Lý thuyết hóa học hữu cơ luyện thi đại học dành cho giáo viên và học sinh...

Chương I – ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠA.TỔNG QUAN LÍ THUYẾT•Hợp chất hữu cơ (HCHC): là hợp chất của cacbon (trừ CO, CO2, muối cacbonat, xianua, cacbua…).•Đặc điểm chung của các HCHC:Nhất thiết phải chứa cacbon, thường có H, O, N, …Liên kết trong HCHC chủ yếu là liên kết cộng hóa trị, thường có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp, thường không tan hoặc ít tan trong nước, nhưng dễ tan trong dung môi hữu cơ.Thường kém bền với nhiệt; Phản ứng của các HCHC thường chậm, không hoàn toàn, không theo một hướng nhất định.•Phân loại HCHC:Hiđrocacbon: Chỉ gồm hai nguyên tố C và H; bao gồm hiđrocacbon no, hiđrocacbon không no, hiđrocacbon thơm.Dẫn xuất của hiđrocacbon: Ngoài C và H còn có nguyên tố khác như O, N, halogen,…•Danh pháp HCHCTên thông thường: thường được đặt tên theo nguồn gốc tìm ra chúng.Ví dụ: HCOOH: axit fomic (từ formica: con kiến)CH3COOH: axit axetic (từ acetus: giấm)Tên hệ thống: theo danh pháp IUPAC: Tên gốc – chức: Tên phần gốc + Tên phần định chức(tên phần gốc và tên phần định chức được viết cách nhau)

Lý Thuyết Hóa Hữu CơChương I – ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC HỮU CƠ

A TỔNG QUAN LÍ THUYẾT

 Hợp chất hữu cơ (HCHC): là hợp chất của cacbon (trừ CO, CO2, muối cacbonat, xianua, cacbua…)

 Liên kết trong HCHC chủ yếu là liên kết cộng hóa trị, thường có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp, thường không tan hoặc ít tan trong nước, nhưng dễ tan trong dung môi hữu cơ

 Tên thông thường: thường được đặt tên theo nguồn gốc tìm ra chúng

Ví dụ: HCOOH: axit fomic (từ formica: con kiến)

CH3COOH: axit axetic (từ acetus: giấm)

- Tên gốc – chức: Tên phần gốc + Tên phần định chức

(tên phần gốc và tên phần định chức được viết cách nhau)

Ví dụ:

- Mục đích: Xác định tỉ lệ khối lượng (hàm lượng) các nguyên tố có trong HCHC

- Nguyên tắc: “chuyển” các nguyên tố trong HCHC thành các chất vô cơ đơn giản rồi định lượng chúng bằng phương pháp khối lượng, phương pháp thể tích hoặc phương pháp khác

CTPT: cho ta biết số nguyên tử của các nguyên tố có trong phân tử

Mn

3

CH

CH C (tert - butyl) CH

(nep – pentyl)

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

b) Gốc hiđro không no, hóa trị (I)

R C OH

O

R C

HCHC đa chức: Phân tử có 2 hay nhiều nhóm chức giống nhau.

HCHC tạp chức: Phân tử có 2 hay nhiều nhóm chức khác nhau.

IV Bậc của một số hợp chất hữu cơ

1) Bậc nguyên tử cacbon: đúng bằng số nguyên tử cacbon liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon đó.

Một số quy tắc viết phương trình phản ứng trong hóa học hữu cơ

I Quy tắc thế vào phân tử ankan, anken, ankin

1) Thế halogen (Cl, Br) vào phân tử ankan CnH2n+2 tỉ lệ mol (1:1)

Nguyên tử H gắn với nguyên tử cacbon có bậc càng cao, dễ dàng bị thay thế bởi Clo ( hay brom)

2) Thế halogen vào phân tử anken ở nhiệt độ cao

Ưu tiên thế cho H của nguyên tử Cα so với C của nối đôi

Ví dụ: CH2 CH CH 3Cl2  500 Co CH2 CH CH Cl HCl  2 

3) Thế ion kim loại Ag+, Cu2+ (ở dạng muối trong NH3)

