NGUYỄN THỊ MAI, ĐÀO QUANG LIÊM, LÊ THỊ THI HẠ HÓA HỌC HỮU CƠ Hà Nội 2022 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ ix LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ 2 1 1 Hóa học hữu cơ 2 1 2 Hợp chất hữu cơ 2 1 2 1 Đặc điểm của chất hữu cơ và phản ứng hữu cơ 2 1 2 2 Phân loại hợp chất hữu cơ 3 1 2 3 Danh pháp hợp chất hữu cơ 4 1 3 Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ 5 1 3 1 Đồng phân cấu tạo 5 1 3 2 Đồng phân không gian 6 1 4 Liên kết trong hóa học hữu cơ 6 1 4 1 Liên kết ion 6 1 4 2 Liên kết.
ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ
Hóa học hữu cơ
Cacbon là một nguyên tố hóa học đặc biệt, có khả năng kết hợp với nhau và với các nguyên tố khác để tạo ra hơn mười triệu hợp chất cacbon, trong khi các nguyên tố khác chỉ tạo ra khoảng một triệu hợp chất không chứa cacbon Hợp chất hữu cơ được định nghĩa là các hợp chất có chứa cacbon, ngoại trừ một số hợp chất đơn giản không chứa hiđro như oxit cacbon, muối carbonat, cacbua và cacbonyl Ngành hóa học hữu cơ chuyên nghiên cứu các hợp chất này.
Hóa học hữu cơ là ngành nghiên cứu các hợp chất hữu cơ, bao gồm hiđrocacbon và các dẫn xuất của chúng.
Hợp chất hữu cơ
1.2.1 Đặc điểm của chất hữu cơ và phản ứng hữu cơ
Chúng ta cần xét riêng hóa học của cacbon là do chúng có những đặc điểm sau đây:
Cacbon là nguyên tố đặc biệt, cho phép hình thành hơn 10 triệu hợp chất hữu cơ nhờ khả năng liên kết với các nguyên tử khác và tạo ra các mạch dài, mạch phân nhánh hoặc mạch vòng kín qua liên kết cộng hóa trị Ngoài ra, cacbon còn có khả năng tạo liên kết bội giữa các nguyên tử, góp phần vào sự đa dạng của các hợp chất hữu cơ.
Hầu hết các chất hữu cơ có khả năng cháy, ít bền ở nhiệt độ cao, không hòa tan trong nước và không phân li thành ion trong dung dịch Ngược lại, đa số các chất vô cơ không cháy, chịu được nhiệt độ cao, hòa tan trong nước và có khả năng phân li thành ion khi ở trong dung dịch.
Một trong những đặc điểm nổi bật của các chất hữu cơ là sự xuất hiện của hiện tượng đồng phân và đồng đẳng, điều này rất hiếm gặp ở các chất vô cơ.
Các phản ứng trong hóa học vô cơ thường diễn ra nhanh chóng và theo một hướng nhất định, trong khi đó, các phản ứng của hợp chất hữu cơ thường yêu cầu thời gian lâu hơn, xảy ra chậm và theo nhiều hướng khác nhau Hiệu suất của các phản ứng hữu cơ thường không cao, và chúng không hoàn toàn tiến hành, mà chỉ đạt đến trạng thái cân bằng thuận nghịch.
1.2.2 Phân loại hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ được phân loại theo nhóm chức hoặc theo mạch cacbon
1.2.2.1 Phân loại theo nhóm chức
Các hợp chất hữu cơ được chia thành hai loại chính: hiđrocacbon, chỉ chứa cacbon và hiđro, và các dẫn xuất của hiđrocacbon, có chứa nhóm chức Nhóm chức là nhóm nguyên tử quyết định tính chất hóa học của phân tử hữu cơ Bảng 1.1 liệt kê một số nhóm chức và các lớp hợp chất hữu cơ tương ứng.
Bảng 1.1 Một số nhóm chức chính và lớp hợp chất hữu cơ tương ứng
Nhóm chức Tên lớp chất Công thức chung của hợp chất
Liên kết đôi Anken Liên kết ba Ankin
-F, -Cl, -I (-Hal) Halogen Dẫn xuất halogen R-Hal
-NH2 Amino Amin (bậc một) R-NH2
-NO2 Nitro Hợp chất nitro R-NO2
-COOH Cacboxyl Axit cacboxylic R-COOH
R: gốc hiđrocacbon; Ar; gốc hiđrocacbon thơm
Khi phân tử chứa một nhóm chức duy nhất, nó được gọi là hợp chất đơn chức, ví dụ như CH3CH2OH và CH3COOH Ngược lại, nếu phân tử có hai hoặc nhiều nhóm chức giống nhau, ta có hợp chất đa chức, chẳng hạn như HOCH2CHOHCH2OH và HOOCCH2COOH Trong trường hợp phân tử chứa hai hay nhiều nhóm thế khác nhau, nó được gọi là hợp chất tạp chức, ví dụ như H2NCH2COOH và HOCH2CHOHCHO.
1.2.2.2 Phân loại theo mạch cacbon
Hiđrocacbon và dẫn xuất của hiđrocacbon đều có thể được phân loại theo mạch cacbon (mạch hở và mạch vòng, mạch no và mạch không no, …) Thí dụ:
Các hợp chất không vòng hay mạch hở, mạch gồm các nguyên tử cacbon nối với nhau thành chuỗi hở không đóng vòng
Hợp chất đồng vòng là các hợp chất có cấu trúc vòng được hình thành hoàn toàn từ các nguyên tử cacbon Nhóm hợp chất này bao gồm các hợp chất vòng thơm, với benzen là đại diện quan trọng nhất, cùng với các hợp chất vòng béo, tức là các vòng không thơm.
Hợp chất dị vòng: mạch của vòng gồm nguyên tử cacbon và một số dị nguyên tử nitơ, oxi hoặc lưu huỳnh, …
Khi nghiên cứu các hợp chất hữu cơ, cần chú ý đến cả nhóm chức và mạch carbon, vì hai thành phần này của phân tử có mối liên hệ chặt chẽ với nhau.
1.2.3 Danh pháp hợp chất hữu cơ
Trong giai đoạn đầu của hóa học, tên gọi các hợp chất hữu cơ thường phản ánh nguồn gốc hoặc tính chất đặc trưng của chúng, dẫn đến việc sử dụng tên gọi không theo hệ thống Ví dụ, axit fomic (HCOOH) được đặt theo loài kiến Formica rufa, trong khi axit axetic (CH3COOH) có tên từ vi khuẩn Mycoderma aceta, có khả năng chuyển hóa các chất hữu cơ thành axit axetic qua hiện tượng men dấm Tương tự, glixerin có tên gọi xuất phát từ từ Hi Lạp "glykys," nghĩa là ngọt.
Số lượng hợp chất hữu cơ phân lập từ thiên nhiên và tổng hợp ngày càng gia tăng, đòi hỏi phải có hệ thống đặt tên nhất định Năm 1892, hội nghị quốc tế các nhà hóa học tại Giơnevơ đã xây dựng danh pháp Giơnevơ với 60 quy tắc Sau đó, các quy tắc này được cải tiến và bổ sung, dẫn đến danh pháp Liegiơ vào năm 1931 và danh pháp IUPAC từ năm 1957 Danh pháp IUPAC, từ Hiệp hội quốc tế hóa học cơ bản và ứng dụng, sử dụng một số tên gốc ít ỏi và quy tắc chặt chẽ để đặt tên cho hầu hết các hợp chất hữu cơ Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số quy tắc chung nhất của danh pháp IUPAC.
- Tên gọi của các nhóm thế được đặt ở tiếp đầu ngữ theo thứ tự chữ cái, vị trí nhóm thế được đặc trưng bằng chữ số Thí dụ:
- Tên gọi các nhóm thế phức tạp được đưa vào dấu ngoặc Thí dụ:
- Nếu một vài tiếp đầu ngữ có cùng vần thì lấy chữ ngắn hơn để trước Thí dụ: 1-Metyl-2-metylaminonaphtalen
- Tên các nhóm đồng phân được sắp xếp theo thứ tự chữ cái Thí dụ:
Butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl
- Nếu trong hợp chất có nhóm chức chính thì trong tên gọi nhóm này được đặc trưng bởi phần đuôi Thí dụ:
Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ
Trong hóa học hữu cơ, hiện tượng đồng phân xảy ra khi nhiều hợp chất khác nhau có cùng một công thức phân tử nhưng khác nhau về tính chất Nguyên nhân của hiện tượng này là do các đồng phân có cấu trúc khác nhau Có hai loại đồng phân chính: đồng phân cấu tạo và đồng phân không gian, dựa trên các đặc điểm cấu trúc của chúng.
