Giáo trình Cơ sở Hóa học Hữu cơ Tập 1 Trần Quốc Sơn Đặng Văn Liếu

Giáo trình CƠ SỞ

HOÁ HỌC

HUU CO

Tap mot

TRẦN QUỐC SƠN - ĐẶNG VĂN LIẾU

Mã số: 01.01.316/681 - ĐH 3007

Mục lục

CHUONGI DAI CUONG HOA HOC HUU CG ee ete ineeeien 15

§ 1-1 HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ HOÁ HỌC HỮU CƠ ìcnerrere 16

1.1 Định nghĩa và đối tượng nghiên cứu của hoa hoc UU CO oe eet teres eee rey 16

1.2 Lược sử phát triển hoá học hữu CƠ chanh 00g Hee He 16

1.3 Đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ cccchhhhhhhhhrrrrrrire 18 1.4 Phân loại các hợp chất hữu cơ chung HH thi 18 4.5 Chất tỉnh khiết Phương pháp tách biệt và tinh chế chất hữu cơ eo 20

BAU LAP n ẮẦẰẲÀIIAA .,., 46

§ I-4 CẤU TRÚC ELECTRON LIÊN KẾT CỘNG HOÁ TRỊ VÀ CÁC LIÊN KẾT YẾU 47

' UY an Ö Ta 53

4.3 Lực hút Van đe Van (Van der Waals) cà nh hhhhhHhhhhhhhhhhhhHgHhrrde tre 54 Bài tập neerrerre mm ÚÁă Ố.Ố.ố.ốỐốỐ 55

§ I-5 HIỆU ỨNG CẤU TRÚC TRONG PHAN TỬ HỮU CƠ cc 56

5,3 Hiệu ứng siêu liên hợp chinh HH Hà HH thư g1 g1 ng 60

§ I-6 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHO XÁC ĐỊNH CẤU TRÚC PHÂN TỬ 62

6.1 Khái niệm về các phương pháp xác định cấu trúc phân tứ hữu cơ ceeeeererree 62

6.2 Một số vấn đề lí thuyết về phổ hấp thụ -.-:c 2t HưhhhhhhrrkHhrrrdrrrre 64 6.3 Phương pháp phổ electron c2 1kg tớ 65

7.1

7.2 Các kiểu phân cắt liên kết cộng hoá trị và các loại tiểu phân trung gian kém bền

7.3 Trang thái chuyển tiếp của phản ứng, - 2c 22122 net re 77

7.4, Tac nhân electrophin và tác nhân nucleophin của phản ứng nen 78

7.5 Khái niệm về cơ chế phản ứng , c nn H theo 79

Điều nên biết I C Cách viết phương trình hoá học cho phản ứng hữu cơ 82

§ I-8 NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA DANH PHÁP HỮU CƠ nh 85

8.1 Các loại danh pháp hữu cƠ 0 2n HH HH HH 85

8.2 Danh pháp thay thế c2 2212 12H 87

Bai LAD 7ẶẶ4 914

Tóm tắt kiến thức chương l c1 20 2t neo 92 Bài tập bổ Sung, t1 222 e2 HH 94 CHUONG II HIDROCACBON NO wooo cccccccecececcceeceeseececeveveceteeee cco 97

1.1 Đồng phân, danh pháp và cấu trúc tt n2 He 98

3 103 1.3 Tính chất hóa học - cnc St t1 t2 He 106 Điều nên biết II A Thiêu nhiệt HH Hee 113

1.6 Giới thiệu riêng về metan St nu HH HH ro 117

2.1 Phân loại, danh pháp và đồng phân Heo 119

2.2 Cấu tTÚC c1 110012 HH2 no 120 2.3 Tính chất hoá học c cv 0,222 HH nu Hee 123

Điều nên biết II B Cách viết cấu dạng ghế của xiclohexan

VGi CAC HEN KEt UC VA DIEM ecssesssessssessvecssecsssusserecuecestesarsustesaresaseseitestessenseeessec 125 2.4 Điều chế monoxicloankan - 1121111171711 22 re 127

2.5 Giới thiệu về xiclohexan c0 00111 0121112 xrrng 130

2.6, Hidrocacbon NO da VONG ee escessstesesessescssescsscscsseeseressensstsivecsseseusesbevasesiveverceverseveccs, 131

TOm 181 8ui 0.0 8 134

CHƯƠNG III HIDROCACBON KHÔNG NO à- nọ gen tuey 141

GANT ANKEN 2021211101121 22222222220 sscee th 142

1.1 Đồng phân và danh pháp :L n2 SH 2H11 H11 H1 111gr HH tệ 142 Điều nên biết IIí A Đồng phân hình học và hoạt tính sinh học Các pheromon 144 1.2 Tính chất vật lÍ -cc c Q.10 1H HH HH TH HH HH TC HH He He 147 1.3 Tính chất hoá học ác L2 c1 n2 1011111111111 1111111 HH H011 11 1x HT HH hy 148 1.4 Điều chế

1.5 Ứng dụng

1.6 Giới thiệu riêng về etilen

§1il-2 POLIEN

2.1 Phân loại, đồng phân và danh pháp 2: 2L ng HH1 41111111011111 11 8 HH cay 164

2.2 Cấu trúc phân tứ đien liên hợp HH 165

Điều nên biết III B Cấu trúc và độ bền của anlen chan 167

2.3 Tính chất hoá học của đien liên hợp ch nhàn HT HH HH Hay 168

2.4 Giới thiệu riêng một số đien liên hợp ác 2c nh rau 172 2.5 Khai MIM VE TECDEN nn dd4 5 174

3.6 Giới thiệu riêng về axetilen -c cuc S.L 21122 H 101111111112 HT Hà HH HH HH 1k, 190

Bal tap ố a1 ăăốẼốẼăẼẽố.ố ắắ 191

Tóm tắt kiến thức chương ÍÍ| LH ch TH HH HH TH TH TH TH HH cay 192

CHUONG IV HIĐROCACBON THƠM 20.22 uằ 499

§ IV-1 BENZEN VÀ CÁC CHẤT ĐỒNG ĐẲNG 2222012228 eeererree 201

1.1 Cấu trúc phân tỬ benz@n Úc tt n2 TT HH HH TH HH hà Hà Hà HH 201

1.2 Đồng phân và danh pháp t0 n2 HH nan Ha 204

3.2 Hợp chất thơm có hệ vòng 5 cạnh c1 ng Hee 237 3.3 Hợp chất thơm có hệ vòng 6 cạnh n1 HH HHrerneh se 238 3.4 Hợp chất thơm có hệ vòng 7 cạnh c2 nh HH Hee 238

3.5 Hợp chất thơm chứa vòng 7 cạnh và vòng 5 cạnh ngưng {Ụ 238

3.6 Hợp chất thơm chứa vòng lớn c1 n1 HH HH neroe 239 Điều nên biết IV C Metaloxen HH Hee 239

Tóm tắt kiến thức chương IV 2210212212122 2222 rrrrae 241

CHƯƠNG V _ NGUỒN HIĐROCACBON TỪ THIÊN NHIÊN s 247

§ V-1 KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ KHÍ MỎ DẦU 0 2n 248 1.1 Trạng thái thiên nhiên c1 n1 HH ng HH TH HH Hee r te 248

1.2 Thành phần ¿1c n2 1112101110112 T 2H rà HH He reo 248

1.3 Ứng dụng - - c1 2t 122 2n 1H He HH neo 248

z5 ee cccenseseseersersscescersevsscassnueusssrsercavereesessrevarsenievirereverestaspnpeesteserens 249 §V-2 DAU MO ooo cccceecccsssscscssssvssnnnnnsnssnisasessssasesaverenentsessusesssssasavasssvasesteceietetecseesee 250