Chỉ ankin có liên kết ba C ≡ C ở đầu mạch (tức là có H dễ thế) mới có phản ứng

II Quy tắc cộng Maccopnhicop (Markovnikov)

Khi cộng một tác nhân không đối xứng (HX, HOH …) vào một anken (hay ankin) không đối xứng, phản ứng xảy ra theo hướng:

- Phần dương (+) của tác nhân sẽ liên kết với cacbon có nhiều hiđro hơn

Lý Thuyết Hĩa Hữu Cơ

- Phần âm ( – ) của tác nhân sẽ liên kết với cacbon ít hiđro hơn của liên kết đơi hay liên kết ba

III Quy tắc loại Zaixep (Zaisev)

Trong phản ứng tách H2O khỏi rượu (hay tách HX khỏi dẫn xuất halogen RX), nhĩm – OH (hay – X) ưu tiên tách ra cùng với nguyên tử H của cacbon kế cận hơn

(sản phẩm phụ)

IV Quy tắc thế vào vịng nhân thơm (vịng benzen)

Khi trong vịng benzen đã cĩ sẵn nhĩm thế A, vị trí kế tiếp trên nhân sẽ phụ thuộc bản chất của nhĩm thế A

 Phản ứng thế vào nhân xảy ra dễ hơn, ưu tiên vào vị

trí ortho (–o) và para (–p).

Nếu A là nhĩm hút electron: (thường khơng no cĩ chứa liên kết )

Ví dụ: –NO2, –SO3H, –CHO, –COOH,…

 Phản ứng thế vào nhân xảy ra khĩ hơn, ưu tiên vào

C1C2 2CH4     làm lạnh nhanh150 Co C H2 23H2

ở anot (+) ở catot ( )

Ví dụ:

II Giảm mạch cacbon

Lý Thuyết Hĩa Hữu Cơ

CH COONa NaOH3    CaO,to CH4  Na CO2 3Giảm 2 hay 3 lần

Phương pháp oxi hĩa aren

C H CH CH6 5 2 36[O]    KMnO đặc4 C H6 5 COOH CO 22H O2

III Cơng thức tổng quát (CTTQ) của một số hợp chất hữu cơ (HCHC)

(A) chứa C, H

y 2x 2 , chẵn(A) chứa C, H, N

(A) chứa C, H, O, N CCxxHHyyNOtzNt

y 2x 2 t(với y, t cùng chẵn hay cùng lẻ)(A) chứa C, H, X

Rượu đơn, no, bậc I

Rượu thơm, 1 vịng nhân benzen

CHƯƠNG II – HIĐROCACBON

A - Ankan

I Công thức - cấu tạo - cách gọi tên

1 Cấu tạo:

- Mạch C hở, có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh

- Trong phân tử chỉ có liên kết đơn (liên kết ) tạo thành từ 4 obitan lai hoá sp) tạo thành từ 4 obitan lai hoá sp 3 của nguyên tử C,

có thể quay tương đối tự do xung quanh các liên kết đơn

- Hiện tượng đồng phân do các mạch C khác nhau (có nhánh khác nhau hoặc không có nhánh)

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

o o

Iot không có phản ứng thế với ankan Flo phân huỷ ankan kèm theo nổ

Những ankan có phân tử lớn tham gia phản ứng thế êm dịu hơn và ưu tiên thế những nguyên tử H của nguyên tử C hoặc cao

o o

Ni

2 500 C 4 xt,t

2 3

d) Từ hợp chất cacbua kim loại:

- Dùng làm nhiên liệu (CH4 dùng trong đèn xì để hàn, cắt kim loại)

