết lấy tinh dầu thơm, cho lên men nước ngọt thành rượu. Cũng chính vì vậy, khi đó người ta chưa phân biệt hóa học vô cơ và hóa học hữu cơ. Sự phát triển của hóa học hữu cơ bắt đầu từ thế kỷ XVII, khi các hợp chất lấy từ cây cối và động vật được đưa vào nghiên cứu. Đến giữa thế kỷ XVIII, trên cơ sở phản ứng đốt cháy người ta đã xác định được cacbon, hiđro, nitơ, oxi có trong các hợp chất tách từ động vật và thực vật, từ đó hóa học hữu cơ thực sự bắt đầu phát triển. Khái niệm hóa học hữu cơ do Beczeliuyt (Bezelius) đề xuất năm 1807. Ông cho rằng cơ thể sinh vật là xưởng hóa học, ở đó có bộ phận riêng biệt sản xuất các sản phẩm quan trọng cho sự sống. Năm 1824 Vuele (Wohler) đã tổng hợp được axit oxalic (H2C2O4) từ xianogen (C2N2) và năm 1828 ông cũng đã tổng hợp được urê (H2N-CO-NH2) từ amoni xianat (H4NOCN). Tiếp sau đó hàng loạt các công trình mới được công bố, kể cả các công trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ không tách được từ tự nhiên. Đến đầu thế kỷ XIX người ta đã khẳng định rằng cacbon là thành phần cơ bản không thể thiếu được trong các hợp chất hữu cơ. Người ta đưa ra định nghĩa: Hoá học hữu cơ là học thuyết về hoá học của các hợp chất của cacbon. Trên cơ sở nghiên cứu các đặc điểm cấu tạo chung của các hợp chất hữu cơ, Soolemme (Soorlemmer) và một số tác giả đã định nghĩa: Hoá học hữu cơ là ngành hoá học của hiđrocacbon và các dẫn xuất của chúng. Cho đến nay cả hai định nghĩa trên vẫn được công nhận. Sự phát triển của hoá học hữu cơ không những có tác dụng trực tiếp đến các ngành kinh tế quốc dân có liên quan đến hoá học hữu cơ, mà còn ảnh hưởng sâu sắc đến các ngành khoa học khác như sinh học, hoá sinh, y học, dược học, nông nghiệp ...làm cho con người ngày càng làm chủ thiên nhiên và bắt thiên nhiên, điều khiển thiên nhiên phục vụ đời sống con người. Hoá học hữu cơ là hoá học về những hợp chất của cacbon. Đối tượng nghiên cứu của môn học này là các hiđrocacbon và các dẫn xuất của chúng. Đối tượng này được khảo sát riêng là do một số nguyên nhân sau đây: - Số lượng các hợp chất hữu cơ rất lớn và tăng rất nhanh. Khoảng trên 10 triệu hợp chất hữu cơ đã được biết. Trong đó có những hợp chất đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với các quá trình hoạt động sống của cơ thể sinh vật như các hợp chất gluxit, các hợp chất protein, các axit nucleic, các vitamin, các hocmon - Vai trò to lớn và ứng dụng phong phú của hoá học hữu cơ trong đời sống hằng ngày và trong các ngành kinh tế quốc dân: Nhiên liệu và dầu nhờn, các loại nông dược, thuốc chữa bệnh, các chất hoạt động bề mặt, các chất màu và phẩm nhuộm - Đối với các ngành sinh học nói chung và các ngành Nông-Lâm-Ngư nói riêng, hoá học hữu cơ được coi như là môn học cơ sở để nghiên cứu các quy luật và cơ chế của các quá trình Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..4 4 chuyển hoá các chất trong cơ thể, từ đó có thể đề ra những biện pháp kỹ thuật thích hợp tác động làm tăng năng suất, chất lượng của cây trồng và vật nuôi. 1. CẤU TẠO VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CACBON Như trên đã nói, hoá học hữu cơ là ngành hoá học dành riêng cho nguyên tố cacbon. Số lượng các hợp chất hữu cơ rất nhiều và ngày càng được tăng lên rất nhanh bởi những hợp chất mới tìm được trong thế giới tự nhiên và bằng con đường tổng hợp trong các phòng thí nghiệm. Vấn đề đặt ra là tại sao nguyên tố cacbon lại có khả năng hình thành nhiều hợp chất đến như vậy? Muốn giải quyết vấn đề này trước hết chúng ta nghiên cứu cấu tạo và đặc điểm của nguyên tố cacbon. Cacbon là nguyên tố thuộc chu kì hai, phân nhóm chính nhóm bốn của bảng hệ thống tuần hoàn. Lớp vỏ điện tử của nó có 6 điện tử được chia thành 2 lớp : lớp trong có 2 điện tử ( 1s2); lớp ngoài có 4 điện tử ( 2s22p2). ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 1s2 2s2 2p2 Các lớp điện tử s và p sẽ tạo nên những đám mây điện tử (obitan) khác nhau. Obitan s có dạng hình cầu. Các obitan p có dạng số 8 nổi. Các obitan p phân chia trong không gian theo 3 chiều px, py và pz. y x z + y x z + y x z y x z y z x+ + + - - - Sự phân bố điện tử trên các obitan như vậy chính là cấu tạo của nguyên tử cacbon ở trạng thái cơ bản hay trạng thái tĩnh. Ở trạng thái này, cacbon có 2 điện tử độc thân (2p2), do vậy ta có thể nghĩ rằng cacbon có hoá trị 2. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..5 5 Thực tế thì trong các hợp chất hữu cơ, cacbon bao giờ cũng có hoá trị 4. Điều này có thể giải thích được trên cơ sở thuyết lượng tử. Theo quan niệm của thuyết này, trước khi tạo thành các liên kết, dưới tác dụng của năng lượng, một điện tử ở phân lớp 2s sẽ được kích thích để chuyển lên phân lớp 2p : 1s2 2s2 2p2 → 1s2 2s1 2p3 Năng lượng cần thiết để dùng cho quá trình này gọi là năng lượng kích thích và nó sẽ được bù lại sau khi hình thành liên kết. Ở trạng thái kích thích, nguyên tử cacbon có 4 điện tử độc thân, vì thế cacbon có hoá trị 4. Bốn điện tử độc thân của cacbon được phân bố ở hai trạng thái khác nhau về mặt năng lượng. Một điện tử 2s ở trạng thái năng lượng thấp hơn, khả năng đi vào liên kết khó hơn. Ba điện tử 2p tồn tại ở trạng thái năng lượng cao hơn, khả năng đi vào liên kết dễ dàng hơn. Do vậy, một trong bốn liên kết của cacbon tạo bởi điện tử 2s phải khác với ba liên kết còn lại tạo bởi các điện tử 2p. Tuy nhiên, trong thực tế hoá học hữu cơ lại khác. Người ta gặp các hợp chất hữu cơ, trong đó bốn liên kết của nguyên tử cacbon hoàn toàn giống nhau. Để giải thích vấn đề này người ta cho rằng, obitan 2s đã trộn lẫn với các obitan 2p để tạo thành các obitan mới có năng lượng và hình dạng không gian giống nhau. Đó là sự lai hoá (hay còn gọi là sự lai tạo) của các obitan. y z x Hình dạng của obitan lai hoá Trong các hợp chất hữu cơ, nguyên tử cacbon có thể tham gia vào ba trạng thái lai hoá khác nhau. Lai hoá sp3 hay lai hoá tứ diện : Ở trạng thái này, một obitan 2s đã trộn lẫn với ba obitan 2p để được bốn obitan lai hoá giống hệt nhau hướng về bốn đỉnh của một hình tứ diện đều. Trục của các obitan lai hoá tạo với nhau những góc bằng nhau và bằng 109028’ (góc hoá trị). Đây chính là góc hoá trị bền vững nhất của nguyên tử cacbon. Trạng thái lai hoá sp3 là cơ sở giải thích khái niệm của Lơ Ben và Van Hốp (1874) về thuyết tứ diện của nguyên tử cacbon. Trạng thái lai hoá sp3 gặp trong các hợp chất no, trong đó mối liên kết giữa nguyên tử cacbon với nguyên tử của nguyên tố khác hoặc với chính nguyên tử cacbon là những mối liên kết đơn (nối đơn). Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..6 6 Lai hoá sp2 hay lai hoá tam giác: Ở trạng thái này, obitan 2s trộn lẫn với hai obitan 2p để tạo thành ba obitan lai hoá. Ba obitan lai hoá này nằm trên cùng một mặt phẳng và trục của chúng tạo với nhau những góc 1200. Ở trạng thái lai hoá sp2 nguyên tử cacbon còn lại một điện tử 2p không tham gia vào sự lai hoá, trục của nó vuông góc với mặt phẳng chứa ba obitan lai hoá. Địên tử p này sẽ tham gia vào sự hình thành liên kết π cùng với các điện tử p của các nguyên tử cacbon bên cạnh. Trạng thái lai hoá sp2 thường gặp trong các hợp chất chứa liên kết đôi (nối đôi). Lai hoá sp hay lai hoá đường thẳng : Ở trạng thái này, obitan 2s trộn lẫn với một obitan 2p để được hai obitan lai hoá giống hệt nhau. Hai obitan này cùng nằm trên một mặt phẳng và trục của chúng tạo với nhau góc 1800. Ở trạng thái lai hoá sp, nguyên tử cacbon còn hai obitan p không tham gia vào sự lai hoá. Cũng giống như điện tử p ở trạng thái lai hoá sp2, các điện tử p này sẽ tham gia vào sự hình thành các liên kết π. Trạng thái lai hoá sp thường gặp trong các hợp chất chứa liên kết ba (nối ba). Dưới đây mô tả hình dạng và sự phân bố đám mây điện tử ở các trạng thái lai hoá khác nhau. ++ + + + + + + - - - ---- - + + + + - Lai hoá sp3 Lai hoá sp2 Lai hoá sp Như vậy nguyên tử cacbon hoá trị bốn là viên gạch để xây dựng nên toàn bộ hoá hữu cơ cấu tạo. Trừ một vài ngoại lệ, ta có thể biểu diễn những hợp chất của cacbon bằng những công thức trong đó cacbon có bốn liên kết cộng hoá trị (bất kể là nguyên tử cacbon đó liên kết với nguyên tử cacbon hay nguyên tử của nguyên tố khác). Để biểu diễn công thức của các hợp chất hữu cơ, ngày nay người ta thường dùng công thức cấu tạo, trong đó quy ước rằng một vạch nối liền các kí hiệu nguyên tử tượng trưng cho một liên kết đơn, hai vạch cho một liên kết đôi và ba vạch cho một liên kết ba. Cách hay được dùng nhất là biểu diễn dưới dạng công thức nửa cấu tạo. Cách này cho phép tiết kiệm chỗ và thời gian, nhưng đồng thời cũng khá rõ ràng: CH4 CH3-CH3 CH2=CH2 CH≡CH metan etan etylen axetylen H2C H2C C CH2 CH2 CH2 H2 HC HC C CH CH CH H CH3 -CH2 -OH Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..7 7 xiclohexan benzen ancol etylic OHCH3 CH3 -O -CH3 CH3 -C =O CH3 -C =O đimetyl ete axeton axit axetic Khác với các nguyên tố khác, ngoài khả năng có thể tham gia vào cả ba trạng thái lai hoá để sau đó hình thành nên các liên kết khác nhau, nguyên tố cacbon còn có những đặc điểm mà các nguyên tố khác không có được để làm tăng khả năng hình thành các hợp chất khác nhau, làm cho số lượng các hợp chất hữu cơ rất lớn. Những đặc điểm đó là các nguyên tử cacbon có khả năng kết hợp với nhau để tạo thành mạch, trong đó liên kết cacbon- cacbon rất bền. Mạch cacbon có thể là mạch không phân nhánh (mạch thẳng), mạch phân nhánh hoặc mạch vòng. Những mạch đó có thể rất ngắn chỉ gồm vài nguyên tử cacbon nối với nhau, nhưng cũng có thể rất dài, bao gồm hàng trăm, hàng ngàn nguyên tử: - C - C - C - C - - C - C - C - - C - C C C C mạch không phân nhánh mạch phân nhánh mạch vòng Khi tạo thành mạch, các nguyên tử cacbon liên kết với nhau. Các nguyên tử cacbon ở đầu mạch chỉ liên kết trực tiếp với một nguyên tử cacbon khác, các nguyên tử cacbon giữa mạch có thể liên kết với hai, ba hoặc bốn nguyên tử cacbon khác. Tuỳ thuộc số liên kết mà một nguyên tử cacbonầnò đó liên kết trực tiếp với các nguyên tử cacbon khác, người ta phân biệt thành cacbon bậc 1, cacbon bậc 2, cacbon bậc 3 