Chuyên đề đồng phân của hợp chất hữu cơ và cách xác định

Phân loại Trong các bài học về cá chất cụ thể của chương trình hóa học THPT chúng ta chỉ xét hiện tượng đồng phân do sự khác nhau về cấu tạo đp cấu tạo và sự sắp xếp khác nhau qua

Trang 1

Tạp Chí Dạy & Học Hóa Học – www.hoahoc.org - Facebook: facebook.com/hoahoc.org (Ngô Xuân Quỳnh)

“Our goal is simple: help you to reach yours” - “Mục tiêu của chúng tôi rất đơn giản: giúp đỡ để bạn đạt được mục tiêu của mình”

CHUYÊN ĐỀ 02:

ĐỒNG PHÂN – KĨ THUẬT ĐẾM VÀ CÔNG THỨC TÍNH NHANH SỐ ĐỒNG PHẦN

I Khái niệm và phân loại

1 Khái niệm: Đồng phân là những chất có cùng công thức phân tử (CTPT) nhưng khác nhau về mặt công thức cấu

tạo (CTCT) vì thế mà làm cho chúng có những tính chất hóa học khác nhau

* Chú ý:

+ Các chất là đồng phân của nhau thì có cùng phân tử khối (M), nhưng các chất có cùng phân tử khối thì chưa chắc

là đồng phân của nhau

Ví dụ: CH3CH2CH2OH (M=60 – rượu etylic); CH3COOH (M=60 – axit axetic) không phải là đồng phân của nhau

2 Phân loại

Trong các bài học về cá chất cụ thể của chương trình hóa học THPT chúng ta chỉ xét hiện tượng đồng phân

do sự khác nhau về cấu tạo (đp cấu tạo) và sự sắp xếp khác nhau quanh liên kết đôi (đp hình học)

Dựa vào cấu tạo phân tử và vị trí trong không gian có thể phân loại các đồng phân trong chương trình hóa học THPT theo sơ đồ sau:

+ Đồng phân cấu tạo

- ĐP về mạch C: là đồng phân gây nên do sự thay đổi thứ tự liên kết của các nguyên tử cacbon với nhau (mạch thẳng, mạch nhánh, mạch vòng), các nhóm thế, nhóm chức không thay đổi

C C C

C C

C C C C

C

C C

- ĐP loại nhóm chức (-OH; -O-; - CHO; -COOH; -COO-; …): là hiện tượng các đồng phân của nhau có sự thay đổi

từ nhóm chức này sang nhóm chức khác, do đó mà chúng có tính chất hóa học khác nhau hoàn toàn Sau đây là những đồng phân nhóm chức quan trọng nhất

+ Ankađien - ankin - xicloanken

Ví dụ C4H6 có những đồng phân sau:

CH2 = CH - CH = CH2 CH2 = C = CH - CH3

Buta-1,3-đien buta-1,2-đien

CH  C - CH2 - CH3 CH3 - C  C - CH3 But-1-in but-2-in

Đồng phân

Đồng phân cấu tạo

Đồng phân

mạch cacbon

Đồng phân hình học

Đồng phân cis Đồng phân

trans

Đồng phân nhóm chức

Đồng phân vị

trí nhóm chức

Trang 2

CH3 – CH2 – COOH : axit propionic CH3 – COO – CH3 : metyl axetat

H – COO – C2H5 : etyl fomiat

+ Nitro - aminoaxit

Ví dụ C2H5NO2 có hai đồng phân

H2N – CH2 – COOH : axit aminoaxetic CH3 – CH2 – NO2 : nitroetan

- ĐP vị trí nhóm chức (C=C; -CHO; -OH; -COOH; …): là hiện tượng các đồng phân có sự khác nhau về vị trí của

các nhóm chức trên mạch cacbon Và chúng thường đường chia làm:

+ Sự khác nhau vị trí của nối đôi, nối ba

C3H7Cl: CH3- CH2- CH2- Cl CH3- CH - CH3

1-clopropan 2-clopropan

Cl

+ Đồng phân hình học: là loại đồng phân mà thứ tự liên kết của các nguyên tử trong phân tử hoàn toàn giống

nhau, nhưng khác nhau ở sự phân bố các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong không gian