Các đồng phân cấu tạo khác nhau về thứ tự sắp xếp của các nguyên tử hoặc loại liên kết giữa chúng, dẫn đến sự khác biệt trong cấu tạo hóa học Đồng phân cấu tạo được phân chia thành hai loại chính: đồng phân mạch cacbon, trong đó các đồng phân có mạch cacbon được sắp xếp khác nhau, và đồng phân vị trí, phân biệt dựa trên vị trí của các nhóm chức trong phân tử.
1,2-Đihiđroxibenzen 1,3-Đihiđroxibenzen 1,4-Đihiđroxibenzen c) Đồng phân nhóm chức: cùng một công thức C2H6O nhưng có hai chất khác nhau là ancol và ete; nghĩa là có hai nhóm chức khác nhau
Trong phân tử C4H8, các nguyên tử có thể liên kết theo nhiều cách khác nhau, ví dụ như but-1-en và xiclobutan Sự đa dạng này tạo ra các đồng phân liên kết, thể hiện tính chất hóa học phong phú của hợp chất.
CH2=CH-CH=CH2 CH≡C-CH2-CH3
Các đồng phân không gian, hay còn gọi là đồng phân lập thể, là những hợp chất có cùng cấu tạo nhưng khác biệt về cách phân bố của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong không gian Hai loại đồng phân không gian chính bao gồm đồng phân hình học và đồng phân quang học.
Liên kết trong hóa học hữu cơ
Vào năm 1916, nhà vật lý người Đức Walter Kossel đã đưa ra giả thuyết về liên kết ion để giải thích khả năng dẫn điện của các chất, chẳng hạn như natri clorua Theo giả thuyết này, phân tử hợp chất hóa học được hình thành khi electron hóa trị được chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, tạo ra ion dương (cation) từ nguyên tử mất electron và ion âm (anion) từ nguyên tử nhận electron Tương tác giữa các ion trong phân tử chủ yếu là tương tác tĩnh điện.
Sự chuyển giao một electron từ nguyên tử natri sang nguyên tử clo dẫn đến sự hình thành cation natri và anion clorua, cả hai đều có cấu hình electron giống như khí hiếm.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 Natri clorua là một thí dụ về hợp chất ion
Các hợp chất ion hình thành khi nguyên tố điện dương ở bên trái bảng tuần hoàn tương tác với nguyên tố ở bên phải bảng tuần hoàn.
1.4.2 Liên kết cộng hóa trị
Giả thuyết của Koxen không giải thích được sự hình thành của nhiều phân tử như H2, O2, Cl2 hay các phân tử từ nguyên tố gần giống như SO2, CO2 Để giải thích hiện tượng này, G Lewis (1916) đã đề xuất giả thuyết về liên kết cộng hóa trị, theo đó các nguyên tử sẽ chia sẻ electron hóa trị của mình để tạo thành một, hai hoặc ba cặp electron chung Do đó, liên kết cộng hóa trị được hình thành nhờ việc sử dụng chung một hoặc nhiều cặp electron hóa trị giữa hai nguyên tử.
Hai nguyên tử flo có thể làm đầy lớp vỏ bằng cách dùng chung những electron hóa trị không ghép đôi
Liên kết cộng hóa trị
Hai nguyên tử hiđro có thể phản ứng tạo liên kết cộng hóa trị Bằng cách dùng chung cặp electron, mỗi hiđro có lớp vỏ lấp đầy (hai electron)
Hiđro và clo có khả năng tạo ra liên kết cộng hóa trị thông qua việc chia sẻ electron Trong quá trình này, hiđro lấp đầy lớp vỏ electron thứ nhất, trong khi clo hoàn thiện lớp vỏ thứ ba của nó.
Liên kết cộng hóa trị, mặc dù đều có sự dùng chung electron, nhưng khác nhau về mức độ dùng chung này Chúng được chia thành hai loại: phân cực và không phân cực, tùy thuộc vào độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết Bảng 1.2 cung cấp đánh giá tương đối về mức độ ion của liên kết giữa hai nguyên tử.
Bảng 1.2 Sự phân loại các liên kết hóa học
Sự khác nhau về độ âm điện giữa các nguyên tử liên kết Kiểu liên kết
Cộng hóa trị không phân cực Cộng hóa trị phân cực
Khi hình thành liên kết cộng hóa trị phân cực, nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ mang một phần điện tích âm (ký hiệu là б −), trong khi nguyên tử còn lại sẽ mang một phần điện tích dương (ký hiệu là б +).
Liên kết xichma (σ) là loại liên kết đơn trong phân tử hợp chất hữu cơ, được hình thành từ sự xen phủ trục của các obitan Trong liên kết đôi C=C, có một liên kết σ và một liên kết pi (π), trong đó liên kết π được tạo ra từ sự xen phủ đối xứng trục của các obitan Đối với liên kết ba C≡C, cấu trúc bao gồm một liên kết σ và hai liên kết π.
HIĐROCACBON NO (ANKAN VÀ XICLOANKAN)
Khái niệm, đồng phân và danh pháp
Ankan là những hiđrocacbon no, mạch hở
Dãy đồng đẳng đầu tiên bao gồm các hợp chất như CH4, C2H6 và C3H8, trong đó chỉ có một cách sắp xếp nguyên tử cacbon Tuy nhiên, khi đến butan (C4H10), có hai cách sắp xếp khác nhau, bao gồm n-butan với mạch cacbon không phân nhánh và isobutan với mạch cacbon phân nhánh Hai dạng này được gọi là đồng phân cấu tạo.
CH3-CH2-CH2-CH3 n-butan isobutan
Tương tự như vậy, pentan C5H12 có ba đồng phân cấu tạo:
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 n-petan isopentan neopentan
Bảng 2.1 Số đồng phân của các ankan
Số C (n) Công thức phân tử Tên gọi Số đồng phân cấu tạo
Trong phân tử ankan, ngoại trừ metan, mỗi nguyên tử carbon có khả năng liên kết với một đến bốn nguyên tử carbon khác, từ đó phân loại thành các bậc: carbon bậc một (I), bậc hai (II), bậc ba (III) và bậc bốn (IV).
Có hai loại danh pháp chính là danh pháp thường và danh pháp hệ thống Ngoài ra, còn tồn tại một loại danh pháp trung gian được gọi là danh pháp nửa hệ thống.
Danh pháp thường của một chất có liên quan đến nguồn gốc tìm ra nó hoặc tính chất bên ngoài của chất như màu sắc, mùi vị …
Danh pháp hệ thống được xây dựng dựa trên các nguyên tắc chặt chẽ, cho phép xác định tên của hầu hết các chất hữu cơ Một ví dụ tiêu biểu là danh pháp IUPAC, được quy định bởi Hiệp hội quốc tế hóa học cơ bản và ứng dụng (International Union of Pure and Applied Chemistry), nhằm cải tiến và phát triển danh pháp Giơnevơ trước đó.
Danh pháp IUPAC a) Ankan mạch không nhánh
Tất cả các hợp chất trong nhóm này đều có tên kết thúc bằng –an Bốn hợp chất đầu tiên được gọi là metan, etan, propan và butan Các đồng đẳng cao hơn được đặt tên dựa trên số lượng nguyên tử cacbon, với các tiền tố như pent- (C5), hex- (C6), hept- (C7), và phần đuôi -an để chỉ hiđrocacbon no Ngoài ra, gốc ankyl trong các hợp chất này không có nhánh.
Tên của gốc hóa trị một được hình thành từ tên của ankan tương ứng bằng cách thay đổi đuôi –an thành –yl, ví dụ như CH3- được gọi là metyl và CH3CH5- được gọi là etyl Ankan cũng có thể có mạch nhánh.
Ankan được cấu thành từ một mạch chính và các nhánh bên, trong đó các nhánh này được gọi là nhóm thế Tên gọi của ankan bao gồm tên của nhánh và tên của mạch chính.
Để xác định mạch chính trong hợp chất hữu cơ, trước tiên cần tìm mạch cacbon dài nhất Nếu có nhiều mạch dài bằng nhau, chọn mạch có nhiều nhánh nhất Đánh số các nguyên tử cacbon trên mạch chính bắt đầu từ đầu gần mạch nhánh nhất, nhằm đảm bảo tổng chỉ số vị trí là nhỏ nhất Gọi tên các nhánh (các nhóm thế ankyl) kèm theo chỉ số vị trí, ngăn cách bằng gạch nối, sau đó ghi tên mạch chính kết thúc bằng đuôi "an" Nếu có từ hai nhánh trở lên, tên các nhánh được xếp theo thứ tự bảng chữ cái (butyl → etyl → đimetyl).
