Hidrocacbon no

Phương pháp này thường dùng với các chất có nhiệt độ sôi cao hơn 40 o C và thấp hơn 160 o C vì những chất lỏng sôi thấp hơn 40 o C sẽ mất đi nhiều sau khi chưng cất nên không có hiệu qu

Chào mừng cô giáo và các bạn đến tham gia buổi thảo luận môn Hóa học hữu cơ

Nội dung bài thảo luận:

1 Vẽ sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử

2-metylpentan và penten-1

2 Nêu các phương pháp tách biệt và tinh chế hợp chất hữu cơ

3 Trình bày về Hiđrocacbon no.

1.1 Sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử

2-metylpentan:

1 AOs lai hóa với 3 AOp 4 orbitan lai hóa sp 3 của nguyên tử C

Hình 1: Sự hình thành lai hóa sp 3

Phân tử 2-metylpentan: CH3-CH-CH2-CH2-CH3

CH3

1.2 Sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử penten-1:

C1, C2: 1 AOs + 2 AOp > 3 AOsp2

C3, C4, C5: 1 AOs + 3 AOp > 4 AOsp3

Hình 2: Sự hình thành các liên kết trong phân tử penten-1:

CH2=CH-CH2-CH2-CH3.

π

2 Các phương pháp tách biệt và tinh chế hợp chất hữu cơ.

2.1 Phương pháp chưng cất

2.1.1 Chưng cất thường (chưng cất đơn giản, chưng cất đơn)

2.1.2 Chưng cất phân đoạn

2.1.3 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

2.2 Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại) 2.3 Phương pháp chiết

2.3.1 Chiết trong hệ chất rắn - lỏng

2.3.2 Chiết trong hệ chất lỏng - lỏng

2.4 Phương pháp thăng hoa

2.5 Phương pháp sắc kí

2.1.1 Chưng cất thường (chưng cất đơn giản, chưng cất đơn)

 Chưng cất đơn giản ở áp suất thường dùng để tách biệt chất đủ bền khi đun nóng và thực tế không bị phân hủy ở nhiệt độ sôi Phương pháp này thường dùng với các chất

có nhiệt độ sôi cao hơn 40 o C và thấp hơn 160 o C vì những chất lỏng sôi thấp hơn 40 o C sẽ mất đi nhiều sau khi chưng cất nên không có hiệu quả.

 Nếu chưng cất sử dụng ống sinh hàn, thì các ống sinh

hàn này thường được lắp xuôi để chất ngưng tụ thu được

ở bình hứng Tốc độ cất thường từ 1-2 giọt chất lỏng rơi vào bình hứng trong một giây Để chất lỏng sôi đều và

tránh hiện tượng quá lửa sẽ không có hiện tượng sôi với biểu hiện các hạt chất lỏng chuyển động trên bề mặt chất lỏng, dẫn đến hiện tượng thỉnh thoảng chất lỏng sôi trào mạnh và tràn sang bình hứng, cần phải cho vào bình cất một ít đá bọt, hay ống mao quản hàn kín một đầu vào

ngay khi bắt đầu đun nóng.

 Chú ý không được cho đá bọt vào bình cất khi đang sôi

Hình 2 1 Hệ thống chưng cất đơn giản ở áp suất thường

(1: bình chứa mẫu chưng cất, 2: nhiệt kế, 3: ống sinh hàn lắp xuôi, 4: sừng bò, 5: bình hứng)

Hình 2 2 Hệ thống chưng cất đơn giản ở áp suất thấp

(1: bình chứa mẫu chưng cất, 2: ống mao quản, 3: van, 4: nhiệt kế, 5: ống sinh hàn lắp xuôi, 6: sừng bò, 7: bình hứng, 8: van thông với áp suất khí quyển, 9: ống chữ T, 10: bình bảo hiểm, 11: áp kế)

 Hình 2 3 Hệ thống chưng cất đơn giản ở áp suất thường trong phòng thí nghiệm

Hình 2.4 Hệ thống chưng cất hiện đại

- Hóa chất và dụng cụ:

Hóa chất: nước máy, KMnO4, H2SO4 đặc.

Dụng cụ: nhiệt kế, bình cầu đáy tròn dung tích 250ml,

sinh hàn thẳng, sừng bò, bình tam giác.