Trong chương trình hóa học THPT chỉ xét hiện tượng đồng phân trong trường hợp hợp có liên kết đôi (C = C)

Lưu ý: Điều kiện để có đồng phân hình học (Trong chương trình THPT chỉ xét về trường hợp có liên kết đôi (=)

+ Phân tử phải có liên kết đôi (C=C, C=N,…)

+ Mỗi nguyên tử ở liên kết đôi phải liên kết với 2 nguyên tử hoặc 2 nhóm nguyên tử khác nhau

C C

ab

Trang 3

Cách xác định dạng cis, dạng trans:

Ví dụ: buten - 2 (CH3 – CH = CH – CH3)

C CH

Như vậy, nếu hai cacbon ở nối đôi liên kết với 2 nguyên tử H thì khi 2 nguyên tử H ở một phía của nối đôi ứng

với dạng cis và ngược lại ứng với dạng trans

Đối với phân tử trong đó hai nguyên tử cacbon ở nối đôi liên kết với các nhóm thế khác nhau thì dạng cis được

xác định bằng mạch cacbon chính nằm ở về một phía của liên kết đôi, ngược lại với dạng trans

Chú ý: Phương pháp xác định đồng phân cis, trans của tài liệu sách giáo khoa hóa học 11 chỉ áp dụng trong anken,

với hợp chất khác dễ dẫn đến sai lầm

Ví dụ:

C CHOOC

COOH Với phương pháp của sách giáo khoa đề cập không phân biệt được các trường hợp trên là đồng phân cis hay đồng phân trans

1,4-diclo-1,3-butađien

Cl H

H

Cl H

Là nhóm nguyên tử quyết định tính chất hóa học của hợp chất hữu cơ

- Đơn chức: Hợp chất chỉ có một nhóm chức trong phân tử

- Đa chức: Hợp chất có từ 2 hay nhiều nhóm chức giống nhau

- Tạp chức: Hợp chất có 2 hay nhiều nhóm chức khác nhau trong cùng phân tử

- Một loại nhóm chức: có thể đơn chức hoặc đa chức

Trang 4

VD:

- Benzen: C6H6 có 2.6 2 6

42

 

    Phân tử có 3 liên kết  + 1 vòng = 4

- Stiren: C7H8 có 2.7 2 6

52

Hợp chất M điều kiện biện luận

Phân tích, hướng dẫn giải:

(A): (C4H9Cl)n ≡ C4nH9nCln, điều kiện: (n + 9n) ≤ 2.4n + 2 => n ≤ 1 => n = 1 (n nguyên dương)

Ví dụ : C3H6 có k = 1 => có 1 liên kết Л hay 1 vòng no

Vậy C3H6 có 2 đồng phân là: Propen: CH3-CH=CH2 và xiclo propan

* Xét A (C, H, O) mạch hở: CnH2n+2-2kOz

Trang 5

CnH2n+2O (k = 0, z = 1)

(1) Ancol no, đơn chức, mạch hở (n ≥ 1) (2) Ete no, đơn chức, mạch hở (n ≥ 2)

CnH2nO (k = 1, z = 1)

(1) Anđehit no, đơn chức, mạch hở (n ≥ 1) (2) Xeton no, đơn chức, mạch hở (n ≥ 3)

(3) Ancol không no (1 Л ), đơn chức, mạch hở (n≥3) (4) Ete không no (1 Л ), đơn chức mạch hở (n≥3)

Ví dụ : C4H10O, k = 0 => (1 Л + 1) Oxi có 7 đồng phân cấu tạo:

+ 4 đồng phân Acol (OH):

C C

C C C C OH C C C C

OH

C C C

C OH C C

C C OH

+ 3 đồng phân ete (-O-):

C C

C

Ví dụ : C3H6O có k = 1=> (1 Л + 1O) có 4 đồng phân cấu tạo mạch hở

Anđehit: CH3-CH2CHO Xeton: CH3COCH3

Ancol không no: HO-CH2CH=CH2 Ete không no: CH3-O-CH=CH2

CnH2nO2

(k = 1, z = 2)

