Chương3 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỒNG PHÂN TRONG HÓA HỮU CƠ PAGE 167 Mục lục 7Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ HOÁ HỌC HỮU CƠ 7Bài 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ HỢP CHẤT HỮU CƠ 71 Khái niệm – đặc điểm – phân loại hợp chất hữu cơ 92 Phươ.
ĐẠI CƯƠNG VỀ HOÁ HỌC HỮU CƠ
1 Trình bày được khái niệm về hợp chất hữu cơ, các đặc điểm của các hợp chất hữu cơ, cách phân loại các hợp chất hữu cơ.
2 Nêu được khái niệm về lai hóa, các trạng thái lai hóa Giải thích được sự hình thành liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ
3 Trình bày sơ lược về phương pháp tách biệt và tinh chế các hợp chất hữu cơ.
4 Kể tên được các dạng công thức dùng trong hữu cơ Thiết lập được công thức phân tử các hợp chất hữu cơ.
Hóa học hữu cơ đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày, với sự hiện diện của các chất hữu cơ trong thực phẩm, dược phẩm, chất dẻo, hóa chất phòng trừ dịch hại, chất kích thích tăng trưởng và nhiên liệu.
1 Khái niệm – đặc điểm – phân loại hợp chất hữu cơ
1.1 Khái niệm về hợp chất hữu cơ và hoá học hữu cơ
Carbon là một nguyên tố hóa học đặc biệt, với khả năng kết hợp linh hoạt giữa các nguyên tử C và các nguyên tử của nguyên tố khác, tạo ra khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau So với các nguyên tố hóa học khác trong bảng tuần hoàn, chúng chỉ có thể tạo ra khoảng 1 triệu hợp chất không chứa Carbon.
Các hợp chất hữu cơ, hay còn gọi là organic compound, là một nhóm lớn các hợp chất hóa học có chứa Carbon trong phân tử của chúng, ngoại trừ CO, CO2 và các muối Carbonat Ngành hóa học nghiên cứu về các hợp chất này được gọi là hóa học hữu cơ.
ĐẠI CƯƠNG VỀ HỢP CHẤT HỮU CƠ
1 Trình bày được khái niệm về hợp chất hữu cơ, các đặc điểm của các hợp chất hữu cơ, cách phân loại các hợp chất hữu cơ.
2 Nêu được khái niệm về lai hóa, các trạng thái lai hóa Giải thích được sự hình thành liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ
3 Trình bày sơ lược về phương pháp tách biệt và tinh chế các hợp chất hữu cơ.
4 Kể tên được các dạng công thức dùng trong hữu cơ Thiết lập được công thức phân tử các hợp chất hữu cơ.
Hóa học hữu cơ đóng vai trò thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày, với sự hiện diện của các chất hữu cơ ở khắp nơi Chúng ta có thể tìm thấy các hợp chất hữu cơ trong thực phẩm, dược phẩm, nhựa, chất phòng trừ dịch hại, chất kích thích tăng trưởng và nhiên liệu.
1 Khái niệm – đặc điểm – phân loại hợp chất hữu cơ
1.1 Khái niệm về hợp chất hữu cơ và hoá học hữu cơ
Carbon là một nguyên tố hóa học đặc biệt, với khả năng kết hợp linh hoạt với các nguyên tử khác, tạo ra khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau Trong khi đó, các nguyên tố hóa học khác trong bảng tuần hoàn chỉ có thể tạo ra khoảng 1 triệu hợp chất không chứa Carbon.
Hợp chất hữu cơ, trừ CO, CO2 và các muối Carbonat, là những hợp chất chứa Carbon trong cấu trúc phân tử của chúng Ngành hóa học chuyên nghiên cứu các hợp chất này được gọi là hóa học hữu cơ, và đây là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học với nhiều ứng dụng trong đời sống.
Hợp chất hữu cơ là những hợp chất có chứa ít nhất nguyên tố Carbon và Hydro, với các liên kết hóa học chủ yếu là liên kết cộng hóa trị.
Các hợp chất hữu cơ thường có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, dẫn đến tính chất dễ bay hơi Mặc dù phần lớn các hợp chất hữu cơ không tan trong nước, nhưng chúng lại dễ dàng hòa tan trong nhiều dung môi hữu cơ khác.
Các hợp chất hữu cơ thường không bền với nhiệt và dễ cháy, có thể xuất phát từ nguồn gốc tự nhiên hoặc được tạo ra thông qua các phản ứng nhân tạo.
Trong thiên nhiên, có nhiều nguồn hợp chất hữu cơ phong phú, bao gồm dầu mỏ, khí thiên nhiên và than đá, mà trong đó than đá cung cấp nhựa than chứa các hợp chất H – C thơm và phenol Ngoài ra, các sản phẩm từ động vật và thực vật cũng đóng góp các hợp chất hữu cơ như glucid, lipid và protein.
Trong phòng thí nghiệm và ngành công nghiệp, hàng triệu hợp chất hữu cơ có thể được tổng hợp từ các nguồn nguyên liệu hữu cơ và vô cơ Nhiều sản phẩm công nghiệp hiện nay được sản xuất dựa trên các nguyên liệu thiên nhiên này.
1.3 Phân loại hợp chất hữu cơ
Có thể phân loại hợp chất hữu cơ theo hai cách chính sau đây:
1.3.1 Phân loại thành H – C và dẫn xuất của H – C
H – C là những hợp chất hữu cơ được cấu tạo bởi hai nguyên tố H và C.
Các dẫn xuất của H – C chứa trong phân tử không những C và H mà còn có cả những nguyên tố khác như O, N, S,
Nhóm chức là tập hợp các nguyên tử quyết định đặc tính hóa học đặc trưng của một dãy hợp chất có cùng loại nhóm chức trong phân tử, được gọi là chức hóa học.
Khi phân tử chỉ có một nhóm chức duy nhất ta gọi là hợp chất hữu cơ đơn chức Thí dụ: C2H5OH, CH3CHO, CH3COOH,
Khi phân tử có hai hay nhiều nhóm chức đồng nhất ta gọi là hợp chất hữu cơ đa chức Thí dụ: (COOH)2, CH2OH – CHOH – CH2OH,
Khi phân tử có hai hay nhiều nhóm chức khác ta gọi là hợp chất hữu cơ tạp chức Thí dụ: NH2CH2-COOH, CH2OH – (CHOH)4 – CHO,
H – C và dẫn xuất của chúng đều có thể được phân loại theo mạch C (mạch hở, mạch vòng, mạch no, mạch không no, )
Sơ đồ phân loại các hợp chất hydrocarbon và dẫn xuất của hydrocarrbon
2 Phương pháp tách và tinh chế hợp chất hữu cơ
Hầu hết các chất tự nhiên và nhân tạo đều tồn tại dưới dạng hỗn hợp Để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của một chất hữu cơ, cần phải tách biệt nó khỏi hỗn hợp, nhằm tinh chế thành chất tinh khiết hoặc nguyên chất, phục vụ cho các ứng dụng thực tiễn.
2.1 Các phương pháp thông thường
Các hợp chất hữu cơ
Hợp chất mạch vòng (hợp chất vòng)
(mạch C chỉ có LK đơn)
Hợp chất không no (mạch C có LK bội)
Hợp chất đồng vòng (trong vòng chỉ có C)
Hợp chất dị vòng (Trong vòng ngoài C còn có O, N, S, )
Vòng no Vòng không no
Để tách chất hữu cơ từ hỗn hợp lỏng hoặc rắn, người ta sử dụng dung môi thích hợp như ether, benzen hoặc nước, có khả năng hòa tan tốt chất cần tách Sau khi loại bỏ dung môi khỏi dung dịch, chất cần tách sẽ được thu hồi.
Khi điều chế anilin (C6H5NH2) từ nitrobenzen (C6H5NO2) qua phương pháp khử, một lượng nhỏ anilin sẽ hòa tan trong nước Để tách anilin ra khỏi nước, cần thêm ether và lắc đều, vì anilin dễ tan trong ether hơn Sau đó, tách hỗn hợp anilin và ether, rồi loại bỏ ether để thu được anilin nguyên chất.
Hiện nay có rất những dụng cụ cho phép chiết liên tục.
Phương pháp này dựa vào sự khác biệt về độ tan của các chất rắn trong dung môi phù hợp, cũng như sự thay đổi độ tan của một chất khi nhiệt độ thay đổi.
Để hòa tan một hỗn hợp rắn, người ta sử dụng một dung môi thích hợp, thực hiện quá trình đun nóng và lắc Sau đó, hỗn hợp được lọc khi còn nóng để loại bỏ tạp chất không tan Khi làm lạnh, chất ít tan hơn sẽ kết tinh và tách ra dưới dạng tinh thể sạch, sau đó được thu hồi bằng cách lọc.