Trong hóa học hữu cơ, khi có hai, ba hoặc bốn mạch nhánh đồng nhất và đơn giản, ta sử dụng các tiền tố như di- (hai lần), tri- (ba lần), tetra- (bốn lần) IUPAC vẫn áp dụng tên gọi thông thường cho các ankan có nhánh Tiền tố iso chỉ các ankan từ C4 đến C5 với nhóm (CH3)2CH nối vào đầu mạch cacbon liên tục, trong khi tiền tố neo dùng cho ankan C5 và C6 với nhóm (CH3)3C nối vào cacbon còn lại Tiền tố n được sử dụng cho các ankan có mạch cacbon liên tục không phân nhánh Tiền tố sec- biểu thị hóa trị tự do thuộc nguyên tử cacbon bậc hai, còn tert- chỉ ra gốc hóa trị tự do thuộc nguyên tử cacbon bậc ba Các quy tắc này được minh chứng qua những ví dụ cụ thể.
3-Etyl-4-metylhexan d) Gốc ankyl có mạch nhánh
Để đặt tên cho gốc ankyl hóa trị một có mạch nhánh, cần chọn mạch dài nhất chứa hóa trị tự do ở đầu mạch làm mạch chính Việc đánh số bắt đầu từ nguyên tử cacbon mang hóa trị tự do, sau đó gọi tên các mạch nhánh theo thứ tự chữ cái kèm theo chỉ số vị trí, và cuối cùng là tên của gốc mạch chính.
IUPAC vẫn cho phép dùng tên thường của các gốc sau đây:
(CH3)CH- : isopropyl (metyletyl) (CH3)CHCH2- : isobutyl (2-metylpropyl)
CH3CH2(CH3)CH2- : sec-Butyl (1-metylpropyl) (CH3)3C- : tert-Butyl (1,1-đimetyletyl) e) Gốc hiđrocacbon no đa hóa trị
Tên của gốc hóa trị hai được hình thành từ tên của gốc hóa trị một bằng cách thêm đuôi -yl và nối với iđen.
CH3CH= : etyliđen (CH3)2C= : isopropyliđen
Các gốc có hai hóa trị tự do thường được phân bố ở hai đầu mạch và được gọi là metylen, với tiền tố chỉ độ bội thể hiện số lượng nhóm metylen –CH2- Tuy nhiên, trường hợp hai hóa trị tự do nằm ở vị trí 1, 2 sẽ có ngoại lệ.
-CH2-CH2- : etylen -CH2-CH2-CH2 : trimetylen
Tính chất vật lý
Từ metan đến butan, các hydrocarbon ở nhiệt độ thường tồn tại dưới dạng khí, trong khi các đồng đẳng trung bình như pentan trở đi với mạch cacbon thẳng lại là chất lỏng Các đồng đẳng cao hơn sẽ chuyển thành chất rắn.
Nhiệt độ sôi của ankan tăng theo chiều dài mạch cacbon, với các ankan phân nhánh có điểm sôi thấp hơn so với các ankan đồng phân không phân nhánh (n-ankan).
Các ankan không hòa tan trong nước, nhưng những ankan có khối lượng phân tử nhỏ có khả năng tan trong ancol Ngược lại, các ankan có khối lượng phân tử lớn khó tan hơn Chúng dễ dàng hòa tan trong ete, các hiđrocacbon khác, và các dẫn xuất halogen.
Tính chất hoá học
Ankan có cấu tạo với các liên kết đơn (liên kết σ) bền vững, do đó tính chất đặc trưng của chúng là khả năng phản ứng thế.
2.3.1 Phản ứng thế a) Thế halogen
+ Khi cho metan tác dụng với flo, clo rồi châm lửa xẽ xảy ra phản ứng phân huỷ metan
+ Trong điều kiện có ánh sáng xúc tác hoặc nhiệt độ cao:
Nếu dư clo thì phản ứng thế tiếp diễn cho tới khi thế hết hiđro của metan
Khả năng phản ứng của ankan với các halogen giảm theo dãy: F2 > Cl2 > Br2
Từ propan trở đi, có một quy luật rõ ràng về tốc độ phản ứng, trong đó phản ứng diễn ra nhanh nhất với nguyên tử hiđro ở cacbon bậc ba, tiếp theo là cacbon bậc hai, và chậm nhất là ở cacbon bậc một.
(Sản phẩm chính) b) Thế nitro
2.3.3 Phản ứng đehiđro các ankan (parafin)
Điều chế
2.4.1 Trong công nghiệp: Từ các nguồn thiên nhiên, dầu mỏ
Khí thiên nhiên và khí dầu mỏ chủ yếu chứa metan, cùng với một lượng nhỏ propan và butan Dầu mỏ thường chứa các ankan từ C1 đến C80, và qua quá trình chưng cất phân đoạn, người ta có thể tách ra ankan cùng với các hiđrocacbon khác.
2.4.2 Để điều chế các ankan từ C 1 tới C 4 : Nhiệt phân hoặc điện phân muối kim loại kiềm của axit ankanoic Điện phân theo phương pháp Konbơ:
Hoặc điều chế ankan từ hiđrocacbon không no, từ ankylhalogen, dẫn xuất cơ kim chứa nhóm ankyl.
Giới thiệu một số ankan tiêu biểu
Các ankan đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ và thường được chiết xuất từ các phân đoạn của dầu mỏ hoặc khí thiên nhiên.
Dưới đây sẽ điểm qua một số ankan quan trọng
Metan là thành phần chính trong khí thiên nhiên (khí thiên nhiên chứa chủ yếu metan, tới hơn 90%)
Chú ý: Hỗn hợp CH4 và không khí gặp lửa sẽ nổ mạnh là nguyên nhân của các vụ nổ xảy ra ở trong hầm mỏ than
Metan chiếm một tỷ lệ đáng kể trong khí thắp (50% H2, 30% CH4, 8% O2, 4%
RH chức no, 2% CO2 và 5% N2) thu được khi chưng cất than đá (than béo)
Metan hình thành từ quá trình phân huỷ yếm khí các xác động thực vật, dưới sự tác động của vi khuẩn tại đáy ao hồ, dẫn đến sự sản sinh khí bùn than.
Metan được tạo thành khi khử khí CO2 Điều chế metan cho hiđro tác dụng CO ở áp suất thường và nhiệt độ từ 150 đến
230 o C xúc tác Ni, Co, Fe
Tuy nhiên khoảng 250 o C → 800 o Cphản ứng: tốc độ phản ứng (4) tăng không nhanh nhưng tốc độ phản ứng (5) tăng nhanh
Phản ứng tổng hợp metan đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường, vì khi nhiên liệu cháy trong động cơ, nó tạo ra khí độc CO Do đó, cần chuyển đổi CO thành CH4 trước khi đốt cháy để giảm thiểu ô nhiễm.
Metan còn được điều chế bằng cách thủy phân nhôm cacbua Đây là một trong những phương pháp thuận lợi nhất để điều chế metan trong phòng thí nghiệm:
Al4C3 + H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4 hoặc bằng cách nung khan natri axetat với vôi tôi xút (hỗn hợp NaOH rắn và CaO):
Metan là chất khí không màu, không mùi, ít tan trong nước
Cháy với ngọn lửa xanh nhạt, toả nhiều nhiệt (8560 Kcal/m 3 ), do đó lượng lớn
CH4 được dùng làm nhiên liệu
Khi đốt metan ở điều kiện thường không đủ không khí trong thiết bị đặc biệt tạo ra cacbon ở dạng bột than mịn
Bột than này có giá trị làm chất độn trong sản xuất cao su
Hỗn hợp này (CO + 3H2) làm nguyên liệu tổng hợp CO2
Từ CO oxi hóa thu được CO2, tách CO2 thu được H2 để tổng hợp NH3 và các chất khác
Từ metan điều chế C2H2, từ C2H2 điều chế ra nhiều chất khác …
Cũng như metan, etan có thể được phân lập từ khí thiên nhiên hoặc từ khí dầu mỏ
Etan là một loại khí không màu và không mùi, tương tự như metan Chất khí này không chỉ được sử dụng làm nhiên liệu mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác như cloetan và etilen.
Propan, n-butan và isobutan là những thành phần có mặt trong khí thiên nhiên và dồi dào trong khí crackinh dầu mỏ Chúng đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa dầu và thường được nén trong bình thép để sử dụng làm nhiên liệu.
Có ba đồng phân của pentan, C5H12
CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 n-Pentan
n -hexan bị đehiđro hóa đóng vòng cho benzen
n -heptan bị đehiđro hóa đóng vòng cho toluen Vì n-heptan có tính nổ sớm cao, người ta quy định chỉ số octan của nó bằng không
Các đồng phân heptan và octan mạch phân nhánh
Các đồng phân này, đặc biệt là 2,2,3-trimetylpentan và 2,2,4-trimetylpentan, là những nhiên liệu quý, có chỉ số octan cao
Xetan (n-hexađecan) Do có khuynh hướng tự nổ, cháy cao, xetan là nhiên liệu quý cho các động cơ điezen
Các đồng đẳng cao hơn
Các n-ankan có 16, 17 và 18 nguyên tử cacbon khi bị oxi hóa bởi không khí với sự có mặt của chất xúc tác sẽ chuyển hóa thành axit pamitic và stearic, là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất xà phòng Khi este hóa với glixerin, các axit này có thể tạo ra các chất béo Ngoài ra, các ankan có mạch dài hơn (25 – 30C) cũng có khả năng bị oxi hóa cắt mạch thành các axit béo, phục vụ cho sản xuất xà phòng và các chất giặt rửa khác.