2.1 Tính chất vật lí, trạng thái thiên Mhi@N oo ecccccccecccsececeseseescecescscssscevevesesesestevetsveveveeees 250 2.2 Sơ lược về nguồn gốc dầu mỏ và quá trình hình thành — phát triển ngành dầu khí 251 2.3 Thành phần dầu mỏ 0 ST D111 22111211 5 nen HH reo 252 2.4 Chưng cất dầu mỏ Các sản phẩm chưng cất dầu mỏ 0n The 254

2.5 Chế biến hoá học các phân đoạn dầu mỏ Crackinh và rifominh - cu 258

YT nC Ôn annnà 265

3.1 Than mỏ — một nguồn hiđrocacbon da dang ee er et ete eres 266

3.2 Các sản phẩm thu được từ khí lò cỐc co th nhnhhhhhhderdrdrdtrrdrrdrrririide 267 3.3 Các sản phẩm thu được từ nhựa than mỏ -cccrrihhererererrrdrrrdrdrrinin 267 3.4 Sự chuyển hoá than mỏ thành nhiên liệu lỏng -ccrrererrrrrrrrrrrrrrrrre 268

si r1 1 ìì‹a 271 ¡71 1 0a 273

Chương Ì nh HH hư hà” HH Hi HH HH thưa tHgHhn 273

CRUG Moe .ốốố.ốố.ố.ố naẻ 274

1112.001 .aacac naaa 277

MUG LUC TRA COU ` .áanaa 281

Lời nói đầu

Bộ “Giáo trình Cơ sở hoá học hữu cở” được biên soạn theo chương trình Hoá học hữu cơ Cao đẳng Sư phạm (CĐÐSP), chuyên môn I (môn Hoá học là

chủ yếu), do Bộ Giáo dục và Đào tạo ban hành năm 2002

Do có sự liên thông giữa chương trình CĐSP và chương trình Đại học Sư phạm (ĐHSP), nội dung của giáo trình này gần như tương đương với giáo trình tương ứng của các trường ĐHSP Vì vậy, bộ sách này không những là tài liệu giáo khoa cho sinh viên CĐSP, mà còn có thể dùng được cho các sinh viên khoa Hoá học ĐHSP và sinh viên các trường Đại học khác có đi sâu về Hoá học, cùng học sinh các lớp năng khiếu về Hoá học ở bậc Trung học phổ thông Ngoài ra, bộ sách này còn là tài liệu tham khảo cho giáo viên Hoá học các trường phổ thông và cán bộ giảng dạy Hoá học hữu cơ ở các trường Đại học, Cao đẳng

Bộ “Giáo trình Cơ sở hoá học hữu cơ” gồm ba tập, tương ứng với ba học

phần của chương trình

Tập một gồm 5 chương, với nội dung chủ yếu là các vấn đề đại cương

về Hoá học hữu cơ và hiđrocacbon ˆ

Chương I có nhan đề “Đại cương hoá học hữu cơ” đặt cơ sở lí thuyết để

học tất cả các chương sau Đó là các khái niệm về cấu trúc, mối quan hệ cấu

trúc — tính chất, các phương pháp nghiên cứu cấu trúc, các khái niệm rộng về

phan ứng hữu cơ, và một số nguyên tắc ban đầu về danh pháp hữu cơ,

Các chương II, IH, IV vận dụng kiến thức ở chương I vào việc khảo sát cụ thể các loại hợp chất hữu cơ căn bản nhất, đó là các hiđrocacbon no, không no

và thơm Trong các chương này, một số vấn đề lí thuyết tương đối khó như cấu dạng, đồng phân hình học, cơ chế phản ứng được phát triển lên một mức mới

Kết thúc tập một là chương V đề cập đến nguồn hiđrocacbon từ thiên nhiên 9

Tập hai gồm 6 chương, đề cập đến các dẫn xuất của hiđrocacbon và hợp

chất dị vòng, trên cơ sở vận dụng và phát triển các kiến thức đại cương hoá học hữu cơ, đồng thời phát triển các kiến thức về hiđrocacbon

Mở đầu tập hai là chương VỊ về dẫn xuất halogen và hợp chất cơ nguyên tố Các chương VỊI, VIH, IX, dé cập đến các chức chứa oxi theo trình tu: dan xuất hidroxi, đẫn xuất oxo và axit cacboxylic cùng các dẫn xuất ở nhóm chức, bao gồm cả lipit

Chương X nói về các hợp chất chứa nitơ và kết thúc tập hai là chương XI về các hợp chất dị vòng Những vấn đẻ lí thuyết được phát triển nhiều ở tập hai là quan hệ giữa cấu trúc với tính chất và các khái niệm về cơ chế phản ứng

Tập ba được chia thành bốn chương, nhằm khảo sát các loại hợp chất phức tạp hơn ở hai tập trước Đó là các chương XII, XHI và XIV lần lượt đề cập tới các hợp chất tạp chức, cacbohiđrat, protein Chương cuối cùng của tập ba, cũng là cuối cùng của bộ sách có nhan đề “Hợp chất cao phân tử”; chương

này liên quan tới hầu hết các loại hợp chất hữu cơ đã được đề cập trước đó Để phục vụ cho việc học các hợp chất tạp chức và cacbohidrat cũng như các hợp chất phức tạp khác, chương XII phát triển van dé đồng phân quang học (nêu lần đầu ở chương ]) lên mức cao cần thiết

Sơ đồ cấu trúc của bộ “Giáo trình Cơ sở hoá học hữu co” được nêu ở bảng kèm theo đây (xem trang 11)

Trong mỗi chương của bộ sách, ngoài các bài cụ thể (được ghi bằng các

dấu §) kèm theo một số bài tập vận dụng, có mở đầu của chương, tóm tắt kiến

thức toàn chương, và các bài tập bổ sung cuối chương để làm thêm khi có nhu cầu Đáng chú ý là trong mỗi chương có một vài bài tham khảo ngắn đưới tiêu

đề “Điều nên biết” Các bài tham khảo này có các chủ đề khác nhau về hoá

học lí thuyết, ứng dụng thực tiễn hay phương pháp học tập Các đoạn thuộc

phần “mềm”, cũng dùng để tham khảo được ghi nhận bằng các dấu (bát đầu) và Á (kết thúc) thay cho chữ nhỏ trước đây Cuối mỗi tập sách đều có

hướng dẫn giải và trả lời một số bài tập và bảng mục lục tra cứu theo trình tự

chữ cái

Những điều nêu trên cùng với sự tăng cường kênh hình và số lượng bài

tập là những điểm khác biệt cơ bản của bộ giáo trình này so với bộ giáo trình

cùng tác giả được xuất bản trước đây

10

øe Cau tao hoa hoc ® Sự phân cất và hình thành liên kết

øe Cấu trúc không gian Thuyết trạng thái chuyển tiếp se Cấu trúc electron se _ Cơ chế phản ứng

e Đồng phân hình học ø Nguồn hiđrocacbon từ thiên nhiên

e Hop chat co nguyén to : ° Poliancol @ Phenol ° Axit ® Dẫn xuất cua axit -

Chite chita nito Hop chat di vong

e Hop chat mau điazo và phâm nhuộm e - Dị vòng sáu cạnh

Oligosaccarit Polisaccaril Peptit Protein

Vì bộ sách được biên soạn theo chương trình Hoá học hữu cơ thuộc chuyên môn | (môn Hoá học là chủ yếu) nên trong quá trình thực hiện chương trình thuộc chuyên môn 2 (môn Hoá học không phải là chủ yếu), các trường cần căn cứ vào chương trình cụ thể và trình độ chung của sinh viên mà xây dựng kế hoạch và nội dung cho phù hợp để đạt hiệu quả đào tạo cao nhất Điều này cũng cần thiết đối với các trường thực hiện chương trình thuộc chuyên

môn Ì, tuy mức yêu cầu thấp hơn

Đối với sinh viên, khi sử dụng bộ sách này cần chú ý mấy điều sau đây:

Một là, không học thuộc lòng, mà học hiểu và có suy luận, có liên hệ với

các trường hợp tương tự, tập vận dụng các quy luật chung (thường nêu ở chương I) và các quy luật cụ thể (thường nêu ở các chương II + XIV) vào việc học các loại hợp chất hữu cơ Cố gắng vận dụng các kiến thức trong sách vào việc tìm hiểu một số vấn đề thực tế

Hai là, làm các bài tập vận dụng kiến thức sau mỗi bài và sau mỗi chương, kiểm tra kết quả tự làm bằng cách so sánh với trả lời ở cuối mỗi tập sách Khi có sách bài tập (xuất bản sau bộ giáo trình này), hãy giải các bài tập trong sách đó với số lượng càng nhiều càng tốt; song phải đảm bảo hiệu quả cao bằng cách chủ động khai thác kĩ từng bài về các mặt nội dung kiến thức, phương pháp giải và phương pháp học Chỉ nên tham khảo phần bài giải của sách sau khi đã dành thời gian tự giải

Ba là, khi muốn tự học một chương nào đó theo giáo trình, không nên

đọc ngay từng bài Hãy đọc đoạn mở đầu của chương rồi đến tóm tắt kiến

thức, sau đó mới đọc chi tiết từng bài và làm bài tập vận dụng Khi gặp những vấn đề cụ thể còn chưa nắm vững, cần tìm hiểu trước hết bằng cách tra cứu theo bảng mục lục chữ cái ở cuối mỗi tập sách, sau đó mới tham khảo các sách

khác về hóa hữu cơ

Trong số các tài liệu tham khảo có nội dung gần gũi với bộ giáo trình

này, đáng chú ý hơn cả là các tài liệu sau đây:

1 Trần Quốc Sơn, Đặng Văn Liếu, Nguyễn Văn Tòng Bài tập Hoá học hữu cơ, Nhà xuất bản Giáo dục (xuất bản sau tập ba của bộ sách này)

2 Trần Quốc Sơn, Đặng Văn Liếu Cơ sở hoá học hữu cơ, NXB Giáo

duc, tap I 2000, tap IT 2001

3 Nguyén Van Tong, Dang Van Liéu Co sé hod hoc hitu co, NXB Gido

duc, tap HI 2001

12

4 Đỗ Đình Rãng và Nguyễn Hồ chủ biên Hoá hoc hitu co, tap] va tap II, NXB ĐHQG Hà Nội, 1997

5 Nguyễn Hữu Đĩnh (chủ biên), Đỗ Dinh Rãng Hoá học hữu cơ !, NXB

Giáo dục 2003 Đỗ Đình Rãng (chủ biên), Đặng Đình Bạch, Nguyễn Thị

Thanh Phong Hoá học hữu cơ 2, NXB Giáo dục 2004

6 Trần Quốc Sơn Giáo trình cơ sở lí thuyết hoá học hữu cơ, NXB Giáo dục, 1989

7 Trần Quốc Sơn, Một số phản ứng của hợp chất hữu cơ, NXB Giáo dục, 2003

§ Nguyễn Tỉnh Dung, Hoàng Nhâm, Trần Quốc Sơn, Phạm Văn Tư Tải liệu nâng cao và mở rộng kiến thức hoá học PTTH, NXB Giáo dục, 2002

9 Nguyễn Duy Ái, Nguyễn Tỉnh Dung, Trần Thành Huế, Trần Quốc

Sơn, Nguyễn Văn Tòng Mội số vấn đề chọn lọc của hoá học, 3 tập, NXB Giáo

dục, 2001-2002

10 Trần Quốc Sơn (chủ biên), Trần Thị Tửu Danh pháp hợp chất hữu cơ, NXB Giáo dục, 2003

Đối với sinh viên học Hoá học là chuyên môn 2 có thể đọc thêm tài

liệu “Hóa học hữu cơ” của Đặng Như Tại và Trần Quốc Sơn, NXB ĐHQG Hà Nội, 2003

Về các đơn vị đo lường, thay vì tất cả phải theo hệ thống SI, sách này vẫn

dùng các đơn vị đang còn phổ biến hiện nay như °C (nhiệt độ), Đebai (momen lưỡng cực), v.v

Sau cùng, các tác giả chân thành cảm ơn GS.TSKH Phan Tống Sơn, PGS.TS Đỗ Đình Rãng đã đọc và góp những ý kiến quý báu cho bản thảo tập

một Các tác giả cũng mong nhận được nhiều ý kiến của độc giả về nội dung,

cấu trúc và hình thức của bộ giáo trình này

CÁC TÁC GIÁ

13

Chương Ì

ĐẠI CƯƠNG HOÁ HỌC HỮU CƠ

Muốn nắm vững hoá học hữu cơ, muốn giải thích các tính chất nói chung và khả năng phản ứng nói riêng, tạ không thể khảo sát ngay các loại hợp chất hữu cơ Các tính chất và các phần ứng đó có liên quan trực tiếp đến các cẩu

trúc phân từ xết về mặt cấu tạo hoá học, cấu tric electron va sit phan bố các

nguyên tứ trong không gian Cho nên cần sớm nắm được những khái niệm cơ

bản mở đâu nhưng có hệ thống về các loại cấu trúc và các phương pháp xác

định cấu trúc phân tử hữu cơ

Các phản ứng lưnt cơ được chỉ phối bởi các quy luật của động học và nhiệt động học Chúng diễn ra nh thế nào là vấn dé cơ chế phản ứng mà ta cần từm hiểu bước đầu trước khi đi vào phản ứng của các chất hiểu cơ cụ thể, Người ta biết có tới vài chục triệu hợp chất hữu cơ, muốn tìm hiểu chúng ta phải biết gọi tên chúng trên cơ sở những quy tắc chung được áp dụng trên thế giới

Chương này có mục đích nêu lên những diéu co bản cần thiết nhất để chuẩm bị cho việc học một cách sáng tạo và có hiệu quả các chương sau về các

loại hợp chất hữu cơ cụ thể Vì vậy, sau khi tìm hiểu đặc điểm của chất hi/u co

và hoá hữu cơ, chương này sẽ bước đầu đề cập đến các vấn đề về cấu trúc và

hiệu ứng cấu trúc, sau đó đi đến các khái niệm mở đầu về phản tng hữu cơ và kết thúc chương là nhập môn về danh pháp hit cơ.

_§t-1 HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ HOÁ HỌC HỮU CƠ

1.1 Định nghĩa và đối tượng nghiên cứu của hoá học hữu cơ

Trong số gần 1Ô nguyên tố hoá học đã có tên chính thức trong bảng tuần hoàn, cacbon là một nguyên tố rất đặc biệt ở chỗ: các nguyên tử cacbon có thể kêi hợp Với nhau và với ngHyên tử của các n guyên tổ khác tạo nên khoảng hơn

hai mươi triệu hợp chất khác nhau, ấy là những hợp chất của cacbon, Trong khi đó, tất cả nguyên tố còn lại chỉ có thể tạo nên được hơn một triệu hợp chất

Các “hợp chất của các chon được gọi 'là hợp Chất hữm cơ, trừ một số ít hợp chất dơn giản nh các oxi của cacbon, các muối cacbonat và cacbua kửm loại

Ngành hoá học chuyên nghiên cứu các hợp chất hữu cơ, tức là các hợp

chất của cacbon, được gọi là Hoá học hữu cơ

Vì các hợp chất hữu cơ gồm hai loại chính là hiđrocacbon và các dẫn xuất của chúng, nên cũng có thể coi Hoá học hữu cơ là ngành hoá học chuyên nghiên cứu hidrocacben và các dẫn xuất của hidrocacbon

Vậy đối tượng nghiên cứu của Hoá học hữu cơ là các hợp chất của cacbon, bao gồm hiđrocacbon và các dẫn xuất của chúng