Acid benzoic là một chất rắn có khả năng hòa tan tốt trong nước nóng nhưng lại ít tan trong nước nguội Để tinh chế, người ta đun acid này trong nước để tạo ra dung dịch bão hòa nóng, sau đó lọc nóng và để nguội, từ đó các tinh thể acid tinh khiết sẽ tách ra.
ĐỒNG PHÂN TRONG HÓA HỮU CƠ
Hiện tượng đồng phân liên quan chặt chẽ đến cấu tạo và cấu trúc không gian của phân tử, đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ Sự xuất hiện của đồng phân làm tăng đáng kể số lượng hợp chất hữu cơ.
1 Nêu được khái niệm đồng đẳng, đồng phân;
2 Trình bày được cách phân loại đồng phân, nêu được các loại đồng phân
Hiện tượng đồng phân xảy ra khi các hợp chất hữu cơ có cùng công thức phân tử nhưng có sự sắp xếp và liên kết khác nhau giữa các nguyên tử, dẫn đến những tính chất khác biệt.
Có nhiều phương pháp phân loại hợp chất hữu cơ, mỗi phương pháp tạo ra các nhánh hợp chất với những đặc điểm chung Đặc điểm nổi bật của hợp chất hữu cơ là sự đa dạng và phong phú, nhờ vào khả năng biến đổi cấu trúc thành nhiều dạng khác nhau, thông qua việc thêm nguyên tố hoặc sắp xếp lại vị trí của các nguyên tố trong phân tử Hơn nữa, tính chất của hợp chất hữu cơ có thể thay đổi không chỉ do sự thay đổi vị trí mà còn liên quan đến tính đối xứng giữa các nguyên tố trong mặt phẳng liên kết và đối xứng quang học.
Ta có thể hệ thống hóa cách phân loại các hợp chất hữu cơ qua sơ đồ sau:
Đồng phân về mạch Carbon đề cập đến sự sắp xếp khác nhau của mạch Carbon trong các cấu trúc phân tử, dẫn đến sự khác biệt về tính chất hóa học và vật lý của các hợp chất này.
Ví dụ: C4H10 (butan) có các đồng phân là:
CH3 – CH2 – CH2 – CH3: n-butan; (CH3)2 – CH – CH3: iso- butan
Đồng phân về vị trí nhóm chức là loại đồng phân mà các hợp chất có cùng một nhóm chức nhưng khác nhau về vị trí của nhóm chức đó trên mạch carbon.
Ví dụ: C6H4CH3OH có các đồng phân về vị trí nhóm OHˉ sau:
2.3 Đồng phân về chức hữu cơ
Nhóm chức là yếu tố quyết định tính chất hóa học của hợp chất Đồng phân chức hữu cơ là những đồng phân hình thành từ các nhóm chức khác nhau nhưng vẫn giữ nguyên thành phần hóa học.
Về chức alcol và ether: CH3 – CH2 – OH và CH3 – O – CH3
Về chức acid và ester: CH3COOH và HCOOCH3
Về chức aldehyd, ceton và rượu:
CH3 – CH2 – CHO; CH3 – CO – CH3; CH2 = CH – CH2 – OH.
Về bậc của nhóm chức: CH3 – CH2 – CH2 – NH2; CH3 – NH – CH2 – CH3
Đồng phân hỗ biến (tautome) là loại đồng phân của hai chất có cùng thành phần nhưng khác nhau về cấu trúc, cho phép chúng chuyển hóa lẫn nhau.
CH3 – C – CH2 – C – CH3 CH3 – C = CH – C – CH3
Acethyl ceton 2-Hydroxy-2-pentenol Chuyển hóa này được gọi là hỗ biến ceton – enol
Nguyên nhân gây ra đồng phân hỗ biến là do sự chuyển chỗ của nguyên tử H trên các trung tâm O, N, …
3.1 Đồng phân hình học (đồng phân cis – trans)
Các đồng phân có thể khác nhau về vị trí của các nhóm thế liên quan đến mặt phẳng liên kết đôi hoặc mặt phẳng của vòng trong các hợp chất có cấu trúc vòng.
Trans-1,2-dimethyl cyclohexan Cis-1,2-dimetyl cyclohexan Điều kiện để có đồng phân hình học:
- Phân tử phải chứa liên kết đôi hoặc vòng no kín.
- Các nguyên tử C có chứa liên kết đôi và vòng kín phải liên kết với hai nguyên tử hoặc 2 nhóm thế có bản chất khác nhau.
Khi hai nhóm thế nằm ở cùng phía, chúng ta có dạng đồng phân cis, trong khi hai nhóm thế ở khác phía tạo thành đồng phân trans Sự khác biệt giữa đồng phân cis và trans không chỉ nằm ở cấu trúc mà còn ở tính chất vật lý; cụ thể, nhiệt độ nóng chảy của đồng phân cis thấp hơn so với đồng phân trans, nhưng nhiệt độ sôi của đồng phân cis lại cao hơn.
Ví dụ: Diphenyl buta-1,3-dien có 3 đồng phân:
Số đồng phân của phân tử có n nối đôi tính theo công thức: N = 2 n-1 + 2 p-1
N là số chẵn thì p 2 n , n là số lẽ thì: p 2
Liên kết σ có cơ chế xen phủ các obitan lai hóa dọc theo trục nối giữa hai tâm hạt nhân, cho phép các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử quay quanh liên kết mà không làm ảnh hưởng đến tính ổn định của nó.
Cấu dạng của nguyên tử và nhóm nguyên tử trong không gian thay đổi theo khoảng cách và vị trí của chúng quanh liên kết thế năng Mỗi trạng thái có hình thể xác định và mức năng lượng tương tác riêng biệt Sự thay đổi này ảnh hưởng đến cách mà các nguyên tử tương tác với nhau.
Các cấu dạng phân tử hình thành khi quay quanh liên kết xích ma có năng lượng tương tự nhau và khó tách rời Trong không gian, có những vị trí mà nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có khoảng cách xa nhất, dẫn đến tương tác nhỏ nhất, tạo ra cấu dạng bền nhất Ở điều kiện bình thường, các phân tử thường tồn tại ở cấu dạng này Để biểu diễn các cấu dạng trên mặt phẳng trong không gian 3 chiều không phải là điều đơn giản, đặc biệt là với các phân tử nhiều nguyên tử, do đó cần có hình thức biểu diễn tượng trưng khác Dưới đây là một số cách biểu diễn đơn giản các cấu dạng phân tử.
Biểu diễn cấu trúc không gian của butan sử dụng các loại nét khác nhau: nét đậm thể hiện liên kết hướng ra ngoài bề mặt giấy, nét thường biểu diễn liên kết nằm trên bề mặt giấy, và nét chấm chấm thể hiện liên kết nằm phía sau bề mặt giấy.
Hình 1 Cấu dạng của butan3.2.1 Đồng phân cấu dạng mạch hở
Metan có cấu trúc một tứ diện đều, góc liên kết 109 0 28, độ dài liên kết C –
H bằng 1,1A 0 Nó có cấu hình xác định và không có đồng phân cấu dạng
Etan là alkan đầu tiên có khả năng tồn tại đồng phân cấu dạng Khi nhóm metyl của etan quay quanh liên kết xíchma 360 độ, vị trí của các nguyên tử hydro trong phân tử cũng thay đổi, dẫn đến sự biến đổi trong thế năng tương tác của chúng.
Hình 2 Giản đồ thế năng Sự biến thiên thế năng tương tác (năng lượng tương tác) của nguyên tử H (trong phân tử etan) khi nhóm CH3 quay từ 0 – 360 0
Phân tích cấu dạng của etan trên giản đồ nhận thấy ở các vị trí góc quay
60 0 , 120 0 , 300 0 tưong ứng với cấu dạng có năng lượng tương tác cực tiểu Đó là cấu dạng xen kẽ (cấu dạng trống)
Các hợp chất kiểu X3C – CX3 có giản đồ thế năng tương tự như etan, nhưng butan lại có sự khác biệt do sự xuất hiện của hai nhóm CH3 thay vì nguyên tử H Điều này dẫn đến giản đồ thế năng tương tác của butan không đơn điệu như etan Tương tác giữa nhóm CH3 với H khác với tương tác giữa CH3 với CH3 và H với H Khi quay vòng từ 0 đến 360 độ, butan có thể hình thành các cấu dạng đặc trưng.
HIỆU ỨNG ĐIỆN TỬ TRONG PHÂN TỬ HỢP CHẤT HỮU CƠ
Các liên kết cộng hóa trị trong phân tử chất hữu cơ có sự thay đổi đáng kể so với khi mới hình thành Sự thay đổi này xảy ra do các nguyên tử và nhóm nguyên tử trong phân tử tương tác lẫn nhau, điều chỉnh mật độ điện tử trong các liên kết Qua đó, tạo ra một cấu trúc phân tử thích ứng với các thành phần khác nhau.