(1) Axit no, đơn chức, mạch hở (n ≥ 1) (2) Este no, đơn chức, mạch hở (n ≥ 2) (3) 1 anđehit + 1 ancol no, mạch hở (n≥2) (4) 1 anđehit + 1 ete no, mạch hở (n≥3) (5) 1 xeton +1 ancol no, mạch hở (n≥3) Tạp chức (6) 1 xeton +1 ete no, mạch hở (n≥4)

(7) 1 ancol + 1 ete không no (1 Л ) (n≥3)

(8) Ancol 2 chức không no (1 Л ) (n≥4) (9) Ete 2 chức không no (1 Л ) (n≥4)

(Học sinh thường không để ý đến các tạp chức, hoặc đa chức)

Ví dụ : C3H6O2 có k = 1, 2 Oxi có 8 đồng phân cấu tạo mạch hở

1 anđehit + 1 ancol no, mạch hở: HOCH2CH2CHO; CH3CH(OH)CHO

1 anđehit + 1 ete no, mạch hở: CH3-O-CH2CHO

1 xeton +1 ancol no, mạch hở: HOCH2COCH3

1 ancol + 1 ete không no: HOCH2-O-CH=CH2

Ancol 2 chức, ete 2 chức; tạp chức xeton + ete không tồn tại vì số C<4

IV Các bước viết công thức cấu tạo

+ Bước 1: Tính độ bất bão hòa (số liên kết Л và vòng)

+ Bước 2: Dựa vào số lượng các nguyên tố O, N,…và độ bất bão hòa để xác định các nhóm chức phù hợp (−OH,

−CHO, −COOH,…) đồng thời xác định độ bất bão hòa trong gốc hyđrocacbon

+ Bước 3: Viết cấu trúc mạch cacbon

Mạch hở: không nhánh và có nhánh (1 nhánh → 2 nhánh →…)

Mạch vòng: vòng không nhánh và có nhánh

Đồng phân mạch carbon:

Trang 6

LTĐH – H13

a) Mạch hở:

3C: 1 đồng phân C—C—C 4C: 2 đồng phân C—C—C—C ; 5C: 3 đồng phân

b) Mạch vòng:

3C: 1 đồng phân 4C: 2 đồng phân

5C: 5 đồng phân

+ Viết mạch cacbon không phân nhánh trước Sau đó rút ngắn dần mạch cacbon bằng cách; rút ngắn dần từng nguyên tử cacbon trên mạch cacbon không phân nhánh đó (mạch chính)

+ Khi rút ngắn từ 2 nguyên tử cacbon trở đi thì xét các trường hợp; có 1 nhánh, 2 nhánh,

+ Với trường hợp có 1 nhánh; khi di chuyển nhánh cần chú ý chỉ di chuyển nhánh trên một phần phần đối xứng và trên trục đối xứng của mạch chính

+ Có nhiều nhánh thì di chuyển một nhánh và cố định các nhánh còn lại, làm tương tự với các nhánh khác

+ Trong trường hợp có nhiều nhánh khi di chuyển một nhánh cũng chỉ di chuyển trên một phần đối xứng và trên trục đối xứng của phần còn lại

+ Đặc biệt lưu ý vị trí của nhánh không được chia mạch chính thành hai phần trong đó có một phần số lượng nguyên tử cacbon nhỏ hơn nhánh, không được đặt nhánh ở đầu mạch chính

+ Với hợp chất có mạch vòng, coi vòng là mạch chính

+ Đưa liên kết bội (liên kết đôi, ba) vào mạch cacbon (nếu có)

- Thay đổi vị trí của liên kết bội nếu có - Thay đổi vị trí nhóm chức nếu có - Xét đồng phân hình học

+ Bước 4: Đưa nhóm chức vào mạch cacbon

(cần chú ý các trường hợp kém bền hoặc không tồn tại của nhóm chức)

Ví dụ: - Không tồn tại rượu mà 2, 3 nhóm OH cùng liên kết với một nguyên tử C

C C C OH

OH

C C COH

OH

- Không tồn tại rượu mà nhóm −OH liên kết với một nguyên tử cacbon có liên kết Л

OH

+ Bước 5: Điền số H vào để đảm bảo đủ hóa trị của các nguyên tố, sau đó xét đồng phân hình học (nếu có) Với các

bài tập trắc nghiệm có thể không cần điền số H

* Lưu ý:

- Đối với việc thi trắc nghiệm, chúng ta không cần phải làm đúng theo thứ tự của các bước đã nêu ở trên mà chúng ta

tập chung vào giai đoạn xác định độ bội lien kết (k), loại chức trong phân tử, mạch cacbon có thể có và qua đó dựa trên cơ sở của tính đối xứng ta xét về vị trí cũng như khả năng điền của các nhóm chức trong phân tử

- Nếu đề bài hỏi số đồng phân thì nó sẽ bao gồm cả đồng phân cấu tạo và đồng phân hình học

V Một số chú ý khi xác định đồng phân (có điều kiện)

Với một số bài tập, căn cứ vào điều kiện kèm theo để phân tích Cần nắm vững tính

C

C C CC

C

C C CC

Trang 7

4 (A) + H2 (Ni, t0) => A chứa - Liên kết Л (trừ liên kết Л trong –COOH, -COOR’)

- Vòng không bền

5 (A) + dd HCl => A chứa nhóm có tính bazơ

- RNH2 (amin)

- NH2-R-COOH (amino axit)

- Muối tạo bởi axit yếu

6 (A) + AgNO3/NH3 → Ag↓, trắng

=> A chứa nhóm chức –CH=O

- RCHO (anđehit)

- HCOOH (axit fomic)

- HCOOR’ (este của axit fomic)

- HCOONH4, HCOONa

- Glucozơ, fructozơ, mantozơ

7 (A) + AgNO3/NH3 → ↓ vàng - A là ankin đầu mạch (HC≡CH, R-(C≡CH)x

8 (A) + Cu(OH)2 (t0 thường) => A có

- Rượu có ít nhất 2 nhóm –OH cạnh nhau

- Nhóm axit –COOH

- Có chứa từ 2 liên kết peptit trở lên (phản ứng màu Biure)

Lưu ý: - Nếu A có nhiều nhóm –OH cạnh nhau => tạo phức màu xanh lam

- Nếu A có nhóm –COOH sẽ hòa tan Cu(OH)2 => dung dịch màu xanh (Cu2+)

- Nếu A có từ 2 liên kết peptit trở lên => tạo phức màu tím (tripeptit, polipeptit, protein,…)

9 (A) + Cu(OH)2/OH-, t0 → Cu2O đỏ gạch

=> A chứa nhóm –CHO

- Nhóm anđehit –CHO (trừ fructozơ)

10 (A) + dd Br2 → mất màu dd Br2

=> A chứa

- Liên kết Л ở gốc hiđrocacbon kém bền (nối đôi, ba)

- Nhóm anđehit –CHO (trừ fructozơ)

- Vòng không bền (3 cạnh)

- Phenol, anilin cho kết tủa trắng

Trang 8

LTĐH – H13

MỘT SỐ LƯU Ý CỤ THỂ TRONG MỘT SỐ CHẤT THƯỜNG GẶP

I Hydro cacbon

1 Ankan: Chỉ có về đồng phân cấu tạo

Số đồng phân của ankan bằng số đồng phân mạch carbon hở

Ba chất đầu dãy đồng đẳng: CH4, C2H6 và C3H8 không có đồng phân

Từ C4H10 trở đi có đồng phân về mạch cacbon (bao gồm mạch không nhánh và mạch có nhánh)

Số nguyên tử cacbon (n) trong phân tử ankan (CnH2n+2) tăng thì số đồng phân cấu tạo càng tăng

Ví dụ:

2 Xicloankan: chỉ xét về đồng phân cấu tạo trong chương trình THPT

Số đồng phân của xiclo ankan bằng số đồng phân mạch cacbon vòng

3 Anken, ankin: triển khai các bước trên

Xét đối với anken:

Bước 1: Viết các đồng phân cấu tạo

1 Đồng phân mạch không nhánh

a Đặt liên kết đôi ở dạng mạch Cacbon

b Di chuyển vị trí của liên kết đôi trên vị trí của mạch (chú ý về tính đối xứng)

2 Đồng phân mạch nhánh

a Có định vị trí của liên kết đôi và di chuyển nhánh

b Có định nhánh và di chuyển vị trí của liên kết đôi

Bước 2: Viết tất cả các đồng phân hình học

1 Viết tất cả các đồng phân cis

2 Viết tất cả các đồng phân trans

2  (nếu n là số chẵn)

