CƠ CHẾ PHẢN ỨNG hữu cơ TRONG CHƯƠNG TRÌNH hóa học PHỔ THÔNG NÂNG CAO

Dựa trên nền tảng lý thuyết về cơ chế các phản ứng hữu cơ, các yêu cầu về kiến thức và kỹ năng của học sinh trong chương trình hóa học lớp 11 và lớp 12 nâng cao; lý thuyết về các phản ứn

A GIỚI THIỆU KHOÁ LUẬN

1 Lý do chọn đề tài

Trong chương trình hóa học hữu cơ ở bậc phổ thông thường chỉ trình bày chất đầu và chất cuối của hệ mà không cho biết quá trình hóa học thực hiện như thế nào, tiến trình phản ứng diễn biến ra sao tức là không nêu lên được cơ chế phản ứng

Mặt khác, cơ chế phản ứng là bản chất, cốt lõi của các phản ứng hữu cơ

Có thể hiểu: “ Cơ chế phản ứng là tập hợp một cách đầy đủ các giai đoạn mà một phản ứng đã trải qua trong quá trình biến đổi từ chất này đến sản phẩm tạo thành

” Vì vậy khi hiểu được cơ chế phản ứng học sinh có thể hiểu được con đường chi tiết mà các phản ứng có thể đi qua để tạo ra sản phẩm Từ đó các em dễ dàng viết được chính xác sản phẩm của một phản ứng

Tuy nhiên ở bậc phổ thông không hề đề cập tới cơ chế của các phản ứng hữu cơ nếu có cũng chỉ dừng lại ở một vài thuật ngữ Vì vậy học sinh phổ thông không hề được học cơ chế nhưng các em phải viết được sản phẩm của các phản ứng hữu cơ, chính vì lẽ đó học hóa học hữu cơ trở thành vấn đề khó khăn với học sinh Còn đối với giáo viên phổ thông, tuy đã được học ở bậc đạị học nhưng vẫn rất mơ hồ Vì vậy ít khi các giáo viên đưa thêm cơ chế của các phản ứng vào bài giảng của mình

Ngoài ra, với mong muốn góp phần xây dựng nguồn tài liệu tham khảo cho các giáo viên phổ thông và học sinh đặc biệt là các học sinh giỏi và học sinh thi giải Olympic thì cơ chế là vấn đề cần thiết, đồng thời cũng là nguồn tài liệu tham khảo cho bản thân và các bạn sinh viên nghành sư phạm hóa để phục vụ cho công việc giảng dạy sau này

Xuất phát từ lý do trên tôi chọn đề tài nghiên cứu : “ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ TRONG CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC PHỔ THÔNG NÂNG CAO ”

2 Mục đích nghiên cứu

Dựa trên nền tảng lý thuyết về cơ chế các phản ứng hữu cơ, các yêu cầu

về kiến thức và kỹ năng của học sinh trong chương trình hóa học lớp 11 và lớp

12 nâng cao; lý thuyết về các phản ứng hữu cơ để xây dựng nên hệ thống lý thuyết và bài tập liên quan dến phần cơ chế các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông nâng cao

3 Tình hình nghiên cứu

Đã có nhiều bài viết và công trình nghiên cứu về cơ chế các phản ứng hữu

cơ Tuy nhiên các đề tài thường hướng đến nghiên cứu cho giáo viên và sinh viên chuyên ngành trong bậc đại học còn rất ít đề tài nghiên cứu cơ chế của các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông

4 Đối tượng nghiên cứu và khách thể nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu: Các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa

học lớp 11 và lớp 12 nâng cao bậc THPT

4.2 Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy và học ở trường phổ thông

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ chế các phản ứng hữu cơ

Nghiên cứu nội dung chương trình hóa học lớp 11 và lớp 12 nâng cao

Nghiên cứu các phần mềm tin học phục vụ cho việc mô tả cơ chế của các phản ứng

Nghiên cứu xây dựng bài tập và cách giải bài tập về phần cơ chế các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học lớp 11 và lớp 12 nâng cao

Tiến hành thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của việc đưa cơ chế các phản ứng hữu cơ vào giảng dạy hóa học ở các trường THPT