1 Trình bày được định nghĩa, phân loại, đặc điểm của các hiệu ứng điện tử
2 Phân tích được sự ảnh hưởng qua lại giữa các nguyên tử không liên kết trực tiếp với nhau trong phân tử
3 Vận dụng hiệu ứng điện tử trong phân tử giải thích tính chất acid, base, chiều hướng phản ứng của một số hợp chất hữu cơ.
Hiệu ứng cảm ứng là sự tương tác giữa các nguyên tử và nhóm nguyên tử trong phân tử của các hợp chất hữu cơ, bao gồm hợp chất H-Cno và H-C không no không liên hợp.
Hợp chất H – C không no có liên kết pi liên hợp với liên kết xích ma, tạo ra sự tương tác phức tạp trong hệ này Để hiểu rõ hơn về các qui luật tác dụng cảm ứng, chúng ta chỉ cần xem xét trong hệ hợp chất H – C no và chưa no không liên hợp.
Trong phân tử n-butan (CH3 – CH2 – CH2 – CH3), chỉ có nguyên tử carbon (C) và hydro (H), với độ âm điện gần như tương đương Do đó, các liên kết xíchma trong phân tử này hầu như không phân cực, và nguyên tử hydro không tạo ra hiệu ứng đáng kể.
Người ta lấy hiệu ứng của H bằng không để so sánh, ví dụ so sánh các acid sau:HCOOH có pKa = 3,7; CH3 – COOH có pKa = 4,7; C2H5 COOH có pKa 4,9
HO – CH2 – COOH có pKa = 3,0; Cl – CH2 – COOH có pKa = 2,9.
Các ví dụ trên khi thay thế nguyên tử H ở acid formic bằng nhóm nguyên tử khác sẽ nhận các acid có độ acid khác nhau.
Thay thế nhóm -H bằng nhóm -CH3 và -C2H5 làm giảm tính axit so với axit formic Theo lý thuyết điện tử, các nhóm -CH3 và -C2H5 hoạt động như nhóm đẩy điện tử, đẩy điện tích ra xa về phía nhóm -COOH, dẫn đến liên kết O-H trở nên ít phân cực hơn so với trong HCOOH Kết quả là, ion H khó phân ly ra, do đó tính axit giảm.
H pKa của acid propionic lớn hơn pKa của acid axetic Điều này chứng tỏ nhóm etyl đẩy mạnh hơn nhóm metyl.
Hai nguyên tố cuối cùng trong phân tử axit là Oxy và Clo, cả hai đều có độ âm điện cao Chúng có khả năng thu hút các electron liên kết từ các nguyên tử khác, tạo nên tính chất đặc trưng của axit.
Cặp điện tử liên kết O - H trong acid fomic bị lệch về phía Oxy, làm cho liên kết này trở nên phân cực mạnh hơn Sự phân ly H diễn ra mạnh mẽ hơn, dẫn đến việc tăng cường độ axit.
Qua các thí dụ chúng ta có thể tìm ra một số quy luật tác dụng tương hỗ trong phân tử.
Hiệu ứng cảm ứng là hiện tượng khi các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có độ âm điện lớn tác động lên các điện tử liên kết, dẫn đến sự phân cực của phân tử Cụ thể, sự tương tác này từ một trung tâm nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có độ âm điện cao sẽ truyền đi dọc theo mạch carbon, ảnh hưởng đến các nguyên tử và nhóm nguyên tử khác trong phân tử, tạo ra tác dụng cảm ứng.
Hiệu ứng cảm ứng của nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có thể mang giá trị dương hoặc âm, được ký hiệu bằng chữ I Hiệu ứng cảm ứng âm, ký hiệu là (-I), thể hiện sự ảnh hưởng của nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có khả năng hút điện tử.
Nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử gây ra hiệu ứng cảm ứng dương (+I) khi nhường (đẩy) điện tử Hiệu ứng này làm thay đổi mật độ điện tử, được thể hiện bằng mũi tên thẳng: →.
X có độ âm điện cao, tạo ra hiệu ứng cảm ứng với δ + > δ + / > δ + // Chiều tác dụng cảm ứng được thể hiện qua mũi tên dọc theo liên kết.
Sự phân cực cảm ứng trong phân tử luôn tồn tại do các yếu tố cấu trúc, được gọi là phân cực tĩnh (Is) Bên cạnh đó, còn có sự phân cực động từ hiệu ứng cảm ứng động (Iđ) Tuy nhiên, do liên kết xích ma bền vững, hiệu ứng Iđ ít gặp và thường được hiểu và sử dụng chủ yếu dưới khía cạnh tĩnh.
Các nhóm nguyên tử gây ra hiệu ứng cảm ứng âm (-I) bao gồm những nguyên tử và nhóm nguyên tử có độ âm điện lớn, cũng như các ion dương có khả năng thu hút các electron liên kết xích ma về phía chúng.
Thí dụ: (-I): CN > NO2 > F > Cl > Br > I > OCH3 > C6H5
Hiệu ứng cảm ứng dương (+I) gồm các gốc ankyl, các ion âm, có khả năng đẩy điện tử liên kết khỏi mình.
Thí dụ: (+I): (CH3)3 > (CH3)2CH > CH3CH2 > CH3 > H
Hiệu ứng cảm ứng lan truyền nhanh chóng dọc theo các liên kết xích ma, nhưng độ mạnh của nó giảm dần và nhanh chóng biến mất, thường chỉ còn lại qua 4 đến 5 liên kết.
Hiệu ứng liên hợp xuất hiện ở các phân tử có hệ thống liên kết pi và xích ma liên hợp, với liên kết pi luân phiên giữa liên kết xích ma Điều này bao gồm các phân tử có nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử với cặp điện tử không liên kết, liên kết trực tiếp với hệ liên hợp Cặp điện tử này tương tác với liên kết pi, làm cho hệ liên hợp được kéo dài thêm, tạo thành hệ liên hợp “mở rộng”.
Ví dụ: CH2 = CH – CH = CH2 CH2 = C – CH = CH2 CH2 = CHCl
PHẢN ỨNG HỮU CƠ
1 Trình bày được định nghĩa, cách phân loại tác nhân phản ứng và các phản ứng hữu cơ
Bài viết này trình bày bản chất, cấu trúc và độ bền của các tiểu phân trung gian trong phản ứng hữu cơ Nó cũng giải thích quá trình hình thành các tiểu phân trung gian và các hiệu ứng điện tử tác động đến độ bền của chúng.
3 Trình bày được các cơ chế phản ứng hữu cơ cơ bản
Phản ứng hóa học hữu cơ rất đa dạng và phức tạp, với khả năng tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau từ một phản ứng duy nhất Sự phong phú về số lượng và cơ chế của các phản ứng này làm cho chúng trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn trong hóa học.
1 Một số khái niệm chung
Phản ứng hóa học là quá trình chuyển đổi chất này thành chất khác, bao gồm việc phá vỡ các liên kết cũ và hình thành các liên kết mới Quá trình này có thể dẫn đến sự hình thành ion và gốc tự do.
Các ion và gốc tự do tương tác với các chất khác để tạo ra các hợp chất mới, quá trình này được gọi là phản ứng hóa học theo gốc tự do Gốc tự do có năng lượng cao và thời gian tồn tại ngắn, do đó chúng có khả năng tham gia vào các phản ứng hóa học một cách hiệu quả Các hợp chất như hydro peroxyd và peroxyd dễ dàng phân hủy để tạo ra gốc tự do.
Phản ứng ion là quá trình hóa học có sự tham gia của các ion, trong đó tác nhân A được gọi là tác nhân ái điện tử và tác nhân B là tác nhân ái nhân Tác nhân ái nhân hoạt động như một base của Lewis, trong khi tác nhân ái điện tử đóng vai trò là một acid của Lewis.
Trong phản ứng oxy hóa khử, tác nhân ái nhân đóng vai trò là chất khử, trong khi tác nhân ái điện tử nhận electron từ tác nhân ái nhân được xem là chất oxy hóa.
Các phản ứng hóa học như phản ứng cộng hợp, phản ứng thế và phản ứng tách loại có thể diễn ra theo hai cơ chế chính: cơ chế gốc tự do và cơ chế ion Trong cơ chế ion, có hai loại cơ chế cụ thể là cơ chế ái điện tử và cơ chế ái nhân.
Tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào số lượng phân tử hoặc ion tham gia, dẫn đến việc phân loại phản ứng thành đơn phân tử, lưỡng phân tử hoặc nhiều phân tử.
Trong phản ứng hóa hữu cơ, các chất tham gia có thể tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau như hơi, lỏng hoặc rắn, và có thể diễn ra trong môi trường có hoặc không có dung môi hòa tan.
