Sơ lược về các hợp chất hidrocacbon

SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỢP CHẤT HIDROCACBON Định nghĩa hidrocacbon : Hidrocacbon là các hợp chất hữu cơ chỉ chứa nguyên tử Cacbon và Hidro trong phân tửHidrocacbon có rất nhiều nhóm hợp chất nhưng trong chương trình giáo dục của chúng ta ở cấp THPT và ĐH thì chia ra gồm các chương sau :1/Ankan (Hidrocacbon no mạch hở )2/Xicloankan ( Hidrocacbon no mạch vòng )3/Anken (Hidrocacbon ko no , có chứa 1 nối đôi trong phân tử , có thể là mạch vòng hay mạch hở )4/Ankin ( Hidrocacbon ko no , có chứa 1 nối ba trong phân tử có thể là mạch vòng hay mạch hở )5/Ankađien ( Hidrocacbon ko no , có chứa 2 nối đôi trong phân tử ,có thể là mạch vòng hay mạch hở )6/Aren ( Có thể mở rộng thêm 1 tí là các hợp chất vòng no , số liên kểt đôi trong phân tử ko xác địng cụ thể )7/Ngoài ra còn nhiều nhóm hợp chất như Trien ( 3 nối đôi ) , Điin (2 nối ba ) , Enin ( Một nối dôi , một nối ba ) CHƯƠNG 1 - ANKAN 1/ĐỊNG NGHĨA - DANH PHÁP - CẤU TRÚCa/Đinh nghĩa : Ankan là các hợp chất hidrocacbon no ,mạch hở có công thức phân tử chung như sau : CnH2n+2 ( n nguyên dương )b/Danh pháp : Qua 4 bước ( đây là với ankan mạch nhánh nhé , ko nhánh thì khỏi nói làm gì )+ Xác định Hidrua nền ( ở đây là mạch chính , mạch dài nhất , phân nhánh nhiều nhất )+ Đánh số thứ tự+ Xác định tên các nhánh+ Thiết lập tên đầy đủ :"Locant" cho nhánh + Tiền tố độ bội + Tên mạch nhánh + Tên mạch chínhLưu ý tí : "Locant" có nghĩa là số chỉ ...c/Cấu trúc : Ankan là nhóm hợp chất đặc biệt là có mômen lưỡng cực bằng 0 ( Sau này ta xét đến Xicloankan cũng thấy như vậy vì momen lưỡng cực bằng 0 là 1 đặc điểm của Hidrocacbon no mà )Chính vì mômen lưỡng cực bằng 0 nên Ankan còn có cái tên là Parafin nghĩa là "Ái lực kém " ( Tức là Ít khả năng phản ứng ) .Thật vậy , Ankan khá trơ với nhiều tác nhân hoá học . Ankan ko tan được trong H2O , H2SO4 .... Nhưng tan nhiều trong các dung môi ko phân cực , dầu mỡ ...2/CÁC PP TỔNG HỢPÝ nghĩa : Ngoài việc tổng hợp được các ankan cần cho Công nghiệp hay phòng thí nghiệm (Lab) thì việc tổng hợp này còn có một ý nghĩa khác đó là cho thấy cách chuyển hoá các bộ phận của phân tử ( nhóm chức ) thành các nhóm hidrocacbon noPP thứ nhất - Khử R-X ( X là các Halogen ) trực tiếp :R-X +2[H]--> R-H + H-XTác nhân khử co thể là Zn/HCl - Mg.Hg/HCl - H2/Pd,Pt,Ni.. - LiAlH4, NaBH4..