Skkn xây dựng hệ thống bài tập danh pháp và hóa lập thể của hidrocacbon vòng no dùng bồi dưỡng đội tuyển thi học sinh giỏi quốc gia môn hóa học

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM ĐỀ TÀI: " XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÀI TẬP DANH PHÁP VÀ HÓA LẬP THỂ CỦA HIDROCACBON VỊNG NO DÙNG BỒI DƯỠNG ĐỘI TUYỂN THI HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA, MƠN HĨA HỌC" skkn A MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤN ĐỀ Thực trạng Hiện nội dung thi học sinh giỏi (HSG) cấp Quốc gia phần Hóa hữu phong phú phức tạp, tài liệu giảng dạy học tập chuyên đề chun sâu Hóa Hữu khơng nhiều dẫn ñến giáo viên học sinh khó khăn nhiều thời gian việc bồi dưỡng tự học Để ñạt kết cao kỳ thi HSG cấp Quốc gia, địi hỏi em phải có kĩ giải tập Hóa Hữu cơ, mảng tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vòng no Đây mảng kiến thức trọng tâm, sở ñể nghiên cứu nội dung khác, chế phản ứng hóa hữu cơ, hợp chất tự nhiên, polime, … lý này, tơi chọn đề tài “Xây dựng hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no dùng bồi dưỡng đội tuyển thi học sinh giỏi Quốc gia, mơn Hóa học” Ý nghĩa tác dụng giải pháp Góp phần nâng cao lực cho giáo viên dạy bồi dưỡng HSG THPT, ñặc biệt bồi dưỡng ñội tuyển chuẩn bị thi HSG cấp Quốc gia mơn Hóa học - Giúp giáo viên học sinh rút ngắn thời gian ôn tập, nâng cao lực tự học cho học sinh thông qua hệ thống tập mảng kiến thức “Danh pháp hóa lập thể Hidrocacbon vịng no”, tạo sở để em học tập có hiệu kiến thức như: chế phản ứng hóa hữu cơ, hợp chất thiên nhiên, polime… - Phạm vi nghiên cứu ñề tài Nghiên cứu, xây dựng mảng tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no dùng bồi dưỡng đội tuyển thi học sinh giỏi Quốc gia, mơn Hóa học skkn skkn PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH II Cơ sở lý luận thực tiễn Để bồi dưỡng cho học sinh kiến thức Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vòng no chuẩn bị thi HSG cấp Quốc gia, mơn Hóa học, tơi nghiên cứu xây dựng hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no từ đơn giản đến phức tạp - Hệ thống tập có hướng dẫn giải tạo điều kiên cho GV giúp học sinh ơn tập, hệ thống hóa kiến thức nhanh chóng định hướng, phát triển lực tự học học sinh .2 Biện pháp tiến hành, thời gian tạo giải pháp 2.1 Các biện pháp tiến hành Nghiên cứu tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học, lớp 11, 12 Nghiên cứu đề thi HSG Quốc Gia mơn Hóa học Xác ñịnh nội dung: “Xây dựng Hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể hidrocacbon vịng no” Nghiên cứu, dịch tài liệu liên quan ñể xây dựng nội dung ñã xác ñịnh .2.2 Thời gian tạo giải pháp Năm học 2012-2013 skkn skkn B NỘI DUNG I MỤCTIÊU Xây dựng hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no dùng