BÀI TẬP CHỌN LỌC VỀ DANH PHÁP VÀ LẬP THỂ CỦA HIĐROCACBON VÒNG NO

Hai là, mảng kiến thức này vừa là trọng tâm vừa là cơ sở để nghiên cứu những chuyên đề khác, như hợp chất tự nhiên, polime … Ba là, đề thi học sinh giỏi quốc gia hiện nay có nhiều bài to

BÀI TẬP CHỌN LỌC VỀ DANH PHÁP VÀ LẬP THỂ

CỦA HIĐROCACBON VÒNG NO

Đặng Công Anh Tuấn Trường THPT Chuyên Lê Quý Đôn

I MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Chúng tôi chọn đề tài “Bài tập chọn lọc về danh pháp và lập thể của hiđrocacbon vòng no” với

những lí do và mục đích sau đây:

Một là cần có giáo trình để dạy học sinh chuyên hóa, đồng thời thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu các chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi mà nhà trường đề ra trong năm học này

Hai là, mảng kiến thức này vừa là trọng tâm vừa là cơ sở để nghiên cứu những chuyên đề khác, như hợp chất tự nhiên, polime …

Ba là, đề thi học sinh giỏi quốc gia hiện nay có nhiều bài toán liên đến cấu dạng và danh pháp của

các hợp chất hữu cơ

2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Thiết kế, chọn lọc các bài tập có hệ thống về danh pháp, cấu hình và cấu dạng của hiđrocacbon vòng no

3 Phương pháp tiến hành

Tập hợp các tài liệu tham khảo có liên quan đến đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết có liên quan

Lập sơ đồ nghiên cứu:

Thiết lập, chọn lọc các bài tập phù hợp với mục tiêu đề ra

II NỘI DUNG

Bài 1. Xicloankan là gì? Thế nào là monoxicloankan? Thế nào là polixicloankan ? Công thức chung của monoxicloankan là gì ?

 Bài giải

Xicloankan là hiđrocacbon no mạch vòng

Xicloankan có một vòng (vòng đơn) gọi là monoxicloankan

Ví dụ:

Công thức cấu tạo

Công thức cấu tạo

Hiđrocacbon vòng no

Hiđrocacbon vòng no

Xicloankan có nhiều vòng (đa vòng) gọi là polixicloankan.

Ví dụ: nobonan là một bixicloankan

bixiclo[2.2.1]heptan

Monoxicloankan có công thức chung là CnH2n (n  3) )

Lưu ý: Trong chương trình hóa học phổ thông, xicloankan được hiểu là monoxicloankan

Bài 2. Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau:

 Bài giải Qui tắc đọc tên: Xiclo + tên mạch chính + an

xiclopropan xiclobutan

Bài 3. Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau:

(a) (b)

 Bài giải

Qui tắc đọc tên: số chỉ vị trí + tên nhánh + xiclo + tên mạch chính + an

metylxiclopropan 1,2-dimetylxiclobutan

1,1-dimetylxiclopentan 1,2,4-trimetylxiclohexan

1-isopropyl-2-metylxicloheptan 1-sec-butyl-2-etylxiclooctan

metylenxiclohexan 1-metyl-3) -metylencyclopentan

Bài 4. Cho biết công thức chung của hiđrocacbon có hai vòng no, phân loại Cho biết nguyên tắc đọc tên của các loại này

 Bài giải

Công thức chung của hiđrocacbon hai vòng no là CnH2n-2 n  4 Nó có 3) loại, đó là:

- Hai vòng rời

Lấy vòng lớn làm mạch chính, còn vòng nhỏ làm nhóm thế

Ví dụ:

- Hai vòng có chung một nguyên tử mắt vòng, kiểu spiro

Mạch cacbon được đánh số hết vòng nhỏ đến vòng lớn, bắt đầu từ một nguyên tử ở kề nguyên tử chung

Tên của hiđro kiểu spiro gồm các bộ phận hợp thành theo trình tự sau đây:

spiro + [các số nguyên tử cacbon riêng (từ số lớn đến số nhỏ)] + tên hiđrocacbon mạch hở tương ứng

Ví dụ:

1 2

3)

4 5

8 9 10

spiro[4.5]decan

- Hai vòng có chung cầu nối, kiểu bixiclo

Mạch cacbon được đánh số bắt đầu từ một nguyên tử chung (ở một đỉnh), đến các nguyên tử của cầu nối dài nhất, tiếp đến các cầu nối ngắn hơn

