Bài giảng hóa hữu cơ ĐH Nguyễn Tất Thành

Bài giảng hóa hữu cơ trường ĐH Nguyễn Tất Thành do Th.S Hoàng Thị Hồng thiết kế và đưa vào làm tài liệu giảng dạy sinh viên Dược hệ đào tạo Cao đẳng và Đại học. Bộ môn Hóa Hữu Cơ - Hóa Lý.

HÓA HỮU CƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNHKHOA DƯỢC

BỘ MÔN HÓA HỮU CƠ – HÓA LÝ

Th.S Hoàng Thị Hồng

NỘI DUNG:

Phần 1 Đại cươngPhần 2 Hydrocarbon

Phần 3 Hợp chất hữu cơ đơn chứcPhần 4 Hợp chất dị vòng

Phần 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

Chương 1: Cấu trúc electron và liên kết trong hóa học hữu cơ

Chương 2: Các hiệu ứng electron trong hợp chất hữu cơ Chương 3: Đồng phân

Chương 4: Các loại phản ứng trong hóa hữu cơ

*

CHƯƠNG 1 CẤU TRÚC ELECTRON VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC1.1 Orbital

Orbital lai hóa

Cấu hình electron của C ở trạng thái cơ bản: 1s22s22p2

Cấu hình electron của C ở trạng thái kích thích (C*):1s22s12p3

Các dạng orbital lai hóa: sp2 , sp3 , sp

→

Lai hóa sp3:

- Một orbital 2s + ba orbital 2p → 4 orbital lai hóa sp3

- Giống hệt nhau

→

Lai hóa sp2: một orbital s và hai orbital p.

Liên kết đôi gồm một lk σ + một lk π

Lai hóa sp: một orbital s với một orbital p Liên kế ba gồm một lk σ + hai lk π

Ø Sự phân cực của liên kết cộng hóa trị:

Độ âm điện của một nguyên tố là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút cặp electron liên kết về phía mình.

Độ âm điện càng lớn  khả năng hút cặp electron càng mạnh

Liên kết hydro giữa chất tan và dung môi →tăng độ tanLiên kết hydro nội phân tử

Ø Độ bền của phân tử:

• Sự tạo thành liên kết hidro nội phân tử, đặc biệt khi liên kết đó có khả năng tạo vòng,làm cho đồng phân đó trở nên bền vững hơn.

Vd:

*

2 Cho các chất: HCHO, C2H6, CH3COOH, C2H4, C2H2, C6H6

Có bao nhiêu hợp chất có carbon lai hóa sp2? sp3? sp?

3 Trong các hợp chất sau, hợp chất nào có carbon lai hóa sp3, sp

CH3CHO, C2H2, CH4, CH3CH2Cl

3 So sánh khả năng tan trong nước của các chất sau:

HO(CH2)4OH (1); HO(CH2)3CHO (2); C3H7CHO

CHƯƠNG 2 CÁC HIỆU ỨNG ELECTRON

Hiệu ứng electron: tương hỗ giữa các nguyên tử trong phân tử làm thay đổi sự phân cực của phân tử → ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng, khả năng phản ứng, tính acid-base…

2.1 Hiệu ứng cảm ứng (Inductive effect): Ký hiệu là I

HU cảm ứng: sự dịch chuyển điện tử trong các liên kết do các nguyên tử trong phân tử có độ âm điện khác nhau →

phân tử phân cực

Độ âm điện Cl > C → Cl hút điện tử → điện tử dịch chuyển theo chiều C1→Cl, C2→C1, C3→C2

Phân loại:

Hiệu ứng cảm ứng dương +I: gồm các gốc ankyl, các ion âm

có khả năng đẩy điện tử liên kết khỏi mình (cho e).

-Hiệu ứng cảm ứng âm –I: Gây ra bởi những nguyên tử, nhóm nguyên tử có khuynh hướng hút điện tử Phổ biến ở các hợp chất không no.