Tổng kết đề tài và đưa ra các đề xuất

7 Bố cục khoá luận

• Mục lục

• Danh mục các chữ viết tắt

• Mở đầu

• Phần 1 : Tổng quan về cơ sở lý luận và lý thuyết

• Chương 1 : Một số khái niệm về phản ứng hữu cơ

• Chương 2 : Phản ứng của ankan

• Chương 3 : Phản ứng của hiđrocacbon thơm – aren

• Chương 4 : Phản ứng của hiđrocacbon không no

• Chương 5 : Phản ứng của dẫn xuất halogen – ancol – phenol

• Chương 6 : Phản ứng của hợp chất cacbonyl

• Chương 7 : Phản ứng của hợp chất chứa nitơ

Phần 1 : Tổng quan về cơ sở lý luận và lý thuyết

Chương 1 : Một số khái niệm về phản ứng hữu cơ

1.1 Phân loại phản ứng hữu cơ

1.1.1 Phân loại theo đặc điểm của sự biến đổi liên kết

1.1.2 Phân loại theo đặc điểm của tác nhân phản ứng

1.1.3 Phân loại theo hướng của phản ứng

1.1.4 Phân loại theo số lượng tiểu phân tham gia vào quá trình quyết định vận tốc của phản ứng

1.2 Các kiểu phân cắt liên kết cộng hóa trị

1.2.1 Định nghĩa liên kết cộng hóa trị

1.2.3 Các kiểu phân cắt liên kết cộng hóa trị

1.3 Tác nhân nucleophin và tác nhân electronphin của phản ứng

1.3.1 Tác nhân nucleophin của phản ứng

1.3.2 Tác nhân electronphin của phản ứng

1.4 Cơ chế phản ứng

1.4.1 Phản ứng thế

1.4.2 Phản ứng cộng

1.4.3 Phản ứng tách

Chương 2 : Phản ứng của ankan

2.1 Cơ chế phản ứng halogen hóa ankan SR

2.1.1 Phản ứng halogen hóa ankan

2.2.2 Nitro hoá và sunfo hoá ankan

2.2 Khả năng phản ứng tương đối và hướng của phản ứng thế nucleophin

Chương 3 : Phản ứng của hidrocacbon thơm – aren

3.4 Quy luật thế electronphin vào nhân thơm

Chương 4 : Phản ứng của hiđrocacbon không no

4.3.3 Phản ứng cộng nước vào anken

4.3 Khả năng phản ứng và hướng cộng electronphin

5.4.1 Cơ chế phản ứng tách đơn phân tử E1

5.4.2 Cơ chế phản ứng tách đơn phân tử E2

5.5 Hướng của phản ứng tách

5.6 Quan hệ giữa phản ứng tách và thế nucleophin

5.6.1 Cấu trúc của gốc hiđrocacbon R

6.2 Cấu tạo của nhóm cacbonyl

6.3 Phản ứng cộng nucleophin vào nhóm C=O của anđehit và xeton 6.3.1 Cơ chế tổng quát

6.3.2 Các phản ứng cụ thể

6.4 Phản ứng thế nucleophin của axit cacboxylic và dẫn xuất của chúng 6.4.1 Định nghĩa

6.4.2 Cấu tạo nhóm cacboxyl

6.4.3 Phản ứng thế nucleophin của axit cacboxylic và dẫn xuất

Chương 7 : Phản ứng của hợp chất chứa nitơ

7.1 Định nghĩa

7.2 Cấu tạo của nhóm Amino

7.3 Các phản ứng của Amin

7.3.1 Phản ứng với anđehit và xeton

7.3.2 Phản ứng với dẫn xuất của axit

7.3.3 Phản ứng với axit nitrơ ( HNO2 )

7.3.4 Phản ứng ankyl hóa

7.3.5 Phản ứng sunfonyl hóa

7.3.6 Phản ứng halogen hóa

7.3.7 Phản ứng thế vào nhân thơm của amin thơm

7.4 Các phản ứng của amino axit

Phần 1 : Tổng quan về cơ sở lý luận và lý thuyết

• Chương 1 : Một số khái niệm về phản ứng hữu cơ

Cơ chế phản ứng

1.4.1 Phản ứng thế

1.4.1.1 Phản ứng thế electronphin S R

Phản ứng thế theo cơ chế gốc là phản ứng dây chuyền cĩ ba giai đoạn:

- Giai đoạn khơi mào

- Giai đoạn phát triển mạch và tạo sản phẩm

- Giai đoạn tắt mạch và kết thúc phản ứng

Thí dụ:

Phản ứng clo hĩa ankan xảy ra như sau:

+Giai đoạn khơi mào:

Cl2 2ClNhiệt hoặc ánh sáng (hv)

+Giai đoạn phát triển mạch và tạo sản phẩm:

E +

1.4.1.3 Phản ứng thế nucleophin S N

+ Cơ chế S N 2

Cơ chế lưỡng phân tử SN2 thể hiện trong phương trình tốc độ phản ứng có

nồng độ của hai chất tham gia phản ứng Phản ứng xảy ra một giai đoạn và có

trạng thái chuyển tiếp giữa chất phản ứng và tác nhân Y-

Gồm 1 giai đoạn, đi qua TTCT:

Xét về án ngữ không gian cũng như độ ổn định của TTCT trong phản ứng

SN2, Y(-) tấn công C(+) từ phía không có X thì thuận lợi hơn từ phía có X

Y

- X

C Y

Y C X

CY

TTCT kém bền giữ nguyên cấu hình

Tấn công của tác nhân electronphin

Tái tạo hợp chất thơm

Phản ứng bậc 2, v = k[RX][Y-], tốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ và bản chất của Y(-) cũng như RX

Ở trạng thái chuyển tiếp, liên kết cũ sắp bị đứt và liên kết mới sắp tạo thành Tác nhân nucleophin tác kích vào cacbon phía sau của Cl hình thành sản phẩm

R(+) có cấu trúc phẳng hay gần như phẳng cho nên X mặt tiến công của

Y- từ 2 phía vào C(+) phải tương đương nhau, như vậy nếu xuất phát từ RX quang hoạt (cấu dạng R hoặc S) sau phản ứng được biến thể Raxemic

Dmpc, gđ chậm

Gđ nhanh

giữ nguyên cấu hình

Thực tế, sự raxemic hoá xảy ra không hoàn toàn vì tỷ lệ sảm phẩm quay

cấu hình và giữ nguyên cấu hình thường lớn hơn 1 Đó là vì khi R(+) kém bền,

X(-) chưa kịp ra xa, Y(-) đã tiến công R(+) và do vậy phải đi vào phía không có X

(-) Nếu độ bền của R(+) tăng lên thì tỷ lệ sản phẩm raxemic sẽ tăng theo

Như vậy, phản ứng SN1 gây nên sự raxemic hoá và một phần quay cấu

hình

1.4.2 Phản ứng cộng

1.4.2.1 Cộng electronphin A E

+Cơ chế

Phản ứng gồm 2 giai đoạn, quyết định tốc độ chung của phản ứng là giai

đoạn cộng tiểu phân mang điện dương tạo thành sản phẩm trung gian R(+) :

XY : Hal2, Hal-Hal, HHal, HOH, H2SO4,…

Trước khi tạo thành R(+) có thể tạo thành phức π giữa C=C và XY Cơ chế

AE vào nối ba nói chung tương tự cơ chế AE vào nối đôi

• Phản ứng cộng vào đien liên hợp

quay cấu hình

Raxemic hoá

δ-

δ+ δ+ δ-

R

R'

R'O Y

OH

Y nhanh

Cũng như phản ứng SR, phản ứng AR thường là phản ứng dây chuyền: bước 1 là khơi mào, tạo gốc tự do hoạt động; bước 2 phát triển mạch; bước 3 là tắt mạch Các bước 1 và 3 tương tự trong phản ứng SR, bước 2 như sau:

Phản ứng xảy ra theo 2 giai đoạn:

-Chất phản ứng tạo thành cacbocation R+ là giai đoạn chậm (tương tự S N 1

-Tách H+ và tạo nối đôi là giai đoạn nhanh

Hai giai đoạn, sản phẩm trung gian là R(+) Nếu không ghi vai trò rất quan trọng của dung môi ta có sơ đồ:

chậm

nhanh

n lần

Phản ứng xảy ra theo các giai đoạn sau:

+ Tương tác giữa một bazơ mạnh với chất phản ứng hình thành trạng thái chuyển tiếp

+ Sự tách loại xảy ra và tạo sản phẩm có liên kết đôi

+Cơ chế:

E2 là phản ứng tách lưỡng phân tử, một giai đoạn tương tự SN2 và thường xảy ra song song với SN2

Y + H C C X Y H C C X YH + C C + XX: -Cl, -Br, -I, ( )N R3

+, -OSO2Ar,

Y: HO-, RO-, NR3,

+Hoá lập thể

δ- δ

-E2 ưu tiên tách kiểu trans tức là khi 4 trung tâm tham gia phản ứng C-X) ở trên một mặt phẳng, trong đó các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị tách (H và X) ở vị trí anti đối với nhau

(H-C-X

R R

H

Y

X

R R

- X

- HY

R R

X

R R H

Y

X

R R

H Y - X

- HY

R R TTCT anti

TTCT synPhản ứng tách HHal từ RHal có bậc 2 và cần bazơ mạnh, v = [RHal][Y-]