2 Đặc điểm của phản ứng hữu cơ
Phản ứng hoá học hữu cơ có những đặc điểm riêng sau đây:
- Phản ứng xảy ra thường là chậm.
- Phản ứng xảy ra qua nhiều giai đoạn (phản ứng nối tiếp).
- Phản ứng xảy ra song song nhau (phản ứng cạnh tranh sinh ra sản phẩm phụ).
Phản ứng hữu cơ thường diễn ra thông qua trạng thái chuyển tiếp, hay còn gọi là trạng thái phức hoạt động, thay vì trải qua giai đoạn phân ly ion Qua con đường này, phản ứng tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều so với việc phân ly ra ion.
Các phản ứng hoá học xảy ra một giai đoạn như: aA + bB → eE
Vận tốc của phản ứng được xác đinh: v = k[A] a [B] b Phản ứng bậc a đối với A, bậc b đối với B và bậc của phản ứng là (a+b).
Trong các phản ứng hóa học nhiều giai đoạn, việc tính toán vận tốc trở nên phức tạp hơn Để đơn giản hóa, có thể ước lượng bằng cách bỏ qua các giai đoạn phản ứng nhanh, tập trung vào giai đoạn chậm nhất, vì đây là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng.
Phản ứng cạnh tranh trong hóa học hữu cơ đặc trưng bởi sự tương tác của các chất giống nhau, dẫn đến việc hình thành nhiều sản phẩm chính và phụ khác nhau Các phản ứng này diễn ra song song, tạo ra sự đa dạng trong kết quả cuối cùng.
Thí dụ: Chất A đồng thời phản ứng với chất B và D (hoặc cùng một chất
B nhưng ở vị trí khác nhau trong phân tử):
Phản ứng A + D → K 2 G là một phản ứng một chiều với cùng bậc phản ứng, trong đó tỷ lệ giữa sản phẩm E và G được duy trì không đổi trong suốt quá trình phản ứng Tỷ lệ này phản ánh hoạt tính tương tác của B và D đối với A.
Để một phản ứng hóa học xảy ra, các chất tham gia cần phải va chạm với nhau, theo Thuyết va chạm Tại 15 ˚C trong thể tích 1cm³, số va chạm giữa hai phân tử ước tính lên tới khoảng 10^14 va chạm mỗi giây Nếu tất cả các va chạm này đều dẫn đến phản ứng, tốc độ phản ứng sẽ rất cao Tuy nhiên, không phải tất cả các va chạm đều tạo ra phản ứng; chỉ những va chạm giữa các phân tử có năng lượng cao mới có khả năng sinh ra sản phẩm mới.
Năng lượng hoạt hóa là năng lượng cần thiết để các tiểu phân hoạt động hiệu quả Phương trình của Arrhenius xác định mối quan hệ giữa hằng số vận tốc phản ứng và năng lượng hoạt hóa.
Với: K là hằng số vận tốc z là số va chạm (vận tốc phản ứng tỷ lệ thuận với z)
HYDRO CARBON
1 Trình bày được khái niệm, phân loại các hợp chất hydrocarbon.
2 Đọc tên các hợp chất hydrocarbon theo danh pháp IUPAC.
3 Trình bày được tính chất vật lý, tính chất hóa học và điều chế các hợp chất hydrocarbon cơ bản.
Hydrocarbon là các hợp chất hữu cơ chỉ chứa carbon (C) và hydro (H) trong cấu trúc phân tử của chúng Dựa vào cách sắp xếp liên kết trong phân tử, hydrocarbon được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm hydrocarbon no, hydrocarbon không no và hydrocarbon thơm.
Các hợp chất hữu cơ chỉ chứa carbon và hydrogen mà trong đó chỉ tồn tại nối đơn giữa carbon−carbon được gọi là alkan.
Ví dụ: CH3CH2CH2CH2CH2CH3
Hiện nay, các nhà hóa học sử dụng hệ thống danh pháp được phát triển và cập nhật thường xuyên bởi Hiệp Hội Quốc Tế về Hóa Học Cơ Bản và Ứng Dụng, hay còn gọi là IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry).
Số lượng nguyên tử carbon
Số lượng nguyên tử carbon
Metan 1 CH4 Undecan 11 CH3(CH2)9CH3
Etan 2 CH3CH3 Dodecan 12 CH3(CH2)10CH3
Propan 3 CH3CH2CH3 Tridecan 13 CH3(CH2)11CH3
Butan 4 CH3(CH2)2CH3 Tetradecan 14 CH3(CH2)12CH3
Pentan 5 CH3(CH2)3CH3 Pentadecan 15 CH3(CH2)13CH3
Hexan 6 CH3(CH2)4CH3 Hexadecan 16 CH3(CH2)14CH3
Heptan 7 CH3(CH2)5CH3 Heptadecan 17 CH3(CH2)15CH3
Octan 8 CH3(CH2)6CH3 Octadecan 18 CH3(CH2)16CH3
Nonan 9 CH3(CH2)7CH3 Nonadecan 19 CH3(CH2)17CH3
Decan 10 CH3(CH2)8CH3 Eicosan 20 CH3(CH2)18CH3
Một số tên gọi của alkan mạch thẳng được trình bày trong bảng 2.3, với hậu tố "-an" đặc trưng cho các alkan Phần tiền tố của hầu hết các alkan từ C4 trở lên có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp hoặc Latin.
Danh pháp thế là tiêu chuẩn của hệ thống IUPAC, bao gồm bốn phần chính: số định vị, tiền tố, tên tộc và hậu tố Số định vị chỉ rõ vị trí của các nhóm chức và nhóm thế trong phân tử Tiền tố cho biết sự hiện diện của các nhóm chức và nhóm thế Tên tộc xác định số lượng nguyên tử carbon trong phần phân tử đó Cuối cùng, hậu tố chỉ ra nhóm chức chính của hợp chất.
Tên của alkan mạch nhánh có thể được thực hiện tuân theo các bước sau:
Bước 1 Tìm mạch hydrocarbon làm tên tộc: là mạch carbon dài nhất Bước 2 Đánh số thứ tự trên mạch carbon chính.
Bước 3 Nhận diện và xác định số định vị cho nhóm thế.
Bước 4 Viết tên đầy đủ.
Bước 5 Trường hợp nhóm thế phức tạp: gọi tên nhóm thế tương tự như gọi tên hydrocarbon mạch nhánh Sau đó thay vần –an bằng vần –yl.
Bước 6 Trường hợp có nhiều nhóm thế giống nhau: thêm tiền tố di-, tri-, tetra-, … trước tên nhóm thế tương ứng cho hai, ba, bốn, … nhóm thế giống nhau.
Bước 7 Một số nhóm thế có tên gọi không theo hệ thống nhưng vẫn đượcIUPAC lưu dùng và xem như danh pháp tiêu chuẩn:
Điểm chảy và điểm sôi của alkan tăng theo khối lượng phân tử do sự xuất hiện của lực phân tán London yếu giữa các phân tử Khi năng lượng cung cấp đủ lớn để phá vỡ lực phân tán này, alkan rắn sẽ chảy và alkan lỏng sẽ sôi.
Mạch alkan càng phân nhánh thì điểm chảy càng giảm, do cấu trúc phân nhánh gần giống hình cầu giúp thu hẹp diện tích bề mặt Điều này dẫn đến lực phân tán giảm so với alkan mạch thẳng.
Bảng 2.1: Điểm sôi và điểm chảy của các đồng phân của C 6 H 14
Công thức cấu tạo thu gọn Công thức khung Điểm chảy ( o C) Điểm sôi ( o C)
Alkan, hay còn gọi là parafin, có nguồn gốc từ từ Latin "parum affinis," nghĩa là "kém hoạt tính." Chất này thể hiện ít hoạt tính hóa học và thường trơ với hầu hết các tác chất trong phòng thí nghiệm, cũng như trong môi trường hóa sinh, không tham gia vào các quá trình chuyển hóa hóa học trong cơ thể sống Tuy nhiên, alkan có thể phản ứng với oxygen, halogen và một số hợp chất khác trong điều kiện thích hợp.
Phản ứng với oxygen thường xảy ra trong các động cơ máy đốt trong và giải phóng một lượng nhiệt lớn
Phản ứng xảy ra dưới tác động của tia tử ngoại (ký hiệu là hν) theo cơ chế gốc tự do, thường dẫn đến sự hình thành một hỗn hợp sản phẩm.
Từ việc chưng cất dầu mỏ, người ta sẽ thu được các hỗn hợp alkan ở các phân đoạn khác nhau với đặc tính và ứng dụng khác nhau.