- Những nguyên tố có ĐAĐ lớn hơn C:

• Trong cùng 1 chu kỳ: -I tăng từ trái qua phải

-I:-NR2 < -OR < -F

• Trong cùng 1 phân nhóm chính : -I giảm từ trên xuống dưới

-I:-F > -Cl > -Br > -I-I: -OR > -SR > -SeR

- Nhóm mang điện tích dương:O+R2 > OR ; -N+R3 > -NR

-I: Nhóm mang điện > Nhóm không mang điện.

- Nhóm chưa no: các nhóm không no đều mang –I và tăng dần theo độ không no

C ≡ C > C6H6 > C = C > C – C (do ĐAĐ Csp > Csp2 > Csp3).-NO2 > -SO3H > -CN > -F > -Cl > -Br > -I > -OCH3 > -C6H5Nói chung, ĐAĐ càng tăng thì –I càng lớn.

v Tính chất:

• Hiệu ứng I có tính thường trực (TT tĩnh) , đặc trưng cho hệ no.

• Hiệu ứng I truyền trên mạch C liên kết đơn � và cường độ giảm dần (nguyên tử C càng lớn, I càng giảm).

ØẢnh hưởng của HU cảm ứng lên tính acid

• Các R-OH, R-COOH có chứa nhóm thế có +I →tính acid giảm

• Chứa nhóm thế có –I: tính acid tăng do O-H càng phân cực

Vd: Sắp xếp theo chiều giảm dần của tính acid:

Acid acetic (1); acid monocloacetic (2); acid fomic(3); acid propanoic(4)

+ Viết CTCT:

*

• Tính acid của các acid:

F3C-COOH(pKa 0.23) > Cl3C-COOH (0.66) > Cl2CH-COOH (1.25) > NO2-CH2-COOH (1.68) > NC-CH2-COOH (2.47) >

F-CH2-COOH (2.57)>Cl-CH2-COOH(2.87)> Br-CH2-COOH (2.90)> HCOOH (3.75) > HO-CH2-COOH (3.83) > CH3COOH (4.76) >CH3CH2COOH(4.87) >(CH3)3C-COOH (5.03)

Tính acid:

F3C-COOH > F3C-CH2-COOH > F3C-CH2-CH2-COOH

*

+ Độ mạnh của bazo:

Bazo amin R – NH2 càng mạnh khi cặp e tự do trên N càng nhiều thì tính bazo càng mạnh.

NH2 – CH2Cl3 < NH3 < NH2 – CH3 < NH(CH3)2Kết luận:

• +I đẩy e: càng cho e làm cho cặp e trên N càng linh động

nên tính base tăng.

• -I hút e làm cho cặp e trên N kém linh động nên tính base

Bài tập:

1 So sánh tính acid của các hợp chất sau:

2 So sánh tính bazo của các hợp chất sau:

*

2.2 Hiệu ứng liên hợp2.2.1 Định nghĩa

Hệ liên hợp: là những phân tử có liên kết π & α ở vị trí luân phiên nhau.

Ví dụ: CH2=CH-CH=CH2 hay CH2=CH-CH=CH-CH=CH2

HU liên hợp → sự dịch chuyển đtử trong 1 hệ liên hợp, làm cho hệ liên hợp đó trở nên phân cực

Ký hiệu: C Biểu diễn bằng mũi tên cong

Ví dụ: CH2=CH-CH=CH2 →mật độ điện tử phân bố đều trên các C

Tuy nhiên: CH2=CH-CH=CH-CHO

Độ âm điện của O > C → nhóm C=O sẽ hút điện tử π của hệ

→ phân tử trở nên phân cực ( LH π- π)

N có đôi điện tử tự do (p) → có xu hướng nhường điện tử cho hệ liên hợp → phân tử phân cực (LH p-π)

b Các ion mang điện tích âm có +C mạnh hơn các nguyên tử trung hòa

ØBiểu diễn bằng mũi tên cong:

v Đặc điểm của HU liên hợp:

• HU liên hợp thay đổi rất ít khi kéo dài mạch liên hợp

Độ linh động của H ở hai chất là giống nhau

• HU liên hợp chỉ có hiệu lực trên hệ liên hợp phẳng.