hoặc cacbon bậc 4. Thí dụ, trong phân tử etan: CH3- CH3 hai nguyên tử cacbon đều là bậc 1, bởi vì mỗi nguyên tử cacbon trong đó chỉ được liên kết trực tiếp với một nguyên tử cacbon khác. Trong phân tử propan: 1 2 3 CH3- CH2- CH3 các nguyên tử cacbon số 1 và số 3 là cacbon bậc 1 do chúng chỉ liên kết trực tiếp với một nguyên tử cacbon khác. Nguyên tử cacbon số 2 là cacbon bậc 2 vì nó liên kết trực tiếp với hai nguyên tử cacbon số 1 và số 3. Trong phân tử isobutan: 1 2 3 CH3- CH- CH3 CH3 nguyên tử cacbon số 2 là cacbon bậc 3 vì nó liên kết trực tiếp với ba nguyên tử cacbon khác. Tương tự như vậy chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy, trong phân tử neopentan: CH3 CH3- C- CH3 Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..8 8 CH3 nguyên tử cacbon số 2 là cacbon bậc 4. Khả năng phản ứng của các nguyên tử liên kết với các nguyên tử cacbon có bậc khác nhau sẽ khác nhau. Vì vậy, việc nhận biết bậc của các nguyên tử cacbon cho phép phán đoán được khả năng phản ứng của các phân tử hợp chất hữu cơ. Điều này sẽ được chúng ta đề cập tới ở các chương sau. 2. LIÊN KẾT HOÁ HỌC TRONG CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Nguyên tử của các nguyên tố, trừ các khí trơ, đều có thể phản ứng với nhau để tạo nên phân tử, tức là liên kết với nhau để tạo nên các hợp chất. Nói một cách khác, các nguyên tử đều có khuynh hướng bão hoà lớp vỏ điện tử ngoài cùng để trở thành lớp vỏ điện tử bền vững (lớp vỏ của khí trơ). Có nhiều kiểu liên kết hoá học với những đặc điểm khác nhau: liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, liên kết phối trí, liên kết hiđro, liên kết kim loại...các loại liên kết này đều đã được nghiên cứu trong môn cơ sở lí thuyết hoá học. Trong các loại liên kết trên, liên kết cộng hoá trị là phổ biến và quan trọng nhất đối với các hợp chất hữu cơ. Vì vậy chúng ta nhắc lại một số điểm cơ bản về loại liên kết này. 2.1. LIÊN KẾT CỘNG HOÁ TRỊ Liên kết hoá học thực hiện bằng những cặp điện tử dùng chung gọi là liên kết cộng hoá trị. Cặp điện tử dùng chung này tất nhiên phải có spin ngược chiều nhau và khi đó nó thuộc về cả hai nguyên tử. Theo quan điểm hiện đại thì liên kết hoá học được hình thành khi có sự xen phủ tối đa của hai obitan nguyên tử. Obitan xen phủ nhau nhận được khi ấy gọi là obitan phân tử. Tuỳ theo kiểu xen phủ của các obitan nguyên tử, người ta phân biệt liên kết cộng hoá trị thành liên kết xicma (σ) và liên kết pi (π). a. Liên kết σ Liên kết σ là liên kết mà các obitan nguyên tử xen phủ nhau theo kiểu “nối đuôi”. Obitan phân tử bao quanh trục nối hai nhân nguyên tử. Liên kết σ có thể tạo bởi các obitan nguyên tử s với s, s với p, p với p hoặc sp3, sp2, sp với nhau. Dưới đây giới thiệu sơ đồ phân bố mật độ điện tử khi tạo thành liên kết σ giữa hiđro-hiđro, giữa cacbon-hiđro và giữa cacbon-cacbon. HH H C C C Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..9 9 Liên kết σ giữa H-H, H-C, C-C Vùng xen phủ của các obitan nguyên tử là cực đại, do vậy liên kết σ là loại liên kết bền vững. Liên kết σ có đối xứng trục, do vậy hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có thể quay tương đối tự do quanh trục đối xứng làm xuất hiện các cấu dạng khác nhau trong một số hợp chất hữu cơ. b. Liên kết π Liên kết π là liên kết mà các obitan nguyên tử xen phủ nhau theo kiểu “cạnh