Giáo trình hóa hữu cơ
Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam TRƯỜNG CAO ĐẲNG BÁCH KHOA VIỆT NAM GIÁO ÁN HĨA HỮU Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam Phần 1: Lý thuyết Chương 1: CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ CỦA NGUYÊN TỬ CACBON VÀ SỰ TẠO THÀNH LIÊN KẾT TRONG HỢP CHẤT HỮU CƠ A Mục tiêu - Trình bày cấu tạo điện tử nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp3, sp2, sp - Giải thích cách hình thành loại liên kết: Liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí, liên kết hidro B Nội dung I Cấu trúc điện tử nguyên tố cacbon 1.Cacbon C (Z = 6) cấu hình bản: 1s22s22p2 Hai điện tử đơn độc px, py, ngồi cịn pz trống khơng Cacbon trạng thái kích thich C*: C hấp thụ lượng 60-70kcal/mol điện tử 2s2 chuyển lên trạng thái 2p (2pz) 1s22s12px12py12pz1 = 1s22s12p3 Bốn điện tử tự cacbon kích thích có lượng khác liên kết phải khác Nhưng thực tế phân tử CH4 có liên kết giống Cacbon trạng thái lai hóa: a Lai hóa sp3 (lai hóa tứ diện) - Là tổ hợp obitan 2s obitan 2p tạo obitan lai hóa (OA)có mức lượng hình dạng kích thước Mỗi OA cú ẳ bn cht s v ắ bn cht p Hình1 hóa sp2: (lai hóa ta giác) b Lai - Là tổ hợp obitan 2s obitan 2p tạo OA sp2 Trục OA nằm mặt phẳng tạo nên góc 120o Mỗi OA có 1/3 chất s 2/3 chất p Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam Hình c Lai hóa sp (lai hóa đường thẳng) - Là tổ hợp obitan s obitan p tạo OA giống nằm đường thẳng Mỗi OA có ½ chất s ½ chất p Hình Các OA có hình dạng giống OA sp3 có chứa 25% chất s , sp2 chứa 33% s, sp chứa 50% s Còn lại p Hàm lượng obitan p OA nhiều OA kéo dài đám mây electron xa hạt nhân ngược lại II SỰ TẠO THÀNH CÁC LIÊN KẾT Sự tạo thành liên kết cộng hóa trị - Liên kết s liên kết p obitan s, obitan s obitan p, obitan p xen phủ với để tạo obitan phân tử Sự xen phủ trục tạo liên kết s Sự xen phủ bên tạo liên kết p Xen phủ trục tạo liên kết s Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam Hình Xen phủ bên tạo liên kết p Hình Liên kết s liên kết p hợp chất hữu a Trong hợp chất hữu liên kết s tạo thành xen phủ : - Obitan s nguyên tử H với OA cacbon - Obitan lai hóa cacbon xen phủ với - OA s p oxi hay nito với obitan s H hay với OA cacbon b Liên kết p tạo thành xen phủ - Obitan py, pz nguyên tử C xen phủ đôi tạo liên kết p liên kết đôi , liên kết nguyên tử C - Obitan p O, N xen phủ obitan p C tạo liên kết p Tính chất liên kết σ π Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam a Sự phân cực liên kết Khi phân tử có dạng A - A đồng phân tử khơng có phân cực Cặp điện tử liên kết hay obitan phân tử liên kết phân bố nguyên tử momen lưỡng cực µ Đó liên kết cộng hóa trị khơng phân cực H-H Khi hai ngun tử liên kết với khơng đồng cặp điện tử liên kết lệch nguyên tử có độ âm điện lớn momen lưỡng cực µ ≠ Đó liên kết cộng hóa trị phân cực H-Cl b Độ ta: Các hợp chất hữu có liên kết cộng hóa trị (liên kết có độ phân cực khơng lớn) khó tan nước, tan nhiều dung môi hữu c Độ dài liên kết: Khoảng cách hạt nhân nguyên tử liên kết thường gọi theo quy ước độ dài liên kết Độ dài liên kết đo phương pháp vật lý: nhiễu xạ tia X, nơtron, electron, phổ hồng ngoại - Liên kết σ có độ dài liên kết dài nhất, nhiều liên kiết π độ dài liên kết giảm - Độ dài liên kết giảm độ âm