- Dùng làm dầu bôi trơn

- Dùng làm dung môi

- Để tổng hợp nhiều chất hữu cơ khác: CH3Cl, CH2Cl2, CCl4, CF2Cl2,…

- Đặc biệt từ CH4 điều chế được nhiều chất khác nhau: hỗn hợp CO + H2, amoniac,

CH ≡ CH, rượu metylic, anđehit fomic

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

B - Anken

I Công thức - cấu tạo - cách gọi tên

1 Cấu tạo:

Mạch C hở, có thể phân nhánh hoặc không phân nhánh

Trong phân tử có 1 liên kết đôi: gồm 1 liên kết  và 1 liên kết  Nguyên tử C ở liên kết đôi thamgia 3 liên kết  nhờ 3 obitan lai hoá sp2, còn liên kết  nhờ obitan p không lai hoá

Đặc biệt phân tử CH2 = CH2 có cấu trúc phẳng

thể quay quanh liên kết đôi vì khi quay như vậy liên kết  bị phá vỡ

Hiện tượng đồng phân do: Mạch cacbon khác nhau, vị trí của nối đôi khác nhau Nhiều anken có đồng phân cis - trans

C = C

H CH(trans but 2 en)  Anken có đồng phân với xicloankan

2 Cách gọi tên

a) Mach C không nhánh: Tên mạch C + số chỉ cị trí nối đôi + en.

b) Mach C có nhánh:

Số chỉ vị trí nhánh – tên nhánh + Tên mạch chính + số chỉ vị trí nối đôi + en.

Mạch chính là mạch có nối đôi với số thứ tự của C ở nối đôi nhỏ nhất

c) Cộng hợp hiđrohalogenua

(Theo dãy HCl, HBr, HI phản ứng dễ dần)

Đối với các anken khác, nguyên tử halogen (trong HX) mang điện âm, ưu tiên đính vào nguyên tử

C bậc cao (theo quy tắc Maccôpnhicôp)

d) Cộng hợp H 2 O (đun nóng, có axit loãng xúc tác)

Cũng tuân theo quy tắc Maccôpnhicôp: Nhóm - OH đính vào C bậc cao

b) Phản ứng oxi hoá êm dịu: Tạo thành rượu 2 lần rượu hoặc đứt mạch C chỗ nối đôi tạo thành

anđehit hoặc axit

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

Tách H2 khỏi ankan: (công nghiệp)

(Phản ứng trong dung dịch rượu với bột kẽm xúc tác)

V Ứng dụng

Dùng để sản xuất rượu, các dẫn xuất halogen và các chất khác

Để trùng hợp polime: polietilen, poliprpilen

Etilen còn được dùng làm quả mau chín

a) Cộng halogen làm mất màu nước brom

Đủ brom, các nối đôi sẽ bị bão hoà

b) Cộng H 2 :

c) Cộng hiđrohalogenua:

2 Phản ứng trùng hợp:

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

IV Điều chế:

1 Tách hiđro khỏi hiđrocacbon no:

Phản ứng xảy ra ở 600oC, xúc tác Cr2O3 + Al2O3, áp suất thấp

2 3 2 3 o

D - Ankin

I Công thức - cấu tạo - cách gọi tên

1 Cấu tạo:

Trong phân tử có một liên kết ba (gồm 1 liên kết và 2 liên kết )

Đặc biệt phân tử axetilen có cấu hình đường thẳng ( H - C = C - H : 4 nguyên tử nằm trên một đường thẳng)

Trong phân tử có 2 liên kết làm độ dài liên kết C = C giảm so với liên kết C = C và C – C Các nguyên tử C không thể quay tự do quanh liên kết ba

2 Đồng phân:

Hiện tượng đồng phân là do mạch C khác nhau và do vị trí nối ba khác nhau

Ngoài ra còn đồng phân với ankađien và hiđrocacbon vòng

chỗ nối ba để tạo thành anđehit hoặc axit

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

b) Cộng halogen (làm mất màu nước brom)

IV Điều chế

1 Điều chế axetilen

a) Tổng hợp trực tiếp

b) Từ metan

c) Thuỷ phân canxi cacbua

d) Tách hiđro của etan

2 Điều chế các ankin

a) Tách hiđrohalogenua khỏi dẫn xuất đihalogen

b) Phản ứng giữa axetilenua với dẫn xuất halogen

V Ứng dụng của ankin

Chỉ có axetilen có nhiều ứng dụng quan trọng

- Để thắp sáng (khí đất đèn)