Số đồng phân = 2n-1 +

n 1 1 2

2



(nếu n là số lẻ)

Lưu ý: Khi đã tính số ĐPHH thì không tính cái ĐPCT mà sinh ra các đồng phân hình học này

4 Nhóm chức hóa trị I: ( -X, -OH, -COOH, -CHO, -NO 2 , -NH 2 …)

Cũng thực hiện tương tự như với Anken nhưng đánh số lên trên đầu C

Ví dụ: Tìm đồng phân mạch hở của C5H9OH

C

C C CCC

 C5H9OH có 8 đồng phân

Lưu ý: nếu là hợp chất không no thì ta phải viết tất cả các mạch carbon có chứa liên kết  trước sau đó mới đánh số

thứ tự

5 Nhóm chức hóa trị II: (-O- , -CO-, -NH- …trừ Este –COO- )

Ta thực hiện hoàn toàn tương tự như Anken (lưu ý tính no hoặc không no của hợp chất)

6 Este ta chia làm 2 loại HCOO-R và R-COO-R’

a) Với loại HCOO-R ta coi nhóm HCOO- như nhóm chức hóa trị I và làm tương tự như trên

Trang 9

b) Với loại R-COO-R’ ta làm tương tự nhóm chức hóa trị II nhưng đặc biệt lưu ý vì nhóm –COO- là nhóm bất

đối xứng nên sẽ không có tình trạng trùng vị trí khi mach carbon đối xứng như nhóm hóa trị II ở trên, còn khi mạch carbon cũng bất đối xứng thì ta phải viết lại mạch đối xứng với mạch đó và tiếp tục đánh số đồng phân

VD: tìm số đồng phân Este của C6H12O2

Loại HCOO- :

Loại R-COO-R’:

 C6H12O2 có 20 đồng phân Este

7 AREN: Chia làm 3 loại:

C6H5-R tương tự nhóm chức hóa trị I

R-C6H4-R’làm tương tự nhóm chức Este sau đó nhân cho 3 lần

Loại đồng phân 3 nhánh giống nhau luôn luôn có 3 đồng phân

VD: Tìm đồng phân của C9H12

I

Các thiết lập công thức tổng quát của hidrocacbon no mạch hở

 Gọi hiđrocacbon ban đầu có x nguyên tử C thì tổng số electron hóa trị tự do ban đầu của x nguyên tử C sẽ là 4x

 Để tạo mạch hở, gồm toàn nối đơn thì giữa x nguyên tử C phải có (x-1) nối đơn C – C và dùng mất 2(x-1) electron hóa trị

 Số electron hóa trị còn lại của C sẽ kết hợp với electron hóa trị của H để tạo ra [4x-2(x-1)] = 2x + 2 liên kết C –

H

Do đó công thức chung cho dãy đồng đẳng hiđrocacbon no, mạch hở là: CnH2n+2

Hiđrocacbon no, mạch hở được xem là có công thức ở mức bão hòa, vì khi tạo thêm liên kết π hoặc vòng vào công thức thì ta đều phải mất thêm e để tạo thành liên kết

Từ đó, ta có một hệ thức với hiđrocacbon bất kì CxHy thì luôn có: y 2x 2 

Mở rộng kết quả này cho hợp chất CxHyOzNt thì ta sẽ có: y 2x t 2   và đồng thời có công thức tính độ bất bão hòa là: 2x t 2 y

Để có thể hiếu được một cách thấu đáo công thức trên, tôi xin đưa ra cách giải thích như sau:

o Trong công thức bão hòa (mạch hở và chỉ có nối đơn) mỗi nguyên tử muốn gắn vào mạch C thì đều phải mất

2 electron để tạo thành liên kết đơn với 2 nguyên tử nằm ở hai bên nó

o Như vậy, số electron hóa trị mà nó còn lại bằng số electron hóa trị vốn có của nó trừ đi 2

Ví dụ: trong hợp chất CxHyOzNt thì số electron hóa trị còn lại của các nguyên tố lần lượt là

Với nguyên tử C: x(4-2) = 2x

H: y(1-2) = -y O: z(2-2) = 0 N: t(3-2) = 2t Chỉ trừ 2 nguyên tử nằm ở hai đầu mạch chỉ phải liên kết với một nguyên tử khác nằm ở phía trong mạch Do đó, phải cộng thêm 2 => Tổng số electron hóa trị còn lại là: 2x + t + 2 – y