điện nguyên tử tăng - Độ dài liên kết C lai hóa giảm theo thứ tự sp3, sp2, sp d Năng lượng liên kết : số lượng thoát hình thành liên kết từ ngun tử hay gốc Đó lượng cần thiết để làm đứt liên kết thành nguyên tử hay gốc (Bảng lượng liên kết trang 10) Các liên kết thiết yếu 4.1 Liên kết vandevan: liên kết yếu phân tử, tạo nên lực hút lưỡng cực lưỡng cực cảm ứng a Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực: phân tử hợp chất hữu có cấu tạo từ nguyên tố có độ âm điện khác làm cho phân tử trở thành lưỡng cực Các lưỡng cực có xu hướng xếp cực trái dấu lại gần Nên gọi tương tác định hướng p p' Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực: F ~ r n n=4 b Tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng: Dưới tác động điện trường liên kết không phân cực phân tử không phân cực trở thành phân cực tạm thời, tức phân tử xuất lưỡng cực cảm ứng p p' Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng: F ~ r n n=6 c Tương tác lưỡng cữ cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng: Đối với khí phân tử khơng phân cực H2, O2 cac phân tử tồn liên kết vandevan Trong phân tử electron chuyển động nên số thời điểm trọng tâm điện tích dương âm khơng trùng tạo lưỡng cực cảm ứng Giáo trình hóa hữu Lực tương tác chúng : F ~ Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam p p' n r n=6 d Bán kính vandevan: nửa khoảng cách ngắn hai hạt nhân đồng không tham gia liên kết với 4.2 Liên kết hidro: Liên kết hidro có chất tĩnh điện, lượng liên kết nhỏ(~5kcal/mol) X - Hδ+ Yδ-; X Hδ+ YδĐiều kiện hình thành liên kết: - X có độ âm điện lớn H cho X-H phân cực - Y có cặp điện tử tự Kích thích X, Y khơng lớn X, Y thường F, O, N Các loại liên kết hidro Liên kết hidro liên phân tử: Liên kết hidro tạo thành phân tử với Ví dụ: Trình bày liên kết H2O – H2O, H2O- C2H5OH Các liên kết hidro bị dung môi chất không phân cực Liên kết hidro nội phân tử: liên kết hidro tạo thành phân tử pha lỗng liên kết hidro cịn Ví dụ: Trình bày liên kết hidro axit cacboxylic CH3COOH Ảnh hưởng liên kết hidro đến tính chất hóa – lý sinh học Nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi: Liên kết hidro liên phân tử làm tăng nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi Liên kết nội phân tử tính chất Ví dụ: Độ tan: chất có khả tạo liên kết hidro với nước tan dễ dàng nước Ví dụ: Độ bền phân tử: tạo thành liên kết hidro nội phân tử đặc biệt liên kết tạo vịng phân tử bền vững Ví dụ: Ảnh hưởng đến số tính chất khác: liên kết hidro làm thay đổi vạch đặc trưng quang phổ hồng ngoại, tử ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân, momen lưỡng cực, độ dài liên kết 4.3 Liên kết phức chuyển điện tích: Phức chuyển điện tích tạo thành chuyển dịch phần mật độ điện tử từ phân tử cho điện tử sang phân tử hay ion nhận điện tử C Bài tập Câu 1: Xác định kiểu lai hóa C phân tử sau: CH4, CH3-CH3, CH3-CH=CH2, CH3-C=CH Câu 2:o cho trường hợp sau: a NH4+ b, CH3NH2 c CH2=O d CH2=NH e HC=N a Hãy cho biết C, N dùng obitan lai hóa nào? b Hãy đốn cấu hình dạng obitan chúng Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam CHƯƠNG 2: CÁC HIỆU ỨNG ĐIỆN TỬ TRONG HÓA HỌC HỮU CƠ A Mục tiêu - Nêu loại hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp, hiệu ứng siêu liên hợp, hiệu ứng khơng gian