Dãy đồng đẳng xicloankan (monoxicloankan)
2.6.1 Công thức chung và danh pháp
Danh pháp: Tên gọi của xicloankan đơn vòng xiclo công tên của (n) ankan
Chú ý: đồng phân nhánh từ C4H8 trở đi có hiện tượng đồng phân
Tên gốc hoá trị I Xiclopropyl
Xicloankan đều nhẹ hơn nước (nhẹ hơn ankan mạch hở tương ứng)
Trạng thái: Xicloankan có 3, 4 cạnh tồn tại ở thể khí, còn 5, 6 cạnh là chất lỏng ở nhiệt độ thường
Các phản ứng cộng với H2, X2, HX cho sản phẩm mở vòng mạnh nhất là
C3H6 còn từ C4H8 là khó khăn
Phản ứng HBr: chỉ có với C3H6 còn C4H8 rất khó khăn, C5H10 trở lên không xảy ra:
Phản ứng đồng phân hoá
2.6.4 Ứng dụng và điều chế Điều chế Ứng dụng
Xicloankan làm thuốc mê (ít độc hơn) thay cho ete trong ngoại khoa
Xicloankan điều chế ra được axit ađipic HOOC-(CH2)4-COOH làm nguyên liệu sản xuất tơ nilon-6,6
CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2
1 Viết công thức cấu tạo của các ankan có công thức phân tử C6H14 và gọi tên chúng
2 Viết công thức cấu tạo của các ankan sau: 2,2,3-trimetylpentan; 2,3-đimetylheptan
3 Viết công thức cấu tạo của các gốc ankyl tạo ra từ propan và isobutan
4 Gọi tên các ankan có công thức cấu tạo sau:
5 Viết công thức cấu tạo các sản phẩm khi tiến hành phản ứng crackinh hexan
6 a) Cho công thức cấu tạo và nhiệt độ sôi của một số chất đồng phân có công thức phân tử sau đây:
Nhiệt độ sôi của các chất khác nhau do cấu trúc phân tử và lực tương tác giữa các phân tử Hexan, pentan và heptan đều là các hydrocarbon chuỗi thẳng, nhưng nhiệt độ sôi của chúng khác nhau Cụ thể, pentan có nhiệt độ sôi thấp nhất khoảng 36°C, trong khi hexan sôi ở khoảng 68°C và heptan ở khoảng 98°C Sự khác biệt này chủ yếu do khối lượng mol và diện tích bề mặt phân tử, làm ảnh hưởng đến lực Van der Waals giữa các phân tử Do đó, khi khối lượng mol tăng, nhiệt độ sôi cũng tăng theo.
7 Cho các chất sau: pentan (nhiệt độ sôi 36 o C), hexan (nđs 69 o C), heptan (nđs 98 o C) Hãy giải thích sự khác nhau về nhiệt độ sôi của các chất
8 Cho các số liệu sau:
Ankan Nhiệt độ sôi, o C Xicloankan Nhiệt độ sôi, o C
Giải thích sự khác nhau về nhiệt độ sôi giữa ankan và xicloankan có cùng số nguyên tử cacbon
9 Viết công thức cấu tạo các anken khi tác dụng với hiđro đều tạo thành isopentan
10 Viết công thức cấu tạo và gọi tên các sản phẩm của phản ứng giữa brom với: a)
11 Viết công thức cấu tạo và gọi tên các dẫn xuất monoclo của metylxiclohexan.
HIĐROCACBON KHÔNG NO MẠCH HỞ (ANKEN VÀ ANKIN)
Danh pháp và đồng phân
Các anken đơn giản được gọi tên giống như ankan, khi thay hậu tố (đuôi) –an thành hậu tố -en Thí dụ “etan” thành “eten”, “propan” thành “propen”
CH2=CH2 CH2=CH-CH2
Tên thông thường etilen propilen
Khi mạch chứa hơn ba nguyên tử cacbon, cần đánh số thứ tự cho các nối đôi Việc đánh số này được thực hiện sao cho nối đôi bắt đầu từ nguyên tử cacbon có số thứ tự thấp nhất.
Hợp chất hữu cơ có hai liên kết đôi được gọi là đien, trong khi hợp chất có ba liên kết đôi được gọi là trien, và hợp chất có bốn liên kết đôi được gọi là tetraen Cách đánh số các liên kết đôi trong các hợp chất này tương tự như cách đánh số trong trường hợp có một liên kết đôi.
Khi có nhóm ankyl gắn vào mạch chính thì trước tên nhóm cần đọc số chỉ vị trí
Khi tách một hiđro ra khỏi enken, ta nhận được nhóm ankenyl Tên gọi của nhóm này được hình thành bằng cách thêm đuôi –yl vào tên của anken tương ứng, với số thứ tự được đánh từ đầu nguyên tử cacbon có hóa trị tự do Ví dụ minh họa cho quy tắc này sẽ giúp hiểu rõ hơn về cách đặt tên nhóm ankenyl.
But-2-en-1-yl But-3-en-1-yl
Một số gốc ankenyl thông thường được sử dụng phổ biến:
Số lượng đồng phân của anken vượt trội hơn so với ankan tương ứng, không chỉ ở cấu trúc mạch cacbon mà còn do vị trí của nối đôi trong mạch và sự phân bố không gian của các nhóm thế xung quanh nối đôi Sự khác biệt này tạo ra các đồng phân hình học, bao gồm đồng phân cis-trans.
Thí dụ: Buten C4H8 có 3 đồng phân cấu tạo:
Buten – 1 hay but-1-en Buten – 2 hay but-2-en 2 – Metylpropen
Trong anken, sự có mặt của liên kết đôi tạo ra đồng phân hình học, một loại đồng phân lập thể Đồng phân này có đặc điểm là hai nhóm thế gắn vào hai cacbon mang nối đôi có thể ở cùng phía hoặc khác phía so với nối đôi Khi hai nhóm thế ở cùng phía, chúng ta gọi là dạng cis, trong khi nếu ở khác phía, đó là dạng trans.
Thí dụ: Buten có 2 dạng đồng phân hình học cis – trans sau: cis-but-2-en trans–but-2-en
Hiện tượng đồng phân cis – trans xuất hiện do các nhóm thế không thể quay tự do quanh liên kết đôi, điều này khác với liên kết đơn, vì việc quay sẽ làm phá vỡ liên kết đôi Các đồng phân cis – trans có những tính chất vật lý và hóa học khác biệt, tương tự như các đồng phân thông thường.
Tính chất vật lý
Anken có tính chất vật lý tương tự như ankan, với nhiệt độ sôi của but-1-en, cis-but-2-en, trans-but-2-en và butan đều gần 0 độ C Nhiệt độ sôi của các hợp chất này tăng dần khi phân tử khối tăng lên.
Tính chất hóa học
Anken có liên kết đôi cacbon - cacbon, và mọi phản ứng hóa học đều bắt nguồn từ liên kết này Trong liên kết đôi cacbon - cacbon, liên kết σ (~ 348 kJ/mol) bền hơn liên kết π (~ 268 kJ/mol), do đó, trong quá trình phản ứng, liên kết π sẽ bị phá vỡ, dẫn đến việc chuyển đổi từ liên kết đôi thành liên kết đơn.
Với lý do trên, các anken dễ tham gia phản ứng cộng hợp và các phản ứng oxi hóa
3.3.1 Phản ứng cộng hợp: H 2 , X 2 , HX, H 2 O a) Phản ứng cộng với tác nhân đối xứng H 2 , X 2 b) Phản ứng cộng với tác nhân bất đối xứng HX, H 2 O
Khi cộng anken có từ ba nguyên tử cacbon trở lên với các anken không đối xứng, quy tắc cộng hợp Maccopnhicop được áp dụng Sản phẩm chính sẽ hình thành khi ion H+ tấn công vào nguyên tử cacbon của nối đôi có nhiều hiđro hơn (cacbon bậc thấp), trong khi X− hoặc OH− tấn công vào nguyên tử cacbon còn lại chứa ít hiđro hơn (cacbon bậc cao).