Phản ứng tách loại HBr từ C2H5Br dưới tác dụng của KOH/C2H5OH là một bazơ mạnh để tạo thành etilen có cơ chế như sau:

HO-

C C C C + H2O + BrH

-H H

Bài tập có lời giải: 30 bài tập ví dụ và 15 bài tập tương tự không có lời giải

δ-

δ-

δ-

δ-

CH3CH CH2(A) B C D F CH3 C C2H5

CH3

OH

Bài 1 : Viết công thức cấu tạo của các anken từ phản ứng đề hiđrat hóa, xúc tác

axit của các ancol sau và cho biết sản phẩm chính

Bài 2 : a Viết tất cả các đồng phân cấu tạo mạch hở của C5H11Br

b Đồng phân nào trải qua phản ứng tách E1 với tốc độ nhanh nhất?

c Đồng phân nào không có khả năng xảy ra phản ứng tách E2?

d Đồng phân nào chỉ tạo ra duy nhất một anken theo cơ chế tách E2?

e Đồng phân nào tạo thành hai anken theo cơ chế E2?

f Đồng phần nào thành hỗn hợp nhiều anken theo cơ chế E2?

Bài 3: Xác định các chất còn lại trong các sơ đồ sau và nêu cơ chế tạo ra chúng

a Hoàn thành sơ đồ sau:

CH3 H +

1-metylxiclopenten (spc) 3-metylxiclopenten Metylidenxiclopenten

CH3

CH2=CCH2CH3

2-metylbut-1-en

f

Bài 2 : Hướng dẫn giải

a Các đồng phân mạch hở của C5H11Br

b Tốc độ phản ứng tách E1 xảy ra càng nhanh khi gốc ankyl có bậc càng cao

(cacbocation tạo thành càng bền), do đó trong 8 đồng phân của C5H11Br thì metylbutan sẽ trải qua phản ứng tách E1 nhanh nhất:

2-brom-2-c Phản ứng tách E2 không có sự chuyển vị do đó đồng phân nào không có H ở Cβ

sẽ không có khả năng xảy ra phản ứng E2 Do đó, trong 8 đồng phân của C5H11Br thì brom-2,2-đimetylbutan sẽ không có phản ứng E2:

CH3CH2CCH3

CH3Br

d Các đồng phân ankylbromua bậc 1 sẽ tạo ra 1 anken duy nhất:

e 3-brompentan sẽ trải qua phản ứng tách E2 tạo 2 anken là đồng phân hình học

của nhau:

f 2-brompentan sẽ trải qua phản ứng tách E2 tạo 3 anken:

Bài 3 : Hướng dẫn giải

Phần 4 : Thực nghiệm sư phạm

4.1 Mục đích của thực nghiệm sư phạm

Đánh giá tình hình dạy và học hóa học hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông nâng cao

Thu thập ý kiến của giáo viên và học sinh để hoàn thiện đề tài

Tìm hiểu khả năng biết vận dụng cơ chế các phản ứng hữu cơ vào việc giải bài toán hóa học

• Đánh giá chất lượng nội dung của đề tài

4.2 Nội dung thực nghiệm sư phạm

Hệ thống lý thuyết và bài tập liên quan đến cơ chế phản ứng hữu cơ

4.3 Đối tượng thực nghiệm sư phạm

Học sinh trường THPT

Giáo viên giảng dạy bộ môn hóa ở trường phổ thông

+ Giáo viên giảng dạy bộ môn hoá học trường THPT Nguyễn Bỉnh Khiêm – Đaklak

+ Giáo viên giảng dạy bộ môn hoá học trường THPT Buôn Ma Thuộc – Đaklak + Giáo viên giảng dạy bộ môn hoá học trường THPT Cưmgar – Đaklak

4.4 Tiến hành thực nghiệm sư phạm

+ Phiếu điều tra

+ Đề kiểm tra 15 phút (nội dung lớp 11)

 Bước 2: lồng ghép cơ chế phản ứng hữu cơ vào bài dạy cụ thể

 Bước 3: tiến hành điều tra cụ thể đối với HS (đối với các GV thì dùng PP thăm dò)

 Bước 4: Kiểm tra, phân tích và đánh giá kết quả thu được

- Tiến hành phỏng vấn và điều tra đối với giáo viên và học sinh phổ thông

- Kiểm tra đánh giá việc lồng ghép cơ chế phản ứng hữu cơ vào giảng dạy hóa học hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông nâng cao