*

Đặc điểm của HU liên hợp:

HU liên hợp ảnh hưởng đến sự dịch chuyển điện tử → tạo thành các công thức trung gian

2.3 Hiệu ứng siêu liên hợp

Là sự tương tác của các điện tử σ của liên kết C-H với hệ đtử π (C=C, -C6H5 …), hoặc trong carbocation (vd: (CH3)3C+)

hay gốc tự do (vd: (CH3)3C.)

• HU siêu liên hợp càng mạnh khi số nguyên tử H ở Cα càng nhiều

CH3CHCl

CH2CH2CH3

2.4 Ảnh hưởng của HU liên hợp, HU siêu liên hợp lên tính acid

• Tính acid của alcohol < phenol

• Nhóm thế có –C sẽ làm tăng tính acid & ngược lại

Tính acid:

C H>H

H

+I

a Acid béo không no:

• Tính acid mạnh hơn acid no cùng mạch C (do C=C có –I)

• Nối đôi C=C càng gần –COOH thì tính acid càng mạnh

• Tuy nhiên: nếu C=C liên hợp với C=O trong – COOH thì tính acid giảm do +C của C=C!!!

• Tính acid: CH3-CH=CH-CH2-COOH(pKa=4.48) > CH2=CH-CH2-CH2-COOH (4.68) > CH3-CH2-CH=CH-COOH (4.83)

•Nối ba C≡C cho dù ở vị trí liên hợp với C=O thì vẫn làm tăng mạnh tính acid (khác C=C): do –I của C≡C mạnh & chỉ có 1 lkết π của C≡C cho +C liên hợp với C=O, lkết π còn lại cho –I nhưng không có +C.

b Acid có vòng thơm:

•Tính acid H-COOH (pKa 3.75) > C6H5-COOH (4.18)

do +C của C6H5- mạnh hơn –I

•Tính acid tùy thuộc bản chất & vị trí nhóm thế:

o-NO2-C6H5-COOH > p- >

m-• Halogen cho –I > +C → o-Cl-C6H5COOH > m- >

p-2.5 Ảnh hưởng lên tính base

• Mật độ điện tử trên N càng lớn → tính base của amine càng mạnh

• Nhóm thế đẩy điện tử (+I) sẽ làm tăng tính base của amine & ngược lại (-I, -C)

• Tính base:

(CH3)2NH > CH3NH2 > NH3 > C6H5NH2 >

• Tính base: p-NO2-C6H4-NH2 < m- NO2-C6H4-NH2< p-Cl-C6H4NH2 < C6H5-NH2 < p-CH3O-C6H4-NH2

-p-NO2: → -I, -C mạnh nhất, m-NO2: → -I mạnh, -C không ảnh hưởng nhiều do hệ liên hợp bị đứt đoạn

-Cl: → -I mạnh hơn +C, -I yếu hơn -NO2

p-CH3O: → +C mạnh hơn –I → mật độ điện tử trên N cao nhất → base mạnh nhất

Tính base:

HC≡C- > (CH3)3CO- > CH3O- > OH- > C6H5O- >CH3

COO-V.4 Ảnh hưởng lên độ bền của các carbocation

• Điện tích dương trên các cation càng được giải tỏa (càng nhỏ) thì cation càng bền

• Độ bền do hiệu ứng đẩy điện tử của +H, +I:

H

H C CH2 H

HH H C

HH C HH

H C

HH C HH

HH C H<<

Độ bền của carbocation:

(CH3)3C+< C6H5CH2+< (C6H5)2CH+

Do +C của -C6H5 mạnh hơn +I, +H của –CH3

→Điện tích càng được giải tỏa nên carbocation càng bền

 Độ bền của carbocation:H

Bài tập:

1 So sánh tính acid của các chất sau:

a C2H5COOH(1);ClCH2COOH(2);ClC2H4COOH(3);ICH2COOH (4)b C6H5OH(1);p-CH3OC6H4OH(2);p-NO2C6H4OH(3);

p-CH3COC6H4OH (4); p-CH3C6H4OH(5)

2 So sánh tính base của các chất sau:

*

Chương 3: CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỒNG PHÂN

•Đồng phân là những hợp chất hữu có công thức phân tử giống nhau, công thức cấu tạo khác nhau → tính chất vật lý, hóa học khác nhau.