bồi dưỡng ñội tuyển thi học sinh giỏi Quốc gia, mơn Hóa học I I.1 I.1.1 MƠ TẢ GIẢI PHÁP Thuyết minh tính Xây dựng hệ thống tập gồm phần Phần 1: Tóm tắt sở lý thuyết Phần 2: Bài tập Phần 3: Bài tập nâng cao tổng hợp PHẦN 1: TÓM TẮT CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 1.1.1 Khái niệm Xicloankan Xicloankan hiđrocacbon no mạch vịng Có hai loại: Xicloankan có vịng gọi monoxicloankan xicloankan có nhiều vịng gọi polixicloankan Cơng thức chung: Monoxicloankan CnH2n (n 3); Polyxicloan CnH2n+2-2k (n  4, k2, k số vịng) 1.1.2 * Hóa lập thể Đồng phân hình học Đồng phân hình học hay cịn gọi đồng phân cis-trans đồng phân khơng gian sinh phân bố khác nguyên tử nhóm nguyên tử xung quanh phận “cứng nhắc” nối đơi hay vịng no - - Điều kiện để có đồng phân hình học: skkn + Điều kiện cần: Phân tử phải có liên kết đơi (một liên kết đơi số lẻ liên kết đơi liên tiếp) vòng no (thường vòng nhỏ) phân tử Coi phận cứng nhắc cản trở quay tự nguyên tử (hay nhóm ngun tử) phận + Điều kiện đủ: Ở ngun tử C liên kết đơi hai nguyên tử C vòng no phải có hai nguyên tử nhóm nguyên tử khác Những dạng có hai nhóm phân bố phía mặt phẳng nối đơi vịng no gọi cis, khác phía gọi trans - Ví dụ: But-2-en có hai đồng phân hình học: 1,2-dimetylxiclopropan có hai đồng phân hình học * Đồng phân quang học Đồng phân quang học hợp chất tạo phẳng giống khác cấu trúc ngun tử cacbon bất đơi Cacbon bất đối ngun với nhóm khác Ví dụ: Glixeraldehit quang học - skkn có cơng thức cấu khơng gian có tử cacbon liên kết có hai ñồng phân CHO CHO H CHO CHO OH H OH HO CH H OH H CH2OH CH OH HO CH2OH S-glixerandehit R-glixerandehit * Cấu dạng Cấu dạng dạng cấu trúc không gian khác sinh quay xung quanh liên kết ñơn xoay chuyển nguyên tử vòng (flipping of rings) - Cấu dạng có lượng thấp gọi dạng xen kẽ, cấu dạng có lượng cao gọi cấu dạng che khuất - Thuật ngữ dùng ñể cấu dạng có lượng khác gọi ñồng phân cấu dạng (comforomer) Khi tăng nhiệt ñộ, cấu dạng che khuất tăng theo Ví dụ: với xiclohexan có cấu dạng sau: - skkn Theo giản ñồ lượng trên, ta thấy cấu dạng ghế bền cấu dạng thuyền, thấp Nguyên nhân dẫn ñến khác ñộ bền hai dạng ghế thuyền lực ñẩy tương tác ngun tử hiđro vịng Ở dạng ghế tất phân bố theo hình thể xen kẽ Trong dạng thuyền có hệ thống (C1-C2, C3C4, C4-C5 C6-C1) phân bố xen kẽ, hai hệ thống lại C2-C3 C5-C6) phân bố che khuất Hơn nguyên tử H C1 C4 cách 1,84 A nên có lực đẩy khoảng kcal/mol Tổng cộng dạng thuyền lớn dạng ghế 6,8 kcal/mol Công thức Newman dạng ghế Công thức Newman dạng thuyền skkn Trong xiclohexan, sáu nguyên tử cacbon dạng ghế ñược phân bố hai mặt phẳng song song Mặt phẳng thứ chứa C1, C3 C5; mặt phẳng thứ hai chứa C2, C4 C6 Trục ñối xứng bậc ba phân tử thẳng góc với hai mặt phẳng 12 liên kết C-H chia làm hai nhóm: nhóm thứ gồm nguyên tử H song