Sản phẩm chủ yếu (chính) Sản phẩm thứ yếu (phụ)
Phản ứng cộng không theo quy tắc Maccopnhicop:
Phản ứng cộng vào anken thường tuân theo quy tắc Maccopnhicop, nhưng trong một số điều kiện đặc biệt, kết quả có thể trái với quy tắc này Năm 1933, Kharat đã phát hiện ra quy tắc cộng HX vào anken trong sự hiện diện của peroxit, được gọi là hiệu ứng Kharat.
Trong phản ứng giữa HX và anken, khi hai nguyên tử cacbon mang nối đôi cùng bậc liên kết với hai gốc ankyl khác nhau, ion X− sẽ kết hợp với cacbon có ít nhóm ankyl hơn.
Bên cạnh phản ứng cháy trong không khí và tỏa nhiệt mạnh:
Các anken trong phân tử có nối đôi rất nhạy cảm với các chất oxi hóa Khi thực hiện phản ứng với các tác nhân oxi hóa khác nhau, sản phẩm phản ứng tạo ra sẽ có sự khác biệt rõ rệt.
Với tác nhân oxi hóa là O2 của không khí
Với KMnO4 trong H2O hay môi trường kiềm
Với tác nhân oxihoá mạnh (K2Cr2O7/H2SO4)
3.3.4 Phản ứng thế Ở một số điều kiện xác định anken có phản ứng thế với X2 đặc biệt xảy ra dễ dàng với anken phân nhánh
Phương pháp điều chế anken
3.4.1 Đehiđrat hóa ancol Đehiđrat hóa ancol là một trong các phương pháp tốt nhất để điều chế anken Thuật ngữ đehiđrat hóa có nghĩa là tách nước
Cho hơi ancol qua xúc tác rắn (Al2O3, …), t o = 300 – 400 o C
3.4.2 Tách hiđrohalogenua từ dẫn xuất monohalogen no
Các dẫn xuất halogen bậc 2 khó tách hơn halogen bậc 3
Từ dẫn xuất đihalogen có 2 halogen đính vào 2 cacbon liền nhau tác dụng với bột kẽm trong dung dịch axit axetic
3.4.3 Đecacboxil hoá axit chưa no
Chất tiêu biểu của anken
Etilen, hay còn gọi là eten, là một anken tiêu biểu với công thức phân tử C2H4 Đây là một chất khí không màu, có nhiệt độ sôi -103,8 °C và nhiệt độ nóng chảy -169,4 °C Etilen hầu như không tan trong nước, cháy với ngọn lửa sáng và nhiều muội, đồng thời tạo ra hỗn hợp nổ khi tiếp xúc với không khí.
Etilen được sản xuất từ etan của khí thiên nhiên bằng phương pháp crackinh nhiệt
Etan Etilen Hiđro Ngoài ra etilen còn thu được từ khí than cốc và đặc biệt từ khí crackinh dầu mỏ
Trong phòng thí nghiệm etilen được điều chế từ ancol etylic:
Etilen là một chất hữu cơ quan trọng, với khoảng 50% sản lượng được sử dụng để sản xuất polietilen (PE) Khoảng 20% etilen được dùng để điều chế đicloetilen và vinyl clorua, trong khi 12% được sử dụng để sản xuất etilen oxit Thêm vào đó, khoảng 8% etilen được dùng cho việc sản xuất stiren Ngoài ra, etilen cũng đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất các hợp chất khác như etanol, vinyl axetat và axetanđehit.
Etilen là một hormone thực vật quan trọng, có khả năng làm chín một lượng lớn quả xanh chỉ với một lượng nhỏ Hormone này được tổng hợp trong cây ăn quả từ axit 1-aminoxiclopropancaboxylic.
Etylen được sử dụng để thúc đẩy quá trình chín của các loại trái cây xanh như cà chua và chuối, nhờ vào khả năng kích thích hoạt động của các enzyme Nồng độ etylen cần thiết cho hiệu quả này rất thấp, chỉ khoảng 1 thể tích etylen trên 1000 đến 2000 thể tích không khí, và nhiệt độ lý tưởng để quá trình diễn ra là từ 18 đến 20 độ C.
Phân loại polien
Polien là các hiđrocabon có ít nhất hai liên kết đôi trong cấu trúc phân tử Cụ thể, hiđrocabon có hai liên kết đôi được gọi là đien, ba liên kết đôi là trien, và bốn liên kết đôi là tetraen.
Việc phân loại tiếp theo dựa vào vị trí tương đối của các liên kết đôi trong phân tử
Polien mà các liên kết đôi ở liền nhau được gọi là cumulen
CH2=C=CH2 CH3-CH=C=CH-CH3
Polien mà các liên kết đôi cách nhau bởi một liên kết đơn (liên kết luân phiên với liên kết đơn) gọi là polien liên hợp
CH2=CH-CH=CH2 CH3-CH=C(CH3)=CH2
Polien mà các liên kết đôi cách xa nhau từ hai liên kết đơn trở lên được gọi là polien biệt lập
CH2=CH-CH2-CH=CH2 CH2=CHCH2CH2CH=CH2
Tính chất hóa học của đien liên hợp
Polien có tính chất hóa học tương tự như anken, ngoại trừ alen, có những đặc điểm khác biệt Polien liên hợp cũng giống anken, nhưng chúng còn có khả năng tham gia vào phản ứng cộng hợp đóng vòng Đinxơ – Anđơ.
3.7.1 Phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4 vào đien liên hợp
Hiđro halogenua khi cộng vào hệ liên hợp sẽ tạo ra hỗn hợp sản phẩm cộng 1,2 và cộng 1,4 Điều này có nghĩa là phản ứng xảy ra tại một liên kết đôi và hai nguyên tử cacbon đầu mạch của hệ liên hợp.
CH2=CH-CH=CH2 + HBr → CH3-CHBr-CH=CH2 + CH3-CH=CH-CH2Br
3-Brombut-1-en (Sản phẩm cộng 1,2)
1-Brombut-2-en (Sản phẩm cộng 1,4)
CH2=CH-CH=CH2 + Br2 → CH2Br-CHBr-CH=CH2 + CH2Br-CH=CH-CH2Br
3,4-Đibrombut-1-en (Sản phẩm cộng 1,2)
1,4-Đibrombut-2-en (Sản phẩm cộng 1,4)
Tỷ lệ sản phẩm cộng hợp trong phản ứng hóa học chủ yếu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Chẳng hạn, khi thực hiện phản ứng cộng HBr vào buta-1,3-đien ở nhiệt độ -80°C, sản phẩm cộng 1,2 sẽ chiếm ưu thế Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng được nâng lên, tỷ lệ sản phẩm có thể thay đổi.
40 o C thì sản phẩm cộng 1,4 lại chiếm ưu thế
Khi cộng hiđro vào dien liên hợp với sự hiện diện của chất xúc tác như Ni hoặc Pt, phản ứng hiđro hóa diễn ra hoàn toàn, dẫn đến việc hình thành ankan tương ứng.
Khi sử dụng một lượng hiđro hạn chế và ở nhiệt độ thấp, quá trình phản ứng chỉ cho phép một phân tử hiđro kết hợp với phân tử dien, tạo ra hỗn hợp sản phẩm cộng 1,2 và cộng 1,4.
Muốn cộng chọn lọc vào vị trí 1,4, ta có thể khử bằng Na/NH3lỏng
Sự khác biệt chính giữa trùng hợp dien liên hợp và trùng hợp anken là trùng hợp dien tạo ra polymer với nhiều liên kết đôi riêng biệt, trong khi trùng hợp anken chỉ tạo ra polymer dạng ankan Trùng hợp dien liên hợp thường xảy ra tại các vị trí 1,2 và 1,4.
3.7.3 Phản ứng cộng đóng vòng [4+2] (phản ứng Đinxơ – Anđơ)
Năm 1928, hai nhà khoa học người Đức là Otto Diels và Kurt Alder đã phát hiện rằng các anken hoặc ankin có chứa một hoặc nhiều nhóm kéo electron có khả năng cộng vào đien liên hợp, tạo ra hợp chất vòng sáu cạnh.
Phản ứng Đinxơ – Anđơ, hay còn gọi là phản ứng cộng vòng [4+2], là quá trình hình thành vòng thông qua sự tương tác của bốn electron π trong đien với hai electron π trong anken hoặc ankin.
Trong đó –W là những nhóm kéo mật độ electron khỏi liên kết π, thường có chứa nhóm C=O, nhóm -C≡N, làm tăng khả năng phản ứng Đinxơ – Anđơ.
Một số đien tiêu biểu
Butađien là một khí không màu với mùi đặc trưng và có nhiệt độ sôi khoảng -4,4°C Chất này đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp, vì nó là monome tổng hợp để sản xuất các sản phẩm giá trị như cao su butađien và cao su Buna-S.