Tên của hiđrocacbon kiểu gồm các bộ phận hợp thành theo thứ tự sau:

bixiclo + [số nguyên tử C ở các cầu nối (ghi từ số lớn đến số nhỏ)] + tên của hiđrocacbon mạch hở tương ứng

Ví dụ:

bixiclo[4.3) .0]nonan

3)

4 5 6 7 8 9

Bài 5. Hãy gọi tên cho các hợp chất sau

 Bài giải

Bài 6. Hãy gọi tên các chất sau:

(a) (b)

 Bài giải

Bài 7. Gọi tên các hợp chất sau:

 Bài giải:

spiro[2.3) ]hexan spiro[2.2]pentan

spiro[2.4]heptan spiro[3) .4]octan

spiro[4.5]decan spiro[2.5]octan

Bài 8. Cho biết công thức cấu tạo của các chất có tên sau:

(a) spiro[2,3) ]hexan (b) 1-metylspiro[2.3) ]hexan (c) spiro[3) .4]octan (d) 5-etylspiro[3) .4]octan

 Bài giải

(a) spiro[2,3) ]hexan (b) 1-metylspiro[2.3) ]hexan

spiro[2.3) ]hexan 1-metylspiro[2.3) ]hexane

1

2 3)

4

5

6

(c) spiro[3) .4]octan (d) 5-etylspiro[3) .4]octan

spiro[3) .4]octan 5-etylspiro[3) .4]octan

1 2 3)

4 5

6 7 8

9 10

Bài 9. Vẽ công thức cấu tạo của các hiđrocacbon hai vòng no sau:

(a) Bixiclo[2.2.1]heptan

(b) Bixiclo[5.2.0]nonan

(c) Bixiclo[3) .1.1]heptan

(d) Bixiclo[3) .3) .0]octan

 Bài giải

bixiclo[2.2.1]heptan (a)

bixiclo[5.2.0]nonan (b)

bixiclo[3) .1.1]heptan

bixiclo[3) ,3) ,0]octan

Bài 10.Cho biết công thức cấu tạo của các chất có công thức sau:

(a) bixiclobutan

(b) 2-metylbixiclobutan

(c) bixiclo[3) .2.1]octan

(d) 8-metylbixiclo[3) .2.1]octan

 Bài giải

bixiclo[1.1.0]butan 2-metylbixiclo[1.1.0]butan

1 2 3)

4

(c) bixiclo[3) .2.1]octan (d) 8-metylbixiclo[3) .2.1]octan

bixiclo[3) .2.1]octan 8-metylbixiclo[3) .2.1]octan

3)

4 5 6

7 8

Bài 11.Đọc tên các chất sau:

 Bài giải

Chú ý: Hai nhóm thế cùng phía là đồng phân cis, còn khác phía là đồng phân trans.

Bài 12.Xicloankan nào có đồng phân cis – trans ? Nếu có vẽ cả hai đồng phân đó (a) 1,3) -dimetylxiclopantan

(b) Etylxiclopantan

(c) 1-etyl-2-metylxiclobutan

 Bài giải

(a) 1,3) -dimetylxiclopantan Có đồng phân cis – trans

CH3)

CH3)

CH3)

H3) C

cis-1,3) -dimetylxiclopentan

CH3)

CH3)

CH3)

H3) C

trans-1,3) -dimetylxyclopentan

(b) Etylxiclopantan Không có đồng phân cis-trans

2H5 Hai chất trên là một

(c) 1-etyl-2-metylxiclobutan: Có đồng phân cis-trans

C2H5

H

CH3)

H

C2H5

CH3)

trans-1-etyl-2-metylxiclobutan

Bài 13.Hai hợp chất hữu cơ A và B đều có công thức phân tử C5H10 Cả hai đều không phản ứng với Cl2 trong tối và lạnh A phản ứng với Cl2 có ánh sáng, nhưng cho một sản phẩm duy nhất là C5H9Cl Còn hợp chất B cũng tác dụng với Cl2 trong cùng điều kiện nhưng cho 6 đồng phân C5H9Cl khác nhau, có thể phân biệt bằng phương pháp vật lý Hãy xác định cấu trúc của A, B và các sản phẩm monoclo đó

 Bài giải:

A và B có công thức C5H10 nên chúng có thể là anken hoặc xicloankan Theo đều bài, các chất này không tác dụng với Cl2 tối và lạnh nên A và B là các xicloankan

A tác dụng với Cl2 cho một monoclo duy nhất nên A là xiclopentan

B tác dụng với Cl2 (ánh sáng) tao ra 6 dẫn xuất monoclo, nên B phải là metylxiclobutan

Cl2 -HCl

CH3)

CH3)

Cl

CH3)

Cl

CH3)

Cl

CH3)

Cl

CH2Cl

Bài 14.Sức căng Baeyer là gì?