1.2 Lược sử phát triển hoá học hữu cơ

Từ thời cổ xưa loài người đã biết điều chế và sử dụng các sản phẩm hữu cơ

ở dạng không tính khiết hoặc dạng hỗn hợp như: đường mía, rượu, giấm, phẩm

chàm, tính dầu thơm, v.v Người ta đã biết chưng cất rượu từ rất lâu rồi, song

mãi tới thế kí XVIH mới tách ra được từ thực vật và động vật một số chất hữu cơ

tương đối tình khiết như 0ure, axH xitric, axit tacrric, v.v Thời ấy người ta vẫn

chưa phân biệt chất hữu cơ và chất vô CƠ |

Dau thế kí XIX các nhà hoá học đã tìm thêm được nhiều chất hoá học từ nguồn sinh giới (thực vật và động vật) và nhận thấy chúng có những tính chất khác với tính chất của các chất hoá học lấy từ nguồn khác (kim loại, các muối, ) Vì thế Hoá học hữu cơ đã tách ra từ hoá học nói chung và trở thành một ngành khoa học độc lập Người đầu tiên đưa ra từ “Hoá học hữu cơ” (1806)

16

là BeczcHuyt (Tống Jacob Berzelius) Đó là vì hồi bấy giờ người ta chỉ biết có các

chất hữu cơ tồn tại trong cơ thể động vật và thực vật Một phần vì thế, thời bấy giờ —

đã xuất hiện một quan niệm duy tâm gọi là “thuyết lực sống”, theo đó thì các hợp

chất hữu cơ chỉ có thể sinh ra trong các cơ thể sống nhờ một lực huyền bí (gọi là “lực sống”) Tuy nhiên, chẳng bao lâu sau, “thuyết lực sống” đã bị bác bỏ nhờ các

công trình của Vole (Friedrich Wohler) và các nhà khoa học khác về tổng hợp hoá học nhiều hợp chất hữu cơ xuất phát từ các chất hữu cơ khác hoặc từ các chất vô cơ, thí dụ như tổng hop axit oxalic HOOC-COOH từ xianogen NC-CN (1824)

tổng hợp ure NH,-CO-NH, từ amoni xianat NH,OCN (1828), v.v Từ giữa thế

ki XIX nhiều hợp chất hữu cơ không thấy có trong sinh giới cũng được tổng hợp

trong phòng thí nghiệm và sự có mặt thường xuyên của cacbon trong chất hữu cơ

-_ như một thành phần cơ bản đã được khẳng định

Sau khi “thuyết lực sống” bị bác bỏ, cùng với những thành tựu về tổng hợp

hữu cơ, một số luận điểm về cấu tạo phân tử hữu cơ đã ra đời, chẳng hạn như

thuyết gốc của Libic (Liebig) va Vole (1832), thuyết kiểu của Vuyêc (Wurtz), Uyliemxon (Williamson) va Giera (Gérard) (1850 - 1860), thuyét cacbon hod tri bén va mach cacbon cla Kekule (1859), Trén co sé nhiing thanh tuu cia thoi đó, Butlerop (Butlerov) đã dé xuất thuyết cấu tạo hoá học (1861), nhờ đó hiện tượng đồng đẳng và đồng phân được sáng tỏ và những công trình tổng hợp hữu cơ được phát triển vượt bậc Phát hiện của Paxtơ (Pasteur) về hiện tượng đồng phân quang học (1860) và thuyết cấu tạo tứ điện của cacbon do Lo Ben (Le Bel)

và Van Hộp (Van’t Hoff) dé ra (1874) da dat nén móng cho việc tìm hiểu cấu

trúc không gian của phân tử hữu cơ

Đầu thế kỉ XÃ đã hình thành thuyết electron về cấu trúc phân tử mà cơ sở

ban đầu là quan niệm về liên kết cộng hoá trị của Liuyt (Lewis) (1916) và những đóng góp về sau của Paulinh (Pauling), Ingon (ngold), Hucken (Huckel),

v.v Đây cũng là thời kì mở đầu cho sự phát triển mạnh mẽ công nghiệp hữu cơ

như nhiên liệu, dược phẩm, phẩm nhuộm, polime, v.v

Sau đại chiến thế giới lần thứ hai, cùng với sự phát triển vũ bão của hoá

học lập thể và cơ chế phản ứng là sự thâm nhập của cơ học lượng tử, vật lí học,

v.v vào Hoá học hữu cơ Ngược lại, Hoá học hữu cơ cũng thâm nhập sâu rộng vào các ngành khác như sinh học, nông nghiệp, y được, v.v Đặc biệt nổi bật trong những thập kỉ gần đây là sự phát triển mạnh mẽ các phương pháp vật lí

nghiên cứu chất hữu cơ, các phép phân tích và tổng hợp hữu cơ hiện đại với

những thành tựu xuất sắc, cùng việc ứng dụng tin học trong Hoá hữu co | 17

Hiện nay, Hoá học hữu cơ đang ở thời kì phát triển mạnh mẽ nhất và có

Vải trò rất quan trọng trong moi nganh kinh tế quốc dân Các chất hữu cơ có mặt

khắp nơi Không kế các chất hữu cơ tạo nên cơ thể sống, ta gặp những thành quả

của hoá hữu cơ trong mọi lĩnh vực Đó là những được phẩm, phẩm nhuộm, chất đẻo, tơ sợi, cao su, mĩ phẩm, bột giặt, chất phòng trừ dịch hại, chất kích thích

tăng trưởng, thuốc nổ, nhiên liệu, ; thế giới quanh ta đâu đâu cũng có mặt hợp

chất hữu cơ

Hoá học hữu cơ không còn là môn học mô tả thuần tuý như trước kia, mà từ lâu đã trở thành một môn học có suy luận, vừa lí thuyết vừa thực nghiệm

1.3 Đặc điểm chung của các hợp chất hữu cơ

Mặc dù không có ranh giới hoàn toàn rõ rệt giữa chất hữu cơ và chất vô

cơ, các hợp chất hữu cơ có những đặc điểm chung sau đây:

—— 8) Trong thành phần phân tử hợp chất hữu cơ có thể gặp hầu hết các

nguyên tố hoá học có trong bảng tuần hoàn, song số lượng các nguyên tố

thường xuyên có mặt thì không nhiều và nhất thiết phải có C, thường có H, hay

gap O,N rồi halogen, S, P, và các nguyên tố khác, |

b) Liên kết hoá học chủ yếu trong hợp chất hữu cơ là liên kết cộng hoá trị

Nguyên tử cacbon không những có khả năng hiên kết được với những nguyên tử

của các nguyên tố khác mà còn có thể liên kết giữa chúng với nhau tạo thành

những mạch cacbon khác nhau -

c) Cac hop chất hữu cơ tương đối dễ bay hơi, kém bền đối với nhiệt và

_ d) Phan I6n cdc hop chat hitu co Không t tan hoặc rất Ít tan trong nước, song

e) Cac phan ứng hoá hoc cua hop chất hữu cơ thường điện ra chậm và theo nhiều hướng khác nhau, tạo thành hỗn hợp các sản n phẩm

1.4, Phần loại các hợp chất hữu cơ a) Phân loại theo nhóm chức

Các hợp chất hữu CƠ CÓ thể được phân chia thành hai loại chính là hidrocacbon (phân tử được cấu thành chỉ bởi hai nguyên tố C và H) và các dan

40

xuất của hidrocacbon (một hay nhiều nguyên tử H trong phân tử hiđrocacbon được thay thế bằng một hay nhiều nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác)

Các đân xuất của hidrocacbon là những hợp chất có nhóm đặc trưng hay nhóm chức; hiđrocacbon cũng có thể có nhóm chức Nhóm chúc là nhóm nguyên tử hoặc nguyên tứ quyết định đặc tính hoá học của phân từ hữu cơ Sau

