DẠY HÓA BẰNG TIẾNG ANH HÓA HỮU CƠ (p2)

CHAPTER 15 ORGANIC COMPOUNDS AND THE ATOMIC PROPERTIES OF CARBON 15.3 SOME IMPORTANT CLASSES OF ORGANIC REACTIONS Organic reactions are classified according to the chemical process involved Three important classes are addition, elimination, and substitution reactions To depict reactions more generally, it’s common practice to use an uppercase R with a single bond, R-, to signify a nonreacting organic group attached to one of the atoms shown; you can usually picture R- as an alkyl group, a saturated hydrocarbon group with one bond available to link to another atom Thus R-CH 2-Br has an alkyl group attached to a CH2 group bonded to a Br atom; R-CH-CH is an alkene with an alkyl group to one of the carbons in the double bond; and so forth (Often, when more than one R group is present, we write R, R’, R”, and so forth, to indicate that these groups may be different.) 15.3 MỘT VÀI LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC HỮU CƠ QUAN TRỌNG Cá phản ứng hóa học hữu phân loại dựa vào trình hóa học liên quan Ba loại phản ứng quan trọng phản ứng cộng, phản ứng tách, phản ứng Để mô tả phản ứng cách tổng quát, sữ dụng chữ hoa R với liên kết đơn, R-, để biểu thị nhóm hữu không phản ứng liên kết với nguyên tử đưa Các bạn hình dung R- nhóm ankin, nhóm hydrocarbon bão hòa với liên kết có sẵn để nối với nguyên tử khác Do đó, R-CH2-Br có nhóm ankin gắn với nhóm CH liên kết với nguyên tử Br; R-CH=CH2 anken với nhóm ankin gắn liền với cacbon liên kết đôi; vân vân (thường có nhóm R xuất hiện, kí hiệu R, R’, R”, tăng lên thế, để biểu thị nhóm khác nhau.) The three classes of organic reactions we discuss here can be identified by comparing the number of bonds to C in reactants and products An addition reaction occurrs when an unsaturated reactant becomes a saturated product: R CH CH R + X Y R X Y C C R Note the C atoms are bonded to more atoms in the product than in the reactant The C=C and C≡C bonds and the C=O bond commodity undergo addition reactions In each case, the π bond breaks, leaving the σ bond intact In the product, the two C atoms (or C and O) form two additional σ bonds A good example is the addition reaction in which H and Cl from HCl add to the double bond in ethylene: CH2 CH2 + H Cl CH2 CH2 H Cl An elimination reaction is the opposite of an addition reaction It occurs when a saturated reactant becomes an unsaturated product: X R Y CH CH R R CH CH R + X Y Note that the C atoms are bonded to fewer atoms in the product than in the reactant A pair of halogen atoms, an H atom and a halogen atom, or an H atom and an –OH group are typically eliminated, but C atoms are not: OH H CH3 CH CH2 H2SO4 CH3 CH CH2 + H OH A substitution reaction occurs when an atom (or group) from an added reactant substitutes for one in the organic reactant: R C X + Y R C Y + X Note that the C atom is bonded to the same number of atoms in the product as in the reactant The C atom may be saturated or unsaturated, and X and Y can be many different atoms, but generally not C The main flavor ingredient in banana oil, for instance, forms through a substitution reaction; note that the O substitutes for the Cl: O CH C Cl CH3 + HO CH CH CH CH 2 O HO C CH3 O CH CH CH CH3 + Ba loại phản ứng hóa học hữu xảy mà thảo luận xác định việc so sánh số liên kết với C chất phản ứng chất sản phẩm Phản ứng cộng xảy chất phản ứng không bão hòa (chất phản ứng không no) trở thành chất bão hòa (no) Chú ý nguyên tử C liên kết với nguyên tử thừa chất sản phẩm mạnh chất phản ứng Liên kết C=C, C≡C liên kết C=O thường trải qua phản ứng cộng Trong trường hợp, liên kết bị phá vỡ giữ nguyên liên kết Ở chất mới, hai nguyên tử C (hoặc C O) hình thành hai liên kết cộng Một ví dụ dễ hiểu phản ứng cộng H Cl tạo thành HCl thêm vào liên kết đôi etylen Phản ứng tách ngược lại với phản ứng cộng Nó xảy chất phản ứng no trở thành chất không no Chú ý nguyên tử C liên kết với nguyên tử thiếu chất sản phẩm mạnh chất phản ứng Một cặp nguyên tử halogen, nguyên tử H nguyên tử halogen, nguyên tử nhóm –OH thường tách ra, đối vơi nguyên tử C không: Phản ứng xảy nguyên tử (hoặc nhóm) từ phản ứng cộng thay cho nguyên tử (hoặc nhóm) chất phản ứng hữu cơ: Chú ý nguyên tử C liên kết với số lượng nguyên tử chất chất phản ứng Nguyên tử C no hặc không no, X Y nhiều nguyên tử khác nhau, thông thường C Ví dụ, thành phần hương vị dầu chuối, hình thành thông qua phản ứng thế; lưu ý O thay cho Cl: Sample Problem 15.3 Recognizing the Type of Organic Reaction Problem State whether each reaction is an addition, elimination, or substitution: H Cl O O (c) CH3 C Br + CH3CH2OH (a) CH3 CH2 CH2 Br (b) CH3 C OCH2CH3 + HBr CH3 