song với trục ñối xứng bậc ba (3 liên kết hướng lên liên kết hướng xuống) Ta gọi liên kết trục, ký hiệu a (axial) Nhóm thứ hai gồm liên kết cịn lại, chúng hướng ngồi biên phân tử (tạo với trục đối xứng góc 1090 gọi liên kết biên, kí hiệu e (equatorial) Kết khảo sát lý thuyết thực nghiệm e-metylxiclohexan bền a-metylxiclohexan Ở nhiệt ñộ thường e-metylxiclohexan chiếm 95% cịn a- metylxiclohexan chiếm 5% a-metylxiclohexan bền có đến hai tương tác syn, kho e-metylxiclohexan khơng có tương tác syn e-metylxiclohexan 1.2 1.2.1  a-metylxiclohexan Danh pháp Monoxicloankan Monoxicloankan khơng có nhóm thế: xiclo + tên ankan tương ứng Ví dụ: skkn 2 n   n  24044’ 9044’ 0044’ -5044’ 9033’ 12046’ -15006’ Bài 42 Vì nói liên kết C-C xilopropan ñược gọi “liên kết chuối”? Xiclopropan hợp chất vịng no có cấu tạo phẳng Theo quan niệm ñại, phần xen phủ cực ñại đám mây electron khơng nằm đường thẳng nối liền hai nguyên tử cacbon mà có uốn cong Sự uốn cong làm cho phần xen phủ ñám mây electron có giảm đi, xếp có lợi mặt lượng Các liên kết C-C gọi “liên kết chuối”, mang tính chất trung gian liên kết và bình thường Do uốn cong vậy, thực tế góc liên kết vịng 1060 khơng phải 109028’ lớn nhiều so 66 skkn với góc cấu tạo phẳng tam giác ñều (600) Xiclopropan dễ bị mở vịng tác dụng hiđrohalogenua, Br2 bị hiđro hố có chất xúc tác Bài 43 Thế lực đẩy Pitze? Thực tế, vịng no (trừ xiclopropan) khơng phải vịng phẳng Trong vịng ngồi sức căng góc Baeyer có có lực ñẩy ñó lực ñẩy nguyên tử hiđro trạng thái che khuất phần hay tồn phần gây nên, vài ngun tử cacbon vòng bị lệch khỏi mặt phẳng vòng Lực ñẩy ñó gọi lực ñẩy Pitze Bài 44 Nguyên nhân để xiclobutan tồn dạng khơng phẳng? Theo quan niệm nay, xiclobutan có cấu tạo khơng phẳng góc gấp có giá trị khoảng 20-250 Tính khơng phẳng xiclobutan ñược chứng tỏ từ kiện thực nghiệm giản ñồ Rơnghen, giản ñồ electron, momen lưỡng cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân số phương pháp khác Nguyên nhân chủ yếu ñể xiclobutan tồn dạng khơng phẳng để giảm sức căng Pitz Bài 45 Xiclopentan tồn hai cấu dạng không phẳng: dạng “phong bì” dạng “nửa ghế” Hãy vẽ hai cấu dạng cho biết dạng có tâm đối xứng, dạng có trục đối xứng 67 skkn Nếu giả sử phân tử xiclopentan nằm mặt phẳng góc lệch 0044, coi khơng có sức căng Baeyer Nhưng liên kết C-C dạng che khuất nên lại xuất sức căng Pitz Thực tế xiclopentan tồn hai cấu dạng khơng phẳng cấu dạng phong bì có mặt phẳng đối xứng nên cịn gọi cấu dạng Cs - (hình trái) Cấu dạng nửa ghế có trục đối xứng bậc hai nên gọi cấu dạng C2 (hình phải) 68 skkn Lưu ý: Khi thực phép quay phân tử xung quanh trục ñối xứng Cn góc 2 gọi trục đối xứng  cho phân tử trùng với cấp n Trục quay Cn n Bài 46 Biểu diễn hai đồng phân hình học decaclin hay hay Bài 47 Đọc tên chất sau: 69 skkn (d) (c) (b) (a)    Bài 48 Xicloankan có đồng phân cistrans? – Vẽ hai đồng phân (d) 1,3-dimetylxiclopantan (e) Etylxiclopantan 70 skkn (f) 1-etyl-2-metylxiclobutan  (d) 1,3-dimetylxiclopantan Có đồng phân cis – trans (e) Etylxiclopantan Khơng có đồng phân cis-trans C2H5 C2H5 Hai chất (f) 1-etyl-2-metylxiclobutan: Có ñồng phân cis-trans 60 skkn Bài 49 Viết ñồng phân lập thể – metyl – 2,3 – dicloxiclopropan (trích đề thi olympic sinh viên tồn quốc 2005) Các ñồng phân lập thể 1- metyl – 2,3 – dicloxiclopropan có đồng phân Nếu hai ngun tử clo vị trí trans có hai đối quang, cịn hai ngun tử clo vị trí cis tuỳ theo vị trí nhóm CH - mà có thêm hai đồng phân (các đồng phân có ảnh qua gương phẳng trùng với chúng, meso): 61 skkn PHẦN 3: BÀI TẬP TỔNG HỢP Bài 50 Hai xicloankan M N có tỉ khối so với metan 5,25 Khi monoclo hố (có chiếu sáng) M cho hợp chất, N cho hợp chất a Hãy xác định cơng thức cấu tạo M N b Gọi tên sản phẩm tạo thành theo danh pháp IUPAC c Cho biết cấu dạng bền hợp chất tạo thành từ N, giải thích (Trích đề thi HSG quốc gia năm 2000) a n=6 CTPT M (N ): C6H12 Theo kiện ñầu bài, M N có CTCT: M: CH3 N: Cl CH3 Cl CH3 CH2 CH3 Cl Cl A b B D Cl C A : 1-Clo-1-metylxiclopentan 62 skkn E B: (Clometyl)xiclopentan C: 1-Clo-2-metylxiclopentan D: 1-Clo-3-metylxiclopentan E: Cloxiclohexan Cl c Cấu dạng bền N : Vì : Dạng ghế bền Nhóm vị trí e bền vị trí a Bài 51 Ứng với cơng thức C3H4Cl2 có đồng phân đicloxiclopropan? Viết cơng thức đồng phân Cho biết đồng phân có tính quang hoạt?  Các đồng phân dicloxiclopropan 63 skkn Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl (III ) (IV ) (I) (II) Trong ñồng phân trên, đồng phân (I) khơng có C* nên khơng có tính quang hoạt Đồng phân (II) meso có mặt phẳng đối xứng Đồng phân (III) (IV) có tính quang hoạt Bài 52 Vẽ cấu trúc (1R)(3S)-xiclohexan-1,3-điol cho biết cấu dạng bền hợp chất này?  Cấu trúc phân tử (1R)(3S)-xiclohexan-1,3-ñiol OH OH H H Cấu dạng bền phân tử: dạng ghế với hai nhóm OH vị trí a ñể hai nhóm OH tạo liên kết hidro nội phân tử Cịn vị trí e khơng tạo liên kết hidro nên bền H 64 skkn OH O HO OH H H H Câu (b) - Cấu dạng bền nhóm isopropyl vị trí biên - Khi hai nhóm metyl ñều vị trí biên: Câu (c) 65 skkn H Câu Đặt CxHy công thức phân tử X x : y  12 88,235 11,765 : 7,353 :11,765 5 : 10n 2 8n X có dạng C5nH8n X có độ bất bão n 1 hịa  Do có vịng nên n + = 3, suy n = , công thức phân tử A C10H16 X có vịng 6C nên cơng thức cấu tạo là: hay - Chọn nội dung bồi dưỡng Tùy vào khả học sinh ta chọn nội dung bồi dưỡng cho phù hợp, triển khai hệ thống tập từ ñến nâng cao hay triển khai phần tập nâng cao - Định hướng phát triển khả tự học cho học sinh Để có kết cao bồi dưỡng HSG, giáo viên phải ñịnh hướng phát triển khả tự học học sinh Để làm tốt ñiều này, chúng tơi phải cụ thể hóa tập, tập