Bảng 2.2: Các phân đoạn tiêu biểu thu được khi chưng cất dầu mỏ
Phân đoạn sôi ( o C) Số lượng nguyên Sử dụng tử carbon trong một phân tử
Dưới 20 C1-C4 Khí tự nhiên, hóa dầu mỏ
20-60 C5-C6 Dung môi etherr dầu hỏa
175-325 C12-C18 Dầu hỏa, nhiên liệu máy bay
Chất lỏng không bay hơi
C20 trở lên Dầu khoáng, dầu bôi trơn
Chất rắn không bay hơi
C20 trở lên Wax, nhựa đường.
Cycloalkan là hydrocarbon mạch vòng trong phân tử chỉ có nối đơn giữa carbon−carbon.
Cycloalkane không chỉ có đồng phân mạch carbon mà còn có đồng phân hình học Cấu trúc cứng nhắc của cycloalkane tạo ra sự phân chia rõ rệt giữa hai mặt của phân tử: mặt trên và mặt dưới.
Cách gọi tên tương tự alkan, thêm tiền tố cyclo− Một số điểm khác biệt khác cần lưu ý:
1 Nếu phải lựa chọn giữa mạch vòng và mạch thẳng, mạch nhiều carbon nhất sẽ là mạch chính.
2 Đánh số ʹ1ʹ cho carbon có nhánh, sao cho khi tới nhánh tiếp theo sẽ có chỉ số nhỏ nhất. Đánh số đúng Đánh số sai
Khi có nhiều cách đánh số, hãy đảm bảo rằng các nhánh được sắp xếp theo thứ tự từ nhỏ đến lớn và theo thứ tự abc để đảm bảo tính logic và dễ hiểu Việc đánh số đúng sẽ giúp người đọc dễ dàng theo dõi, trong khi đánh số sai có thể gây nhầm lẫn và khó khăn trong việc tiếp cận thông tin.
Alken là một loại hydrocarbon có chứa ít nhất một nối đôi C=C bên cạnh các nối đơn C−C Trong nghĩa rộng, alken được định nghĩa là một nhóm chức với cấu trúc nối đôi C=C Một số phân tử, dù không phải là hydrocarbon, vẫn có thể chứa nhóm chức alken.
Alken, giống như alkan, có đồng phân mạch carbon, nhưng còn có thêm đồng phân vị trí của nhóm chức C=C Sự hiện diện của liên kết π giữa các nguyên tử carbon trong liên kết C=C khiến cho liên kết này không thể tự do quay như liên kết đơn C−C, dẫn đến sự hình thành đồng phân hình học.
Cách gọi tên tương tự alkan, chỉ khác ở chỗ thay vần –an bằng vần –en Một số điểm khác biệt khác cần lưu ý:
1 Chọn mạch chính: dài nhất có chứa nối đôi.
2 Đánh số thứ tự trên mạch chính: đánh số từ đầu gần nối đôi hơn.
3 Số định vị của nhóm chức alken: đặt ngay phía trước vần –en.
Khi có nhiều nối đôi trong phân tử, cần bổ sung các tiền tố di-, tri-, tetra- trước phần -en tương ứng với số lượng nối đôi, ví dụ như hai, ba, bốn.
5 Một số nhóm alkenyl với tên thông thường vẫn được IUPAC lưu dùng và xem như danh pháp tiêu chuẩn:
Nhóm metylen Nhóm vinyl Nhóm allyl
Alken có điểm chảy và điểm sôi biến thiên tương tự như alkan Các alken từ C1 đến C4 tồn tại dưới dạng khí ở điều kiện thường Chúng là hợp chất không phân cực, tan trong dung môi không hoặc kém phân cực, nhưng rất khó tan trong nước Ngoài ra, alken cũng nhẹ hơn nước.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng thân điện tử và có sự chọn lọc định hướng theo quy tắc Markovnikov.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng thân điện tử và có sự chọn lọc định hướng theo quy tắc Markovnikov.
Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng thân điện tử đi qua trung gian vòng halonium và có hướng lập thể cộng anti.
3.5.4 Phản ứng oxyd hóa: vic-diol hóa
Phản ứng có cơ chế đi qua một trung gian vòng esterr osmat dẫn đến có hướng lập thể cộng syn.
3.5.5 Phản ứng oxyd hóa đoạn mạch
Phản ứng oxyd hóa với KMnO4 có thể được thực hiện trong môi trường acid hoặc base ở nhiệt độ cao.
3.5.6 Phản ứng oxyd hóa đoạn mạch
Phản ứng oxyd hóa với ozon tạo ra molozonid, sau đó chuyển đổi nhanh chóng thành ozonid Ozonid là một chất trung gian không ổn định và dễ phát nổ, vì vậy nó ngay lập tức được khử để tạo ra sản phẩm cuối cùng Sản phẩm thu được chủ yếu là hợp chất carbonyl.
Phản ứng dị pha xảy ra ở bề mặt chất xúc tác rắn (Pd/C, PtO2,…) và có hướng lập thể cộng syn.
3.6.1 Tách HX từ alkyl halid
Phản ứng xảy ra theo cơ chế tách lưỡng phân tử và tạo sản phẩm alken có nhiều nhóm thế hơn là sản phẩm chính.
3.6.2 Tách nước ra khỏi alcol
Phản ứng xảy ra theo cơ chế tách đơn phân tử và có xu hướng tạo thành hỗn hợp sản phẩm vì có sự chuyển vị.
Khi sử dụng tác chất POCl3, phản ứng xảy ra theo cơ chế tách lưỡng phân tử và không xảy ra sự chuyển vị.
Tương tác giữa dẫn xuất đihalogen có 2 halogen đính vào 2 C liên tiếp nhau với bột kẽm trong dung dịch acid axetic, sẽ tách hai halogen tạo ra anken.
R 1 CH CH R 2 + Zn R CH CH R 2 + ZnX 2
3.6.3 Decarboxyl hoá acid chưa no
Khi đun nóng các acid chưa no, nhóm carboxyl bị tách ra dễ hơn các acid no.
CH CH 2 axit xinnamic Stiren
Trong công nghiệp các anken thường điều chế bằng cách dehydro hoá alkan dưới tác dụng của xúc tác CrO3 ở 45 o C.
HỢP CHẤT HỮU CƠ ĐƠN CHỨC – ĐA CHỨC
1 Trình bày được khái niệm, phân loại các dẫn xuất của hydrocarbon.
2 Đọc tên các dẫn xuất của hydrocarbon theo danh pháp IUPAC.
3 Trình bày được tính chất vật lý, tính chất hóa học và điều chế các dẫn xuất của hydrocarbon.
Khi thay thế một hoặc nhiều nguyên tử hydro trong phân tử hydrocarbon bằng các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác, ta thu được các hợp chất hữu cơ được gọi là dẫn xuất của hydrocarbon.
Khi thay thế một hoặc nhiều nguyên tử hydro (H) trong phân tử hydrocarbon (H-C) bằng các nguyên tử halogen, ta thu được các hợp chất hữu cơ chứa halogen, được gọi là dẫn xuất halogen.
Công thức tổng quát có dạng sau: R – X (với R: gốc H – C, X: halogen)
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo trong phân tử có thể phân loại các dẫn xuất halogen theo nhiều cách khác nhau:
- Dựa vào bản chất của halogen: có 4 loại dẫn xuất halogen (dẫn xuất florid, clorid, bromid, iodid)
- Dựa vào bản chất mạch C trong phân tử: dẫn xuất halogen no, dẫn xuất halogen không no, dẫn xuất halogen vòng no, dẫn xuất halogen thơm,
- Dựa vào số lượng nguyên tử halogen: dẫn xuất monohalogen và dẫn xuất polyhalogen (Dihalogen, trihalogen , polyhalogen)
- Tên thông thường: đọc tên gốc H – C (R) rồi thêm tên halogen tương ứng
- Tên quốc tế IUPAC: Vị trí của hal – tên hal + tên của H – C tương ứng.
Bảng 3.1 Danh pháp của một số dẫn xuất hal
Công thức Danh pháp thông thường Danh pháp quốc tế
CH3 – Cl Metyl clorid Clo metan
C2H5 – Cl Etyl clorid Clo etan
CH3 – CH2 – CH2 – I n – propyl iodid 1 - iod propan
I iso – propyl iodid 2 – iod propan
C6H5 – Br Phenyl bromid Brom benzen
CH2 = CH – Cl Vinyl clorid Clor ethen
Tính chất vật lý của các dẫn xuất halogen phụ thuộc vào cấu trúc của gốc H – C và loại halogen Các ankyl halogenid có khối lượng phân tử thấp thường tồn tại dưới dạng khí, trong khi các dẫn xuất có khối lượng phân tử trung bình là chất lỏng, và những chất có khối lượng phân tử cao thường ở trạng thái rắn.