CH CH2 + H Br + H2 Plan We determine the type of reaction by looking for any change in the number of atoms bonded to C • More atoms bonded to C indicates an addition • Fewer atoms bonded to C indicates an elimination • Same number of atoms bonded to C indicates a substitution Solution (a) Elimination: two bonds in the reactant, C—H and C—Br, are absent in the product, so fewer atoms are bonded to C (b) Addition: two more C—H bonds have formed in the product, so more atoms are bonded to C (c) Substitution: the reactant C—Br bond becomes a C—O bond in the product, so the same number of atoms are bonded to C FOLLOW –UP PROBLEM Write a balanced equation for each of the following: (a) An addition reaction between 2-butene and Cl (b) A substitution reaction between CH3—CH2—CH2—Br and OH(c) The elimination of H2O from (CH3)3C—OH Bài tập mẫu 15.3 Xác định dạng phản ứng hóa học hữu Vấn đề Xác định xem phản ứng phản ứng thế, phản ứng cộng, phản ứng tách: (a), (b), (c) Cách làm Chúng ta xác định loại phản ứng cách tìm thay đổi số lượng nguyên tử liên kết với C: • Các nguyên tử thừa liên kết với C suy phản ứng cộng • Các nguyên tử thiếu liên kết với C suy phản ứng tách • Các nguyên tử có số lượng liên kết với C suy phản ứng Giải (a) Phản ứng tách: Hai liên kết chất phản ứng C-H C-Br bị thiếu chất phản ứng, nên nguyên tử thiếu liên kết với C (b) Phản ứng cộng: Hơn hai liên kết C-H hình thành chất mới, nguyên tử dư liên kết với C (c) Phản ứng thế: Liên kết chất phản ứng C-Br trở thành liên kết C-O chất mới, nên nguyên tử có số lượng liên kết với C BÀI TẬP TƯƠNG TỰ 15.3 Viết phương trình cân cho câu bên dưới: (a) Phản ứng cộng 2-buten Cl2 (b) Phản ứng CH3-CH2-CH2-Br OH – (c) Phản ứng tách H2O từ (CH3)3C-OH Summary of Section 15.3 In addition reaction, a π bond breaks, and the two C atoms (or one C and one O) are bonded to more atoms in the products • In an elimination reaction, a π bond forms, with the two C atoms bonded to fewer atoms in the product • In a substitution reaction, one atom bonded to C is replaced by another, but the total number of atoms bonded to the C does not change • Tóm lược phần 15.3 • Trong phản ứng cộng, liên kết vị phá vỡ, hai nguyên tử C (hay C, O) liên kết với nguyên tử chất • Trong phản ứng tách, liên kết hình thành, với hai nguyên tử C liên kết với nguyên tử thiếu • Trong phản ứng thế, nguyên tử liên kết với C bị thay nguyên tử khác, tổng số lượng liên kết với C không thay đổi 15.4 PROPERIES AND REACTIVITIES OF COMMON FUNCTIONAL GROUPS The central organizing principle of organic chemistry is the functional group The distribution of electron density in a functional group is the key to the reactivity of the compound The electron density can be high, as in the C=C and C≡C bonds, or it can be low at one end of a bond and high at the other, as in the C-Cl and C-O bonds Such electron-rich or polar bonds enhance the oppositely charged pole in the other reactant As a result, the reactants attract each other and begin a sequence of bond-forming and bond-breaking steps that lead to a product Thus, the intermolecular forces that affect physical properties and solubility also affect reactivity Table 15.5 lists some of the important functional groups in organic compounds When we classify functional groups by bond order, they follow certain patterns of reactivity • • • Functional groups with only single bonds undergo elimination or substitution Functional groups with double or triple bonds undergo addition Functional groups with both single and double bonds undergo substitution 15.4 HOẠT TÍNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NHÓM CHỨC THƯỜNG GẶP Yếu tố cấu tạo cốt yếu hóa học hữu nhóm chức Sự phân bố mật độ electron nhóm chức mấu chốt cho phản ứng hợp chất Mật độ electron cao, liên kết C=C C≡C, thấp đầu liên kết cao đầu kia, liên kết C-Cl C-O Giống giàu electron liên kết phẳng tăng cường cực tích điện trái dấu chất phản ứng khác Kết là, chất phản ứng công bắt đầu chuỗi bước hình thành liên kết phá vỡ liên kết tạo sản phẩm Do đó, lực phân tử có ảnh hưởng đến tính chất vật lý độ tan ảnh hưởng đến vệc phản ứng Bảng 15.5 liệt kê số nhóm chức quan trọng hợp chất hữu Khi phân loại nhóm chức thứ tự liên kết, việc phân loại chúng dựa dạng định phản ứng: Các nhóm chức có liên kết đơn có phản ứng tách phản ứng • Các nhóm chức có liên kết đôi liên kết ba có phản ứng cộng • Các nhóm chức có chứa liên kết đơn liên kết đôi có phản ứng • Functional Groups with Only Single Bonds The most common functional groups with only single bonds are alcohols, haloalkanes, and amines Table 15.5 Important Functional Groups in Organic Compounds Các nhóm chức có chứa liên