- Cách tiến hành:

Cho vào bình cầu đáy tròn 100ml nước máy, 0,1g KMnO4

và 0,01ml H2SO4 đặc, 2 viên đá bọt và lắp ráp thiết bị như hình vẽ:

Ví dụ: Chưng cất nước bằng phương pháp chưng cất đơn giản ở

áp suất khí quyển:

Cắt bỏ giai đoạn đầu 10ml, tiếp đó lấy 80ml và luôn theo dõi nhiệt độ trong quá trình cất

Chú ý đun nóng bình cầu với tốc độ 25 giọt/phút không đun quá mạnh, cất với tốc độ nhanh sẽ gây hiện tượng quá nhiệt, làm cho việc đọc nhiệt độ sôi không đúng và sản phẩm cho ra không tinh khiết.

2.1.2 Chưng cất phân đoạn

Chưng cất phân đoạn được dùng để có được một độ tinh khiết cao của phần cất hay để chưng cất nhiều chất khác nhau từ một hỗn hợp Nếu nhiệt độ sôi gần nhau có thể chưng cất dưới áp suất thấp hơn để cải thiện bước tách vì như thế nhiệt độ sôi sẽ nằm xa

nhau hơn.

- Hóa chất và dụng cụ:

Hóa chất: axeton, toluen

Dụng cụ: nhiệt kế 200 o C; cột vigrơ; bình cầu đáy tròn

250ml; sinh hàn thẳng; sừng bò; bình hứng.

- Cách tiến hành: Cho vào bình cầu đáy tròn 50ml

axeton (sôi ở 56,4 o C), 50ml toluen (sôi ở 110,6 o C) và 3

viên đá bọt, lắp dụng cụ như hình vẽ sau:

Ví dụ: Sử dụng chưng cất phân đoạn để phân tách hỗn hợp axeton – toluen:

Đun và cất với tốc độ 20 giọt/phút, theo dõi nhiệt độ

và lấy làm 3 đoạn: đoạn 1 sôi 56 - 70 o C, đoạn 2 sôi ở

70 - 100 o C, đoạn 3 sôi ở 100 – 110,6 o C Thay bình cất nhỏ hơn rồi cho phân đoạn 1 vào cất để lấy

axeton tinh khiết ở 56 – 58 o C Phần còn lại cho vào phân đoạn 2 Cho phân đoạn 3 vào và cất lấy toluen tinh khiết ở 110,6 o C, đoạn sôi trước đó cho vào phân đoạn 2

Như vậy ở phân đoạn 1 và 3 ta sẽ thu được axeton

và toluen tinh khiết.

2.1.3 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Bản chất của phương pháp lôi cuốn hơi nước là làm bay hơi các hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao,

không tan hoặc ít tan trong nước bằng cách sục hơi nước vào hỗn hợp của các chất đó và nước Kết quả

là chất hữu cơ và nước sẽ ngưng tụ ở sinh hàn và chả xuống bình hứng Phương pháp cất lôi cuốn hơi nước thường dùng để tách riêng các chất hữu cơ

cất nhiều loại tinh dầu có giá trị trong y dược và đời sống như tinh dầu bạc hà, quế, hồi…

2.2 Phương pháp kết tinh (phương pháp kết tinh lại)

Kết tinh là quá trình hình thành và phát triển của tinh thể từ

tướng nóng chảy, dung dịch hay khí.

Phương pháp kết tinh lại là phương pháp tinh chế quan trọng dựa trên tính bão hòa của chất rắn cần tinh chế khi đun nóng

trong dung môi thích hợp, loại bỏ chất phụ và chất kết tinh trở lại khi làm lạnh.

Quá trình kết tinh lại gồm các giai ñoạn sau:

- Hòa tan mẫu chất rắn không tinh khiết trong dung môi thích

hợp

- Lọc nóng dung dịch trên để loại bỏ chất phụ khôngtan

- Làm lạnh dung dịch hoặc đuổi bớt dung môi để tạo dung dịch bão hòa và gây mầm kết tinh

- Làm khô tinh thể.

Quy trình này có thể làm lại nhiều lần để thu được chất tinh

khiết.