4.5 Kết quả thực nghiệm sư phạm

4.5.1 Kết quả thực nghiệm nội dung đề tài

+ Thực nghiệm đối với lớp 11A3 (sĩ số 40) và lớp đối chứng là 11A1 (sĩ số 40) trường THPT Cưmgar

0 2 4 6 8 10 12 14

Thực nghiệm Đối chứng

+ Thực nghiệm đối với lớp 11A2 (sĩ số 43) và lớp đối chứng là 11A3 (sĩ số 43) trường THPT Buôn Ma Thuộc

Đối với bài kiểm tra 15 phút về cơ chế các phản ứng hoá học

Bảng 4.3 Phân phối tần số, tần suất và tần suất tích lũy của kết quả kiểm tra

Thực nghiệm Đối chứng

Nhận xét kết quả thực nghiệm

- Dựa vào kết quả kiểm tra và biểu đồ kết quả kiểm tra giữa lớp TN và lớp ĐC ta thấy:

+ Điểm số trên 6 ở lớp thực nghiệm cao hơn (có điểm 9 và 10 ở lớp TN)

+ Sự chênh lệch thể hiện rõ ở những điểm số dưới 4 và trên 6 Dưới 4 thì số HS lớp đối chứng đạt nhiều hơn, trên 6 thì lớp thực nghiệm đạt nhiều hơn

- Điểm trung bình chung của lớp TN cao hơn lớp ĐC

- Đồ thị đường tích lũy điểm số kết quả kiểm tra của lớp TN luôn nằm dưới đường tích lũy điểm số kết quả kiểm tra của lớp ĐC

- Tỉ lệ % số HS đạt điểm dưới 6 ở lớp TN và ĐC chênh nhau tới 30,1%

Như vậy, qua thực nghiệm cho thấy, kết quả ở lớp TN luôn cao hơn so với lớp

ĐC Từ đó thấy rằng việc hệ thống lý thuyết và lồng ghép cơ chế các phản ứng vào trong nội dung dạy học mang lại hiệu quả thiết thực, các em đã có cái nhìn trọn vẹn hơn, biết tìm ra hướng cụ thể của các phản ứng hoá học hiểu bản chất của các phản ứng đó, nó cần thiết trong việc nâng cao chất lượng dạy và học Hóa học Tuy nhiên việc đưa vào cần phải rõ ràng và cụ thể, thời điểm phải hợp lí thì mới mang lại hiệu quả và nhằm nâng cao kết quả học tập của học sinh đồng thời cũng nâng cao kết quả trong các kì thi học sinh giỏi và học sinh thi olympic

4.7 Kết quả điều tra

4.7.1 Thực nghiệm đối với giáo viên

Trong quá trình phỏng vấn giáo viên xoay quanh về vấn đề lồng ghép cơ chế các phản ứng hữu cơ vào giảng dạy chương trình hoá học phổ thông nâng cao đã có những ý kiến như sau:

- Ý kiến 1: Trong các đề thi học sinh giỏi hoá học thường có các câu hỏi liên quan đến cơ chế Tuy nhiên, trông quá trình học trên lớp thì vấn đề này thường ít được quan tâm Nguồn tài liệu tham khảo khó tìm và đọc rất khó hiểu không phù hợp với chương trình phổ thông Việc lồng ghép cơ chế vào giảng dạy sẽ làm học sinh hiểu bì hơn và cảm thấy thích thú hơn khi học về hoá hữu cơ

- Ý kiến 2: Muốn học sinh giải được các bài tập về hoá cơ chế trước hết cần xây dựng được cơ sở lí thuyết của các phản ứng hữu cơ Vì phải xuất phát từ lí thuyết mới xây dựng được bài tập, việc hệ thống lí thuyết phải súc tích, ngắn gọn, dễ hiểu, không nêu quá nhiều lí thuyết học sinh sẽ khó hiểu và khó nhớ

-Ý kiến 3: Việc xây dựng cơ sở lý thuyết và các dạng bài tập về cơ chế phù hợp với chương trình phổ thông nâng cao là cần thiết và thiết thực làm cho học sinh hiểu thêm về bản chất các phản ứng vì với học sinh phản ứng hữu cơ là một vấn đề khá khó đối với học sinh Hơn nữa trong sách giáo khoa có nêu cơ chế nhưng chỉ nói qua và học sinh khó hiểu

- Ý kiến của một số giáo viên khác đa số đều có ý trùng với ý kiến của các giáo viên trên

 Trong quá trình thu thập ý kiến của các giáo viên phổ thông cho thấy việc lồng ghép

cơ chế phản ứng vào giảng dạy là quan trọng Là phần nội dung không thể thiếu trong các