- Na/EtOH ...Lưu ý một tí : Một trong những tác nhân khử mạnh nữa là HI thường dùng để khử dẫn xuất Iot theo phản ứng sau : R-I + H-I --> R-H + I2( Phản ứng xảy ra trong bình kín , nhiệt độ )PP thứ hai - Thủy phân hợp chất cơ kim ( Thường là cơ Magie- Hợp chất Grignard)R-X + Mg/ete khan ---> R-MgX + H2O ---> R-H + Mg(OH)XPP thứ ba - Hidro hoá các hợp chất hidrocacbon ko no ( Cái này chắc ai cũng biết nhỉ )PP thứ 4 - Hợp hai gốc hidrocacbon lại bằng cách tạo liên kết C-C ( Có nhiều pp nhưng chủ yếu nhất vẫn là Wurtz và Corey - House)+ Tổng hợp Wurtz ( Vuyec-1854) :R-X + 2Na + R-X --> R-R + 2NaXMột vài lưu ý về phản ứng :1. phản ứng này đạt hiệu suất cao nhất khi 2 gốc hidrocacbon đem ghép là 2 gốc giống nhau .2.Phản ứng ko diễn ra trong dung môi ete mà hay dùng dung môi Hidrocabon ( Cụ thể thế nào lần sau khi nêu cơ chế phản ứng mình sẽ nói cụ thể hơn )+ Tổng hợp Corey- House :Sơ đồ phản ứng tạm biểu diễn như sau :R-X + 2Li ---> RLi + LiX2RLi + CuI ---> R2CuLi + LiX ( R2CuLi : Liti điAnkyl Cuprat)R2CuLi + R'X ---> R-R' + R-Cu + LiXLưu ý : Phản ứng chỉ xảy ra khi R' là dẫn xuất Halogen bậc 1 hay bậc 2 .Phản ứng đạt hiệu suất cao nhất khi mà R và R' đều là dẫn xuất Hal bậc 1 .PP thứ 5 - Tổng hợp Kolbe ( Điện phân dung dịch muôi axit ) :RCOOM + H2O --(Điện phân)--> R-H + CO2 + MOH + H2( M là kim loại kiềm họăc kiềm thổ , hay dùng nhất là muối của kim loại kiềm )Phản ứng xảy ra theo cơ chế Ion- Gốc .PP thứ 6 - Thoái biến axit cacboxylic :Định nghĩa 1 tí về phản ứng thoái biến đó là phản ứng làm thay đổi cấu trúc của một hợp chất ( Biến ) dồng thời có sự cắt ngắn mạch ( Thoái ) .Một ví dụ điển hình của phản ứng thoái biến là phản ứng Đecacboxyl hoá theo sơ đồ chung như sau :RCOOH --> R-H + CO2Sau đây là một vài pp hay dùng để tổng hợp Ankan :a/Khử axit hay dẫn xuất axit :R-COOH + HI --> R-CH3 + H2O + CO2b/PP Vôi tôi xút ( bác nào đi thi ĐH mà ko biết cái này thì chết đó ) :R-COONa + NạOH --(CaO.t0)--> R-H + Na2CO3c/Phản ứng giữa Ankylboran và RCOOH :RCOOH + R'3B --> (ROO)3B + R'-HNgoài ra còn nhiều pp tổng hợp khác như Phản ứng khử C=O thành CH2 ,... nói chung là nếu bạn nào có biết pp nào khác cứ post lên cho mọi người cùng tham khảo .3/TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA ANKANTrước khi nói về tính chất hoá học của Ankan chắc là nói qua tính chất vật lý tí cho đủ bộ nhỉCác ankan có nhiệt độ sôi thấp , cụ thể là trong nhóm các Ankan mạch thẳng thì :Từ C1-->C4 : KhíTừ C5-->C16 : LỏngTừ C17 trở lên : RắnLiên kết chủ yếu trong phân tử Ankan là lực Vandecvan , mạch cacbon càng dài ( M phân tử càng lớn ) thì nhiệt độ sôi càng tăng , theo như các nghiên cứu cụ thể thì trung bình cứ tăng một -CH2- thì nhiệt độ sôi tăng từ 20 - 30 độ C .Mạch Cacbon càng phân nhánh thì diện tích tiếp xúc giữa các phân tử càng giảm , nhiệt độ nóng chảy tăng nhưng nhiệt độ sôi giảm .Trong phân tử Ankan