Có nhiều phương pháp tổng hợp butađien, nhưng chỉ một số ít được áp dụng trong công nghiệp Các phương pháp chính bao gồm: a) Đehiđro hóa hỗn hợp butan – buten từ khí crakinh đầu mỏ; b) Hiđro hóa hoàn toàn vinylaxetylen; và c) Đehiđrat hóa butan-1,4-điol hoặc butan-1,3-điol trên chất xúc tác natri photphat.
Isopren, với nhiệt độ sôi 34,1 °C, là đơn vị cơ sở của nhiều hợp chất tự nhiên như tecpen, steroid và cao su thiên nhiên (cis-1,4-poliisopren) Isopren có thể thu được từ quá trình chưng cất cao su thiên nhiên, trong khi trong công nghiệp, nó được sản xuất với quy mô lớn để tổng hợp cao su Một số phương pháp chính để sản xuất isopren bao gồm: a) Đehiđro hóa phân đoạn isopentan hoặc isopenten từ dầu mỏ hoặc khí cracking bằng xúc tác Cr2O3/Al2O3 b) Kết hợp axetilen với axeton dưới tác dụng của natri kim loại để tạo ra đimetyletinylcacbinol, sau đó hiđro hóa thành đimetylvinylcacbinol và tách nước để thu được isopren c) Sử dụng chất xúc tác Ziglơ, propen có thể đime hóa thành 2-metylpent-1-en, sau đó bị phân cắt dưới nhiệt độ cao để tạo ra isopren và metan.
Cao su là một hợp chất polime được hình thành từ nhiều phân tử isopren liên kết với nhau Chất liệu này thường có trong mủ của nhiều cây nhiệt đới, đặc biệt là từ cây cao su Hevea brasiliensis.
Hàm lượng cao su trong mủ cao su dao động từ 30% đến 50%, với các hạt nhựa cao su tồn tại dưới dạng nhũ tương trong dung dịch chứa protein Khi gặp axit như axit axetic, nhũ tương bị phá vỡ, dẫn đến sự kết tụ của các hạt cao su Cao su thiên nhiên ở dạng thô không có công dụng đặc biệt, nhưng nó trở nên mềm và dính trong mùa hè, trong khi lại cứng và giòn vào mùa đông Ngoài ra, cao su cũng dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, oxy và ozon, có thể bị phồng lên và hòa tan trong các dung môi hydrocarbon như xăng và dầu Để đạt được các tính năng cần thiết như tính đàn hồi và độ bền với các tác động từ khí quyển, hóa chất và cơ học, cao su cần phải trải qua quá trình lưu hóa.
Isopren là một loại đien liên hợp phổ biến trong tự nhiên, được cây cối phát tán vào khí quyển từ những năm 1950 Vào mùa hè, tại các khu rừng rậm, thường xuất hiện một lớp sương mỏng màu xanh nước biển bao phủ cây cối Lớp sương này chứa khoảng 60% isopren dưới dạng khí, được hình thành qua quá trình quang oxi hóa isopren và các hiđrocacbon khác.
Ankin là những hiđrocacbon có chứa liên kết ba cacbon – cacbon Ankin đơn giản nhất là axetilen (HC≡CH) Dãy đồng đẳng của axetilen có công thức chung
CnH2n-2 (n ≥ 2) Những hiđrocacbon chứa hai liên kết ba được gọi là điin, …, nhiều liên kết ba gọi là poliin
Theo công thức Liuyt của axetilen, giữa các nhân cacbon có ba cặp electron:
Cấu trúc phân tử H : C : : : C : H cho thấy mỗi nguyên tử cacbon liên kết với hai nguyên tử khác mà không có electron hóa trị không liên kết Để hình thành khung liên kết b, mỗi nguyên tử cacbon cần hai obitan lai hóa Sự lai hóa giữa một obitan s và một obitan p tạo ra hai obitan lai hóa sp, kết hợp với obitan s của hiđro để hình thành liên kết b Các dữ liệu thực nghiệm đã xác nhận cấu trúc đường thẳng này.
Liên kết π hình thành từ sự xen phủ của hai obitan p không lai hóa trên mỗi nguyên tử carbon Các obitan này xen phủ vuông góc, tạo ra một liên kết π ở trên và dưới liên kết σ C-C, đồng thời tạo thêm một liên kết π khác với mật độ electron phân bố ở phía trước và phía sau liên kết σ.
Đồng phân và danh pháp
Do cấu trúc thẳng của các ankin, hiện tượng đồng phân cis-trans không xảy ra ở liên kết ba Chỉ từ các ankin có từ 5 carbon trở lên mới có thể xuất hiện đồng phân về mạch carbon.
Cách gọi tên ankin theo quy tắc IUPAC tương tự như anken, trong đó mạch chính chứa liên kết ba C≡C và số chỉ liên kết ba được đặt trước đuôi "-in" Theo phương pháp gọi tên thông thường, ankin được xem như là dẫn xuất của axetilen.
Bảng 3.1 Tên gọi của một số ankin
Hợp chất Tên IUPAC Tên thông thường
CH3CH2C≡CH But-1-in Etylaxetilen
CH3-C≡C-CH3 But-2-in Đimetylaxetilen
CH3CH2CH2C≡CH Pent-1-in n-Propylaxetilen
CH3CH2C≡C-CH3 Pent-2-in Etylmetylaxetilen
CH3CH(CH3)C≡CH 3-Metylbut-1-in Isopropylaxetilen
HC≡CCH2CH2C≡CH3 Hepta-1,5-điin
Khi một phân tử có cả liên kết ba và liên kết đôi, việc đánh số các nguyên tử cacbon trong mạch chính được thực hiện từ phía gần liên kết bội hơn Nếu cả hai liên kết đều nằm ở đầu mạch, thì bắt đầu đánh số từ phía có liên kết đôi.
HC≡C-CH2-CH=CH-CH3 CH2=C(CH3)-C≡C-CH
Hex-4-en-1-in 2-Metylpent-1-en-3-in
HC≡C-CH2-CH2-CH=CH2 CH3-CH(OH)-C≡CH
Hex-1-en-5-in But-3-in-2-ol
Tính chất hóa học của ankin được xác định bởi vị trí của liên kết ba, có thể nằm ở đầu mạch hoặc ở giữa mạch cacbon Vì vậy, ankin được phân loại thành hai loại chính: ankin đầu mạch và ankin giữa mạch.
Tính chất vật lý
Ankin có tính chất vật lý tương tự như ankan và anken, với đặc điểm là chúng tương đối không phân cực và gần như không tan trong nước Tuy nhiên, ankin lại tan hoàn toàn trong hầu hết các dung môi hữu cơ như axeton, ete, clorofom và các ancol.
Axetilen, propin và butin là các khí ở nhiệt độ phòng, tương tự như các ankan và anken tương ứng Khi có cấu trúc carbon tương tự, nhiệt độ sôi của ankin gần giống với nhiệt độ sôi của ankan và anken.
Tính chất hóa học
Liên kết ba trong ankin gồm một liên kết б và hai liên kết π kém bền hơn, nên tính chất hóa học chủ yếu xảy ra ở liên kết ba
Các ankin đầu mạch có tính axit mạnh hơn nhiều so với các hiđrocacbon khác, với tính axit của hiđro axetilenic chủ yếu do bản chất của liên kết Csp – H (R-C≡C←H) Liên kết ba giữa hai nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp tạo ra độ âm điện lớn hơn so với cacbon lai hóa sp² và sp³, theo thứ tự Csp > Csp² > Csp³ Sự phân cực mạnh của liên kết C≡C-H làm tăng momen lưỡng cực và khả năng tách proton, khiến tính axit của axetilen lớn hơn so với etylen và etan.
Bảng 3.2.Tính axit của ankan, anken và ankin
Hợp chất Sự lai hóa pKa
Các ankin đầu mạch phản ứng với muối bạc (I) và đồng (I) để tạo ra kết tủa bạc axetilua và đồng axetilua, từ đó có thể nhận biết ankin đầu mạch thông qua phản ứng này.
(kết tủa trắng) R-C≡C-H + Cu + → R-C≡C-Cu↓ + H +
Phép thử định tính sử dụng AgNO3 hoặc CuNO3 trong dung dịch ancol hoặc phức amoniac của các ion Ag(I) và Cu(I) Các ion này được điều chế bằng cách thêm một lượng nhỏ dung dịch amoniac vào dung dịch bạc nitrat hoặc đồng nitrat.
Ag + NO3 − + 2NH3 → Ag(NH3)2 +NO3 −
Phản ứng thử định tính có thể được áp dụng để tinh chế ankin, đặc biệt là khi xử lý hỗn hợp các đồng phân ankin đầu mạch và ankin giữa mạch Bằng cách thêm phức amoniac của Ag(I) hoặc Cu(I), ankin đầu mạch sẽ kết tủa dưới dạng axetilua, cho phép tách biệt nó khỏi ankin giữa mạch qua quá trình lọc.