đề thi học sinh giỏi hoá học hay các cuộc thi olympic hoá học Muốn giải được các bài tập về cơ chế phản ứng cần xuất phát từ cơ sở lí thuyết của nó Việc xây dựng cơ sở lý thuyết về cơ chế phù hợp với trình độ học sinh phổ thông là rất quan trọng

4.5.1 Thực nghiệm đối với học sinh

Đối tượng điều tra là HS ở 3 khối 11 và 12 ở 3 điểm trường thuộc địa bàn tỉnh Đăk Lăk:

+ 11A1 (40 HS) 11A3 (40 HS), 12A1 (46 HS) thuộc trường THPTCưmgar

R ấ t khó Khó Bình Th ườ ng

D ễ

Rất cần Cần

Ít cần Không cần

+ 11A2 (43 HS), 11A3 (43 HS), 12A2 (48 HS) thuộc trường THPT Buôn Ma Thuộc

+ 11A1 (38 HS), 11A2 (48 HS), 12A1 (40 HS) thuộc trường THPT Nguyễn Bỉnh Khiêm

Số

HS

% số

HS Rất khó 173 44,8

khi học hoá hữu cơ

Bảng 4.5 Nhu cầu của học sinh biết thêm

0 10 20 30 40

Xác định SP Cân bằng

PU TCHH khó nhớ Khó giải BT Khác

% Số HS Xác định SP Cân bằng PU TCHH khó nhớ Khó giải BT Khác

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Giáo viên Sách

tham khảo

Internet Bạn bè Khác

% số HS

Số HS % số HS Giáo viên 309 80,0

thường gặp khi học hoá hữu cơ

Hình 4.6.Mức độ các nguồn thông tin về cơ

chế phản ứng

Hình 4.7.Mức độ các khó khăn thường gặp

T hường xuyên

k hô ng thường xuyê n

Í t k hi

C hưa từng

Nh ận xét kết quả điều tra

Thông qua phương pháp điều tra thực tế và thu thập thông tin về việc đưa cơ chế phản ứng hoá học vào giảng dạy hoá học trong chương trình phổ thông nâng cao ở trường THPT Cưmgar, THPT Buôn Ma Thuộc, THPT Nguyễn Bỉnh Khiêm trên địa bàn tỉnh Đăk Lăk, cụ thể tiến hành điều tra đối với HS 2 khối 11 và 12, em rút ra được kết quả sau:

- Mức độ yêu thích môn hóa học tăng dần từ khối 11 đến khối 12 Nguyên nhân chủ yếu là các em cảm thấy học hoá hữu cơ rất khó hiểu, bị hỏng kiến thức ở lớp dưới, chưa nắm được kiến thức lý thuyết, không có thời gian rèn luyện tập giải bài tập (vì đa số thời gian lên lớp dùng để học lý thuyết) Vì vậy dẫn đến không còn hứng thú đối với môn học Ngoài ra, phương pháp giảng dạy của giáo viên cũng là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến tâm lí yêu thích môn Hóa học

Số

HS

% số

HS Thường xuyên 80 20,7

chế vào giảng dạy

Hình 4.8.Mức độ các các giáo viên đưa cơ

chế vào giảng dạy

- Đa số các vấn đề về cơ chế phản ứng mà các em biết được đều thông qua giáo viên và sách tham khảo Tuy nhiên việc vận dụng vào các bài cụ thể là rất khó đối với các

em vì các em chưa biết một cách rạch ròi nên khó áp dụng và khi áp dụng dễ mắc sai sót

- Các tài liệu viết về cơ chế thì rất ít và rất khó tìm

- Đa số các tài liệu về cơ chế mà các em tham khảo đều rất khó hiểu và không phù hợp với trình độ nhận thức của các em

Như vậy để nâng cao hiệu quả dạy và học môn Hóa học đặc biệt là phần hoá học hữu cơ cũng như nâng cao chất lượng trong các kì thi học sinh giỏi khu vực, quốc gia, Olympic thì :

• Các giáo viên THPT cần nắm vững chuyên môn và biết cách phân bố thời gian dạy hợp lí để HS vừa có thể nắm vững kiến thức lý thuyết vừa có thời gian rèn luyện kĩ năng giải bài tập, nhất là các bài tập về cơ chế phản ứng

• Các em HS cần biết cách khái quát các kiến thức đã học một cách ngắn gọn, rèn luyện thêm các các bài tập, lựa chọn bài tập phù hợp để củng cố kiến thức và rèn luyện kĩ năng