kết đơn Các nhóm chức chứa liên kết đơn thường gặp alcohol, haloankan, amin Alcohols The alcohol functional group consist of an carbon bonded to an –OH group, -C-O-H, and the general formula of an alcohol is R-OH Alcohols are named by dropping the final –e from the parent hydrocarbon name and adding the suffix –ol Thus, the two-carbon is ethanol (ethan- + -ol) The common name is the hydrocarbon root- + -yl, followed by “alcohol”; thus, the common name of ethanol is ethyl alcohol (This substance, obtained from fermented grain, has been consumed by people as an intoxicant in beverages since ancient times; today, it is recognized as the most abused drug in the world.) Alcohols are common organic reactants, and the functional group occurs in many biomolecules, including carbohydrates, sterols, and some amino acids Figure 15.10 shows the names, structures, and uses of some important compounds that contain the alcohol group The physical properties of the smaller alcohols are similar to those of water They have high melting and boiling points as a result of hydrogen bonding, and they dissolve polar molecules and some salts Alcohols undergo elimination and substitution reactions Alcohols Nhóm chức ancol bao gồm cacbon liên kết với nhóm -OH, , công thức tổng quát alcohol R-OH Alcohol gọi tên cách bỏ đuôi -e từ tên hydrocacbon gốc thêm hậu tố -ol Như vậy, alcohol haicacbon etanol (etan- + -ol) Tên gọi thường tên mạch hydrocarbon + -yl, gọi theo "alcohol"; đó, tên gọi thường etanol alcohol ethyl (Chất thu từ ngũ cốc lên men, tiêu thụ người loại đồ uống làm say vào thời cổ đại Ngày nay, Nó công nhận chất bị lạm dụng nhiều giới) Alcohol chất phản ứng hữu phổ biến, nhóm chức xuất nhiều phân tử sinh học, bao gồm cacbohydrat, sterol số axit amin Hình 15.10 trình bày danh pháp, cấu tạo ứng dụng số hợp chất quan trọng có chứa nhóm alcohol Tính chất vật lý nhóm alcohol nhỏ tương tự với tính chất vật lí nước Chúng có nhiệt độ nóng chảy cao và nhiệt độ sôi giống kết liên kết hydrogen, chúng hòa tan phân tử phân cực số loại muối Alcohol có phản ứng tách phản ứng • Elimination of H and OH, called dehydration, requires acid and forms an alkene: OH H+ + H2O cyclohexene cyclohexanol Elimination of two H atoms is an oxidation which typically requires an inorganic oxidizing agent, such as potassium dichromate (K 2Cr2O7) in aqueous H2SO4 The product has a C=O group: CH CH CH CH OH K2Cr2O7 CH CH H2SO4 C CH O O OH butan-2-one butan-2-ol Alcohols with an OH group at the end of the chain (R-CH 2-OH) can be oxidized further to acids (This is not an elimination reaction.) Wine turns sour, for example, when the ethanol in contact with air is oxidized to acetic acid (vinegar): OH O 1/2 O2 CH • CH - H2O CH CH O 1/2 O2 CH C OH Phản ứng tách H OH gọi phản ứng khử nước, đòi hỏi phải có axit tạo anken: Phản ứng tách hai nguyên tử H trình oxy hóa thường đòi hỏi phải có chất oxy hóa vô trung gian, kali dicromat (K 2Cr2O7) dung dịch nước H2SO4 Chất sản phẩm có nhóm C=O: Alcohol với nhóm OH cuối chuỗi (R-CH 2-OH) bị oxy hóa dễ với axit (Đây phản ứng tách.) Ví dụ, rượu lên men etanol tiếp xúc với không khí oxi hóa với axit acetic (giấm): • Substitution yields products with other single-bonded functional groups Reactions of hydrohalic acids with many alcohols give haloalkanes: R2CH-OH + Br → R2CH=Br + HOH As you’ll see shortly, the C atom undergoing the change in a substitution is bonded to a more electronegative element, which makes it partially positive and, thus, a target for a negatively charged or electron-rich group of an incoming reactant • Các chất sản phẩm tạo từ phản ứng phản ứng với nhóm chức liên kết đơn khác Các phản ứng axit halôgen với nhiều alcohol cho haloankan: Như bạn nhận thấy, nguyên tử C trải qua thay đổi phản ứng liên kết với phân tử có độ âm điện lớn hơn, khiến cho dương không hoàn toàn, trở thành mục tiêu phân tử mang điện tích âm nhóm giàu-electron chất phản ứng Haloalkanes A halogen atom (X) bonded to a carbon gives the haloalkane functional group C-X, and compounds with the general formula R-X Haloalkanes (common name, alkyl halides) are named by identifying the halogen with a prefix on the hydrocarbon name and numbering the C atom to which the halogen is attached, as in bromomethane, 2-chloropropane, or 1,3-diiodohexane Like alcohols, haloalkanes undergo substitution and elimination reactions • Just as many alcohols undergo substitution to form alkyl halides when treated with halide icons in acid, many halides undergo substitution to form alcohols in base For example, OH- attacks the positive C end of the C-X bond and displaces X-: CH3 CH2 CH2 CH2 Br + OH- CH3 CH2 CH2 CH2 OH + Br- butan-1-ol 1-bromobutane Substitutions by groups such as –CN, -SH, -OR, and =NH allow chemists to convert alkyl halides to a host of the other families of compounds • Just as addition of HX to an alkene produces haloalkanes, elimination of HX from a haloalkane by reaction with a strong base, such as potassium ethoxide, produces an alkene: CH H 3C CH CH + CH CH OK H 3C C CH + KCl + CH CH Cl Haloalkanes have many important uses, but many are carcinogenic in mammals, have severe neurological effects in humans, and, to make matters worse, are very stable and accumulate in the environment Haloankan Một nguyên tử halogen (X) liên kết với cacbon cho nhóm chức haloankan, , hợp chất có công thức tổng quát R-X Haloankan (tên gọi chung halogenua alkyl) đặt tên cách xác định halogen có tiền tố nằm tên hydrocarbon đánh số thứ tự nguyên tử C mà halogen đính kết, metyl bromide, 2-chloropropan, 1,3-diiodohexan OH Giống với alcohol, haloankan có phản ứng cộng, phản ứng tách phản ứng Cũng giống nhiều alcohol phải trải qua phản ứng để tạo thành halogenua ankin xử lý ion halogenua axit, nhiều halogenua trải qua phản ứng để tạo alcohol môi trường bazơ Ví dụ nhóm OH- công đầu C dương liên kết C-X thay X-: Phản ứng nhóm –CN, -SH, -OR –NH tạo điều kiện nhà khoa học chuyển đổi halogenua ankin thành phân tử gốc hệ thống khác hợp chất • Giống phản ứng cộng HX với anken tạo haloalkan, phản ứng tách từ haloalkan xảy việc phản ứng với cực gốc mạnh kali etoxit, tạo anken: • Haloalkanes có nhiều ứng dụng quan trọng, nhiều nguy gây ung thư động vật có vú, có ảnh hưởng thần kinh nghiêm trọng người, tệ chúng khó phân hủy tồn bền vững môi trường Amines The amine functional group is –C-N- Chemist classify amines as derivatives of ammonia, with R groups in place of one or more of the H atoms in NH Primary (10) amines are RNH2, secondary (20) amines are R2NH, and tertiary (30) amines are R3N Like ammonia, amines have trigonal pyramidal shapes, and the lone pair of electrons results in a partially negative N atom (Figure 15.11) Figure 15.11 General structures of amines Systematic names drop the final –e of the alkane and add the suffix –amine, as in ethanamine However, there is still wide usage of common names, in which the suffix –amine follows the name of the alkyl group; thus, methylamine has one methyl group attached to N, diethylamine has two ethyl groups attached, and so forth Figure 15.12 shows that the amine functional group occurs in many biomolecules Figure 15.12 Some biomolecules with the amine functional group Amines undergo substitution reactions in which the lone pair of N attacks the partially positive C in an alkyl halide to displace X- and form a larger amine: CH CH NH ethylamine + CH CH Cl chloroethane CH CH NH CH CH + CH CH NH 3Cl ethylammonium chloride diethylamine (The molecules of amine are needed: one attacks the chloroethane, and the other binds the released H+ to prevent it from remaining on the diethylamine product.) Amin Nhóm chức amin có công thức tổng quát Các nhà hóa học phân loại amin dẫn xuất amoniac, với nhóm R không gian hay nhiều nguyên tử H NH3 Amin bậc (primary amine) RNH2, amin bậc (secondary amine) R2NH amin bậc (tertiary amine) R3N Giống amoniac, amin có hình dạng chóp tam giác, cặp electron đơn lẻ tạo thành nguyên tử N mang điện tích âm không hoàn toàn (Hình 15.11) Tên hệ thống bỏ đuôi -e ankan thêm hậu tố -amin, etan amin Tuy nhiên, nhiều tên gọi thông thường sử dụng rộng rãi, hậu tố -amin có kèm theo tên nhóm ankin; metylamin có nhóm metyl liên kết với N, dietylamin có hai nhóm etyl liên kết Hình 15.12 cho thấy nhóm chức amin thường xuất nhiều phân tử sinh học Các amin trải qua phản ứng thế, cặp đơn lẻ N công C mang điện tích dương không hoàn toàn alkyl halogenua để thay X- hình thành amin lớn hơn: (Hai phân tử amin cần thiết: phân tử công etyl clorua , phân tử liên kết với H giải phóng để ngăn cho khỏi bị phản ứng lại sản phẩm dietylamin công.) Sample Problem 15.4 Predicting the Reactions of Alcohols, Alkl Halides, and Amines Problem: Determine the reaction type and predict the product(s) for each reaction: (a) CH3 CH2 CH2 I + NaOH (b) CH3 CH2 CH2 Br + CH3 CH2 CH2 NH2 (c) CH3 CH CH3 Cr 2O 72H2SO4 OH Plan: We first determine the functional group(s) of the reactant(s) and then examine any inorganic reagent(s) to decide on the reaction type Keep in mind that, in general, these functional groups undergo substitution or elimination CH3 CH2 CH2 OH + NaI CH3 CH2 CH2 NH Solution: (a) Substiution: The products are + CH3 CH2 CH2 NH2Br CH2CH3 (a) Substiution: The products are CH3 C CH3 O (a) Elimination (oxidation): The products is Check The only changes should be at