R-CH2-C≡C-H + Cu + → R-CH2-C≡C-Cu↓ + H + Đồng axetilua Thêm axit loãng sẽ thu được ankin đầu mạch từ axetilua của nó
R-CH2-C≡C-Cu + HCl → R-CH2-C≡C-H + CuCl
3.11.2 Phản ứng cộng hợp của ankin
Ankin có thể tham gia phản ứng cộng hợp với H2, X2, HX, H2O, ancol và anđehit a) Cộng H2
Để dừng phản ứng cộng H2 trong quá trình tạo thành nối đôi, có thể sử dụng xúc tác Pd/CaCO3 hoặc Pd/silicagen ở nhiệt độ 200 độ C, đạt hiệu suất 95% Khi cộng Br2, giai đoạn đầu tạo ra trans-1,2-dibrometylen, còn giai đoạn sau cho 1,1,2,2-tetrabrometan Đối với phản ứng với clo, do phản ứng diễn ra quá mãnh liệt và tỏa nhiều nhiệt, dẫn đến phân huỷ, nhưng trong điều kiện kỹ thuật, có thể thực hiện phản ứng cộng clo trực tiếp vào axetilen trong các khối xốp Phản ứng cộng HX khó hơn so với cộng X2 Để tổng hợp nhựa PVC, quá trình điều chế vinylclorua sẽ được tiến hành qua các bước cụ thể.
Cho ankin vào dung dịch H2SO4 loãng có chứa HgSO4 (đóng vai trò xúc tác)
Không bền e) Cộng ancol và axit cacboxylic
Cộng ancol: với xúc tác CCl3 – COOH, BF3 và HgO
Vinyl axetat Các ete vinylic và este vinylic dùng làm nguyên liệu tổng hợp polime có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật, như polivinyl – axetat
Tác dụng với anđehit fomic
1,4-Butynediol can be easily hydrogenated to produce butane-1,4-diol, which serves as a crucial intermediate in the manufacturing of polyethylene glycol, tetrahydrofuran, adipic anhydride, and butadiene.
3.11.3 Phản ứng trùng hợp a) Trùng hợp vòng
* Với chất xúc tác đặc biệt khác như Ni(CN)2 Ở 20 atm: nhiệt độ từ 600 đến 800 o C thu được C6H6 với hiệu suất 70-90 %
Sản phẩm chính thu được là benzen chiếm 28%, trong khi các sản phẩm phụ bao gồm toluen, naphtalen và các hiđrocacbon thơm ngưng tụ khác, tương tự như những sản phẩm được tạo ra từ quá trình chưng cất than đá.
Phản ứng trùng hợp vòng của các đồng đẳng C2H2 diễn ra nhẹ nhàng hơn, chẳng hạn như trùng hợp metylaxetilen với xúc tác H2SO4 đặc, tạo ra trimetylbenzen đối xứng.
Trimetyl benzen đối xứng (mesitylen) b) Trùng hợp mạch thẳng
Từ vinyl axetylen có thể điều chế ra butađien cloropren
Coloropren là nguyên liệu chính trong sản xuất cao su nhân tạo Khi có sự xúc tác của bột đồng và oxi ở nhiệt độ từ 200 đến 250 độ C, axetilen sẽ trùng hợp thành polyme (CH)n, được gọi là Cupre Chất này có dạng vô định hình, không tan trong nước và ở dạng muối hữu cơ, do đó thường được sử dụng làm chất cách điện.
Phương pháp điều chế
Dẫn xuất có hai halogen liên kết với hai cacbon liền kề nhau
Dẫn xuất có hai halogen liên kết cùng nguyên tử cacbon
Dẫn xuất tetrahalogen với bốn halogen đính vào hai cacbon liền kề
3.12.2 Điều chế đồng đẳng của axetilen đi từ axetilen
Chất tiêu biểu của ankin là axetilen
Axetilen là khí không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí và ít tan trong nước, nhưng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ, đặc biệt là axeton Ở áp suất thường, 1 lít axeton có thể hòa tan 25 lít C2H2, và ở áp suất cao từ 10 đến 15 atm, 1 lít axeton có khả năng hòa tan lên đến 300 lít C2H2 Để vận chuyển axetilen, người ta thường sử dụng bình thép chứa dung dịch axetilen trong axeton, phương pháp này an toàn hơn so với việc sử dụng axetilen lỏng.
Axetilen cháy trong không khí cho ngọn lửa sáng và ở tỏa nhiều nhiệt nên ứng dụng trong hàn cắt kim loại Điều chế axetilen
Quá trình điện crackinh: cho CH4 đi qua các điện cực, điện thế một chiều
Quá trình chuyển hoá CH4 diễn ra ở nhiệt độ khoảng 1600°C với điện áp 8000 V và tốc độ dòng khí 1000 m/s, đạt mức độ chuyển hoá khoảng 50% Khí thoát ra được làm lạnh ngay, trong đó thành phần khí bao gồm C2H2 chiếm 13%, H2 chiếm 45%, và C2H4 chiếm 1% theo thể tích, cùng với các khí khác.
Nếu dùng 1000 m 3 khí thiên nhiên thu được khoảng 300 kg C2H2, 26 kg C2H4 và 1170 m 3 H2
Quá trình crackinh oxi hóa nhiệt
Với tỷ lệ CH4: O2 = 1: 0,65 phản ứng xảy ra:
Làm lạnh nhanh thu được hỗn hợp khí: C2H2 chiếm 8%, H2 54,5%, CO 26%,
Nồng độ khí CO2 là 4%, CH4 4,5%, đồng đẳng axetilen 0,2%, trong khi benzen và đồng đẳng chiếm 0,1% theo thể tích Tại các nước phát triển, axetilen được điều chế bằng phương pháp này, đồng thời có khả năng chuyển đổi CO và H2 thành RH để sử dụng làm nhiên liệu.
3.14 Nhiên liệu lỏng (xăng, dầu hỏa, dầu điezen), dầu mỡ bôi trơn và caosu 3.14.1 Nhiên liệu lỏng và dầu mỡ bôi trơn
Khi chưng cất dầu mỏ ta có xăng, nhiên liệu điezen và các loại sản phẩm khác
Xăng là hỗn hợp các hiđrocacbon từ C5 đến C10, bao gồm các thành phần của dầu mỏ với nhiệt độ sôi từ 25 đến 150 độ C Ngoài ra, xăng còn chứa một lượng nhỏ các hợp chất có chứa oxi, nitơ và lưu huỳnh.
Xăng là chất lỏng không màu hoặc có màu vàng, xanh, đỏ (khi người ta pha thêm vào đó những chất phụ gia đặc biệt)
Xăng không tan trong nước, nhẹ hơn nước, có khối lượng riêng d= 0,67 - 0,75 g/cm 3
Xăng là nhiên liệu chủ yếu cho động cơ xăng, một loại động cơ đốt trong chuyển hóa năng lượng hóa học thành năng lượng cơ học Đặc tính quan trọng của xăng là khả năng chống lại sự kích nổ, hay còn gọi là nổ sớm Mức độ nén tối đa mà động cơ có thể đạt được mà không xảy ra nổ sớm phụ thuộc vào cấu trúc hiđrocacbon trong nhiên liệu, và nhiên liệu chất lượng cao cho phép mức nén cao hơn Tính chống kích nổ của xăng được đo bằng chỉ số octan, với chất 2,2,4-trimetylpentan là một ví dụ điển hình.
Isooctan, hay còn gọi là 2,2,4-trimethylpentane, được xem là nhiên liệu tốt nhất vì chỉ nổ khi đạt đến độ nén cực đại, với chỉ số octan quy ước là 100 Ngược lại, n-heptan là nhiên liệu kém chất lượng, nổ ngay khi nén nhẹ, với chỉ số octan quy ước là 0 Do đó, hỗn hợp giữa isooctan và n-heptan có chỉ số octan dao động từ 0 đến 100, tùy thuộc vào tỷ lệ phần trăm thể tích của isooctan Ví dụ, xăng có chỉ số octan 90 có đặc tính nổ tương đương với hỗn hợp 90% isooctan và 10% n-heptan Để đảm bảo hiệu suất, xăng ô tô chất lượng cao cần có chỉ số octan lớn hơn 90, trong khi xăng máy bay phải có chỉ số octan không dưới 100.
Nghiên cứu về chỉ số octan của nhiều hiđrocacbon cho thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa cấu trúc phân tử của các hiđrocacbon và tính chất của nhiên liệu động cơ Những kết luận này giúp hiểu rõ hơn về cách mà cấu trúc phân tử ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của nhiên liệu trong quá trình hoạt động của động cơ.