đây là một số nhóm chức chính:

se Các nhóm chức nam trong mach cacbon: _C =CŒ- (anken); -C<C— (ankin),

e Các nhóm chức chứa oxi: -OH (ancol; -CH=O (andehit); -COOH

(axit)

e Cac nhóm chức chứa nito: —NH, (amin); -C=N (nitrin),

s Các nhóm chúc chứa cả oxi lẫn nHơ: ~CO-NH, (amit), -NO, (hop chat

nitro),

® Các nhóm chức chứa lưu huỳnh: —SH (thiol): —~S- (thioete),

® Nhóm chức là nguyên tử halogen: -CI (đân xuat clo), —Br - (dẫn xuất brom)

b) Phan loai theo mach cacbon

Các hợp chất hữu cơ bao gồm cả hiđrocac bon lan dan xuất của hidrocacbon, đều có thể được phân loại theo mạch cacbon như Ở sơ đồ sau đây:

Khi khảo sát các hợp chất hữu cơ cần xem xét cả nhóm chức lẫn mạch cacbon; hai bộ phận này của phân tử có ảnh hưởng lẫn nhau

1.5 Chất tinh khiết Phương pháp tách biệt và tỉnh chế chất hữu cơ

Hầu hết các chất hữu cơ sẵn có trong thiên nhiên hay mới điều chế trong

phòng thí nghiệm đều ở trạng thái hỗn hợp với thành phần khác nhau Để khảo

sát cấu trúc và tính chất của một chất hữu cơ bằng thực nghiệm và để sử dụng thực tiễn, người ta tách chất đó ra khỏi hỗn hợp bằng các phương pháp khác nhau, nhằm tính chế nó thành một chất tỉnh khiết hay là chất nguyên chất

Phương pháp chưng cất dựa vào sự khác nhau về nhiệt độ sôi của các

chất ở một áp suất nhất định Người ta đun nóng để chuyển chất lỏng sang pha

hơi rồi cho hơi ngưng tụ lại để thu chất lỏng tỉnh khiết hơn ở khoảng nhiệt độ

thich hop

Ta phân biệt các kiểu chưng cất chủ yếu sau đây:

® Chưng cất thường

Khi tách một chất lòng ở nhiệt độ sôi không cao lắm ra khỏi các chất khác

có nhiệt độ sôi cao hơn hoặc thấp hơn một cách đáng kể ta có thể chưng cất bằng cách đơn giản nhất gol là chưng cất thường Thí dụ: đun sôi nước tự nhiên

20

trong bình cầu, sau khi các chất khí tan trong nước thoát ra nước sẽ bốc thành hơi Dẫn hơi nước qua bộ phận làm lạnh (ống sinh hàn) để hơi nước ngưng đọng thành nước tình khiết hơn, còn lại trong bình cầu là các chất khó bay hơi

s Chưng cát phản đoạn

Phương pháp này dùng để tách hỗn hợp lẻng gồm các chất có nhiệt độ sôi

khác nhau không nhiều lắm, nhờ một đụng cụ gọi là cội cất phản đoạn nối liên

hoặc lắp thêm vào bình cầu để chưng cất Khi đun nóng, chất có nhiệt độ sôi

thấp hơn sẽ bay hơi trước rồi được ngưng tụ và thu lấy riêng ra, tiếp theo sẽ tới

chất có nhiệt độ sôi cao hơn Thí dụ: đun hôn hợp gồm benzen và toluen trong

bình có cột cất phân đoạn, benzen (t, 80°C) sẽ bay hơi và thoát ra trước, sau đó méi dén toluen (t, 115°C) Viée chung cat này được lặp lại cho tới khi đạt độ

tinh khiết cần thiết,

eC hung cất dưới áp suất tháp —

_—— Đối với những chất có nhiệt độ sôi cao và dé bi phân huỷ ở nhiệt độ sôi đó, người ta chưng cất dưới áp suất thấp hơn bình thường để hạ thấp nhiệt độ

sôi và tránh sự phân huỷ Thường thường, nếu áp suất trên bề mật giảm đi một

nửa thì nhiệt độ sôi bị hạ thấp đi khoảng 15C Người ta thường chưng cất dưới

áp suất thấp hơn 1ÔmmHg và có thể hạ áp suất xuống tới dưới ImmiHg,

Chưng cất lớp mỏng và chủng cất phân tử là những dạng đặc biệt của

chưng cất dưới áp suất thấp (được thực hiện dưới áp suất có thể thấp tới 10”

.C hưng cất bằng cách cho lôi cuốn theo hơi nước

Có những hợp chất hữu cơ sôi ở nhiệt độ khá cao và rất ít tan trong nước,

song có thể được chưng cất ở dạng hỗn hợp với hơi nước và có nhiệt độ sôi Xap xỉ nhiệt độ sôi của nước Đó là phương pháp chưng cất lôi cuốn theo hơi nước

— Thí dụ: cho một dòng hơi nước nóng sục vào hỗn hợp gồm nitrobenzen

(t, 211°C) và nước (t, 100°C) Dưới áp suất 760mmHg hỗn hợp đó có nhiệt độ

sôi 99.25ẺC với áp suất hơi riêng phần của nước là 740mmHg và của

nitrobenzen la 20mmHg (tỉ lệ 37 : L), nên trong hỗn hợp hơi chứa nitrobenzen

và hơi nước với tỉ lệ vẻ khối lượng là I : 5,4 | |

21

€) Phương pháp chiết

Trong phương pháp chiết người ta dùng một dung môi thích hợp (ete,

benzen, nước, v.v ) có khả năng hoà fan tối chất hữu cơ cần tách ra khỏi một hỗn hợp lỏng (hoặc rắn) để chuyển nó từ hỗn hợp đó sang dung địch với dung

môi đã dùng Sau khi đuổi dung môi ra khỏi dung dich sẽ thu được chất cần

Về nguyên tắc thì trong phương pháp sắc kí, hỗn hợp các chất cần tách ra

được dùng làm pha động ở thể lỏng hoặc thể khí Pha động thường xuyên tiếp

xúc với pha tĩnh là một chất rắn có diện tích bề mặt rất lớn, hoặc một chất lỏng tráng lên bể mặt chất rắn, khiến cho các thành phần của hỗn hợp có tốc độ

chuyển địch khác nhau sẽ tách ra khỏi nhau

Dựa theo cơ chế tác dụng ta phân biệt hai loại sắc kí chính là sắc kí hấp

phụ và sắc kí phân bố Sắc kí hấp phụ dựa vào khả nang hấp phụ của các chất rấn như alumin (nhôm oxit), canxi cacbonat, silicagen đối với các thành phần

khác nhau của hôn hợp Trong sắc kí phân bố, pha tĩnh thường là một lớp phim

chất lỏng bám lên các hạt chất rắn; khi pha động chảy qua thì xảy ra quá trình

trao đổi chất giữa hai pha theo định luật phân bố

Dua theo cau tao co hoc cua các đoạn tách, người ta chia ra thành sắc ki cột, sắc kí giấy, sắc kí lớp mỏng, sắc kí khí

e Sắc kí cội: pha tĩnh là một chất rấn như alumin, silicagen được nhồi trong một ống thẳng đứng (cột); pha động là dung dich chứa hỗn hợp cần tách trong dung môi thích hợp

e Sắc kí giấy: pha tĩnh là nước định vị bởi các sợi xenlulozơ của giấy Nhờ

lực mao dẫn, dung dịch (pha động) được hút lên và tách ra,

s Sắc kí lớp mỏng: nguyên tắc gần như sắc kí giấy, song pha tĩnh là lớp

mong chat hap phụ như silicapen tráng lên bề mặt bản thuỷ tình và bản nhôm,

e Sắc kí khí: phương pháp này được dùng để tách các hến hợp chất có thể

bay hơi ở nhiệt độ cao mà không bị phân huỷ Pha tinh 1a chat mang ran (than 2

hoạt tính, alumin ) được nhồi trong ống, pha động là hôn hợp hơi cần tách cùng

khí mang (hidro, argon ) di qua Các chất thoái ra được phát hiện và ghi lại

A bang may

- Độ tĩnh khiết của các chất tách ra cần được kiểm nhận bằng các phương pháp vat lí như xác định tỉ khối, chỉ số khúc xạ, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, phố hồng ngoại, phố tử ngoại.v.v Miội chất được coi là tỉnh khiết nếu nh qua nhiều lần tỉnh chế lạt mà các tính chất vật lí của nó vẫn Không thay đổi -