functional group FOLLOW-UP PROBLEM 15.4 Fill in the blank in each reaction (Hint: Examine any inorganic compounds and the organic product to determine the organic reactant.) CH3 (a) + CH3ONa CH3 CH C CH3 + CH3OH + NaCl O Cr2O7 (b) 2- H 2SO4 CH3 CH2 C OH Bài tập mẫu 15.4 Cho biết phản ứng alcohol, ankin halogenua, amin Vấn đề Xác định loại phản ứng đoán trước (các) chất sản phẩm cho phản ứng: Cách làm Trước tiên xác định nhóm chức chất phản ứng hữu quan sát chất phản ứng vô để định xem loại phản ứng nào, nhớ rằng, thông thường nhóm chức trải qua phản ứng phản ứng tách (a) Chất phản ứng ankin halogenua, chất bazơ vô NaOH thay cho I- (b) Các chất phản ứng amin ankin halogenua, N amin thay cho Br (c) Chất phản ứng hữu alcohol, chất phản ứng vô chứa chất oxy hóa mạnh mẽ, nhóm alcohol trải qua phản ứng tách để hình thành C=O Giải (a) Phản ứng thế: Sản phẩm CH3-CH2-CH2-OH + Nal (b) Phản ứng thế: Sản phẩm (c) Phản ứng tách (oxi hóa): sản phẩm Kiểm tra lại Chỉ có nhóm chức thay đổi BÀI TẬP TƯƠNG TỰ 15.4 Điền vào chổ trống phản ứng (Gợi ý: Kiểm tra hợp chất vô chất sản phẩm hữu để xác định chất phản ứng hữu cơ.) Functional Groups with Double Bonds The most important functional groups with double bonds are the C=C group of alkenes and the C=O group of aldehydes and ketones Both appear in many organic and biological molecules Their most common reaction type is addition Alkenes Although the C=C functional group in an alkene can undergo elimination to C C form the group of an alkyne, alkenes typically undergo addition The electron-rich double bond is readily attracted to the partially positive H atoms of hydronium ions and hydrohalic acids, yielding alcohols and alkyl halides, respectively: CH CH H 3C + CH C H3O+ H 3C CH + H+ OH 2-methylprop-1-ene OH 2-methylpropan-2-ol Cl CH CH CH + HCl CH CH CH Cl prop-1-ene 2-chloropropane Các nhóm chức có liên kết đôi Nhóm chức quan trọng có liên kết đôi nhóm C=C anken nhóm C=O andehit xeton Cả hai xuất nhiều phân tử hữu phân tử sinh học Phản ứng chung chúng phản ứng cộng Anken Mặc dù nhóm chức có công thức tổng quát anken trải qua phản ứng tách để hình thành nhóm C≡C ankin, thông thường anken trải qua phản ứng cộng Liên kết đôi giàu electron đính cách dễ dàng với nguyên tử H dương không hoàn toàn ion hydronium axit halôgen, alcohol ankin halogen, phương trình phản ứng hóa học tương ứng Aldehydes and Ketones The C=O bond, or carbonyl group, is one of the most chemically versatile • In the aldehyde functional group, the carbonyl C is bonded to H (and often to H R C O another C), so it occurs at the end of chain, Aldehyde names drop the final –e from the alkane name and add –al; thus, the three-C aldehyde is propanal • In the ketone functional group, the carbonyl C is bonded to two other C atoms, O C C O C so it occurs within the chain Ketones, named by R C R' , are numbering the carbonyl C, dropping the final –e form the alkane name, and adding -one For example, the unbranched, five-C ketone with the carbonyl C as C-2 in the chain is named 2-pentanone Figure 15.13 shows some common carbonyl compounds Anđêhit xeton Liên kết C=O, hay gọi nhóm carbonyl, nhóm có tính hóa học linh hoạt Trong nhóm chức anđêhit, C carbonyl liên kết với H (và thường với C khác), nên xuất cuối chuỗi Các danh pháp anđehit bỏ -e cuối tên ankan thêm –an; đó, ba anđehit 3-C propan • Trong nhóm chức xeton, C cacbonyl liên kết với hai nguyên tử C, , nên xảy chuỗi Xeton, R-C-R’, đặt tên việc đánh số thứ tự C cacbonyl, bỏ -e cuối tên ankan, sau thêm –on Ví dụ, xeton có 5-C không phân nhánh với C carbonyl liên kết hai mạch gọi tên 2pentanon Hình 15.13 trình bày vài hợp chất carbonyl thường gặp • Anđehit xeton hình thành cách oxi hóa alcohol: Ngược lại, giống nguyên nhân dẫn đến không bão hòa chúng, hợp chất cacbonyl trải qua phản ứng cộng chuyển alcohol: Giống với liên kết C=C, liên kết C=O giàu electron; khác với liên kết C=C có độ phẳng cao (EN = 1.0) Hình 15.14 trình bày sơ đồ liên kết dạng bao quanh orbital (Hình 15.14A) mô tả cực tính theo hình thức cộng hưởng (Hình 15.14B) Functional Groups with Both Single and Double Bonds A family of three functional groups contains C double boned to O (a carbonyl group) and single bonded to O or N the parent of the family is the carboxylic acid group, O C OH also called the carboxyl group and written –COOH The most important reaction type of this family is substitution from one member to another Substitution O C O for the –OH by the –OR of an alcohol gives the ester group, ; O N C substitution by the R N of an amine gives the amide group, Các nhóm chức có chứa liên kết đôi liên kết đơn Dãy ba nhóm chức chứa cặp C liên kết với O (một