có lời giải để học sinh tự đọc, tự kiểm tra giải … II.1.3 Nâng cao lực bồi dưỡng HSG cho ñội ngũ giáo viên - Thơng qua việc xây dựng dạy chun đề chun sâu việc bồi dưỡng HSG mơn Hóa học lực GV dần phát triển 66 skkn - Giáo viên tự ñảm trách nội dung bồi dưỡng: “Hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể hidrocacbon vòng no”, giảm dần thời lượng mời Giáo sư, Tiến sĩ thính giảng II.2 - Khả áp dụng giải pháp Áp dụng phạm vi dạy ñội tuyển HSG dự thi cấp Quốc gia Áp dụng rộng rãi phạm vi bồi dưỡng HSG dự thi cấp tỉnh, mơn Hóa - học Cơ sở khoa học: + Trong chương trình Hóa Hữu có lớp 11, 12 THPT có nội dung Danh pháp Hóa lập thể số xicloankan, nhiên phần tập để học sinh vận dụng rèn luyện gần khơng có + Trong số đề thi HSG cấp tỉnh mơn Hóa THPT có tập nội dung 67 skkn II.3 III.3.1 a Lợi ích kinh tế, xã hội Góp phần vào thành tích HSG Quốc gia, mơn Hóa học Về số thí sinh dự thi Bình Định Bộ GD&ĐT cho thí sinh dự thi mơn Hóa (thơng thường học sinh/1mơn/1 tỉnh, thành phố) b Thành tích mơn Hóa năm gần HSG Quốc Gia mơn Hóa Bình Định xếp cao khu vực thi ñua vùng IV Bộ GD&ĐT quy ñịnh: Năm học Số giải 1011-2012 2012-2013 III.3.2 Góp phần phát triển lực bồi dưỡng HSG cho Giáo viên Nghiên cứu hệ thống tập, giảng dạy chun đề chun sâu lực GV phát triển Giáo viên dần tự bồi dưỡng nội dung nội dung khác thay trước phải mời thêm Giáo sư, Tiến sĩ thính giảng III.3.3 Nâng cao lực tự học học sinh giỏi cấp Qua hệ thống tập bản, nâng cao, có lời giải giúp học sinh tự học có hiệu III.3.4 Tiết kiệm thời gian cho Giáo viên học sinh Giáo viên học sinh khơng thời gian để tìm, dịch tài liệu, đọc hiểu tập thường tập khơng có lời giải III.3.5 Kết hợp việc bồi dưỡng HSG cấp Đối với học sinh dự thi HSG cấp tỉnh bồi dưỡng tập trọng tâm, HSG dự thi cấp Quốc gia tập nâng cao, mở rộng Điều góp phần làm cho phong trào bồi dưỡng HSG mơn Hóa tỉnh nhà ngày phát triển nâng cao hiệu bồi dưỡng HSG thi cấp Quốc gia 68 skkn C KẾT LUẬN Đề tài ñã tạo nguồn tư liệu, giúp giáo viên tham khảo ñể tự bồi dưỡng HSG cấp Hệ thống tập từ đơn giản đến phức tạp có lời giải giúp cho học sinh tự ôn tập, phát triển khả tự học, góp phần nâng cao kết 69 skkn ... MỤCTIÊU Xây dựng hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no dùng bồi dưỡng đội tuyển thi học sinh giỏi Quốc gia, mơn Hóa học I I.1 I.1.1 MƠ TẢ GIẢI PHÁP Thuyết minh tính Xây dựng hệ thống. .. chất thi? ?n nhiên, polime… - Phạm vi nghiên cứu ñề tài Nghiên cứu, xây dựng mảng tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no dùng bồi dưỡng đội tuyển thi học sinh giỏi Quốc gia, mơn Hóa học skkn. .. ứng hóa hữu cơ, hợp chất tự nhiên, polime, … lý này, tơi chọn đề tài ? ?Xây dựng hệ thống tập Danh pháp Hóa lập thể Hidrocacbon vịng no dùng bồi dưỡng đội tuyển thi học sinh giỏi Quốc gia, mơn Hóa