Các dẫn xuất hal là hợp chất cộng hóa trị, do đó chúng không tan trong nước nhưng tan trong dung môi hữu cơ Ngoài ra, các dẫn xuất hal cũng có khả năng hoạt động như dung môi hữu cơ hiệu quả Tính chất vật lý của một số dẫn xuất hal được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Hằng số vật lý của một số dẫn xuất halogen
Công thức phân tử Tên t nc 0 t s 0 d
CH3 – Cl Clormetan (metyl clorid) -97,00 -23,70 0,920
CH3 – CH2 – CH2 – Cl 1 – clor propan -122,8 47,20 0,890
CH2 = CH – Cl Vinyl clorid (clor eten) -154,0 -14,00 0,911
CH2 = CH – CH2 – Cl 3-clor prop-1-en -136,0 45,70 0,938
1.4.1 Bản chất của liên kết C – X
Trung tâm phản ứng của dẫn xuất hal là liên kết C – X Do χ X > χ C , nên liên kết C – X là liên kết cộng hoá trị phân cực:
+ δ C δ C − 1.4.2 Khả năng phản ứng của các dẫn xuất hal
Khả năng phản ứng của các dẫn xuất hal phụ thuộc chủ yếu vào bản chất của liên kết hal Tùy thuộc vào loại hal, khả năng phản ứng của các dẫn xuất hal có thể được sắp xếp theo một thứ tự nhất định.
Dẫn xuất iod có hoạt động mạnh nhất trong các dẫn xuất halogen, trong khi dẫn xuất flo có hoạt động kém nhất Nguyên nhân của sự khác biệt này là do độ phân cực của liên kết C – I cao hơn so với các liên kết C – X khác.
Khả năng liên kết của các dẫn xuất hal phụ thuộc vào đặc điểm của gốc H – C liên kết với hal Dựa trên yếu tố này, các dẫn xuất hal được phân loại thành ba loại khác nhau.
Các dẫn xuất hal có khả năng phản ứng cao bao gồm những hợp chất mà nguyên tử hal được gắn với nguyên tử carbon bên cạnh nguyên tử carbon có liên kết đôi, hoặc với nguyên tử carbon ở cạnh của nhân thơm.
- Loại có khả năng phản ứng trung bình: gồm các ankyl và xicloankyl hal.
2-clor propan methyl clorid cyclophenyl
Các ankenyl và aryl halogenid thuộc loại có khả năng phản ứng kém, do halogen nối trực tiếp với nguyên tử carbon bậc hai (Csp2) Khả năng phân cắt liên kết C – X trong các hợp chất này giảm đi vì ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp +C từ cặp electron p của halogen tương tác với electron pi của liên kết đôi hoặc hệ thống electron pi trong nhân thơm.
Dẫn xuất hal có những phản ứng quan trọng như thế, bao gồm quá trình thế và tác dụng với kim loại Bên cạnh đó, các hợp chất này cũng có khả năng tham gia vào các phản ứng tại gốc H – C, như thế nhân thơm và cộng vào gốc không no.
Phản ứng thế nguyên tử hal trong dẫn xuất hal xảy ra chủ yếu theo cơ chế
Ví dụ: CH3 – Cl + KOH → CH3 – OH + KCl
C2H5 – Cl + CH3ONa → C2H5 – O – CH3 + NaCl
C2H5 – Br + 2NH3 dư → C2H5 – NH2 + NH4Br
C2H5 – Cl + CH3COONa → CH3COOC2H5 + NaCl
Sơ đồ diễn ra như sau:
Tác nhân nucleophin Y (-) là anion hoặc phân tử trung hòa có cặp electron tự do, bao gồm các nguyên tử như Cl -, Br -, I -, OH -, CN - và H3N Trong phản ứng, nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử X bị thay thế là các nhóm hút electron như -Cl, -Br, -I, -OH, -NR3, -SR2,
Tùy thuộc vào số lượng phân tử tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng, phản ứng được phân loại thành S N 2 và S N 1 Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cho thấy rằng bậc của gốc ankyl R càng cao thì khả năng tham gia phản ứng S N 2 càng giảm, trong khi khả năng phản ứng S N 1 lại tăng lên.
Thí dụ 1: phản ứng thế theo cơ chế S 1 N:
Thí dụ 2: Phản ứng thế lưỡng phân tửS 2 N
CH3 – Cl + OH - → CH3OH + Cl -
Khi đun nóng dẫn xuất hal với dung dịch kiềm trong ethanol sẽ xảy ra phản ứng tách HX để tạo thành H – C không no Thí dụ:
Phản ứng tách của dẫn xuất halogen, cụ thể là CH3 – CH2 – Br với KOH trong môi trường ancol, tạo ra sản phẩm CH2 = CH2 và HBr Đặc điểm cấu tạo của các dẫn xuất halogen ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phản ứng tách Đối với các dẫn xuất halogen có cùng gốc R nhưng khác nhau về loại halogen, khả năng tách sẽ diễn ra theo một trật tự nhất định.
Phản ứng tách các dẫn xuất hal bậc 1 thường chỉ tạo ra một olephin duy nhất Ngược lại, các dẫn xuất hal bậc 2 và bậc 3 có khả năng tham gia phản ứng tách theo hai hoặc ba hướng khác nhau, dẫn đến sự hình thành hai hoặc ba olephin đồng phân khác nhau.
Phản ứng tách HX theo qui tắc Zaixep cho thấy rằng nucleophin sẽ tách ra cùng với halogen và hydrogen từ nguyên tử carbon có bậc cao hơn Kết quả là tạo ra olefin với nhiều nhóm thế hơn ở hai nguyên tử carbon mang liên kết đôi.
CH 3 CH 2 CH CH 2 + HBr etanol 81%
1.4.3.3 Phản ứng với kim loại
Dẫn xuất hal phản ứng với kim loại tạo thành hợp chất cơ kim:
C2H5 – Br + 2Li ether khan → C2H5 – Li + LiBr
C2H5 – Br + Mg ether khan → C2H5 – Mg – Br Với kim loại natri ta thu được alkan (phản ứng Wurtz):
2C2H5 – Br + 2Na etht khan → C2H5 – C2H5 + 2NaBr Phản ứng xảy ra: 2C2H5Br + 2Na → 2C • 2 H 5 + 2NaBr
Khả năng tách theo trật tự sau: R – I > R – Br > R – Cl > R – F
1.5 Điều chế dẫn xuất hal
1.5.1 Tác dụng trực tiếp hal với H – C tương ứng
Ví dụ: - Halogen hoá alkan
CH3 – CH2 – CH3 + Cl2 → as CH3 – CHCl – CH3 + HCl
CH3 – CH = CH2 + Br2 → CH3 – CHBr – CH2Br
CH2 = CH2 + Cl2 → 300 0 C CH2 = CH – Cl + HCl
Khi đun nóng alcol với HX (HCl, HBr, HI) có mặt của xúc tác ZnCl2, alcol sẽ chuyển hóa dễ dàng thành dẫn xuất hal tương ứng.
Ví dụ: C2H5 – OH + HCl → ZnCl 2 C2H5 – Cl + H2O
R – CH = CH2 + HX → R – CHX – CH3
Ví dụ: CH3 – CH = CH2 + HBr → CH3 – CHBr – CH3
1.6 Giới thiệu các chất tiêu biểu
Là chất khí không màu, có thể điều chế cùng với các dẫn xuất clo khác của metan bằng cách clo hoá trực tiếp H – C này.
CH4 + Cl2 → as CH3 – Cl + HCl
Metyl clorid tinh khiết có thể được điều chế bằng cách cho alcol methylic tác dụng với HCl ở áp suất cao
CH3 – OH + HCl → p , cao CH3 – Cl + H2O Ứng dụng: CH3Cl được dùng làm chất sinh hàn cho tủ lạnh, làm dung môi và tác nhân metyl hóa.
1.6.2 Vinyl clorid, CH 2 = CH – Cl
Vinyl clorid là chất khí, được điều chế bằng cách cộng HClkhí vào acetylen hay clor hoá etylen:
CH2 = CH2 + Cl2 → 300 0 C CH2 = CH – Cl + HCl
CH ≡ CH + HCl 120 0 C , Cu 2 Cl 2 → CH2 = CH – Cl
Dưới tác dụng của chất khơi mào, vinyl clorid trùng hợp theo cơ chế gốc tự do tạo thành polyvinyl clorid (PVC):
Cl n Ứng dụng: Dùng làm vải giả da, vật liệu cách điện,
Clo benzen là chất lỏng, được điều chế bằng cách clo hoá trực tiếp benzen:
+ HCl Ứng dụng: dùng để tổng hợp phenol, anilin và nhất là dùng để sản xuất thuốc trừ sâu DDT:
2 Hợp chất cơ nguyên tố
CÁC HỢP CHẤT TẠP CHỨC
1 Trình bày được khái niệm, phân loại các dẫn xuất của hydrocarbon.
2 Đọc tên các dẫn xuất của hydrocarbon theo danh pháp IUPAC.