chỉ có liên kết đơn gồm 2 loại đó là : C-C và C-H . Liên kết C-H có năng lượng liên kết cao hơn liên kết C-C ( Trung bình là 98Kcal/mol và 83Kcal/mol , tuy nhiên việc phân cắt liên kết C-C thì lại được bù trừ năng lượng hơn việc phân cắt liên kết C-H ( Phần này nói hơi khó hiểu , các bạn cứ hiểu đơn giản là việc phân cắt liên kết C-H dễ hơn C-C. Do vậy với Ankan thì phản ứng thế H bằng các nhóm chức như Halogen hay -NO2, -SO3H ,... là phản ứng chủ yếu ( Phản ứng thế )Cụ thể về các phản ứng thế của ankan :Phản ứng thế HalogenPhản ứng halogen hoá theo cơ chế gốc như sau :Phản ứng mở dây chuyền là phản ứng (1)Phản ứng phát triển mạch là 2 phản ứng ở (2)Phản ứng tắt mạch là các phản ứng ở (3)Do có các phản ứng ở (3) nên sản phẩm phụ sinh ra trong phản ứng có thể có R-R . Đến đây chúng ta có thể giải quyết 1 câu hỏi hăy gặp đó là tại sao trong phản ứng clo hoá metan thì lại có 1 lượng nhỏ sản phẩm là etan , đó là do sự trùng hợp 2 gốc Metyl CH3. tạo thành CH3-CH3.Phản ứng Halogen hoá Ankan có những điểm đáng lưu ý sau :Halogen tham gia phản ứngChủ yếu phản ứng thế Halogen ta chỉ xét cho phản ứng của Clo và Brom , còn với Flo và Iot thì ít khi xét đến vì chất đó hầu như coi là ko có phản ứng xảy ra .Nguyên Nhân :+ Flo : phản ứng Flo ngay từ bước (1) phân cắt liên kết F-F toả nhiệt rất mạnh và chính nhiệt lượng tỏa ra này duy trì cho phản ứng nhưng đồng thời cũng đã cắt đứt cả liên kết C-C vốn rất bền , do đó phản ứng cuối cùng của phản ứng thường là : CF4 và HF .+ Iot : Để các gốc I phản ứng được ở (2) cũng cần 1 năng lượng lớn , nhưng cũng phải vừa đảm bảo liên kết C-C vẫn còn , do đó số gốc I tham gia phản ứng ở (2) là rất ít . Một nguyên nhân chính nữa là như 1 phương trình ta đã xét ở phần Tổng hợp Hữu cơ , đó là HI sinh ra trong phản ứng thế theo phương trình sau :R-H + I2 ---> R-I + HIsẽ khử R-I tạo thành R-H ( HI là chất khử mạnh với dẫn xuất Halogen mà ) Thế nên phản ứng này lại thuận nghịch nữa .từ 2 yếu tố đó => I2 coi như ko có phản ứng với R-H (Ankan)(Thực ra nếu bạn nào học về năng lượng họat hoá thì vấn đề này giải thính dễ hơn)Một vấn đề khá hay nữa là tính chọn lọc của Halogen ,brom có tính chọn lọc hơn Clo ,cụ thể là ở nhiệt độ khoảng 75 độ C thì tính chọn lọc của Clo và Brom thể hiện như sau :Hidro bậc : 1 2 3Clo : 1 : 3,3 : 4,4Brom : 1 : 84 : 1600Khả năng phản ứng của gốc RBậc của Hidro ( Tức là nguyên tử Hidro liên kết với nguyên tử cacbon bậc mấy thì có bậc tương ứng đó luôn ) càng cao thì càng dễ thế .