Ví dụ:

Ví dụ:

3.3 Cấu trúc phân tử

3.3.1 Ankan

và tồn tại chủ yếu ở dạng xen kẽ, vì đó là những

dạng bền

cực hoặc chỉ phân cực rất yếu Năng lượng của các liên kết đó thay đổi theo bậc của nguyên tử

cacbon, song nói chung là lớn ( khoảng

350-400kJ/mol) Vì vậy hầu hết các phản ứng của

ankan thường xảy ra theo kiểu đồng li

Ví dụ: Phân tử nonan:

Ví dụ: Phân tử propan

3.3.2 Xicloankan.

bền Do góc CCC bị ép nhiều so với góc bình

xiclopropan được hình thành bằng cách xen phủ một bên, chính vì vậy liên kết này kém bền

Vòng xiclohexan có dạng ghế nên các góc liên kết

tứ diện vẫn được đảm bảo còn các nguyên tử

hiđro luôn luôn ở vị trí xen kẽ

Mô hình xiclopentan

Mô hình xiclopropan

3.4 Tính chất

3.4.1 Tính chất vật lí:

khối của ankan tăng lên thì nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cũng tăng lên

của ankan tăng theo mạch cacbon, tối đa là 0.8g/ml

nước Ngược lại chúng tan trong các dung môi hữu

cơ, hòa tan được chất béo

- Trong phổ hồng ngoại của các ankan

xuất hiện các số sóng của dao động hóa trị C – H ở 2960 – 2850 cm-1 Nhóm metyl

và metylen có các dao động biến dạng C – H đặc trưng ở trong vùng 1470 – 1350

cm-1.

- Trên phổ tử ngoại gần ( từ 200 nm đến

400 nm) không có cực đại hấp thụ của

ankan, vì thế một số ankan được dùng

làm dung môi để hòa tan các chất cần

ghi phổ tử ngoại.

- Phổ cộng hưởng từ proton (1H-NMR)

của ankan có các tín hiệu đặc trưng ở 0.9 ppm ( nhóm

– CH3); 1,25 ppm (nhóm - CH2 - ) và 1.5 – 2.0 ppm (nhóm – CH - ), ta có thể

nhận biết được một ankan có phân

nhánh hay không.

3.4.2 Tính chất hóa học

1 Phản ứng thế:

Phản ứng chỉ xảy ra với Clo hoặc Brôm khi

chiếu sáng Iốt không phản ứng, còn Flo thì

Khi chiếu sáng hoặc đốt nóng hỗn hợp metan

và clo sẽ xảy ra phản ứng thế lần lượt các

nguyên tử hiđro bằng clo:

Cơ chế phản ứng halogen hóa ankan

Phản ứng clo hóa và brom hóa ankan xảy ra theo cơ chế gốc - dây chuyền.

Bước khơi mào:

Bước phát triển dây chuyền:

……

Bước đứt dây chuyền:

Chú thích:

(1): Phân tử clo hấp thụ ánh sáng bị phân cắt đồng

li thành 2 nguyên tử clo

(2): Nguyên tử clo là một gốc tự do hoạt động, nó

(3): Gốc CH3 không bền, nó tách lấy nguyên

tử Cl mới sinh ra ở phản ứng (3) lại tác dụng

tới hàng chục ngàn lần như một dây chuyền

(4)(5)(6): Các gốc tự do kết hợp với nhau thành

các phân tử bền hơn

Phản ứng của xicloankan với halogen

2 Phản ứng tách

a) Đêhiđrô hoá (tách hiđrô):

Ankan mạch ngắn khi đun nóng với xúc tác Cr2O3, Cu, Pt … thì tạo thành anken và H2 Thí dụ:

Riêng CH4 tuỳ theo nhiệt độ sẽ cho các phản ứng:

Phản ứng tách hiđro những ankan có 5-7 nguyên tử cacbon trong mạch chính có thể dẫn tới sự đóng vòng hoặc xa hơn nữa là thơm hóa Thí dụ:

b) Crắckinh

- Crắckinh là quá trình bẻ gãy mạch cacbon của các ankan mạch dài thành anken và ankan mạch ngắn

nào và gọi là crắckinh xúc tác

- Ứng dụng của phản ứng crắckinh ankan:

Trong công nghiệp dầu mỏ, quá trình này dùng để biến đổi các phân đoạn nặng thành sản phẩm nhẹ,

có nhiệt độ sôi gần bằng nhiệt độ sôi của

hiđrocacbon trong xăng

Crăckinh xúc tác với sự có mặt của hiđro thì sẽ

Còn trong những trường hợp crăckinh mà không có

mặt hiđro, sản phẩm phản ứng là hỗn hợp của ankan

b) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn:

R’-COONa

R-COOH + R’-COOH

NaOH

O2 không khí

- Oxi hóa xiclohexan

Hoạt tính sinh học của ankan:

Trong vi khuẩn và vi khuẩn cổ:

- Vi khuẩn cổ sản xuất mêtan trong dạ dày con bò là nguyên nhân tạo ra một lượng nhỏ mêtan trong khí quyển Trái Đất.