- Dùng trong đèn xì để hàn, cắt kim loại

- Dùng để tổng hợp nhiều chất hữu cơ khác nhau: anđehit axetic, cao su tổng hợp (policlopren), các chất dẻo và các dung môi,…

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

AREN

Benzen C 6 H 6

1 Cấu tạo - đồng phân - tên gọi

a) Cấu tạo

- Phân tử benzen có cấu tạo vòng 6 cạnh đều Mỗi nguyên tử C trong phân tử benzen tham gia 3

liên kết với 2C bên cạnh và H nhờ 3 obitan lai hoá sp2 nên tất cả các nguyên tử C và H đều nằm trên cùng mặt phẳng Còn mối liên kết thứ 4 (liên kết ) được tạo nên nhờ obitan 2p có trục vuông góc với mặt phẳng phân tử Khoảng cách giữa các nguyên tử C trong phân tử là bằng nhau nên mây electron p của nguyên tử C xen phủ đều với 2 mây electron 2p của 2 nguyên tử C bên cạnh, do đó trong phân tử benzen không hình thành 3 liên kết riêng biệt mà là một hệ liên kết thống nhất gọi

là hệ liên hợp thơm, quyết định những tính chất thơm đặc trưng của nhân benzen; vừa thể hiện tính

chất no, vừa thể hiện tính chất chưa no

Vì thế CTCT của benzen thường được biểu diễn bằng mấy cách sau:

- Gốc hiđrocacbon thơm

Khi tách bớt 1H khỏi phân tử benzen ta được gốc phenyl C6H5

-Khi tách bớt 1H khỏi nguyên tử C trên nhân benzen của 1 phân tử hiđrocacbon thơm ta được gốc

aryl.

Nếu tách 2H thì được gốc phenylen và arylen

b) Đồng phân

Vì các liên kết C - C trong nhân benzen đồng nhất nên benzen chỉ có 3 đồng phân vị trí

- Nếu hai nhóm thế ở hai C lân cận ta có đồng phân ortho (viết tắt là o-) hoặc đánh số 1, 2.

- Nếu hai nhóm thế cách nhau một nguyên tử C (một đỉnh lục giác gọi là đồng phân meta (viết tắt

là m-) hoặc 1, 3.

- Nếu hai nhóm thế ở hai nguyên tử C đối đỉnh gọi là đồng phân para (viết tắt là p-) hoặc 1, 4.

Ví dụ: Các đồng phân của điclobenzen C6H4Cl2

2 Tính chất vật lý

- Benzen là chất lỏng không màu, rất linh động, có mùi đặc trưng, nhiệt độ sôi = 80oC

- Benzen nhẹ hơn nước, không tan trong nước, nhưng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ như rượu, ete, axeton

- Benzen là dung môi tốt để hoà tan nhiều chất như Cl2, Br2, I2, S, P,…chất béo, cao su

- Những chất đơn giản nhất trong dãy đồng đẳng của benzen là chất lỏng, những đồng đẳng cao hơn là chất rắn

- Benzen được dùng làm nguyên liệu đầu để điều chế thuốc nhuộm, thuốc chữa bệnh, sợi tổng hợp,chất dẻo, phenol, nitrobenzen, anilin

Benzen là một trong những dung môi hữu cơ tốt nhất

3 Tính chất hoá học của benzen.

Benzen vừa tham gia phản ứng thế vừa tham gia phản ứng cộng, trong đó phản ứng thế đặc trưng

hơn, chứng tỏ nhân benzen rất bền Đặc điểm đó của benzen gọi chung là tính thơm

a) Phản ứng thế: Dễ dàng hơn hiđrocacbon no mạch hở.

- Với halogen nguyên chất (Cl2, Br2) phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thường có vỏ bào sắt xúc tác:

(brombenzen)

Chú ý: Bình thường benzen không làm mất màu nước brom.