3 Trình bày được tính chất vật lý, tính chất hóa học và điều chế các dẫn xuất của hydrocarbon.
Hầu hết các hợp chất hữu cơ tinh khiết hiện nay được sản xuất nhân tạo, nhưng thuật ngữ "hữu cơ" cũng chỉ các sản phẩm không chứa hóa chất nhân tạo Hợp chất hữu cơ tạp chức là những hợp chất có sự kết hợp của nhiều loại nhóm chức khác nhau.
Lipid là các hợp chất hữu cơ tự nhiên khó tan trong nước và có thể ly trích từ sinh vật bằng cách dùng dung môi hữu cơ.
Có thể chia lipid làm hai loại:
▪ Lipid có nối ester, có thể thủy giải: mỡ và nhựa.
▪ Lipid không có nối ester, không thể thủy giải: steroid.
Lipid, cùng với glucid và protid, là những thành phần thiết yếu trong cuộc sống con người, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các quá trình sinh hóa trong cơ thể.
Lipid của động vật thường được gọi là mỡ, còn lipid thực vật được gọi là dầu.
Mỡ và dầu có tính chất giống nhau nhưng lại có vai trò khác nhau trong cơ thể.
Trong cơ thể sinh vật, lipid có nhiều loại, nhưng hai loại phổ biến nhất là lipid đơn giản và phospholipid Vì vậy, chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu cấu trúc và tính chất của hai loại lipid này.
Lipid đơn giản hay còn gọi là glycerid có thể có các loại sau đây:
Các gốc rượu, acyl, glicosyl cũng có thể được phân bố ở các vị trí khác nhau.
Trong tự nhiên, chủ yếu tồn tại các triglycerid, trong khi các loại glycerid khác chỉ xuất hiện với lượng nhỏ Các triglycerid tự nhiên thường là các triglycerid hỗn tạp.
Rất hiếm có các triglycerid của cùng một acid.
Các acid trong triglycerid có thể là acid béo no hoặc không no, với cấu trúc mạch không phân nhánh Số nguyên tử carbon trong phân tử thường chẵn, dao động từ 4 đến 26, chủ yếu là 16.
18 Các acid thường gặp là acid panmitic C15H3ICOOH, acid stearic Triglycerid ankyldiglycerid glycosyldiglycerid
C17H35COOH, acid oleic C17H33COOH, acid linoleic C17H31COOH, acid linolenoic C17H29COOH, v.v
Trong lipid thực vật thì acid chưa no chiếm thành phần chủ yếu, còn trong lipid động vật thì phần lớn lại là các acid béo no.
Phospholipid hay phosphatit tự nhiên chủ yếu có cấu tạo dạng tống quát:
Các lipid nói chung có tính kị nước, không tan trong nước nhưng tan nhiều trong rượu, ether và các dung môi hữu cơ khác.
Lipid có tính chất hoá học cơ bản là tham gia phản ứng thuỷ phân, diễn ra dưới tác dụng của acid, kiềm hoặc men Phản ứng này cũng có thể được thực hiện bằng cách đun sôi lipid với nước ở áp suất và nhiệt độ cao (25 atm, 220°C) Sản phẩm thuỷ phân của lipid rất đa dạng, phụ thuộc vào loại và cấu trúc của lipid đó Ví dụ, quá trình thuỷ phân triglycerid diễn ra theo cách riêng biệt.
Khi thực hiện quá trình thủy phân bằng kiềm, sẽ thu được glixerin và các muối có tính tẩy rửa, được gọi là xà phòng Phản ứng này còn được biết đến với tên gọi phản ứng xà phòng hóa Trong cơ thể, quá trình thủy phân diễn ra dưới tác dụng của enzym lipase.
Các glycerid chưa no không chỉ phản ứng thủy phân mà còn tham gia vào các phản ứng cộng hợp, như cộng H2, dẫn đến việc làm mất màu nước brom và iod Chúng cũng có khả năng bị oxy hóa, thể hiện qua việc làm mất màu dung dịch KMnO4 và sự oxy hóa bởi oxy trong không khí.
Cacbohydrate hay Glucid là hợp chất hữu cơ quan trọng, đóng vai trò chủ chốt trong các quá trình trao đổi chất và cung cấp năng lượng cho cơ thể Với công thức phân tử tổng quát là Cm(H2O)n hoặc Cn(H2O)m, chúng là nhóm phân tử sinh học phổ biến nhất trong bốn nhóm chính Cacbohydrate tham gia vào nhiều quá trình quan trọng trong cơ thể sống, bao gồm cung cấp chất dinh dưỡng và năng lượng cho sự phát triển và duy trì hoạt động của cơ thể.
Thực vật thực hiện quang hợp để tạo ra glucose, một loại glucid đơn giản, từ khí carbonic và nước Quá trình này tuy phức tạp nhưng có thể được tóm tắt một cách đơn giản.
Các hợp chất glucid đơn giản luôn chứa nhóm carbonyl (aldehyd hoặc ceton) và nhiều nhóm hydroxyl trong cấu trúc phân tử của chúng Khi các hợp chất glucid phức tạp trải qua quá trình thuỷ phân, chúng sẽ phân hủy thành các phân tử glucid đơn giản.
Do vậy, glucid là những poly hydroxycarbonyl (poly hydroxy aldehyd hoặc poly hydroxy ceton) cùng các sản phẩm ngưng tụ của chúng.
Các hợp chất glucid có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, nhưng phương pháp phổ biến nhất là dựa vào mức độ phức tạp của phân tử Theo tiêu chí này, glucid được chia thành ba loại chính.
Các hợp chất glucid được phân loại thành glucid khử và glucid không khử, dựa trên sự tương tác của chúng với các tác nhân oxy hóa như thuốc thử Tollens và thuốc thử Felling.
Monosaccharid, hay còn gọi là monose, là loại glucid đơn giản nhất, thường chứa từ 3 đến 9 nguyên tử Carbon trong phân tử Dựa vào số lượng nguyên tử Carbon, monosaccharid được phân loại thành các nhóm như triose, tetrose, pentose, hexose, và nhiều loại khác.
Monosaccharid, về mặt hoá học, là các polyhydroxy Carbonyl, với nhóm Carbonyl có thể là aldehyd hoặc ceton Tùy thuộc vào nhóm chức này, monosaccharid sẽ được phân loại thành andose (nếu có nhóm aldehyd) hoặc cetose (nếu có nhóm ceton) Ví dụ, monosaccharid có 6 nguyên tử Carbon và nhóm chức aldehyd sẽ được gọi là ando hexose, trong khi nếu có nhóm ceton, nó sẽ được gọi là ceto hexose.
Cấu tạo của các monosaccharid
HỢP CHẤT DỊ VÒNG
1 Trình bày được khái niệm và phân loại hợp chất dị vòng.
2 Nêu tên và viết được công thức cấu tạo của một số hợp chất dị vòng đơn giản thường gặp
Trong vài thập kỷ qua, nghiên cứu về hóa học các hợp chất dị vòng đã phát triển mạnh mẽ, với số lượng công trình nghiên cứu hàng năm chiếm hơn một nửa tổng số công trình về hóa hữu cơ.
Dị vòng là các hợp chất có cấu trúc vòng, được hình thành từ các nguyên tử carbon (C) và các nguyên tố khác như oxy (O), nitơ (N), lưu huỳnh (S), Những nguyên tố không phải carbon này được gọi là dị tố.
Theo cấu tạo, dị vòng gồm dị vòng thơm và dị vòng không thơm Dị vòng thơm là quan trọng.
1.3.1 Dị vòng không thơm: dị vòng no hoặc chưa no.
1.3.2 Dị vòng thơm: dị vòng có cấu trúc điện tử của vòng phù hợp công thức
1.3.3 Dị vòng có 1 dị tố: a) Dị vòng 5, 6 cạnh: b) Dị vòng 5, 6 cạnh ngưng tụ với vòng benzen:
Dị vòng có nhiều dị tố có thể được phân loại thành hai nhóm chính: hai dị tố giống nhau và hai dị tố khác nhau Đặc biệt, dị vòng 5 và 6 cạnh thường có hai dị tố ngưng tụ với vòng benzen, tạo ra cấu trúc phức tạp Ngoài ra, các dị vòng cũng có thể ngưng tụ với nhau, tạo thành những hợp chất độc đáo trong hóa học hữu cơ.
Quy ước đánh số dị vòng:
- Xuất phát từ dị tố và theo chiều của vòng ngược chiều kim đồng hồ.
- Đối với hợp chất đa vòng thì đánh số từ nguyên tử cạnh vòng kết hợp.
Xuất phát từ nguồn gốc hoặc tính chất của một hợp chất trong thiên nhiên.