nhóm cacbonyl) liên kết đơn với O C Phần tử gốc tập hợp nhóm axit cacbonxylic, , gọi nhóm cacboxyl viết –COOH Loại phản ứng hóa học quan trọng dãy phản ứng từ phần tử sang phẩn tử khác Phản ứng nhóm –OH nhóm –OR alcohol cho nhóm este, ; phản ứng amin cho nhóm amit, O R C OH Carboxylic Acids Carboxylic acids, , are named bt dropping the –e form the alkane name and adding –oic acid; however, many common names are used For example, the systematic name of the four-C acid butanoic acid (the carboxyl C is counted when choosing the root); its common name is butyric acid Figure 15.315 shows some important carboxylic acids The carboxyl C already has three bonds, so it forms only one other In formic acid (methanoic aicd), the carboxyl C is bonded to an H, but in all other carboxylic acids it is bonded to a chain or ring Carboxylic acids are weak acids in water: O O H 3C C OH + H2O (l) H 3C C O (aq) + H3O+ (aq) acetic acid ethanoic acid At equilibrium in a solution of typical concentration, more than 99% of the acid molecules are undissociated at any given moment In strong base, however, a carboxylic acid reacts completely to form a salt and water: O O H3C C OH + NaOH (aq) H3C C O (aq) + Na+ (aq) + H2O (l) The anion of the salt is the carboxylate icon, named by dropping –oic acid and adding –oate; the sodium salt of butanoic acid, for instance, is sodium butanoate Axit Cacbonxylic Axit cacbonxylic, , gọi tên cách bỏ -e tên ankan thêm axit –oic; nhiên, nhiều danh pháp thường hay sử dụng tới Ví dụ, tên hệ thống axit 4-C axit butanoic (C cacboxyl tính chọn mạch chính); danh pháp thường chúng axit butyric Hình 15.15 trình bày vài axit cacboxylic quan trọng C cacboxyl liên kết với H, tất axit cacboxylic khác liên kết với mạch nhánh mạch vòng Các axit cacboxylic axit yếu môi trường nước: Ở trạng thái cân dung dịch có nồng độ chuẩn, có 99% phân tử axit bị phân tán thời điểm Tuy nhiên, môi trường bazow mạnh axit caboxylic phản ứng hoàn toàn để hình thành muối nước: Các ion âm muối ion cacboxylate, gọi tên cách bỏ -oic thêm – oate; ví dụ, muối natri axit butanoic gọi sodium butanoate Carboxylic acids with long hydrocarbon chains (usually with an even number of C atoms) are fatty acids, an essential group of compounds found in cells Animal fatty acids have saturated chains (see stearic acid, Figure 15.15, bottom), whereas many from plants are unsaturated Fatty acid salts, usually having a cation from Group 1A(1) or 2A(2), are soaps When clothes with greasy spots are immersed in soapy water, the nonpolar “tails” of the soap molecules interact with the grease, while the ionic “heads” interact with the water Agitation of the water rinses the grease away Substitution of carboxylic acids occurs through a two-step sequence: addition plus elimination equals substitution Addition to the trigonal planar C atom gives an unstable tetrahedral intermediate, which immediately undergoes elimination to revert to a trigonal planar product (in this case, A is OH): Strong heating of a carboxylic acid forms an acid anhydride through a type of substitution called a dehydration-condensation reaction (Section 14.6), in which two molecules condense into one with loss of water: Methanoic acid (formic acid) An irritating component of ant and bee stings Butanoic acid (butyric acid) Odor of rancid butter; suspected component of monkey sex attractant Benzoic acid Calorimetric standard; used in preserving food, dyeing fabric, curing tobacco acid (stearic acid) Octadecanoic Found in animal fats; used in making candles and soaps Axit cacboxylic có chuỗi hydrocacbon no (với số chẳn nguyên tử C) axit béo, nhóm hợp chất thiết yếu hình thành tất tế bào Chất béo từ động vật có chuỗi hydrocacbon no (xem axit stearic, Hình 15.15, cùng), nhiều chất béo từ động vật chuỗi không no Các muối chất béo thường có ion dương từ Nhóm 1A(1) 2A(2), xà phòng Khi có vệt dính dầu mỡ quân áo nhúng vào xà phòng, “các đuôi” phân tử xà phòng tác động tới vệt dầu mỡ, “các đầu” phân tử dung hòa với nước Sự khuấy động nước đẩy chất dầu mỡ Phản ứng axit cacboxylic xảy thông qua trình gồm hai bước: phản ứng cộng + phản ứng tách = phản ứng Thêm vào nguyên tử C có liên kết hình tam giác phẳng cho liên kết hình bán tứ diện không bền, trải qua phản ứng tách để chuyển hóa thành sản phẩm liên kết hình tam giác phẳng (trong trường hợp X OH): Nhiệt tăng lên mạnh acid cacboxylic hình thành anhiđrit axit thông qua loại phản ứng có tên phản ứng trùng ngưng – khử nước (Phần 14.6), phản ứng mà có hai phân tử ngưng tụ lại thành với nước bị đi: Esters The eater group, (công thức), is forms from an alcohol and a carboxylic acid The first part of an eater name