Ảnh hưởng của một số yếu tố khácVì phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc nên khi trong hỗn hợp phản ứng có chất kìm hãm các quá trình phản ứng của gốc tự do như O2,... thì phản ứng chậm lại .Tuy nhiên nếu có mặt chất sinh gốc như Pb(C2H5)4 hay SO2Cl2 thì phản ứng lại xảy ra nhanh hơn do quá trình tạo thành gốc tự do dễ dàng hơn .Ngoài ra còn 1 số ảnh hưởng khác ,ta sẽ xét tiếp sau này ,khi đến các phần nâng cao kiến thức hơn nữaPhản ứng nitro hoáPhản ứng Nitro hoá : R-H + HONO2 ---> R-NO2 + H2O xảy ra trong tướng khí ở nhiệt độ khoảng từ 425 đến 475 độ C và xúc tác của phản ứng là O2 hoặc X2( halogen)Dẫn xuất nitro sinh ra là một hợp chất quan trọng trong Công nghiệp sản xuất xà phòng , tuy phản ứng là ko thuận nghịch nhưng hiệu suất lại rất thấp , chỉ vào khoảng 20-40% . Tuy vậy vẫn được dùng trong CN .Phản ứng Sunfo hoá :R-H + HOSO3H ---> R-SO3H + H2OPhản ứng xảy ra khi H2SO4 ở dạng Oleum ( H2SO4.nH2O) , hiệu suất của phản ứng cũng thấp và ứng dụng của R-SO3H ko nhiều như R-NO2 nên phản ứng này ít ứng dụng trong thực tế .Ngoài ra còn một số phản ứng như Sunfo clo hoá ,... những phản ứng này cũng tương tự nên mình sẽ ko viết thêm chi cho dàiNGOÀI PHẢN ỨNG THẾ RA THÌ ANKAN CÒN CÓ PHẢN ỨNG OXI HOÁ VÀ PHẢN ỨNG DEHIDRO HOÁ VÀ PHẢN ỨNG CRACKING-RIFOMINH LÀ CÁC PHẢN ỨNG KHÁ QUAN TRỌNG .*/PHẢN ỨNG OXI HOÁ :Phản ứng oxi hoá hoàn toàn thành CO2 và H2O chắc ai cũng biết , ko viết thêm làm gì .Ta xét đến 1 vài phản ứng oxi hoá ko hoàn toàn :R-CH3 --(O2/không khí /B2O3)---> R-CH2OHR-CH2-CH2-R'--(O2/V2O5 , Mn2+ .. , 100 độ C)---> R-COOH + R'-COOHĐó là 2 phản ứng hay gặp , ngoài ra cũng còn nhiều loại phản ứng oxi hoá ko hoàn toàn nữa , bạn nào biết thì post lên nhé*/PHẢN ỨNG DEHIDRO HOÁ : với xúc tác là Al2O3/Cr2O3 ở nhiệt độ khoảng 300-400 độ C thì ankan tách hidro tạo ra Anken*/PHẢN ỨNG CRACKINH-RIFOMINH :Phản ứng này là để chuyển Ankan mạch dài thành các hợp chất mạch ngắn hơn hay chuyển các ankan ( mạch hở ) thành các hợp chất mạch vòng ... Nói chung là Crackinh thì ai cũng biết cả rồi nhỉ . Còn những vấn đề nâng cao hơn thì xin đợi đến xong phần Aren chúng ta sẽ nói nhiều hơn về dầu mỏ và các hợp chất thiên nhiên khác 1 tí CHƯƠNG II-XICLOANKAN 1/ĐỊNH NGĨA-DANH PHÁP-CẤU TRÚC:*Định nghĩa:Xicloankan là những hidrocacbon no có 1 vòng(đơn vòng) hoặc nhiều vòng(đa vòng).CTPT chung là:CnH2n(n>=3)*Danh phápở đây chúng ta chỉ đề cập đến Xicloankan đơn vòng,đa vòng sẽ đề cập sau)-Xicloankan ko mang nhóm thế:được gọi tên như ankan tương ứng bằng cách thêm tiền tố xiclo- vào trước tên ankan.VD:xiclopentan,xiclohexan.-Xicloankan mang nhóm thế: có 2 bước+Tìm tên tộc:so sánh số nguyên tử cacbon trong vòng với số nguyên tử cacbon trên nhóm thế ankyl lớn nhất.Nếu lớn hơn hoặc bằng thìhợp chất là xicloankan mang nhóm thế ankyl,còn ngược lại là ankan mang nhóm thếxicloankyl.