C C C C C C C C C

C

C C C C C

Trang 10

LTĐH – H13

o Mỗi một liên kết π hoặc mỗi vòng sẽ làm tiêu tốn của phân tử thêm 2 e để tạo thành liên kết, do đó mà số liên kết π hoặc số vòng sẽ là :

2x t 2 yk

2

  

Đại lượng k đặc trưng cho mức độ không no của phân tử nên được gọi là độ bất bão hòa

Bài 1: Viết CTCT của các đồng phân có công thức phân tử C6H14

Độ bất bão hòa k = 0 => là hiđrocacbon no, mạch hở

Vậy nó chí có dạng đồng phân về mạch cacbon (mạch thẳng, mạch nhánh)

Với 6C thì có thể có được những dạng mạch C như sau:

C

CC

Bài tập 2: Viết CTCT của các đồng phân có CTPT là C5H10

Có k = 1 => Trong phân tử có 1 liên kết π, mạch hở hoặc có dạng mạch vòng

Trong phân tử có 1 liên kết π, quan sát các dạng mạch cacbon và dựa vào tính đối xứng của phân tử, ta có thể có các cách đặt vị trí của liên kết pi như sau:

C

CCC

Vậy khi đó có thể có được 5 công thức phân tử tương ứng như sau:

C C

Trong 5 đồng phân trên, nếu chúng ta xác định cả đồng phân hình học thì sẽ có 1 đồng phân xuất hiện đồng phân hình học cis – trans:

CC

C C

C

CC

C CC

Vậy tổng số đồng phân cấu tạo + hình học dạng mạch hở của 5C là: 5 + 1

C C

C

CC

C

CC

CCTổng số đồng phân cấu tạo dạng mạch vòng là 5:

=> Với C5H10 có tổng tất cả các đồng phân là (cấu tạo, hình học, mạch hở và mạch vòng) là 11 đồng phân

Trang 11

Bài tập 3: Viết CTCT của các đồng phân ứng với CTPT là C4H10O

Có k = 0 vậy chất trên ở dạng no, mạch hở

Có 1 nguyên tử O => Có thể là rượu hoặc là ete

Với 4C có thể có được các dạng mạch C như sau:

C+ Đồng phân của rượu: Là đồng phân mà có nhóm –OH đặc gắn vào nguyên tử C no

Quan sát dạng mạch C của 4C và tính đối xứng của mạch, ta có thể có các vị trí điền nhóm –OH như sau

CVậy có 4 đồng phân của rượu

+ Đồng phân của ete: là đồng phân mà trong phân tử có 2 gốc hiđrocacbon được liên kết vào hai bên của nguyên tử

O (R – O – R’ )

Quan sát dạng mạch C của 4C và tính đối xứng của phân tử, ta có thể có các vị trí điền nguyên tử O

CVậy khi đó có 3 đồng phân ete

=> Ứng với công thức phân tử là C4H10O có tất cả 4 đồng phân (3 ete và 4 rượu)

Bài tập 4: Viết các CTCT của các đồng phân ứng với CTPT là C4H9Cl

Với 4C thì ta có thể có các dạng mạch C như sau:

CTrong phân tử có nguyên tố Clo, là nguyên tố có hóa trị 1, nó chỉ có thể gắn được trên nguyên tử C Dựa trên dạng mạch và tính đối xứng của phân tử, ta có thể có các vị trí gắn nguyên tử Cl trên nguyên tử C là:

CVậy khi đó sẽ có 4 đồng phân

Bài tập 5: Viết các CTCT của các đồng phân ứng với CTPT là C4H11N

Với 4C thì ta có thể có các dạng mạch C như sau:

CTrong phân tử có nguyên tố Nito, là nguyên tố có hóa trị 3, nó chỉ có thể gắn được trên nguyên tử C hoặc chen vào giữa mạch mạch C (có thể có 3 nguyên tử C gắn vào nguyên tử N)

Dựa trên dạng mạch và tính đối xứng của phân tử, ta có thể:

+ Có các vị trí gắn nguyên tử N trên nguyên tử C là:

C

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,39 MB