‘BAI TAP

I-1 a) Thế nào là chất hữu cơ? hoá học hữu cơ? hiđrocacbon? dẫn xuất của

b) Cho các công thức hoá học: CH,Cl; “CgH¿ CaC,; COOIL; BH,

CH,COOH; CHOH, HOCH;CH; NH) Hãy chỉ rõ: hợp chất hữu cơ, hiđrocaCbon, nhóm chức

l-2 So sánh CH;CH,CI và NaClI về cấu trúc, tính chất vật lí và tính chất hoá học quan trọng

|-3, Nêu nguyên tac của một vài phương pháp tính chế chất hữu cơ ở trạng thái

rắn và chất hữu cơ ở trạng thái long

§ 1-2 CAU TAO PHAN TU HỢP CHẤT HỮU CƠ

2.1 Thành phần nguyên tố và công thức phân tứ

a

Thành phần nguyên tố của hợp chất hữu cơ được biểu thị ui bằng cá ác công

Công thức tổng quát: chỉ cho biết thành phần định tính các nguyên tố, Thí

dụ: C,HO, (x, y và z là những số nguyên dương) chỉ cho biết phân tử có ba nguyên tế C, H và Õ,

Công thức đơn giản nhất: cho biết tỉ lệ về số lượng các nguyên tử trong phân tử Thí dụ CH,O cho biết tỉ lệ các nguyên tử C: H: O là I: 2:1

23

Công thức phản tỉ: cho biết rõ số lượng nguyên tử của mỗi nguyên tố trong một phân tử Thí dụ: CHUO

Trong các công thức trên, C được viết trước tiên rồi đến H (vì hai nguyên tế này luôn luôn có trong các hợp chất hữu cơ) sau đó tới các nguyên tổ còn lại đưa: viết theo trình tự bảng chữ cái

“TRÍ dụ công thức của một hợp chất (điều chế năm 1983) gồm mười nguyên tổ: C,,H„B,CdCl,I,N,,O,P,W,,

Đà xác định thành phần nguyên tố, người ta thường phân tích nguyên tố

vé bei mat định tính và định lượng Từ thành phân nguyên tố có thể lập ngay

công thức đơn giản nhất, còn để lập công thức phân tử cần biết thêm phân tử thói hoặc một đữ kiện có liên quan

a) Phân tích định tính nguyên tố

Phân tích định tính nguyên tố nhằm xác định các loại nguyên tế có mặt trong hợp chất hữu cơ Nguyên tắc chung là chuyển các nguyên tố trong hợp chất cần khảo sát thành các chất vô cơ đơn giản, rồi nhận ra các sản phẩm này dựa vào một số tính chất đặc trưng của chúng

e Xác định cacbon và hiểro

Nung nóng chất hữu cơ với CuO (chất oxi hoá) để chuyển cacbon thành CO, và hiđro thành H,O rồi nhận ra CO, bằng nước vôi trong (khi ấy sinh ra kết tủa trắng CaCO,) và nhận ra H,O bang CuSO, khan (bột CuSO, mau trang chuyén thanh CuSO,.5H,O mau xanh):

CO, + Ca(OH), ——> CaCO| + HO

3 H,O + CuSO, ——> CuSO 5 HO

Nung chất hữu cơ với Na sẽ sinh ra NaCN Đề nhận ra ion ƠNG) (chứa

nito) ta cho thém Fe” và Fe" rồi axi hoá nhe, ion CN sé cho két tha mau

xanh đậm đặc trưng (gọi là xanh Bec-lanh hay xanh Phổ) của Fe al Fe(CN), |, 2 24

Na + ÍC] + [NI (hợp chất hữu cơ)

Fe? + | 6ƠN£) —— [Fe(CN),] a

4Fe** + 3[Fe(CN),]* ——» Fe,[Fe(CN),]} -

NaCN

e Xác định halogen

Đốt cháy một băng giấy lọc ở đầu có tam ancol etylic (ding làm nhiên

liệu) và một ít chất hữu cơ chứa halogen sẽ sinh ra hiđro halogenua, sản phẩm

này được nhận ra nhờ dung dịch AgNO; (tạo kết tủa AgHal tan duoc trong amoniac):

[Hal] + = [HI ———* HHal

HHaI + AgNO, ——> AgHalt+ HNO,

AgHal + 3NH, + H,O ———* [Ag(NH, ), ,|OH + NH,Hal (tan)

e Xdc dinh luu huynh

Nung hop chat hữu cơ với Na sẽ sinh ra Na; S: sản phẩm này được nhận ra

bởi Pb' (tạo kết tủa đen):

b) Phân tích định lượng các nguyên tố

Phân tích định lượng nhằm xác định thành phần phần trăm về mặt khối lượng của các nguyên tố trong phân tử hợp chất hữu cơ Nguyên tác chung là

chuyển hoàn toàn các nguyên tố trong một lượng cân nhất định của chất hữu cơ

thành các chất vô cơ đơn giản, sau đó xác định khối lượng (hoặc thể tích khí)

của các sẩn phẩm đó rồi tính thành % các nguyên tố, e Dink luong cacbon va hidro

Nung nóng một lượng cân chính xác a ứng) hợp chất hữu cơ với bột CuO (lấy dư) trong đòng khí oxi, Khí CÓ; và hơi nước sinh ra được hấp thụ hoàn toàn và riêng rẽ bởi binh chứa các chất hấp thụ thích hợp được cân trước và sau thi 25

nghiệm Thí dụ dùng Meg(CIO,), để hấp thụ nước, “+ dung amiang tam NaOH dé hấp thụ CƠ

Gia su trong thí nghiệm sinh ra m (mg) CO; và ø (mg) H,O, ta tính

® Dinh liong nito

Nung néng mot luong can chinh xdc a (mg) hợp chất hữu cơ với bột CuO (ấy dư) trong dòng khí CO, để chuyển hét nito trong hop chất hữu cơ thành khí nHơ Đẫn khí sinh ra vào dung cu đo khí gọi là “nHơ kể” có chứa dung dịch KOH đậm đặc để hấp thụ hết CO, va HO Gia su thu được V (mÙ) khí nitơ, do ở nhiệt độ 7, áp suất khí quyển là p, áp suất hơi nước bão hoà là ƒ, ta tính được:

GoN = a a

Việc xác định N, C, H hiện nay đã được tự động hoá trên cơ sở các

nguyên tắc sắc kí khí

e Dinh luong halogen

Nung nóng chất hữu cơ với axit niric bốc khói có mặt AgNO., halogen

trong phân tử hữu cơ được chuyển thành AgHal, đem phân tích bằng phương pháp cân

se nh lượng lưu huỳnh

Nung nóng chất hữu cơ với axit nitric bốc khói, lưu huỳnh trong phân tử hữu

cơ được chuyển thành SO,Ÿ tạo ra kết tủa BaSO, được phân tích bằng cách cân

e Dinh luong oxi

Thông thường hàm lượng oxi trong hợp chất hữu cơ được xác định gián

tiếp bằng cách lấy 100% trừ cho tổng số % của các nguyên tố khác trong hợp

26

chất Tuy vậy, khi cần thiết cũng có thể xác định trực tiếp bằng cách chuyển oxi

trong hợp chất hữu cơ thành CO rồi định lượng CÓ dựa theo phân ứng:

5CO + bO; ———> 5CO; +

cì Xác định phân tử khối

e Phuong pháp thông thường

~ Đối với các chất khí hoặc chat long dễ bay hơi ta có thể xác định phân tử khối theo phương pháp May-ơ (Meyer) trên cơ sở xác định tỉ khối hơi d của chất đó so với một khí đơn giản nào đó (không khí, hiđro, oxi, v.v ) Phí dụ:

M = 294,, ; d,, : ti khdéi hơi so với không khí

M=2d, ;: d,, :ti khdi hol so với hiđro

~ Đối với các chất rắn hoặc chất lỏng không bay hơi, người ta có thể áp dụng phương pháp Raun (Raoult) trên cơ sở đo độ giảm nhiệt độ động dac At,, (trong phép nghiệm lạnh) hoặc tăng nhiệt độ sôi AI, (phép nghiệm sôi) của dung dịch chứa m(g) chất hữu cơ trong p(ø) dung môi so với dung môi nguyên chất :

m.1000

p.At

M=K

K là hằng số nghiệm lạnh (trong phép nghiệm lạnh) hoặc là hang sé

nghiệm sôi (trong phép nghiệm sôi) K chỉ phụ thuộc bản chất của dụng môi,

Phép nghiệm lạnh được dùng rộng rãi hơn phép nghiệm sôi ® Phương pháp phổ khối lượng

Khi cho các phân tử hữu cơ đi qua máy khối phố, chúng bị va đập mạnh

bởi một đồng electron với tốc độ rất lớn tạo nên những mảnh thường mang điện tích dương Mảnh đầu tiên sinh ra từ phân tử M là ion phân tử M” (đúng hơn là MP: lon phân tử này bị phân mảnh tiếp và tiếp nữa tạo thành nhiều lon dương và gốc tự đo Tỉ lệ khối lượng/điện tích (⁄z) và hàm lượng của mỗi tiểu phân đó

được thể hiện trên khối phổ đồ Thường thường tiểu phân với m/z vào loại cao

nhất tương ứng với phân tử bị ion hoá bằng cách tách đi mot electron, va m/z

cho tiểu phân này (MỸ) chính là khối lượng của phân tử ML

Thí dụ: phân tử axeton CH;-CO-CH; được chuyển hoá trong máy khối

phổ theo sơ đồ sau:

27

0; ¬ | g° _F—~ CH;-C=Ø”' + CH; CH3—- C-CHạ— CH:-C-CH; (CạH;O) miz 43)

( C 3H,O +) nz 38) -——> CH:C=ÖÒ + CH, ( intz 15)

Trên khối phổ đồ của axeton

có những pic ứng với các ion sinh ra Giá trị m/z cao nhất (58) tương ứng

với phân tử khối của axeton

C;aHO

Phương pháp phổ khối lượng

được dùng nhiều trong việc xác định

d) Thiết lập công thức phân tử 0 20 40 øo 80 m

Sau khi đã phân tích nguyên tố

và xác định được phân tử khối của

hợp chất hữu cơ ta có thể thiết lập

công thức phân tử của nó dựa theo một trong ba phương pháp phổ biến sau:

Hình I-1 Khối phổ đô của axeton.-

e Lập công thức đơn giản nhất, từ đó lập công thức phản tử

Gia sử có hợp chất X chỉ chứa C, H và O Khi đốt cháy z gam X sinh ra

Meg, Va Myo Theo các biểu thức đã nêu ở mục “phân tích định lượng”, ta tính

được mạ, mẹ Và mục Chia các đạt lượng nay cho các khối lượng moi nguyên tử tương ứng, rồi chia cho ước số chung lớn nhất ta sẽ thu được tI lệ về số lượng nguyên fử của các nguyên tố trong phân tử, do đó lập được công thức đơn giản nhất Nếu biết phân tử khối Mỹ, từ công thức đơn giản nhất ta dé đàng lập được

(Thi du: Đốt cháy hoàn toàn 0,090 gam X cho 0,130 gam CO, va 0,05 gam

H,O Tỉ khối hơi của X so với hiđro là 30 Hãy thiết lập công thức phân tử

cua X

-_ Lời giải: | — | |

Mo= 12x 0,130: 44 = 0,036(g) m= 2x 0,054: 18 = 0,006(g)

7, = 0,090 — (0,036 + 0,006) = 0,048(g) 28

C: H: O= 0,036 | 0,006 0,048 _ PE: 2: ]

Công thức đơn giản nhất: CH¡;O

M, = 2 x 30 = 60, suy ra công thức phân tử của X là (CH,O), hay la C.H,O¿

_e Dua vao khối lượng các sản phẩm đốt cháy và ÑÃv nà không qua công

z duoc tinh tux, y va My dua theo CH, O,

Ap dung phương pháp này vào thí dụ ở trên ta cũng tìm thấy 4 x=2,y=4, z= 2 va cong thife phan tu C,H,O,

e Dua vao thanh phần % các nguyén t6 va M, cing khong qua cong

2.2 Công thức cầu tạo Thuyết cấu tạo hoá học a) Công thức cấu tao

Nếu như công thức phân tử chỉ cho biết số lượng nguyên (ử của môi nguyên tố trong phân tử thì công thức cấu tạo còn cho biết cả thứ tự kết hợp và

cách liên kết giữa các nguyên tử đó Thí dụ:

Công thức phân tử: C,H, (etan) ©.H, (propen) C.H,O (etanal)

HH H | HH

Công thức cấu tao: H— C -œ H H— C =C =C ~H H-C-C-O0-H

Người ta thường viết công thức cấu tạo dưới đạng thu gọn, trong đó không

viết các liên kết đơn, nhất là liên kết đơn giữa H và nguyên từ khác Thí dụ:

CH,-CH ; CH,-CH=CH; ; CH.-CH.-OH Ngoài ra còn có thể viết dưới dang

sơ đồ (công thức sơ đồ), trong đó chỉ viết các nét gạch để biểu diễn liên kết giữa cacbon với nhau và giữa cacbon với nguyên tử khác không phải là € hoặc H Thí dụ: (CH,),CH-CH(CH,)-CH,-CH=CH-CH và CH;-CH.-CH.C(CH,).— CH.-CH(CH.)-CH,OH được viết lần lượt như sau:

Để thiết lập công thức cấu tạo của một hợp chất hữu cơ, người ta áp dụng

các phương pháp thực nghiệm (phương pháp hoá học và phương pháp vật If), két hợp với thuyết cấu tạo hoá học

b) Thuyết câu tạo hoá học

Thuyết cấu tạo hoá học do Butlerop để ra vào năm [S61 dựa trên các kết

quả nghiên cứu của bản thân ông và một số nhà hoá học khác như Cupe

(Couper), Kekule, v.v Nhờ có thuyết này người ta đã giải thích và tiên đoán được nhiều hiện tượng quan tr ong trong hoá hữu cơ, nhất là hồi cuối thế ki XEX

Nội dung cơ bản của thuyết cấu tao hoá học bao gồm những luận điểm chính sau đây:

e Trong phản tử hợp chất hữu cơ, các nguyên từ kết hợp với nhan theo một thứ tự nhát định và theo đúng hoá trị của chúng Thứ tự kết hợp đó được gọi là cẩu tạo hoá học Sự thay đổi thứ tự kết hợp của các nguyên từ sẽ dán tới hợp chat moi

e Cacbon trong phản tử hữu cơ luôn luôn có hoá trị 4 Các nguyên tử cacbon có thể kết hợp không những với những nguyên tử của các nguyên tố khác

mà còn kết hợp trực tiến với nhau thành những mạch cacbon có dạng khác nhau (mạch không nhánh, mạch có nhánh, mạch VÒNG .)