+Đánh số nhóm thế sao cho locant là nhỏ nhất.Nếu có nhiều nhóm thế khác nhau có cùng cách đánh số thì ưu tiên theo thứ tự mẫu tự.VD:*Cấu trúc:cũng như ankan,xicloankan cũng có momen lưỡng cực bằng 0.Ta sẽ tham khảo thêm cấu trúc lập thể của vài xicloankan sau:2/TÍNH CHẤT VẬT LÍ:Xicloankan có nhiệt độ sôi và tỉ trọng thường cao hơn ankan tương ứng,ko tan trong nươc nhung tan trong các dung môi phân cực yếu hoặc ko phân cực.3/TỔNG HỢP:*Hidro hóa hidrocacbon vòng ko noVD: C6H6+3H2--(Ni,nhiệt độ)->C6H12*Tổng hợp Wurtz:thực hiện trên chất nền la dihalogenur,xúc tác Zn hoặcNa(hiệu suất thấp hơn).Pư cho kết wả tốt khi tổng hợp xiclopropan.VD: CH2BrCH2CH2Br+Zn-->C3H6+ZnBr2*Sử dụng cacben:khi cho cacben pư với anken hoặc dien sẽ thu được xicloankan thích hợp.VD: CH2=CH2+ CH2N2--(hv)-->C3H6+N24/PHẢN ỨNG:*Pư thế:các xicloankan bền có thể tham gia pư thế tương tự ankan.VD:C5H10 + Br2--(askt)-->C5H9Br+HBr (pư xảy ra theo cơ chế gốc)*Pư cộng mở vòng: các vòng kém bền như xicloanpropan,xiclobutan có thể tham gia cộng mở vòng tương tự hidrocacbon ko no.VD:C3H6+Br2--(CCl4)-->CH2BrCH2CH2Br(xiclopropan ko pư với nước Brôm)Xiclobutan chỉ cho pư hidro hóa.*Pư dehiro hóa:VD:C6H12--(Pt,nhiệt độ)-->C6H6+3H2*Pư cháy:các xicloankan cháy tỏa nhiệt,nhiệt lượng thay đổi tùy theo kích thước của vòng.VD: C4H8 + 6O2-->4CO2 + 4H2O CHƯƠNG III-ANKEN I/ĐỊNH NGHĨA-DANH PHÁP-CẤU TRÚC:1/ĐỊNH NGHĨA:Anken là hợp chất hidrocacbon mạch hở ko no chỉ chứa 1 nối đôi trong phân tử.CTPT chung là CnH2n(n>=2)2/DANH PHÁP:*Tên thông thường:1 số anken thông dụng được gọi bằng tên thông thường bằng cách thay "-an" trong ankan thành "-ilen".VD:CH2=CH2:EtilenCH3CH=CH2:PropilenCH2=C(CH3)CH3:iso-butilen*Tên IUPAC:3 bước-Xác định mạch chính(mạch cacbon dài nhất có chứa nối đôi)-Đánh số thứ tự , ưu tiên gần vị trí của nối đôi, sao cho tổng "locant" của mạch nhánh là nhỏ nhất.-Thiết lập tên đầy đủ(Nếu là đồng phân hình học thì ghi thêm cis- hoặc trans- trước tên gọi).VD:CH3CH2CH(CH2CH3)CH=CHCH3:4-etylhexa-2-en.CH3C(CH3)(C2H5)CH2CH=C(CH3)CH2CH3: 6-etyl-3,6-dimetylhepta-3-en.3/CẤU TRÚC:2 cacbon chứa nối đôi trong anken ở trạng thái lai hóa sp2.Nối đôi trong anken gồm 1 liên kết xích ma và 1 liên kết pi.Liên kết xích ma được tạo thành do sự xen phủ doc theo trục liên kết của 2 obitan sp2.Liên kết pi được tạo thành do sự xen phủ bên của 2 obitan p.2 cacbon lai hóa sp2 này ko thể way xung wanh trục liên kết của chúngđược.Chính vì điều đó mà xuất hiện khái niệm đồng phân hình học của anken.Khi mỗi nguyên tử Csp2 liên kết với 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau thì có sự đồng phân về vị trí không gian của chúng.