1.3.2 Danh pháp hệ thống đối với dị vòng đơn vòng:
Tiếp đầu ngữ là phần ghi tên các dị tố, trong khi thân của từ bao gồm khung vòng và độ lõm của vòng no hoặc chưa no, với số nối đôi lớn nhất.
Lưu huỳnh S Thia Arsen As Arsa
Selen Se Selena Silic Si Sila
Telur Te Telura Germani Ge Gerna
Nito N Aza Bo B Bora b) Thân các vòng đơn: Độ lớn của Vòng không có N Vòng có N vòng No Chưa no No Chưa no
10 ecan ecin perhydro ecin c) Nguyên tắc đánh số:
- Chiều ưu tiên của các dị tố: O > S > N > P.
Khi có nhiều dị tố cùng loại, cần đánh số các dị tố sao cho tổng chỉ số của chúng là nhỏ nhất Sử dụng các tiền tố như di, tri, tetra, để biểu thị số lượng dị tố tương ứng.
1.3.3 Danh pháp hệ thống đối với dị vòng ngưng tụ: Đọc tên hệ dị vòng:
Tên hệ dị vòng = tên vòng phụ + tên vòng cơ sở
- Tên vòng phụ: tên vòng 185hem chữ “o” ở sau
Dị vòng là vòng cơ sở Ưu tiên theo thứ tự N > S > O
Vòng lớn hơn là vòng cơ sở
Vòng có số dị tố lớn nhất là vòng cơ bản.
Vòng phụ: đánh số các nguyên từ tạo vòng bằng các chữ số: 1,2,3, như đánh số dị vòng.
Vòng cơ sở: các cạnh của vòng được ký hiệu bằng các chữ cái a, b, c, theo chiều đánh số.
Cạnh chung của 2 vòng đuợc gọi theo chữ số của vòng phụ và chữ cái của vòng cơ sở.
2 Dị vòng 5 cạnh 1 dị tố
Furan, pyrrol và thiophen là những hợp chất dị vòng 5 cạnh đơn giản nhất, có cấu trúc tương tự như các ether, amin và sulfur nhưng không hoàn toàn thể hiện đầy đủ tính chất của chúng Những hợp chất này mang lại đặc tính của hydrocarbon thơm, tạo nên sự khác biệt trong hóa học hữu cơ.
Acid-3-indol acetic có tác dụng kích thích sự phát triển của thực vật.
Một số acid amin có chứa khung Indol:
3 Dị vòng 6 cạnh 1 dị tố
Dị vòng 6 cạnh thơm chứa một dị tố nitơ được gọi là piridin
Một số alcaloid có chứa khung pyridin:
Một sô alcaloid có chứa khung isoquinolin đuợc tách từ cây thuốc phiện.
4 Dị vòng 5 cạnh 2 dị tố
Penicillin thuờng có vòng thiazol ngưng tụ với vòng β-lactam Tùy thuộc gốc R mà ta có các penicillin khác nhau.
C6H5CH2- Penicillin G C6H5-CH=CH-CH2- Penicillin F
C6H5-O-CH2- Penicillin V CH3-CH2-CH2-CH2-CH2- Penicillin K
5 Dị vòng 6 cạnh 2 dị tố
HÓA HỌC CÁC HỢP CHẤT TỰ NHIÊN
1 Nêu được các nhóm hợp chất thiên nhiên
2 Trình bày được các đặc điểm cơ bản của các nhóm hợp chất tự nhiên.
3 Nêu được ứng dụng của một số hợp chất tiêu biểu.
Hóa học các hợp chất thiên nhiên là một lĩnh vực khoa học quan trọng, liên quan chặt chẽ đến cuộc sống con người Từ sự phong phú và đa dạng của thực vật, động vật và vi sinh vật, con người đã nghiên cứu và chiết xuất nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học Những hợp chất này được ứng dụng trong việc phòng ngừa và chữa bệnh cho con người, gia súc, gia cầm, đồng thời góp phần bảo vệ và nâng cao sức khỏe cho cộng đồng.
Trong tế bào sống, nucleoprotein là hợp chất quan trọng bao gồm protein kết hợp với acid nucleic Hai thành phần này, acid nucleic và protein, đóng vai trò quyết định trong sự sống; nếu thiếu chúng, sự sống sẽ không thể tồn tại.
Nucleic acids are composed of polynucleotides, which are esters of phosphoric acid with nucleosides Nucleosides themselves are N-glucosides derived from purine or pyrimidine bases This structure can be summarized as a general framework for understanding nucleic acid composition.
Có hai loại axit nucleic dựa trên thành phần glucid của chúng Nếu glucid là D-ribose, nó được gọi là axit ribonucleic (ARN) Ngược lại, nếu glucid là D-2-deoxiribose, nó được gọi là axit deoxyribonucleic (ADN).
Cả hai loại glucid này đều tồn tại ở dạng cấu tạo furanose liên kết với gốc phosphat qua các nhóm hydroxyl ở C3 và C5.
R có thể là gốc base dị vòng adenine, guanine, cytosine và thymine.
Mạch base- glucid gọi là mạch nucleoside, còn mạch base- glucid - acid phosphoric gọi là nucleotit Ví dụ:
Nucleotides can undergo further phosphorylation to form diphosphonucleotides and triphosphonucleotides For example, the phosphorylation of adenosine acid results in adenosine diphosphate (ADP).
ADP và ATP là những hợp chất chứa liên kết năng lượng cao, và khi chúng được phân giải, năng lượng sẽ được giải phóng Những hợp chất này thường được gọi là các nguồn cung cấp năng lượng.
Thành phần nucleotit trong acid nucleic tuân theo quy luật nghiêm ngặt Theo các nghiên cứu của Chahaff, quy tắc này được xác định rõ ràng.
- Đối với các ADN, số gốc ađenin bằng số gốc thymine và số gốc guanin bằng số gốc cytosine: A = T; G = X.
- Đối với các ARN, số gốc uracin bằng số gốc guanin và số gốc cytosine bằng số gốc ađenin: Ư = G; X = A.
Các nghiên cứu bằng phương pháp Kơnghen đã chứng minh rằng phân tử ADN được hình thành từ hai mạch polynucleotit xoắn ốc, trong đó mạch carbon, phosphat và glucid deoxyribose nằm ở phía ngoài, còn các base nitơ nằm ở phía trong Hai mạch này liên kết với nhau thông qua các liên kết hydro giữa các base pirimidin và purin của các nucleotit khác nhau.
Sự phân bố của các nucleotit trong mạch ADN rất nghiêm ngặt, với thymine tương ứng với ađenin và cytosine tương ứng với guanin Cấu trúc của một mạch phản ánh cấu trúc của mạch kia, tạo nên một hệ thống liên kết hydro giữa các nucleotit phostphat, giúp phân tử ADN trở nên bền vững.
- Khác với ADN, sự xoắn ốc của mạch polynucleotit của ARN được thực hiện trong giới hạn của một phân tử.
Acid nucleic là các hợp chất màu trắng, có cấu trúc dạng sợi Chúng khó hòa tan trong nước ở trạng thái tự do, nhưng lại dễ hòa tan khi ở dạng muối của các kim loại kiềm và trong các dung dịch muối.
Acid nucleic có tính quang hoạt và dung dịch của chúng có độ nhớt cao Khi được đun nóng ở nhiệt độ 80-90°C, acid nucleic sẽ nóng chảy, đồng thời độ nhớt của dung dịch cũng thay đổi Trong quá trình này, các liên kết hydro giữa các base pyrimidin và purin bị đứt, nhưng khi làm lạnh, cấu trúc ban đầu sẽ được tái tạo lại.
Về mặt hóa học, acid nucleic thường rất trơ và có khả năng liên kết chặt chẽ với các ion kim loại như Cu 2+ và Mg 2+, tạo ra các phức hợp không tan.
- Những phản ứng quan trọng nhất của acid nucleic là sự ankyl hóa nhóm amin của adenin guanine và quá trình khử amin hóa các base đó.
Alkaloid là các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, thường có cấu trúc vòng và phản ứng kiềm Chúng thường xuất hiện trong thực vật và đôi khi trong động vật, nổi bật với tác dụng sinh lý mạnh mẽ và khả năng phản ứng với các thuốc thử alkaloid.
Một số chất được phân loại là alkaloid nhưng không chứa nitơ dị vòng, mà có nitơ ở mạch nhánh, bao gồm ephedrine trong Ma hoàng (Ephedra sinica Staf.), capsaisin trong Ớt (Capsicum annuum L.) và hordenin trong mầm mạch nha (Hordenum sativum Jess).
Một số alkaloid phổ biến:
Alkaloid vẫn chưa được giải thích rõ ràng về vai trò của chúng Theo A.P Orêkhốp và một số tác giả, alkaloid được coi là những chất xúc tác hoạt tính có khả năng giải độc và loại bỏ các sản phẩm độc hại từ quá trình chuyển hóa.