® Tính chất của hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào thành phần phân từ (bản

chất và số lượng nguyên tử) và cấn tạo hoá học (thứ tự kết hợp các nguyên tử) Các nguyên tử trong phân từ có ảnh hưởng lẫn nhan

Từ những luận điểm sơ giản về cấu tạo hoá học của thé ki XTX hiện nay

hoá học hữu cơ đã có thuyết cấu trúc hiện đại bao gồm ca cau tnic electron, cau

trúc không gian và các hiệu ứng cấu trúc

được gọi là các chất đồng đảng với nhau, chúng hợp thành một đấy đồng đăng

Thí dụ: dãy đồng đẳng của metan (ankan) gềm các chất đồng dang CH,

tyHe , CaHy CaHyy o CopHagsr >

d) Déng phan

Đó là hiện tượng các chất khác nhau có cùng một công thúc phân tử

Nguyên nhân của hiện tượng đồng phân là do nhiều chất có cùng một công thức

phân tử song cấu trúc lại khác nhau Như vậy các chất đồng phân có tính chất ít

nhiều khác nhau

Vì khái niệm cấu trúc bao gồm cả cấu tạo hoá học lẫn cấu trúc không

gian, nên ta phân biệt đồng phân cấu tạo và đồng phản không gian (Xem Đài

sau) Đồng phân cấu tạo là những chất có cùng một công thức phân tử nhưng có cấu tạo khác nhau và do đó có tính chất khác nhau Thí dụ:

3]

e Đồng phân cấu tạo về mạch cacbon:

Tautome hay hồ biến là hiện tượng hai chất đồng phân tồn tại ở dang can

bằng với nhau, chúng chỉ khác nhau ở Vị trÍ của một proton và dẫn tới sự thay

đối vị trí của một liên kết đôi Thí dụ: Tauftome xefo-enol:

I-5 C6 mot chat ran hifu co khéng tinh khiết lấy từ nguồn thiên nhiên Hãy nêu các

bước thực nghiệm và tính toán cần thiết nhằm thiết lập công thức phân tử của hợp chất đó

I-6 Hãy phân biệt đồng phân với tautome,

Cho các công thức: CH;-CO—-CH;~COOCH; (A) ; CH;-CO~CH„-COOH (B) ;

CH;-C(OH)=CH-COOGH; (C) ; GH;-CO-CH;CH;COOH (D)

và CH;CH,—CO-CH,COOH (E)

_ Hãy cho biết những chất nào là đồng phân của nhau? Loại đồng phan gi? những chất nào là tautome của nhau? Loai tautome gì?

a) Thuyết cacbon tứ diện

Ngay tu nam 1874, Lo Ben (Le Bel) va Van Hop (Vant’Hoff) di dé ra giả thiết cho rằng trong phân tử hợp chất hữu cơ, bốn hoá trị của nguyên tử cacbon

hướng về bốn đỉnh của một tứ diện, tức là các nguyên tử được phân bố trong một không gian ba chiều, chứ không phải chỉ nằm trên một mặt phẳng Thí dụ:

phân tử metan (xem hình ï-2)

36

Hinh I-2 Hinh hoc phan tử (a), mô hình rồng (b) và mô hình đặc (c) của CHỊ

Giả thiết trên được xác nhận và giải thích nhờ hoá lượng tử và các thực

Để mô tả cấu trúc không gian của phân tử trong mặt phẳng giấy ta có thể

dùng các công thức thích hợp như : công thúc phối cảnh, công thức Nhimen

(Newman) hoặc công thức Fisơ (Fischer) ¬ b) Công thức phối cảnh

Trong một kiểu công thức phối cảnh, các nét pạch liên bình thường (—— ) biểu điễn liên kết cộng hoá trị có trục nằm trên mặt phẳng giấy, các nét gạch

gián đoạn ( hoặc +, ) mô tả liên kết hướng về phía sau tờ giấy, còn các nét gạch đậm (== hoặc —= ) chỉ ra các liên kết về phía trước tờ giấy Thí

i

H-/Z oY ý H H" ý H

Một kiểu khác của công thức phối cảnh thường chỉ đùng cho các phân tử

có liên kết đơn C-C /rung tâm Theo cách biểu diễn này, nguyên tử C được hình

dung ở giao điểm của các liên kết, còn chính liên kết C-C được mô tả bằng một

đường chéo từ trái qua phải và xa dần người quan sát Thí dụ CH;-CH: :

37

c) Cong thức Niumen

ca Phan tử được nhìn theo đọc trục liên kết C—C trung tâm Dùng một vòng

tròn để biểu thị các nguyên tử đó đang che khuất nhau Nguyên tử C thứ nhất ở

gân người quan sát có ba liên kết gặp nhau ở tâm vòng tròn và tạo nên những

góc 120” Nguyên tử C thứ bai bị che khuất nên ba liên kết xuất phát từ tâm của vòng tròn chỉ ló ra từ chu vi của vòng tròn đó Thí dụ CH;-CH, :

H

H H

H dđ) Công thức chiếu Fisơ

Người ta đặt phân tử sao cho các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mà ở bên phải và bên trái đều hướng về phía người quan sắt rồi chiếu phân tử lên mặt

phẳng giấy thì sẽ được công thức Fisơ Thí dụ CH;CHOHCOOH : |

H=C—OH — >> H—T—OH ——* H-†—OH

CH, CH, CH,

Công thức phối cảnh Hình chiếu Công thức Fisơ

Chú ý rằng trong cổng thức Fisơ, các liên kết được biểu thị bằng đường kẻ

ngang đều hướng về phía người quan sát Mạch chính của phân tử nằm theo

chiều đọc và nhóm được đánh số nhỏ hơn hay là có mức oxi hoá cao hơn

(-COOH >-CH=O >—-CH,OH >—CH,) thi duoc viết ở phía trên

3.2 Đồng phân hình học

a) Khái niệm về đồng phân hình học

Đồng phân hình học (còn gọi là đồng phân cis/¿ns) là một loại đồng :

phân không gian (hay đồng phân lập thể) gây nên bởi sự phân bố khác nhau của

_ các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở hai bên một bộ phận “cứng nhắc” (có hai

nguyên tử không quay tự do được quanh trục nối giữa chúng) như nối đôi, vòng no, v.v Thí dụ but-2-en (xem hình 1-3)

C= "` H.C — me H

Hinh I-3 Hai déng phan hinh hoc cia but-2-en

Tuong tu nhu but-2-en, 1,2-dicloroeten va | ,2-dimetylxiclopropan cling co

Theo danh phap cisitrans, néu hai nguyên từ hoặc nhóm nguyên tử đó (hai nhóm thế) được phân bố ở cùng một phía đối với bộ phận cứng nhắc ta có đồng phân c¡s, trái lại nếu chúng được phân bố ở khác phía ta có đồng phân frans (xem cac thí dụ ở trên)

Trong trường hợp khó gọi tên theo danh danh phap cis/trans (thi dụ CIBrC=CHF, CH,CH=C(n-C,H,)(-C,H,) ) người ta dùng hệ danh pháp hiện đại hơn và tổng quát hơn gọi là danh pháp b1 (xem chương HT, § 1)

b) Điều kiện xuất hiện đồng phân hình học

® Phân tử phải có liên kết đôi hoặc vòng no, coi đó là bộ phân cứng nhắc để cần trở sự quay tự do của hai nguyên tử ở bộ phận đó,

® Ở mỗi nguyên tử của liên kết đôi và ở ít nhất bai nguyên tử của vòng no đó phải có hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử (nhóm thế) Khác nhau:

Re

abC=Ced = ab > ` Ccả = ab c #d

c) Su khác nhau về tính chất của các đồng phân hình học

Hai đồng phân hình học có cấu tạo hoá học giếng nhau nhưn ø khoảng cách giữa các nguyên tử (hai nhóm thế) lại khác nhau, do đó có nhiều tính chất khác nhau như: f,f ,H, V.V., Dua theo đó ta có thể nhận dang đồng phân hình học

Thường thường , đồng phân trans bén hơn đồng phân c¡ís và có nhiệt độ nóng chảy cao hơn, nhưng lại sôi ở nhiệt độ thấp hơn và có momen lưỡng cực nhỏ hon Thi du: CICH = CHCI có f,„ †,„ Và H, như sau:

boc , tr H

Dang trans -50°C 48°C 0,0 D Dang cis -81°C 60°C 19D 3.3 Đồng phân quang học |

a) Khái niệm về tính quang hoạt và tính không trùng vật - ảnh

Có những chất hữu cơ có khả năng làm quay mặt phẳng của ánh sáng

phân cực sang bên phải hoặc sang bên trái một góc œ nhất định; chẳng hạn: axit lactc, các chất đường Tính chất đó được gọi là fính hoạt động quang học hay 40