•Phân loại:

+ Đồng phân cấu tạo (phẳng).

+ Đồng phân lập thể: đồng phân hình học (cis, trans),

3.1 Đồng phân cấu tạo (phẳng):

3.1.2 Đồng phân về vị trí các liên kết bội, vị trí nhóm chức

a Đồng phân về vị trí các liên kết bội

Vd: C4H8 có 2 đồng phân:

C5H10 có các đồng phân:

b Đồng phân về vị trí nhóm chức

• Alcol C4H9OH có các đồng phân vị trí nhóm –OH:

• C6H4CH3OH có các đồng phân về vị trí nhóm -OH:

3.1.3 Đồng phân về chức hữu cơ:

- Về chức ancol và ete: C2H6O

- Về chức axit và este: C3H6O2

- Về chức andehyde, cetone và alcol: C3H6O

• Có nhiều nhóm thế khác nhau liên kết với 1 nhóm chức:Vd: C4H10O

*

• Về bậc của nhóm chức:Vd: C3H9N

3.1.4 Đồng phân hỗ biến (tautomer)

Chuyển hóa này được gọi là hỗ biến ketone – enol:

*

Ngoài ra trong hữu cơ còn gặp nhiều dạng hỗ biến khác.Nitroso – oximino

Amido – imidol

Nguyên nhân gây ra đồng phân hỗ biến là do sự chuyển chỗ của nguyên tử H trên các trung tâm O, N…

Bài tập:

1 viết các đồng phân có thể có của:

a C5H12b C5H10

c C5H11OH ; C4H9Cl

2 Viết các công thức hỗ biến của:

a b.

*

3.2 Đồng phân lập thể

3.2.1 Đồng phân hình học

Do sự khác nhau về vị trí các nhóm thế đối với mặt phẳng liên kết đôi hoặc mặt phẳng vòng.

Điều kiện để có đồng phân hình học:

• Phân tử phải chứa liên kết đôi hoặc vòng kín.

• Các nguyên tử C có chứa liên kết đôi và vòng kín phải liên kết với 2 nguyên tử hoặc 2 nhóm thế có bản chất khác nhau.

• Thường xuất hiện ở những hợp chất có chứa:

C=C, C=N, N=N, hệ liên hợp, vòng phẳng 3 hoặc 4 cạnh.

*

v Hệ cis-trans: abC=Cab hoặc acC=Cab

• Nhóm thế tương đương nằm cùng phía mặt phẳng  hoặc vòng  cis

• Khác phía  trans.

Hợp chất dạng acC = Cab:

Ví dụ:

v Hệ Z-E: abC=Ccd (a>b, c>d)

• Nhóm thế lớnnằm cùng phía mặt phẳng  hoặc vòng  Z (Zusammen = cùng phía).

• Khác phía  E (Eintgegen = khác phía).

*

Vd:

v Quy tắc xác định “độ lớn” Kahn-Ingold-Prelog:

+ Nguyên tử có số thứ tự trong BHTTH càng lớn thì độ lớn của nó càng lớn:

I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H-CH2Cl > -CH2OH > -CH2CH3

-COOCH3 > -COOH > -CONH2 > -COCH3 > -CHO

*

+ liên kết đôi, ba  nguyên tử đó có 2 lần, 3 lần liên kết với nguyên tử khác.