- Các n-parafin có chỉ số octan thấp chúng là nhiên liệu tồi cho các động cơ Mạch hiđrocacbon càng dài, chỉ số octan càng bị hạ thấp xuống
- Mạch hiđrocacbon càng phân nhánh, chỉ số octan càng cao
- Các xicloankan có chỉ số octan cao hơn ankan tương ứng
- Các hiđrocacbon thơm có chỉ số octan đặc biệt cao
Xăng thu được từ chưng cất trực tiếp dầu mỏ thường chứa nhiều n-parafin và ít isoparafin, dẫn đến chỉ số octan thấp, không vượt quá 60, trong khi yêu cầu cho xăng ô tô là từ 83 đến 95 và xăng máy bay từ 92 đến 100 Để tăng chỉ số octan, có thể thêm chất phụ gia như metanol, etanol và MTBE, nhưng chì tetraetyl và chì tetrametyl đã bị cấm để bảo vệ môi trường Hiện nay, biện pháp chính để nâng cao chỉ số octan là cải tiến công nghệ và chất xúc tác trong chế biến dầu, nhằm tăng hàm lượng hiđrocacbon nhẹ mạch nhánh, olefin và giảm tạp chất, đặc biệt là hợp chất chứa lưu huỳnh.
Dầu hỏa là một phân đoạn của dầu mỏ, với nhiệt độ sôi từ 170 đến 270 độ C, bao gồm các hiđrocacbon từ C10 đến C15 và C16 Trong thành phần của dầu hỏa, có sự hiện diện của các hiđrocacbon có cấu trúc hỗn hợp giữa vòng thơm và vòng naphtalen, chẳng hạn như tetalin và các đồng đẳng Ngoài ra, hàm lượng các hợp chất chứa lưu huỳnh (S), nitơ (N) và oxy (O) cũng gia tăng trong dầu hỏa.
Phân đoạn dầu hỏa được dùng làm nhiên liệu cho máy bay phản lực và dầu hỏa dân dụng (dầu thắp sáng hoặc đun nấu)
Yêu cầu về mặt nhiệt lượng cho nhiên liệu động cơ phản lực phải lớn hơn
Nhiên liệu phản lực cần có nhiệt lượng cao, với giá trị đạt 10200 kcal/kg, trong đó các n-parafin có nhiệt lượng cao nhất Tuy nhiên, do máy bay phản lực bay ở độ cao lớn với nhiệt độ không khí có thể xuống tới -50°C, nên yêu cầu nhiên liệu không được kết tinh ở nhiệt độ thấp Hiđrocacbon naphtelic tỏ ra ưu việt trong trường hợp này, trong khi các n-parafin có khối lượng phân tử lớn dễ hình thành tinh thể, gây tắc vòi phun và giảm tính linh động, gây nguy hiểm cho máy bay Ngoài yêu cầu về nhiệt lượng, nhiên liệu cũng phải cháy hoàn toàn, không được tạo cốc hay tàn, vì những chất này có thể làm tắc vòi phun Các hiđrocacbon thơm thường tạo cốc nhiều nhất, và mức độ tạo tàn và cốc của các hiđrocacbon được sắp xếp theo thứ tự nhất định.
Hiđrocacbon thơm > olefin > isoparafin, naphtalen > n-parafin
Trong thành phần của dầu hỏa, parafin và naphten là hai cấu tử quan trọng nhất cho quá trình cháy trong động cơ phản lực, với hàm lượng parafin chiếm từ 30% đến 60% và naphten từ 20% đến 45%.
Nhiên liệu diesel là sản phẩm dầu mỏ chứa các hiđrocacbon có số carbon từ C12 đến C20, với nhiệt độ sôi dao động từ 220 đến 360 °C Bên cạnh đó, nhiên liệu này cũng bao gồm một lượng nhỏ các hợp chất chứa oxy, nitơ và lưu huỳnh.
Nhiên liệu điezen là chất lỏng trong suốt, nhẹ hơn nước và không tan trong nước, có d = 0,82 - 0,86 g/cm 3
Dầu diesel là nhiên liệu cho động cơ diesel và nguyên liệu cho quá trình cracking Đối với động cơ diesel, tiêu chuẩn nhiên liệu rất khác biệt; n-xetan (C16H34) được xem là nhiên liệu lý tưởng, vì chỉ cần nén nhẹ với không khí là nó tự cháy nổ mạnh Trong thang nhiên liệu diesel, n-xetan được quy ước là chuẩn với chỉ số xetan là 100, trong khi β-metylnaphtalen được coi là nhiên liệu kém nhất với chỉ số xetan bằng 0.
Hỗn hợp xetan và β-metylnaphtalen có chỉ số xetan dao động từ 0 đến 100 tùy thuộc vào tỷ lệ phần trăm thể tích của xetan trong hỗn hợp Đối với nhiên liệu diesel, phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sôi từ 230 – 290 °C là lý tưởng Các phân đoạn cuối có chỉ số xetan dưới 45 được coi là nhiên liệu diesel kém Để cải thiện khả năng bốc cháy của nhiên liệu, các hợp chất nitơ hữu cơ thường được bổ sung vào dầu diesel.
Thường thì nhiên liệu điezen được lọc không kỹ như xăng, được dùng cho xe tải, tàu thủy, đầu máy xe lửa
Từ mazut bằng phương pháp chưng chân không thu được dầu bôi trơn và nhựa đường
Dầu bôi trơn là sản phẩm thiết yếu giúp máy móc hoạt động êm ái và kéo dài tuổi thọ Tại các quốc gia phát triển, hơn 1% lượng dầu thô được chế biến thành dầu bôi trơn, cho thấy tầm quan trọng của nó trong ngành công nghiệp.
+ Mỡ bôi trơn: là vật liệu bôi trơn đặc biệt thành phần gồm chất lỏng, chất làm đặc và phụ gia
- Chất lỏng là dầu khoáng có khi là một số loại este , chiếm 75 – 90 % khối lượng mỡ
- Chất làm đặc tồn tại ở trạng thái rắn thường là xà phòng của các axit béo (RCOOMe) tạo ra loại mỡ có tính chất cơ lý hóa khác nhau
- Chất phụ gia: là chất làm tăng tính ổn định cơ học, ổn định keo, tăng tính nhờn của mỡ, hàm lượng khoảng vài phần nghìn
Nhiên liệu lỏng (xăng, dầu, dầu điezen), dầu mỡ bôi trơn và caosu
Khi thay thế một hoặc nhiều nguyên tử hiđro trong phân tử hiđrocacbon bằng halogen, ta thu được dẫn xuất halogen Tương tự như phân loại hiđrocacbon, dẫn xuất halogen cũng được chia thành các loại: halogenankan, halogenanken và halogenankin.
CH3-CH2-Cl CH2=CH-CH2-Br CH≡C-Cl
Ngoài ra, tùy theo số nguyên tử halogen có trong phân tử các dẫn xuất halogen, ta phân biệt các dẫn xuất monohalogen, đihalogen và polihalogen
Dẫn xuất halogen, bao gồm dẫn xuất monohalogen, đihalogen và trihalogen, đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ nhờ vào nhiều ứng dụng thực tiễn như dung môi, thuốc chữa bệnh và thuốc trừ sâu Ngoài ra, với khả năng phản ứng cao, chúng còn là sản phẩm trung gian trong quá trình tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau như hiđrocacbon, ancol, anđehit, xeton và amin.
Danh pháp các dẫn xuất halogen có thể được gọi tên theo hai cách:
Tên gọi thường: xuất phát từ tên của gốc hiđrocacbon cộng thêm tên halogenua, thí dụ: metyl clorua, anlyl bromua, …
Tên IUPAC của các dẫn xuất halogen được hình thành từ tên hiđrocacbon tương ứng, kèm theo tên halogen và vị trí của nó trong phân tử, ví dụ như clometan và 3-cloprop-1-en Đối với các dẫn xuất halogen của metan, người ta thường sử dụng tên gọi thông thường; chẳng hạn, hợp chất có công thức CH2X2 được gọi là metylen halogenua, hợp chất CH3X được gọi là halofom, và hợp chất CX4 được gọi là cacbon tetrahalogenua.
Tên IUPAC Điclometan Triclometan Tetraclometan
Tên thường Metylen clorua Clorofom Cacbon tetraclorua
Các ankyl halogen được phân loại dựa trên loại nguyên tử carbon liên kết với halogen Tùy thuộc vào việc halogen gắn vào carbon bậc một, bậc hai hay bậc ba, chúng ta có các dẫn xuất halogen tương ứng Ví dụ, có các dẫn xuất halogen bậc một, bậc hai và bậc ba.
CH3-Br CH3CH2CH2F CH3CH(Br)CH2CH3 (CH3)3C-Cl
Bậc không Bậc một Bậc hai Bậc ba
Tên IUPAC Brommetan 1-Flopropan 2-Brombutan 2-Clo-2-