PHẦN 5 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 KẾT LUẬN

Qua khóa luận này, tôi đã được tìm hiểu sâu hơn kiến thức hóa hữu cơ kể cả kiến thức lý thuyết và một số dạng bài tập về cơ chế phản ứng Từ đó, tôi rút ra được một số nhận xét sau:

- Nắm được cơ sở lý luận của cơ chế các phản ứng hóa học, thấy được tác dụng và vai trò của bài cơ chế phản ứng hoá học đối với việc dạy và học hóa học trong chương trình hoá học phổ thong nâng cao

- Nắm được cách phân loại phương pháp giải cho các dạng bài tập có lien quan đến cơ chế phản ứng hoá học

- Khi giải các bài tập học sinh không chỉ được ôn lại kiến thức đã học mà còn có

cơ hội tìm hiểu kỹ hơn về kiến thức đó, hiểu được bản chất các phản ứng cũng như các hiện tượng hóa học thông qua các câu hỏi bài tập cụ thể về cơ chế phản ứng Ngoài ra còn phát triển tư duy, sáng tạo cho HS

- Bên cạnh đó, trong quá trình làm khóa luận đã giúp tôi tăng cường khả năng sử dụng vi tính, sử dụng các phần mềm để phục vụ cho việc giảng dạy, thực hiện giảng dạy bằng giáo án điện tử

- Thông qua thực nghiệm sư phạm ở trường phổ thông cùng với các phương pháp điều tra thực tế, thu thập và xử lí thông tin bằng xác suất thống kê tôi có thể tìm ra những khó khăn của học sinh khi học phần hóa học hữu cơ; rút ra sự cần thiết của việc lồng ghép cơ chế các phản ứng hoá học vào giảng dạy để nâng cao chất lượng dạy và học của giáo viên và học sinh

5.2 ĐỀ XUẤT

Việc lồng ghép cơ chế phản ứng vao giảng dạy có vai trò và có tác dụng quan trọng đến chất lượng dạy và học hoá học trong chương trình hoá học phổ thông nâng cao

Hệ thống bài tập cũng như phương pháp giải cụ thể về phần cơ chế phản ứng sẽ giúp học sinh giải quyết được nhiều khó khăn khi học về hóa học hữu cơ và hiểu được bản chất của các phản ứng hoá học hữu cơ

Do đó trong quá trình dạy học, người giáo viên nên:

1 Cần lồng ghép cơ chế phản ứng vào các bài cụ thể

2 Giáo viên đưa ra các bài tập để học sinh rèn luyện thêm và củng cố lý thuyết về cơ chế phản ứng

3 Cần rèn luyện cho học sinh nắm thật vững cơ sở lý thuyết để học sinh có thể đi sâu vào giải quyết các vấn đề khó hơn

4 Cần lựa chọn bài tập phù hợp đối với học sinh thi học sinh giỏi hay Olympic sao cho nêu bật được kiến thức, khắc sâu kiến thức cho học sinh khi đó mới phát huy tính tích cực của việc giải bài tập

Ngoài ra, học phần cơ chế phản ứng và bài tập là phần rất quan trọng đối với mỗi sinh viên Hóa Tuy nhiên học phần này rất khó hiểu nếu học lý thuyết thì không hiệu quả

Vì vậy, mong Bộ môn có thể tăng thời gian học phần về cơ chế các phản ứng hoá học để rèn luyện thêm cho sinh viên kỹ năng giải bài tập, vận dụng lý thuyết trong công việc giảng dạy sau này

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong chương trình hóa học hữu cơ ở bậc phổ thông thường chỉ trình bày chất đầu và chất cuối của hệ mà không cho biết quá trình hóa học thực hiện như thế nào, tiến trình phản ứng diễn biến ra sao tức là không nêu lên được cơ chế phản ứng

Mặt khác, cơ chế phản ứng là bản chất, cốt lõi của các phản ứng hữu cơ Có thể hiểu: “ Cơ chế phản ứng là tập hợp một cách đầy đủ các giai đoạn mà một phản ứng đã trải qua trong quá trình biến đổi từ chất này đến sản phẩm tạo thành ” Vì vậy khi hiểu được cơ chế phản ứng học sinh có thể hiểu được con đường chi tiết mà các phản ứng có thể đi qua để tạo ra sản phẩm Từ đó các em dễ dàng viết được chính xác sản phẩm của một phản ứng