-C N > -C 6H5 > -C CH > -CH=CH 2

• Đối với hợp chất chứa C=C liên hợp a(HC=CH)nVd: diphenyl butadiene có 3 đồng phân:

Số đồng phân hình học của hệ liên hợp C=C:

N = 2n+1 + 2p-1 ; với n là số nối đôi liên hợpp = n/2 nếu n chẵn

p = (n+1)/2 nếu n lẻ

*

• Đối với các hợp chất vòng:

Vd:

v Đối với hợp chất có nối đôi C=N và N=N:

*

•Bài tập:

Xác định đồng phân Z/E

3.2.2 Đồng phân cấu dạng:

Phân tử etan có thể được trình bày các dạng công thức:

a) Công thức phối cảnh

- Được mô tả trong không gian 3 chiều.

- Liên kết C-C hướng theo đường chéo từ trái sang phải và xa dần người quan sát.

- Có 2 loại CT phối cảnh:

*

Có thể môt tả bằng đường nét đậm ( ): liên kết hướng về phía trước mặt phẳng.

Đường nét nhạt( ): liên kết nằm trong mặt phẳng.Đường chấm chấm( ): liên kết nằm sau mặt phẳng.

b) Công thức Newman:

Dạng xen kẽ:

Dạng che khuất:

*

Cân bằng (không thể tách):

• Dẫn xuất 1 lần thế: e-methyl cyclohexane bền hơn

a-Vd:

§ phân tử cyclohexan có 2 loại cấu dạng:

Dạng ghế bền hơn dạng thuyền.

§ Cyclohexan mang một nhóm thế:

(bền)

*

§ Cyclohexan mang 2 nhóm thế:+ Nhóm thế(1,2):

+ Vị trí (1,3):

*

+ Vị trí (1,4):

3.2.3 Đồng phân quang học

v Điều kiện xuất hiện đồng phân quang học:

• Đồng phân quang học thường xuất hiện khi có C bất đối xứng (C*).

C* bất đối xứng: là C liên kết với 4 nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau.

Cabcd: a ≠ b ≠ c ≠ d →không có tính đối xứng trong không gian.

a) Phân tử có 1 C bất đối xứng:

Vd: acid lactic có 1 C*: CH3C*H(OH)COOH, có 2 đồng phân quang học:

*

• Các nhóm thế khác nhau về đồng phân cấu tạo→ đồng phân quang học

• Các nhóm thế khác về đồng vị → đồng phân quang học

v Đồng phân quang học không chứa C*

Phân tử bố trí chặt chẽ trong không gian, có cấu tạo bất đối xứng trên toàn phân tử

• Đồng phân allene

• Đồng phân cản quay

*

b) Phân tử có nhiều nguyên tử C*:

Nếu hợp chất có n C* thì số đp quang học là 2n.

Vd: acid -dihydroxybutyric có 2 nguyên tử C* nên có 4 đp quang học như sau:

, 

Khi phân tử có 2C* giống nhau,làm cho phân tử có mp đối xứng trong phân tử: có ít đp quang học hơn và có thêm đp meso.

Vd: acid tartaric: HOOC – CHOH –CHOH – COOH

→Có 2 đp quang học và 1 đp meso.

*

ØDanh pháp đồng phân quang học:

1 Hệ danh pháp D, L: (cấu hình tương đối)

• Phải so sánh với 1 chất chuẩn.

• Cấu hình chuẩn của anđehid glyceric: CH2OH – CHOH – CHO

• Quy ước: các đồng phân chứa dị tố (O,N, S…) liên kết trực tiếp với C* nằm bên phải công thức Fischer→ D, bên trái: L.

Vd: acid lactic có 2 đồng phân

*

vd:

Trong công thức Fisher:

-OH quay phải → cấu hình D

2 Hệ danh pháp R, S: (cấu hình tuyệt đối)

ØCách xác định cấu hình: C*abcd, giả sử a > b > c > dTH1: Theo công thức tứ diện, phối cảnh(không gian): đặt d (nhóm nhỏ) xa người quan sát.

+ Đi từ a→b→c cùng chiều kim đồng hồ: đồng phân R.

+ Đi từ a→b→c ngược chiều kim đồng hồ: đồng phân S.