 Bài giải

Xuất phát từ hai tiên đề là các vòng no có cấu trúc phẳng và góc bình thường của hiđrocacbon no là

109028’, năm 1885, Baeyer cho rằng sự éo nhỏ hay trương rộng các góc của vòng no đều dẫn đến một sức căng là cho tính bền của vòng giảm đi Người ta gọi đó là sức căng Baeyer Sức căng càng lớn, vòng tương ứng càng ít bền Độ mạnh của sức căng được đánh giá bằng   được tính theo công thức













n

180 2 n ' 28

109

2

ví dụ:

 24044’ 9044’ 0044’ -5044’ 903) 3) ’ 12046’ -15006’

Bài 15.Vì sao nói liên kết C-C trong xilopropan được gọi là “liên kết quả chuối” ?

 Bài giải

Xiclopropan là hợp chất vòng no duy nhất có cấu tạo phẳng Theo quan niệm hiện đại, phần xen phủ cực đại của các đám mây electron không nằm trên đường thẳng nối liên hai nguyên tử cacbon mà có sự uốn cong Sự uốn cong này làm cho phần xen phủ đám mây electron có giảm đi, nhưng sắp xếp như thế có lợi

về mặt năng lượng Các liên kết C-C này được gọi là “liên kết quả chuối”, nó mang tính chất trung gian giữa liên kết  và  bình thường Do sự uốn cong như vậy, thực tế góc liên kết của vòng chỉ bằng 1060 chứ không phải 109028’ và lớn hơn nhiều so với góc cấu tạo phẳng của tam giác đều (600) Xiclopropan rất dễ bị mở vòng dưới tác dụng của hiđrohalogenua, Br2 và bị hiđro hoá có chất xúc tác

Bài 16.Thế nào là lực đẩy Pitze?

 Bài giải

Thực tế, các vòng no (trừ xiclopropan) không phải là những vòng phẳng Trong một vòng ngoài sức căng góc Baeyer có có một lực đẩy nữa đó là lực đẩy giữa các nguyên tử hiđro ở trạng thái che khuất một phần hay toàn phần gây nên, đo đó một vài nguyên cacbon của vòng bị lệch ra khỏi mặt phẳng vòng Lực đẩy

đó gọi là lực đẩy Pitze

Bài 17.Nguyên nhân nào để xiclobutan tồn tại ở dạng không phẳng?

 Bài giải

Theo quan niệm hiện nay, xiclobutan có cấu tạo không phẳng góc gấp có giá trị khoảng 20-250 Tính không phẳng của xiclobutan được chứng tỏ từ các dữ kiện thực nghiệm của giản đồ Rơnghen, giản đồ electron, momen lưỡng cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và một số phương pháp khác Nguyên nhân chủ yếu để xiclobutan tồn tại dạng không phẳng là để giảm sức căng Pitz

Bài 18.Xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng: dạng “phong bì” và dạng “nửa ghế” Hãy vẽ hai cấu dạng này và cho biết dạng nào có tâm đối xứng, dạng nào có trục đối xứng

 Bài giải

Nếu giả sử phân tử xiclopentan nằm trên một mặt phẳng thì góc lệch 0044, do đó coi như không có sức căng Baeyer Nhưng ở đây 5 liên kết C-C ở dạng che khuất nên lại xuất hiện sức căng Pitz Thực tế xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng là cấu dạng phong bì có mặt phẳng đối xứng nên còn gọi là cấu dạng Cs Cấu dạng nửa ghế có trục đối xứng bậc hai nên còn gọi là cấu dạng C2

n

2



Bài 19.Dựa vào giản đồ thế năng sau, cho biết cấu dạng nào của xiclohexan bền nhất ? Giải thích ?