tính chất - Biết số ứng dụng hiệu ứng B Nội dung I Hiệu ứng cảm ứng H3Cδ+H2Cδ+H2Cδ+ClδCl mang phần điện tích âm nguyên tử C mang phần điện tích dương (phần điện tích dương giảm dần theo chiều dài mạch C) nên phân cực giảm dần Kết chung phân tử trở nên phân cực Vậy phân cực liên kết lan truyền theo mạch liên kết σ gọi hiệu ứng cảm ứng Hiệu ứng cảm ứng kí hiệu: I Quy ước: Liên kết C-H có hiệu ứng I = Nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả hút e coi hiệu ứng – I (hiệu ứng cảm ứng âm) Nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả đẩy e coi hiệu ứng + I (hiệu ứng cảm ứng dương) YC C-H +I I =0 CX -I Hiệu ứng +I: Ngun tử khơng có điện tích: K> Na> Li>Mg, Mg>C, Si>C Nhóm mang điện tích âm: O->S->SeNhóm ankyl: -CH3-CR3 Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam -F>-Cl>-Br>-I -OR>-SR>-SeR Nhóm mang điện tích dương: OR2>OR; NR3>NR2; OR2>NR3>SR2>SeR2 Nguyên tử C lai hóa sp có hiệu ứng – I lớn sp2, sp3 Đặc tính hiệu ứng cảm ứng Hiệu ứng cảm ứng giảm nhanh mạch liên kết σ kéo dài Hiệu ứng cảm ứng không bị cản trở yếu tố không gian II Hiệu ứng liên hợp Hệ liên hợp Hệ liên hợp gồm: - Các liên kết bội (nối đôi, nối ba) luân phiên với liên kết đơn CH2=CH-CH=CH2, CH2-CH=CH-CH=O - Hệ thống chứa nguyên tử cặp điện tử p tự liên kết trực tiếp với nguyên tử C cú liờn kt bi CH2=CH- Oă -R, CH2=CH- Fă 1.1 Phân loại hệ thống liên hợp a Hệ thống liên hợp π-π - Hệ thống liên hợp khơng vịng: CH2=CH-CH=CH2 - Hệ thống liên hợp có vịng : benzen b Hệ thống liên hợp p-π: Được hình thành tương tác điện tử tự p liên kết π CH2=CH-Cl, CH2=CH-O-CH3 1.2 Đặc điểm hệ liên hợp: Trong phân tử hệ liên hợp không tồn liên kết đơn liên kết đôi cách túy Mà mang phần tính chất liên kết đơn phần liên kết đơi Phân tử có lượng thấp lượng phân tử khơng liên hợp tương ứng Vì mật độ điện tử dải nguyên tử tạo obitan π giải tỏa toàn phân tử Hiệu ứng liên hợp Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam Ví dụ: Trong phân tử butadien trạng thái bình thường khơng phân cực Nếu thay nguyên tử H (CH 2) nhóm CH=O nhóm tham gia liên kết với obitan phân tử π butadien Toàn obitan π hình thành phân tử bị chuyển dịch phần phía oxi (biểu diễn mũi tên cong) Sự chuyển dịch gọi hiệu ứng liên hợp Kí hiệu : C Được chia thành loại: Hiệu ứng liên hợp –C hiệu ứng liên hợp +C 2.1 Hiệu ứng liên hợp -C Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có hiệu ứng liên hợp -C nhóm có khả hút electron Các nhóm có hiệu ứng –C: CR=O>-CR=NR>-CR=CR2 C(Cl)=O>-CH=O>-C(OR)=O>C(OH)=O>-C(NH2)=O>-C(O-)=O 2.2 Hiệu ứng liên hợp +C: Là nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả đẩy e –O->-OR -NH2>OH>F -F>Cl>-Br>-I NR2> -OR> -SR> -SeR 2.3 Đặc điểm: Hiệu ứng liên hợp thay đổi tăng chiều dài mạch III Hiệu ứng siêu liên hợp - Hiệu ứng cảm ứng tăng theo thứ tự CH3-I -OR>-SR>-SeR Nhóm mang điện tích dương: OR2>OR;... Cơng thức chiếu có dạng mạch từ xuống dưới, nguyên tử C có số oxi hóa cao phía Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam 5.2 Công thức phối cảnh 5.3 Công thức Niumen Trong công thức niumen... Sự xen phủ bên tạo liên kết p Xen phủ trục tạo liên kết s Giáo trình hóa hữu Trường CĐ Bách Khoa Việt Nam Hình Xen phủ bên tạo liên kết p Hình Liên kết s liên kết p hợp chất hữu a Trong hợp chất