sườn”. Obitan phân tử đối xứng nhau qua mặt phẳng nút (mặt phẳng chứa trục nối hai nhân nguyên tử và vuông góc với trục của obitan nguyên tử). Liên kết π chỉ tạo thành giữa hai obitan p với nhau, p với d hoặc d với d. Hình dưới dây là sơ đồ phân bố mật độ điện tử của liên kết π tạo bởi các obitan nguyên tử p. C C ++ + - - - C C Sự phân bố mật độ điện tử của liên kết π Các obitan nguyên tử xen phủ nhau ít, do vậy các liên kết π thường kém bền, dễ bị phá vỡ để tham gia trong các phản ứng hoá học. Liên kết π không có đối xứng trục, do vậy các nhóm thế không có khả năng quay tự do xung quanh trục đối xứng. Đây chính là nguyên nhân làm xuất hiện đồng phân hình học cis- trans trong các hợp chất có nối đôi C=C. Trong các hợp chất hữu cơ, liên kết π được thực hiện giữa hai nguyên tử cacbon với nhau như trong các hợp chất hữu cơ chưa no chứa liên kết đôi và liên kết ba: C = C C = C giữa cacbon và nguyên tử của nguyên tố khác như oxi, nitơ... C = O C = NC = NH Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..10 10 Trường hợp các liên kết π hình thành giữa hai nguyên tử của hai nguyên tố có độ âm điện chênh lệch nhau thì nó sẽ bị phân cực. Thí dụ: C = O δ+ δ− Ở những hợp chất có liên kết đôi liên hợp, chẳng hạn như trong phân tử butađien (CH2=CH- CH=CH2), các điện tử π linh động, chúng thường được giải toả trên toàn bộ mạch liên hợp làm cho các hợp chất thuộc loại này thường có những tính chất đặc biệt so với các hợp chất chứa nối đôi bình thường. c. Một số đặc điểm của liên kết cộng hoá trị Liên kết cộng hoá trị có một số đặc tính khác với những loại liên kết khác: - Độ dài liên kết Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được rằng, khoảng cách giữa hai hạt nhân nguyên tử trong liên kết cộng hoá trị là một đại lượng không đổi. Khoảng cách đó được gọi là độ dài liên kết. Độ dài liên kết thường được kí hiệu là d, đơn vị tính bằng angxtron (A0) hay nanomet (nm) (1nm = 10A0; 1A0 = 10-8cm). Độ dài liên kết không phải là tổng bán kính của hai nguyên tử, mà là tổng bán kính cộng hoá trị của hai nguyên tử liên kết với nhau. Biết bán kính cộng hoá trị của nguyên tử ta có thể tính được một cách gần đúng độ dài liên kết. Thí dụ, bán kính của nguyên tử hiđro là 0,54A0, bán kính cộng hoá trị của nó là 0,37A0, thì độ dài liên kết H-H là 0,37A0 +0,37A0 = 0,74A0, chứ không phải là 0,54A0 + 0,54A0 = 1,08A0. Như vậy khi tạo thành phân tử hiđro đã có sự xen phủ nhau giữa hai obitan 1s của hai nguyên tử hiđro. Các công trình nghiên cứu đã chứng tỏ rằng, sự xen phủ giữa hai nguyên tử càng nhiều, độ dài liên kết càng ngắn, liên kết càng bền, càng khó bị phá vỡ. Song, độ dài liên kết không phải là đại lượng cơ bản để đánh giá sự bền vững của một liên kết hoá học. - Độ phân cực của liên kết Trong liên kết cộng hoá trị, nếu obitan phân tử có cấu tạo cân đối, nghĩa là mật độ điện tử của obitan phân tử phân bố đều giữa hai hạt nhân, trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau thì liên kết là không phân cực. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..11 11 Liên kết cộng hoá trị không phân cực chỉ tạo thành giữa hai nguyên tử của cùng một nguyên tố. Thí dụ, liên kết H- H trong phân tử H2, liên kết Cl- Cl trong phân tử Cl2, liên kết C- C trong phân tử CH3- CH3 và CCl3- CCl3...là những liên kết cộng hoá trị không phân cực. Trong trường hợp nếu obitan phân tử có cấu tạo không cân đối, nghĩa là mật độ điện tử của obitan phân tử lệch về phía một trong hai nguyên tử thì liên kết cộng hoá trị đó là phân cực. Liên kết cộng hoá trị phân cực tạo thành do các nguyên tử có độ âm điện khác nhau liên kết với nhau. Khi ấy, mật độ điện tử của obitan phân tử sẽ lệch về phía nguyên tử nào có độ âm điện lớn hơn, làm cho nguyên tử đó giàu điện tử hơn, tức nó mang một phần điện tích âm (kí hiệu δ- ). Ngược lại, nguyên tử kia nghèo điện tử hơn, mang một phần điện tích dương (kí hiệu δ+). Như vậy, trọng tâm điện tích dương và âm không trùng nhau, mà cách nhau một khoảng l nào đó. Thí dụ, trong liên kết C- F, flo có độ âm điện là 4, còn của cacbon là 2,5, nghĩa là flo có độ âm điện lớn hơn, liên kết C- F bị phân cực về phía nguyên tử flo, flo mang một phần điện tích âm, còn cacbon mang một phần điện tích dương: Để đặc trưng cho liên kết cộng hoá trị phân cực người ta dùng đại lượng mômen lưỡng cực, kí hiệu là muy (μ). Mômen được tính bằng công thức: μ = e.l e là điện tích điện tử l là độ dài lưỡng cực (khoảng cách giưã các trọng tâm điện tích dương và âm) Đơn vị của mômen lưỡng cực là đơbai (D) hay culong.met (C.m), 1C.m = 3.1029 D. Thí dụ, mômen lưỡng cực μ của một vài liên kết như sau: μC- C = 0, μC- H = 0,4D, μC- N=1,2D, μC- O =1,6D, μC- Cl =2,3D. Mômen lưỡng cực đặc trưng cho độ phân cực của liên kết cộng hoá trị. Liên kết không phân cực có μ = 0, liên kết phân cực có μ ≠ 0. Mômen lưỡng cực càng lớn liên kết càng phân cực và ngược lại. Nói chung, liên kết càng phân cực, càng kém bền, càng dễ bị phá vỡ trong quá trình tham gia phản ứng. Song, cũng có khá nhiều trường hợp ngoại lệ. Trong những trường hợp đó, người ta phải xét tới độ “khả phân cực” của liên kết hay đúng hơn là xét tới năng lượng liên kết. Độ phân cực của liên kết quyết định trước hết bởi độ âm điện của các nguyên tử liên kết với nhau. Hai nguyên tử có độ âm điện chênh lệch nhau càng lớn liên kết với nhau thì liên kết ấy càng phân cực và ngược lại. Cần chú ý thêm rằng, đại lượng mômen lưỡng cực không phải là đại lượng cố định mà nó thay đổi do ảnh hưởng của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử, ảnh hưởng của môi trường. Độ phân cực của liên kết C- H còn phụ thuộc vào trạng thái lai hoá của nguyên tử cacbon. Thí du, μ Csp3-H =0,307D (metan), μ Csp2-H =0,629D (etylen), μ Csp-H =0,754D (axetilen) 2.2. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..12 12 Trong quá trình hình thành phân tử các chất từ các nguyên tử tự do có sự giải phóng năng lượng. Năng lượng đó gọi là năng lượng nguyên tử và được tính bằng Kcal/mol. Vậy năng lượng nguyên tử hình thành phân tử là năng lượng giải phóng ra khi hình thành một phân tử gam chất từ các nguyên tử tự do ở điều kiện tiêu chuẩn. Thí dụ, khi tạo thành một phân tử gam HCl từ các nguyên tử tự do H và Cl giải phóng ra một năng lượng 102 Kcal/mol, nên năng lượng nguyên tử hình thành phân tử bằng 102 Kcal/mol. Đối với phân tử hai nguyên tử thì năng lượng nguyên tử hình thành phân tử cũng chính là năng lượng liên kết. Vậy năng lượng liên kết chính là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết đó. Năng lượng liên kết càng nhỏ, liên kết càng kém bền, càng dễ bị phá vỡ và ngược lại. Đối với phân tử nhiều nguyên tử như CH4, C2H6... người ta dùng khái niệm