C5

C2

 Bài giải

Cấu dạng ghế bền hơn cấu dạng thuyền, vì nó có thế năng thấp nhất Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau

về độ bền giữa hai dạng ghế và thuyền là lực đẩy tương tác giữa các nguyên tử hiđro của vòng Ở dạng ghế tất cả đều được phân bố theo hình thể xen kẽ Trong khi đó ở dạng thuyền chỉ có 4 hệ thống (C1-C2,

C3) -C4, C4-C5 và C6-C1) là phân bố xen kẻ, còn hai hệ thống còn lại C2-C3) và C5-C6) thì phân bố che khuất Hơn nữa nguyên tử H ở C1 và C4 chỉ cách nhau 1,84 A nên nó có một lực đẩy khoảng 3) kcal/mol Tổng 0 cộng thế năng của dạng thuyền lớn hơn dạng ghế 6,8 kcal/mol.

Công thức Newman dạng ghế Công thức Newman dạng thuyền

Bài 20.Trong xiclohexan, xác đinh liên kết trục (axial) và liên kết biên (equatorial) So sánh tính bền của

a-metylxiclohexan và e-metylxiclohexan Giải thích.

 Bài giải

Trong xiclohexan, sau nguyên tử cacbon ở dạng ghế được phân bố trên hai mặt phẳng song song Mặt phẳng thứ nhất chứa C1, C3) và C5 ; mặt phẳng thứ hai chứa C2, C4 và C6 Trục đối xứng bậc ba của phân tử thẳng góc với hai mặt phẳng 12 liên kết C-H được chia làm hai nhóm: nhóm thứ nhất gồm 6 nguyên tử H song song với trục đối xứng bậc ba ( 3) liên kết hướng lên và 3) liên kết hướng xuống) Ta gọi đó là liên kết trục, ký hiệu là a (axial) Nhóm thứ hai gồm 6 liên kết còn lại, chúng hướng ra ngoài biên phân tử (tạo với trục đối xứng một góc 1090 được gọi là liên kết biên, kí hiệu là e (equatorial)

Kết quả khảo sát lý thuyết cũng như thực nghiệm e-metylxiclohexan bền hơn a-metylxiclohexan Ở nhiệt

độ thường e-metylxiclohexan chiếm 95% còn a-metylxiclohexan chiếm 5%.

a-metylxiclohexan kém bền vì có đến hai tương tác syn, trong kho đó e-metylxiclohexan không có tương tác syn nào cả.

e-metylxiclohexan a-metylxiclohexan

Bài 21.Xét cấu dạng sau:

1 2 3)

4

5

6

(a) Nhóm metyl gắn phía dưới C-6 là liên kết trục (axial) hay liên kết biên (equatorial) ?

(b) So sánh độ bền khi nhóm metyl gắn phía dưới C-1 và C-4

(c) Khi nhóm metyl gắn vào C3) thì tạo ra cấu dạng bền, vậy nó gắn vào dưới hay trên?

 Bài giải

(a) Nhóm CH3) là liên kết trục (a)

CH3

6

(b) C-1 kém bền hơn C-4, vì liên kết trục kém bền hơn liên kết biên (e)

CH3

1

H 3 C

4

(c) Nhóm CH3) gắn vào C-3) tạo ra cấu dạng bền thì phải là liên kết biên, tương ứng với vị trí này là gắn vào phía dưới

H3C

H

Bài 22.Xác định cấu trúc bền trong mỗi cặp cấu dạng cho dưới đây?

 Bài giải:

Các cấu dạng bền là:

Bài 23.Đốt cháy hoàn toàn etylxiclopropan và metylxiclobutan, so sánh năng lượng giải phóng của mỗi đồng phân

 Bài giải

Etylxiclopropan và metylxiclobutan là đồng phân (đều có công thức phân tử C5H12) Đồng phân nào bền giải phóng năng lượng thấp Etylxiclopropan có sức căng góc lớn và kém bền hơn metylxiclobutan

etylxiclopropan metylxiclobutan 808,8 kcal/mol 801,2 kcal/mol

Bài 24.So sánh tính bền của đồng phân lập thể 1,3) ,5-trimetylxiclohexan

H

CH3)

H CH3)

H

H3) C

cis-1,3) ,5-trimetylxiclohexan

H

CH3)

H3) C H

H

H3) C

trans-1,3) ,5-trimetylxiclohexan

 Bài giải

Tất cả nhóm CH3) là equatorial trong cis-1,3) trimetylxiclohexan nên nó bền hơn trans-1,3)

,5-trimetylxiclohexan có chứa một nhóm CH3) là axial

H

CH3)

H CH3)

H

H3) C

H

CH3)