- Phản ứng nitro hoá: Với HNO3 bốc khói, có mặt H2SO4 đặc, đun nóng nhẹ

- Phản ứng với H 2 SO 4 đặc

- Phản ứng với dẫn xuất halogen

b) Phản ứng cộng: Khó xảy ra hơn hiđrocacbon chưa no, mạch hở.

- Cộng hợp hiđro

- Cộng hợp clo và brom

4 Tính chất hoá học của các đồng đẳng benzen

a) Phản ứng thế

- Thế trên nhân benzen Phản ứng thế trên nhân benzen của các đồng đẳng phụ thuộc vào ảnh

hưởng của nhóm thế có sẵn đối với nhân benzen Người ta chia thành 2 loại

+ Nhóm thế là nhóm đẩy electron:

- OCH3, gốc ankyl - R, … (+C, +H) làm mật độ electron ở các vị trí ortho và para tăng, do đó phản ứng thế xảy ra dễ hơn (định hướng thế vào vị trí o-, p-)

Ví dụ phân tử toluen C6H5 - CH3

+ Nhóm thế là nhóm hút electron

- CHO… (- C) làm giảm mật độ electron ở vị trí meta có trội hơn (định hướng thế vào vị trí m-)

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

Sau đây là phản ứng thế của Br2 ứng với 2 trường hợp trên

- Thế trên gốc ankyl: Với halogen xảy ra khi chiếu sáng không có xúc tác.

b) Điều chế các hiđrocacbon thơm khác

Giới thiệu một số hiđrocacbon thơm

a) Tuloen C6H5 - CH3: là chất lỏng (nhiệt độ sôi = 111oC), có mùi giống benzen, không tan trong nước, tan trong một số dung môi hữu cơ

b) Etylbenzen C6H5 - CH2 - CH3 là chất lỏng không màu, có mùi giống benzen (nhiệt độ sôi =

136oC), ít tan trong nước

c) Stiren C6H5 - CH = CH2 là chất lỏng (nhiệt độ sôi = 145oC) Ít tan trong nước, tan nhiều trong rượu, ete, xeton

Dễ tham gia phản ứng cộng ở nối đôi của mạch nhánh.

Phản ứng trùng hợp xảy ra rất dễ dàng khi có mặt chất xúc tác:

Polistiren là chất rắn trong suốt, dễ gia công nhiệt, dùng làm vật liệu điện, dụng cụ gia đình

Stiren đồng trùng hợp với butađien tạo thành cao su butađien - stiren.

d) Xilen C6H4(CH)3 : có 3 dạng

e) Hiđrocacbon thơm có nhiều vòng benzen.

- Điphenyl C6H5 - C6H5 : chất rắn, tan trong rượu, ete

- Naphtalen C10H8:

Chất rắn

- Antraxen C14H10

Lý Thuyết Hóa Hữu CơCHƯƠNG III – DẪN XUẤT HALOGEN CỦA HIĐROCACBON – ANCOL – PHENOL

Dẫn xuất Halogen

1 Công thức tổng quát: CxHyClz

2 Phân loại – đồng phân – danh pháp:

* Phân loại:

Dẫn xuất halogen no

Dẫn xuất halogen không no

Dẫn xuất halogen thơm

o ancol,t

* Các phản ứng đặc biệt của halogen:

Dẫn xuất halogen không no: nhóm halogen gắn với C không no khi thủy phân trong môi trường kiềm chuyển thành anđehit hoặc xeton

o t

o t

o t

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

ANCOL (Rượu)

Định Nghĩa – CTTQ – Đồng Phân – Danh Pháp:

 Định nghĩa: Ancol là những hợp chất hữu cơ mà phân tử có nhóm –OH liên kết trực tiếp với nguyên tử

C no

 Công thức tổng quát: R(OH)a hay CnH2n+2-2k-a(OH)a (a ≤ n)

- Theo cấu tạo gốc hiđrocacbon: ancol no, không no, thơm

I ANKANOL (rượu no, đơn chức): C n H 2n+1 OH

Tên gốc chức: Ancol + Tên gốc hiđrocacbon + ic.