designates the alcohol portion and the second the acid portion (named in the same way as the carboxylate ion) For example, the ester formed between ethanol and ethanoic acid is ethyl ethanoate (common name, ethyl acetate), a solvent for nail polish and model glue The ester group occurs commonly in liquids, a large group of fatty biological substance Most dietary fats are triglycerides, esters that are composed of three fatty acids linked to the alcohol 1,2,3-trihydroxypropane (common name, glycerol) and that function as energy stores Some important liquids are shown in Figure 15.16; lecithin is one of several phospholipids that make up the liquid bilayer in all cell membranes Esters, like acid anhydrides, form through a dehydration-condensation reaction; in this case, it is called an esterification: O CH3 C O OH + H ethanoic acid O CH3 methanol CH3 C O CH3 + HOH methyl ethanoate Note that the esterification reaction is reversible The opposite of dehydrationcondensation is hydrolysis, in which the O atom of water is attracted to the partially positive C atom of the ester, cleaving (lysing) the ester molecule into two parts One part bonds to water’s –OH, and the other part to water’s other H Figure 15.16 Some lipid molecules with the ester functional group Cetyl palmitate The most common lipid in whale blubber Tristearin Typical dietary fat used as an energy store in animals Lecithin Phospholipid found in all cell membranes Este Nhóm este công thức cấu tạo , hình thành từ alcohol axit carboxylic Phần đầu tên este tên alcohol phần hai axit (đặt tên theo cách giống ion cacboxylate) Ví dụ, este hình thành từ etanol axit etanoic gọi etl atanoeic (danh pháp thường, etyl axetat), chất dung môi cho sơn móng tay keo dán Nhóm este thường xuất hợp chất béo (lipid) Hầu hết chất béo chế độ ăn ngày triglycerit, Những este mà bao gồm ba axit béo thường liên kết với alcohol 1,2,3-trihydroxypropan (danh pháp thường glycerol) có chức nguồn dự trữ lượng Một vài lipid quan trọng trình bày Hình 15.16; lecithin số nhiều phốt lipit tạo lớp lipit kép toàn màng tế bào Các este giống anhidrit, hình thông qua phản ứng ngưng tụ dehit hóa; trường hợp gọi phản ứng este hóa: Lưu ý phản ứng este hóa phản ứng thuận nghịch Ngược chiều với phản ứng ngưng tụ đêhit hóa phản ứng thủy phân, phản ứng mà nguyên tử O nước bị hút vào phần nguyên tử C este, tách (phân giải) phân tử este thành hai phần Một phần liên kết với nhóm –OH nước, phần lại liên kết với nguyên tử H khác nước Amides The product of a substitution between an amine (or NH 3) and an ester is an amide with the functional group (công thức) The partially negative N of the amine is attracted to the partially positive C of the ester, an alcohol (ROH) is lost, and an amide forms: O H 3C C O + CH methyl acetate NH H CH2 CH O H CH3 C N CH2 CH3 + CH3OH N -ethylacetamide ethanamine Amides are named by denoting the amine portion with N- and replacing –oic acid form the parent carboxylic acid with –amide In the amide produced in the preceding reaction, the ethyl group comes from the amine, and the acid portion comes from ethanoic acid (acetic acid) Some amides are shown in Figure 15.17 on the next page The most important example of the amide group is the peptide bond (discussed in Section 15.6), which links amino acids in a protein An amide is hydrolyzed in hot water (or base) to a carboxylic acid (or carboxylate ion) and an amine Thus, even though amides are not normally formed in the following way, they can be viewed as the result of the reversible dehydrationcondensation: H O R C OH + R N R' R O H C N R' + HOH Figure 15.17 Some lipid molecules with the amide functional group Acetaminophen Active ingredient in nonaspirin pain relievers; used to make dyes and photographic chemicals N,N-Dimethylmethanamide (dimethylformamide) Lysergic acid diethylamide (LSD-25) Major organic solvent; used in production of synthetic fibers A potent hallucinogen Amit Sản phẩm phản ứng amin (hay NH 3) este amit với nhóm chức N âm không hoàn toàn amin bị hút C dương không hoàn toàn este, alcohol (ROH) bị hình thành amit mới: Amit gọi tên cách ký hiệu phần amin N- thay axit –oic từ phân tử gốc axit cacboylic –amit Trong trình chế tạo amit từ phản ứng nhóm etyl có từ amin, phần axit có từ etanoic (axit acetic) Một số amit trình bày Hình 15.17 trang Sơ đồ phản ứng hóa học quan trọng nhóm amit liên kết peptit (thảo luận phần 15.16), liên kết mà nối axit amin protein lại với Amit bị thủy phân nước nóng (hoặc bazơ) với axit cacboxylix (hay ion cacboxylic) amin Do vậy, amit mà thường không bị thủy phân, chúng xem kết phản ứng trùng ngưng – khử nước đảo ngược: Sample Problem 15.5 