H

CH3)

H

H3) C

cis-1,3) ,5-trimetylxiclohexan

H

CH3)

H3) C H

H

H3) C

CH3)

CH3)

H

CH3)

H H

trans-1,3) ,5-trimetylxiclohexan

Bài 25.Viết cấu trúc phân tử có cấu dạng bền nhất cho mỗi hợp chất sau:

(a) trans-1-tert-butyl-3) -metylxiclohexan

(b) cis-1-tert-butyl-3) -metylxiclohexan

(c) trans-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan

(d) cis-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan

 Bài giải

(a) Để có đồng phân cấu dạng bền nhất thì nhóm tert-butyl là equatorial Sau đó thêm nhóm CH3) (axial) vào C-3) của vòng xiclohexan

H C(CH3) )3)

H

CH3)

H C(CH3) )3)

trans-1-tert-butyl-3) -metylxiclohexan

 (b) Trước tiên vẽ xiclohexan ở dạng ghế với một nhóm tert-butyl ở vị trí equatorial Để tạo ra

cis-1-tert-butyl-3) -metylxiclohexan thì phải gắn nhóm metyl vào C-3) ở vị trí equatorial.

H3) C

H H C(CH3) )3)

cis-1-tert-butyl-3) -metylxiclohexan

 (c) trans-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan cả hai nhóm tert-butyl và C-4 metyl đều là equatorial

H C(CH3) )3)

trans-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan

H3) C

H

 (d) Lần nữa, nhóm tert-butyl ở vị trí equatorial, tuy nhiên, trong cis-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan, C4-metyl phải ở vị trí axial

H C(CH3) )3)

cis-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan

H

CH3)

Bài 26.Vẽ các đồng phân và gọi tên của hiđrocacbon có hai vòng nhưng không chứa nhóm thế ankyl có công thức phân tử C5H8

 Bài giải

spiropentan bixiclo[2.1.0]pentan bixiclo[1.1.1]pentane

Bài 27.Viết các đồng phân và gọi tên của hiđrocacbon có hai vòng nhưng không chứa nhóm thế ankyl có công thức phân tử C6H10

 Bài giải

spiro[2.3) ]hexan bixiclo[2,2,0]hexan bixiclo[3) ,1,0]hexan

bixiclo[2,1,1]hexan xiclopropylxiclopropan

Bài 28.Hãy vẽ một mô hình phân tử cho nobonan (bixiclo[2,2,1]heptan) Vòng 6 cạnh ở dạng thuyền hay ghế? Hợp chất monoclo nobonan có bao nhiêu đồng phân khác nhau?

 Bài giải nobonan

Vòng 6 cạnh của nobonan ở dạng thuyền

monoclo nobonan có 4 đồng phân:

Cl

Cl

Cl

Cl

A và B có thể có đồng phân quang học

Bài 29.Nhiệt đốt cháy của một số xicloankan như sau:

Xicloankan H (kcal/mol) Xicloankan H (kcal/mol)

Xiclooctan 1269,20 Xiclotetrađecan 2203) ,60

Hãy tính nhiệt đốt cháy của nhóm metylen trong mỗi xicloankan Hãy tính sức căng góc trong các

xicloankan trên Biết rằng xiclohexan là tượng trưng cho hệ không có sức căng góc (sức căng góc tự do) Hãy liệt kê các loại sức căng góc trong các vòng có kích thước khác nhau

(b) Hãy giải thích tại sao những vòng có kích thước trung bình (C7-C11) được tổng hợp với hiệu suất thấp hơn so với vòng nhỏ (C3) -C6) hoặc vòng lớn (C12-Cn)?

 Bài giải

(a) Để tính nhiệt đốt cháy của mỗi nhóm CH2 có trong các xicloankan ta lấy nhiệt đốt cháy của

xicloankan đó chia cho số nguyên tử C Hexan có sức căng góc bằng không nên nhiệt đốt cháy của nhóm

CH2 khi không có sức căng góc là 157,41 kcal/mol Từ đó ta có thể tính được nhiệt đốt cháy của các xicloankan tương ứng khi không có sức căng góc bằng cách lấy 157,41 nhân cho số nguyên tử cacbon Kết quả thể hiện trong bảng sau

n Nhiệt đốt cháy

kcal/mol Nhiệt đốt cháy củaCH2 kcal/mol không có sức căngNhiệt đốt cháy

góc kcal/mol

Sức căng góc kcal/mol