Đó là đồng phân hình học.Để gọi tên các đồng phân hình học của anken(và cũng dùng cho xicloankan)người ta dùng danh pháp cis-trans.Hệ danh pháp cis-trans đòi hỏi mỗi Csp2 phải mang một (nhóm)nguyên tử giống nhau.Có lẽ đó là hạn chế của hệ danh pháp này,nên còn có hệ thống khác,đó là hệ danh pháp E-Z,mình sẽ giới thiệu đếncác bạn sau.Đồng phân gọi là cis- khi 2 (nhóm)nguyên tử giống nhau của 2 Csp2 nằm cùng phía,gọi là trans- khi nằm khác phía.VD minh họa:II/TÍNH CHẤT VẬT LÝ:Anken có tính chất vật lý gần với ankan tương ứng.Anken ít tan hoặc ko tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi ko phân cực.Các cis-anken có nhiệt độ sôi cao hơn trans-anken,nhưng lại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn.III/TỔNG HỢP:1/DEHIDRAT HÓA ANCOL:CnH2n+1OH--(H2SO4đặc/170độC)->CnH2n+H2OPư đehirat hóa anken xảy ra theo cơ chế tách đơn phân tử(E1),tuân theo wi tắc Zaisep:nguyên tử Hidro ở bặc cao hơn của C-beta sẽ được ưu tiên tách cùng với nhóm -OH,tạo thành anken có nhiều nhóm ankyl hơn ở nối đôi.C-beta:nguyên tử C ở gần với C chứa nhóm -OH nhất.Và sản phẩm trái với wi tắc Zaisep thì gọi là sản phẩm của Hoffman.Vẫn có 1 số bài tâp yêu cầu ta xác định sản phẩm Hoffman của pư tách nước.Ta sẽ xét cơ chế pư dehidrat hóa của rượu sec-butylic.Giai đoạn tạo cacbocation là giai đoạn wan trọng nhất,wuyết định vận tốc của pư,chính vì thế,cacbocation càng bền thì pư xảy ra càng dễ dàng.Do đó,có những trường hợp xuất hiện sự chuyển vị để tạo thành cacbocation bền hơn.VD pư tách nước của xyclobutylmetanol2/DEHIDRO HÓA ANKAN VÀ CRACKINH ANKAN:*Dehidro hóa ankan là pp đun nóng ankan mạch ngắn với xúc tác là Pt,Cr2O3,Cu...để tách H2 khỏi ankan.VD:C3H8--(Pt)-->C3H6+H2*Crackinh ankan này đã nói đến trong chương ankan.VD:C4H10-(crackinh)-->C3H6+CH43/TÁCH HIDRO HALOGENUA CỦA DẪN XUẤT MONOHALOGEN NO:Khi đun nóng dx monohalogen no trong môi trường bazơ,dung môi phân cực(thường là rượu etylic)thì dx sẽ tách hidro halogenua ra tạo thành anken.Tùy điều kiện và loại chất mà pư xảy ra theo cơ chế E1 hay E2.Và pư tách này cũng tuân theo wi tắc Zaixep.Khi nồng độ bazơ cao,dẫn xuất halogen là bậc I hoặc II,thì pư xảy ra theo cơ chế E2.Ta xét cơ chế tách HCl của CH3CH2CHClCH3.Sản phẩm chính là 2-butenKhi nồng độ bazơ thấp,dẫn xuất halogen là bậc III thì pư xảy ra theo cơ chế E1.Ta xét cơ chế tách HBr của C(CH3)3Br.4/TÁCH HALOGEN CỦA DẪN XUẤT 1,2-DIHALOGEN NO:Pư này thường dùng KL kẽm,magie làm tác chất.VD:CH3CHClCH2Cl+Zn-->CH3CH=CH2+ZnCl2.