năng lượng liên kết trung bình bởi vì trong phân tử nhiều nguyên tử dù rằng gồm những liên kết giống nhau, các liên kết đó vẫn có năng lượng liên kết khác nhau tuỳ theo thứ tự hình thành trước hoặc sau. Thí dụ, trong phân tử metan (CH4) có 4 liên kết C-H. Liên kết thứ nhất có năng lượng 102 Kcal/mol, liên kết thứ hai là 83 Kcal/mol, liên kết thứ ba là 128 Kcal/mol, liên kết thứ tư là 80 Kcal/mol. Do vậy năng lượng nguyên tử hình thành phân tử CH4 là 102 + 83 + 128 + 80 = 393 Kcal/mol. Năng lượng liên kết trung bình của liên kết C- H là 393:4 = 98,25 Kcal/mol. 3. PHÂN LOẠI CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ PHẢN ỨNG HỮU CƠ 3.1.PHÂN LOẠI CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ Theo cách phân loại phổ biến nhất, các hợp chất hữu cơ được phân thành dãy các hợp chất không vòng và dãy các hợp chất vòng. Mỗi dãy lại được phân chia thành những nhóm và những phân nhóm nhỏ hơn, mà ta có thể hình dung bằng sơ đồ tóm tắt sau đây: Các hợp chất hữu cơ Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..13 13 Hệ thống phân loại trên đây lấy hiđrocacbon hoặc hợp chất dị vòng đơn giản nhất làm hợp chất cơ sở. Nếu ta thay thế nguyên tử hiđro của hợp chất cơ sở đó bằng một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác ta sẽ được các hợp chất có nhóm định chức. Mỗi nhóm định chức này lại được chia thành các phân nhóm theo mạch không vòng, mạch vòng... 3.2. PHÂN LOẠI CÁC PHẢN ỨNG HỮU CƠ Các phản ứng hữu cơ được phân loại theo nhiều cách khác nhau: Theo đặc điểm của sự biến đổi liên kết, theo đặc điểm của tác nhân phản ứng, theo số lượng các tiểu phân tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng, theo hướng của phản ứng hoặc phối hợp tất cả các cách phân loại nói trên. a. Phân loại theo đặc điểm của sự biến đổi liên kết Các phản ứng hữu cơ thông thường xẩy ra bằng cách làm đứt liên kết cộng hoá trị cũ và tạo thành liên kết cộng hoá trị mới. Một liên kết cộng hoá trị có thể bị đứt theo hai cách khác nhau. Theo cách thứ nhất, sau khi liên kết cộng hoá trị bị đứt mỗi nguyên tử đem theo nó một electron của đôi electron liên kết. Khi đó trong môi trường phản ứng xuất hiện những gốc tự do hay nguyên tử hoạt động. R : X R. + X. Hay R X R. + X. Cách đứt như vậy được gọi là đứt đối xứng hay đồng li và phản ứng tương ứng được gọi là phản ứng đồng li hay phản ứng gốc tự do. Các hợp chất không vòng Các hợp chất vòng No Không no Các hợp chất Các hợp chất đồng vòng dị vòng No Không no No Không no Các hợp chất Các hợp chất Dị vòng Dị vòng vòng không thơm vòng thơm không thơm thơm Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - - Giáo trình Hoá hữu cơ ..14 14 Theo cách thứ hai, sau khi liên kết cộng hoá trị bị đứt thì đôi electron liên kết ở lại một nguyên tử, còn nguyên tử kia không đem theo electron liên kết nào. R : X R + X R X R + XHay Đó chính là cách đứt không đối xứng hay dị li và phản ứng xảy ra trong trường hợp này là phản ứng dị li hay phản ứng ion. b. Phân loại theo đặc điểm của tác nhân phản ứng Những tác nhân phản ứng (Y-) là các anion, các phân tử trung hoà trong đó có nguyên tử còn cặp electron tự do có thể cho đi một cách dễ dàng, một số phân tử có chứa electron π có ái lực mạnh đối với trung tâm mang điện tích dương. cr y ; y Những tác nhân như vậy được gọi là các tác nhân nucleophin (tác