- Một số loại vi khuẩn nhất định có thể chuyển hóa các ankan: chúng ưa thích các ankan có mạch cacbon chẵn do chúng dễ

bị phân hủy hơn so với ankan mạch cacbon lẻ.

Mặt khác một số vi khuẩn cổ như mêtanogen, sản sinh ra một lượng lớn mêtan bằng cách chuyển hóa cacbon điôxít hoặc ôxi hóa các hợp chất hữu cơ khác Năng lượng được giải

phóng bằng sự ôxi hóa hiđrô:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

 Các ankan cũng đóng vai trò nhỏ trong sinh học của ba

nhóm eukaryot là: nấm, thực vật và động vật

họ Pichia, Rhodotorula, có thể sử dụng ankan như là nguồn cacbon và/hoặc năng lượng Loài nấmAmorphotheca resinae ưa thích các

ankan mạch dài trong nhiên liệu hàng không, và có thể sinh ra các vấn đề nghiêm trọng cho máy bay trong các khu vực nhiệt đới.

chúng tạo ra một lớp sáp rắn chắc-lớp cutin (biểu bì), trên các khu vực mà thực vật bị lột trần ra ngoài không khí Nó bảo vệ thực vật chống lại sự mất nước, đồng thời ngăn cản sự thất thoát của các khoáng chất quan trọng do bị mưa Nó cũng bảo vệ thực vật chống lại vi khuẩn, nấm và các côn trùng có hại Lớp vỏ sáng màu trên các loại quả như táo cũng chứa các ankan mạch dài Mạch cacbon

thông thường nằm giữa 20 và 30 nguyên tử cacbon và được thực vật sản xuất từ các axít béo Thành phần chính xác của lớp sáp

không chỉ phụ thuộc vào loài mà còn thay đổi theo mùa và các yếu

tố môi trường như điều kiện chiếu sáng, nhiệt độ và độ ẩm.

Nước tạo thành các giọt nhỏ trên màng mỏng chứa sáp ankan phủ bên trên vỏ quả táo

- Các ankan cũng được tìm thấy trong các sản phẩm của động vật, mặc dù chúng ít quan trọng hơn so với các hydrocacbon không no Một ví dụ là dầu gan cá mập chứa khoảng

14% pristan (2,6,10,14-tetramêtylpentadecan, C19H40) Sự có mặt của chúng là quan trọng hơn trong các pheromon, loại

hóa chất làm tín hiệu, mà gần như toàn bộ côn trùng đều cần khi liên lạc với nhau Với một số loại, như được sử dụng bởi

bọ cánh cứng Xylotrechus colonus, chủ yếu

là pentacosan (C25H52), 3-mêtylpentaicosan (C26H54) và mêtylpentaicosan (C26H54), chúng được chuyển giao bằng

9-sự tiếp xúc cơ thể Với các loài khác như muỗi xê xê Glossina

morsitans morsitans, pheromon chứa 4 ankan là

Một ví dụ về ankan mà cả trên động và thực vật đều có vai trò

là quan hệ sinh thái giữa ong cát (Andrena nigroaenea) và lan hình nhện (Ophrys sphegodes); trong đó hoa lan phụ thuộc

vào sự thụ phấn của ong Ngoài ra, ong cát sử dụng các

pheromon để xác định bạn tình của mình; trong trường hợp

của A nigroaenea, con cái sử dụng hỗn hợp

của tricosan (C23H48), pentacosan (C25H52) và heptacosan (C27H56) với tỷ lệ 3:3:1, và con đực bị hấp dẫn bởi mùi đặc trưng này Cây hoa lan đã nắm được ưu thế này— các phần trong hoa của nó không chỉ tương tự như bề ngoài của ong cát, mà nó còn sản xuất ra một lượng lớn cả 3 ankan nói trên với cùng một tỷ lệ tương tự Kết quả là hàng loạt ong đực bị quyến rũ bay đến và cố gắng giao hợp với bạn tình giả mạo của mình: mặc dù nỗ lực này không đem lại thành công cho ong, nhưng nó cho phép cây lan chuyển giao phấn hoa của

nó, được gieo rắc sau khi con đực nản chí bay sang các bông hoa khác

Lan hình nhện

3.5 Điều chế:

a) Trong công nghiệp:

Metan và các đồng đẳng được lấy từ khí thiên nhiên, khí mỏ dầu (khí đồng hành) từ dầu mỏ và sản phẩm chế biến dầu mỏ.

b) Trong phòng thí nghiệm:

có thể điều chế ankan từ các hiđrocacbon không

no tương ứng, từ dẫn xuất halogen và từ xeton

Người ta còn có thể điều chế các ankan thấp bằng

với NaOH (ở dạng vôi tôi xút) Thí dụ:

(rắn)

t o

CaO CH4 + Na2CO3

3.6 Ứng dụng:

a) Nhiên liệu:

(Liquefied Petroleum Gas; viết tắt: LPG).

Đây là cách diễn tả chung của propan có công thức hóa học là C3H8 và butan có công thức hóa học là C4H10, cả hai được tồn trữ riêng biệt hoặc chung với nhau như một hỗn hợp LPG được gọi là khí dầu mỏ hóa lỏng vì các chất khí này có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ bình thường bằng cách gia tăng áp suất vừa phải, hoặc ở áp suất bình thường bằng cách sử dụng kỹ thuật làm

lạnh để làm giảm nhiệt độ Trong thành phần

của LPG, thông thường, propan chiếm

50%, butan chiếm 50%.

Ứng dụng trong khí hóa lỏng

- Sử dụng làm nhiên liệu trong các động cơ đốt

trong Từ pentan tới octan thì ankan là các chất lỏng dễ bay hơi, do chúng dễ hóa hơi khi đi vào trong khoang đốt mà không tạo ra các giọt nhỏ

có thể làm hư hại tính đồng nhất của sự cháy

Các ankan mạch nhánh được ưa chuộng hơn, do chúng có sự bắt cháy muộn hơn so với các ankan mạch thẳng tương ứng (sự bắt cháy sớm là

nguyên nhân sinh ra các tiếng nổ lọc xọc trong động cơ và dễ làm hư hại động cơ) Bên cạnh

việc sử dụng như là nguồn nhiên liệu thì các

ankan này còn là dung môi tốt cho các chất

không phân cực

Ứng dụng làm nhiên liệu cho các loại

động cơ đốt trong

- Các ankan từ nonan tới hexadecan (ankan với

mạch chứa 16 nguyên tử cacbon) là các chất lỏng

có độ nhớt cao, ít phù hợp cho mục đích sử dụng như là xăng Ngược lại, chúng tạo ra thành phần chủ yếu của dầu điêzen và nhiên liệu hàng không Các nhiên liệu điêzen được đánh giá theo chỉ số cetan (cetan là tên gọi cũ của hexadecan) Tuy

nhiên, điểm nóng chảy cao của các ankan này có thể sinh ra các vấn đề ở nhiệt độ thấp và tại các vùng gần cực Trái Đất, khi đó nhiên liệu trở nên đặc quánh hơn và sự truyền dẫn của chúng không được đảm bảo chuẩn xác

Dùng làm nhiên liệu cho động cơ ô tô, xe máy.

Dùng làm nhiên liệu cho máy bay

Dùng làm nhiên liệu cho máy phát điện

- Các ankan từ hexadecan trở lên tạo ra thành phần quan trọng nhất của các loại chất đốt trong các lò

đốt và dầu bôi trơn Ở chức năng sau thì chúng làm việc như là các chất chống gỉ do bản chất không ưa nước của chúng làm cho nước không thể tiếp xúc với bề mặt kim loại Nhiều ankan rắn được sử dụng như là parafin, ví dụ trong các loại nến Không nên nhầm lẫn parafin với sáp thực sự (ví dụ sáp ong) chủ yếu là hỗn hợp của các este.

Ứng dụng ankan trong Dầu chống

gỉ sét và bôi trơn RP7

Ứng dụng ankan trong Dầu mỡ bôi trơn động cơ

Ứng dụng ankan trong việc sản xuất các loại nến

- Các ankan với độ dài mạch cacbon khoảng từ 35 trở lên được tìm thấy trong bitum, được sử dụng chủ yếu trong nhựa đường để rải đường