Predicting the Reactions of the Carboxylic Acid Family Problem: Predict the product(s) of the following reactions: CH3 O (b) CH3 CH CH2 CH2 C O NH CH2CH OH (a) CH3 CH2 CH2 C OH + CH3 CH CH3 NaOH H 2O H+ Plan: We identify the functional groups in the reactant(s) and see how they change In (a), a carboxylic acid reacts with an alcohol, so the reaction must be a substitution to form an ester In (b), an amide reacts with aqueous base, so hydrolysis occurs Solution: O OH (a) CH3 CH2 CH2 C OH + CH3 CH CH3 O H+ CH3 CH2 CH2 C CH3 O CH CH3 + H2O CH3 O (b) CH3 CH CH2 CH2 C NH CH2CH3 CH3 NaOH O CH3 CH CH2 CH2 C H 2O O - Na+ + NH2 CH2CH3 Check Note that in part (b), the carcoxylic ion forms, rather than the acid, because the aqueous NaOH present reacts with any carboxylic acid as it forms FOLLOW-UP PROBLEM 15.4 Fill in the blank in each reaction O (a) (b) + CH3OH + H+ CH2 C O H CH3 CH2 CH2 C N CH3 + H2O CH2 CH3 + CH3OH Bài tập mẫu 15.5 Xác định phản ứng thuộc dãy axit cacboxylic Vấn đề Đoán (các) chất sản phẩm phản ứng dưới: Cách làm Chúng ta học phản ứng (bao gồm phản ứng cộng-tách phản ứng trùng ngưng – khử nước) phản ứng thủy phân (a) Một axit cacboxylic alcohol phản ứng với nhau, phản ứng chắn phải phản ứng tạo este nước (b) Một amin phản ứng với nhóm OH-, nên bị thủy phân với amin cacboxylate natri Giải (a) Phản ứng hình thành este: (b) Phản ứng thủy phân bazơ amit: Kiểm tra lại Lưu ý câu (b), ion cacboxylate có khả hình thành axit, dung dịch NaOH tham gia phản ứng với axit cacboxylic cách hình thành BÀI TẬP TƯƠNG TỰ 15.5 Điền vào chổ trống phản ứng hóa học sau: Functional Groups with Triple Bonds Alkynes and nitriles are the only two important functional groups with triple bonds CH3 C CH H2 propyne CH3 CH CH2 H2 propene CH3 CH2 CH3 propane Al kynes Alkynes, with an electron-rich -C≡C- group, undergo addition (by H 2O, H2, HX,X2, and so forth) to form double-bonded or saturated compounds: Nitriles Nitriles (R-C≡N) contain the nitrile group (-C≡N:) and are made by substituting a CN- (cyanide) ion for X- in a reaction with an alkyl halide: CH3 CH2 Cl + NaCN CH3 CH2 C N + NaCl This reaction is useful because it increases the chain by one C atom Nitriles are versatile because one they are formed, they can be reduced to amines or hydrolyzed to carboxylic acids: Các nhóm chức có chứa liên kết ba Ankin nitrile hai nhóm chức điển hình có liên kết ba Ankin Các ankin với nhóm -C≡C- giàu-electron, trải qua phản ứng cộng (bằng H2O, H2, HX, X2 ) để hình thành liên kết đôi hợp chất no: Nitrile Các nitrile (R-C≡N) chứa nhóm nitrile (-C≡N:) tạo cách thay ion CN- (xyanua) với X- phản ứng với halogen ankin: Phản ứng hữu dụng làm tăng chuỗi liên kết nguyên tử C Nitrile hợp chất đa lần chúng hình thành, chúng bị đẩy đến amin bị thủy phân với axit cacboxylic: Summary of Section 15.4 • • • • • Organic reactions are initiated when regions of high and low electron density in reactant molecules attract each other Functional groups containing only single bonds-alcohols, amines, and alkyl halides-take part in substitution and elimination reactions Functional groups with double or triple bonds-alkenes, aldehydes, ketones, alkynes, and nitriles-generally take part in addition reactions Functional groups with both double and single bonds-carboxylic acids, esters, and amines-generally take part in substitution reactions Many reactions change one functional group to another, but some, such as those involving the cyanide ion, change the carbon skeleton Tóm lược phần 15.4 • Các phản ứng hữu hình thành nơi có mật độ electron cao thấp phân tử chất tham gia phản ứng hút • Các nhóm chức chứa liên kết đơn – alcohol, amin, halogen ankin – tham gia vào phản ứng phản ứng tách • Các nhóm chức chứa liên kết đôi liên kết ba – aken, anđêhit, xeton, ankin nitriles – thường tham gia vào phản ứng • Các nhóm chức chứa liên kết đôi liên kết đơn – axit cacboxylic, este, amin – thường tham gia vào phản ứng • Nhiều phản ứng hóa học biến đổi nhóm chức thành nhóm chức khác, vài phản ứng liên quan ddeens ion xyanua, biến đổi mạch cacbon thu gọn  ... (oxi hóa) : sản phẩm Kiểm tra lại Chỉ có nhóm chức thay đổi BÀI TẬP TƯƠNG TỰ 15.4 Điền vào chổ trống phản ứng (Gợi ý: Kiểm tra hợp chất vô chất sản phẩm hữu để xác định chất phản ứng hữu cơ. )... thông qua phản ứng ngưng tụ dehit hóa; trường hợp gọi phản ứng este hóa: Lưu ý phản ứng este hóa phản ứng thuận nghịch Ngược chiều với phản ứng ngưng tụ đêhit hóa phản ứng thủy phân, phản ứng... trình oxy hóa thường đòi hỏi phải có chất oxy hóa vô trung gian, kali dicromat (K 2Cr2O7) dung dịch nước H2SO4 Chất sản phẩm có nhóm C=O: Alcohol với nhóm OH cuối chuỗi (R-CH 2-OH) bị oxy hóa dễ