Ví dụ: CH3OH: ancol metylic, C2H5OH: ancol etylic

Tên thay thế: Tên gốc hiđrocacbon tương ứng + số chỉ vị trí nhóm –OH + ol

Nguyên nhân: ancol có liên kết –O–H phân cực nên hình thành được liên kết hiđro với nhau (làm tăng nhiệt

độ nóng chảy, nhiệt độ sôi) và với nước (làm tăng độ tan trong nước)

.O H O H O H O H O H O H O H O H O H

b) Thế nhóm nhóm –OH ancol bằng gốc axit

H SO

n 2n 2 170 C n 2n 2

2 4 o

* Ancol bậc 1 bị oxi hóa nhẹ thành anđehit

o o

Dùng điều chế rượu etylic

d) Oxi hóa không hoàn toàn

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

o Cu/ 200 C,100atm

3 o

ZnO, CrO

2 400 C, 200atm 3

Dùng điều chế CH3OH

II POLIANCOL: R(OH) a hay C n H 2n+2-2k-a (OH) a

Với k là số liên kết  hay vòng (a ≤ n)

- Mỗi C chỉ chứa tối đa một nhóm –OH

- Nếu C gắn với từ 2 nhóm –OH trở lên sẽ không bền và bị mất H2O, đưa về hợp chất bền hơn

2

H O 2

2

H O 2

Poliancol có các tính chất tương tự như ancol đơn chức Riêng đối với poliancol có từ 2 nhóm –OH trở lên gắn ở 2 C liền kề thì có khả năng làm tan Cu(OH)2, tạo thành phức chất tan, màu xanh lam thẫm đặc trưng.Phản ứng này dùng để nhận biết chúng

- liên kết O – H trở nên phân cực hơn (so với OH của ancol)  Dung dịch phenol có tính axit yếu (dung dịch phenol không làm đổi màu quì tím)

- mật độ electron ở vòng benzen tăng lên, nhất là ở các vị trí o và p  phản ứng thế ở vòng benzen dễ hơn.

- liên kết C – O trở nên bền vững hơn so với ancol  nhóm OH của phenol không bị thế bởi gốc axit như ở

a) Tính axit:

- Phản ứng với kiêm loại kiềm:

- Phản ứng với dung dịch kiềm:

(Natri phenolat tan)

b) Phản ứng thế: ở vòng benzen

OH OH

Br Br

+ 3Br2  

Br kết tủa trắng

(2,4,6 – tribrom phenol)

OH OH

O2N NO2 + 3HNO3 H SO ñ 2 4    

NO2 2,4,6 – trinitro phenol

(axit picric)

3) Điều chế phenol:

Từ benzen theo sơ đồ sau:

2 4

 

Hoặc

o 2

Cl / Fe NaOH, ññ, t , p H

Lý Thuyết Hóa Hữu Cơ

CHƯƠNG IV: ANĐEHIT – XETON – AXIT.

I ANĐEHIT

1) Định nghĩa – Phân loại – Danh pháp:

*Định nghĩa: Anđehit là những hợp chất hữu cơ mà phân tử có nhóm CH O liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon hoặc hiđro

*Phân loại: Tùy vào cấu trúc mạch cacbon mà ta chia thành các loại: andehit no, không no và thơm.

*Đồng phân anđehit về mạch cacbon.

Dùng để nhận biết hoặc tách anđehit

Khi cho tác dụng với axit hoặc với bazơ mạch thì tái tạo lại anđehit ban đầu

b/ Bằng dung dịch

3RCOOH 2MnO    2KOH

Phản ứng dùng để nhận biết anđêhit

t

R(COONH ) +2aNH NO +2aAg

Phản ứng dùng để nhận biết anđehit và để tráng gương, tráng ruột phích

Từ tỉ lệ mol của Ag và anđehit suy ra số nhóm anđehit trong

anñehit

Kết luận: Anđehit vừa là chất oxi hóa, vừa là chất khử.

*Chú ý: Đối với anđehit fomic HCHO coi như là anđehit 2 chức:

Tên của hiđrocacbon + al