• 2-bromobutane:

TH2:Theo công thức Fisher:

• Đặt d (nhóm nhỏ) nằm dưới hay trên trong công thức Fisher, sau đó xét thứ tự các nhóm còn lại:

• Đi từ a → b → c: cùng chiều kim đồng hồ: R

• Đi từ a → b → c: ngược chiều kim đồng hồ: SQuy ước:

+ Nếu thay đổi vị trí nhóm thế 1 lần thì cấu hình thay đổi.+Nếu thay đổi vị trí nhóm thế 2 lần thì cấu hình không đổi.

+Xét theo chiều thứ tự giảm dần của các nhóm thế.

-OH > -CHO > - CH2OH > H

Vd2: D-acid lactic

Đổi vị trí 2 cặp H và CH3; OH và COOH:

*

• Nếu đổi vị trí 1 cặp H và CH3:

→ D – acid lactic có cấu hình R-acid lactic.

•Phân tử có nhiều C*:

Hợp chất chứa các C* không tương đương:

Vd: có 2 C* →số đp quang học là 22 = 4.

*

• Hợp chất chứa C* tương đương:

Vd: acid tartaric HOOC – CHOH – CHOH – COOH

Trong đp meso, độ quay cực của 2C* triệt tiêu nhau→không còn tính quang hoạt.

Số đp quang học của hợp chất chứa C* tương đương (tính cả đp

Bài tập:

1 Viết các công thức cấu tạo của hợp chất sau? Chất nào có đp hình học? Viết và gọi tên:

a C4H8b C3H5F

2 chất nào sau đây có đp hình học? Gọi tên theo danh pháp Z, E?a.

b

*

3 Xác định cấu hình tuyệt đối của các chất sau:

4 Xác định số C bất đối xứng trong các hợp chất sau:

*

Xác định cấu hình của các hợp chất:

CHƯƠNG 4 PHẢN ỨNG HỮU CƠ4.1 Phản ứng thế

Phản ứng thế theo cơ chế gốc tự doPhản ứng thế ái điện tử

Phản ứng thế ái nhân

4.2 Phản ứng tách loại

4.3 Phản ứng cộng hợp

4.1 Phản ứng thế: S (Substitution)

Là phản ứng trong đó một nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử được thay thế bằng nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác.

CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl

CH3Cl + NaOH → CH3OH + NaCl

→ Phản ứng halogen hóa ankan, phản ứng ankyl halogenuavới kim loại.



Phản ứng chlor hóa các alkane:

R – H + Cl2 → RCl + HCl

Phát triển mạch: R – H + Cl∙ → R∙ + HClR∙ + Cl2 → RCl + Cl∙

Tắt mạch: Cl∙ + Cl∙ → Cl2R∙ + R∙ → R - R

4.1.2 Phản ứng thế theo cơ chế ái điện tử:SE

Phản ứng thế ái điện tử SE (SE1 , SE2) là phản ứng đơn phân tử hay lưỡng phân tử Sơ đồ tổng quát:

E+ + R – A→ R – E + A+

Ví dụ:

Phản ứng thế ái điện tử chủ yếu xảy ra ở các hợp chất của

hydrocacbon thơm và dị vòng thơm.

Tác nhân ái điện tử E+ là những tác nhân mang điện dương (+NO2, Br+) hoặc phân tử thiếu điện tử (SO3, CO2…)

Phản ứng SE:

Ø Phản ứng thế ái điện tử vào nhân thơm (SE)

v Nhóm thế đẩy điện tử (+C, +H, +I) → SE tăng

4.1.3 Phản ứng thế ái nhân(thế nucleophin) SN1 , SN2

R – X + Y- → R – Y + X

-Y- : RO-, OH-, RCOO-, ROH, NH3, RNH2, Cl-, Br-, I-…R: gốc hydrocacbon.

X: Cl, Br, OH, OR, OSO2R…

Ví dụ:

CH3-CH2-Cl+ OH- CH3- →CH3-CH2-OH + Cl

-CH2-Br + CH3O- → CH3-CH2-O-CH3 + Br-

CH3-CH2-Br+ NH3 → CH3-CH2-NH2 + HBr