Tuy nhiên ở bậc phổ thông không hề đề cập tới cơ chế của các phản ứng hữu

cơ nếu có cũng chỉ dừng lại ở một vài thuật ngữ Vì vậy học sinh phổ thông không

hề được học cơ chế nhưng các em phải viết được sản phẩm của các phản ứng hữu cơ, chính vì lẽ đó học hóa học hữu cơ trở thành vấn đề khó khăn với học sinh Còn đối với giáo viên phổ thông, tuy đã được học ở bậc đạị học nhưng vẫn rất mơ hồ Vì vậy

ít khi các giáo viên đưa thêm cơ chế của các phản ứng vào bài giảng của mình

Ngoài ra, với mong muốn góp phần xây dựng nguồn tài liệu tham khảo cho các giáo viên phổ thông và học sinh đặc biệt là các học sinh giỏi và học sinh thi giải Olympic thì cơ chế là vấn đề cần thiết, đồng thời cũng là nguồn tài liệu tham khảo cho bản thân và các bạn sinh viên nghành sư phạm hóa để phục vụ cho công việc giảng dạy sau này

Xuất phát từ lý do trên tôi chọn đề tài nghiên cứu : “ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ TRONG CHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC PHỔ THÔNG NÂNG CAO ”

2 Mục đích nghiên cứu

Dựa trên nền tảng lý thuyết về cơ chế các phản ứng hữu cơ, các yêu cầu về kiến thức và kỹ năng của học sinh trong chương trình hóa học lớp 11 và lớp 12 nâng cao; lý thuyết về các phản ứng hữu cơ để xây dựng nên hệ thống lý thuyết và bài tập liên quan dến phần cơ chế các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông nâng cao

3 Tình hình nghiên cứu

Đã có nhiều bài viết và công trình nghiên cứu về cơ chế các phản ứng hữu cơ Tuy nhiên các đề tài thường hướng đến nghiên cứu cho giáo viên và sinh viên chuyên ngành trong bậc đại học còn rất ít đề tài nghiên cứu cơ chế của các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông

4 Đối tượng nghiên cứu và khách thể nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu: Các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa

học lớp 11 và lớp 12 nâng cao bậc THPT

4.2 Khách thể nghiên cứu: Quá trình dạy và học ở trường phổ thông

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về cơ chế các phản ứng hữu cơ

Nghiên cứu nội dung chương trình hóa học lớp 11 và lớp 12 nâng cao

Nghiên cứu các phần mềm tin học phục vụ cho việc mô tả cơ chế của các phản ứng

Nghiên cứu xây dựng bài tập và cách giải bài tập về phần cơ chế các phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học lớp 11 và lớp 12 nâng cao

Tiến hành thực nghiệm sư phạm để đánh giá hiệu quả của việc đưa cơ chế các phản ứng hữu cơ vào giảng dạy hóa học ở các trường THPT

Tổng kết đề tài và đưa ra các đề xuất

RX R. + X.

-PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1 :MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ PHẢN ỨNG HỮU CƠ 1.1 Phân loại phản ứng hữu cơ [1,2,6,10]

Các phản ứng hữu cơ được phân lọai theo nhiều cách khác nhau : Theo đặc điểm của sự biên đổi liên kết, theo đặc điểm của tác nhân phản ứng, theo đặc điểm của các tiểu phân tham gia vào quá trình quyết điịnh tốc độ phản ứng, theo hướng

của phản ứng hay phối hợp tất cả các cách nói trên

1.1.1 Phân loại theo đặc điểm của sự biến đổi liên kết

Các phản ứng thông thường xảy ra bằng cách làm đứt liên kết cộng hóa trị cũ tạo thành liên kết cộng hóa trị mới Một liên kết cộng hóa trị có thể đứt theo hai cách khác nhau

Cách thứ nhất, sau khi liên kết cộng hóa trị bị đứt mỗi nguyên tử đem theo một electron của đôi electron liên kết Khi đó trong môi trường phản ứng xuất hiện gốc tự do hay nguyên tử hoạt động

Cách phân cắt liên kết như vậy gọi là phân cắt đồng li phẩn ứng tương ứng đươc gọi là phẩn ứng đồng li hay phản ứng gốc tự do

Theo cách thứ hai, sau khi liên kết cộng hóa trị bị đứt thì đôi electron liên kết

ở lại một nguyên tử, còn nguyên tử kia không đem theo một electron liên kết nào

Cách phân cắt liên kết như vậy gọi là phân cắt dị li phẩn ứng tương ứng đươc gọi là phản ứng dị li hay phản ứng gốc ion

1.1.2 Phân loại theo đặc điểm của tác nhân phản ứng

Những tác nhân phản ứng (Y-) là các anion, các phân tử trung hòa trong dó có nguyên tử còn cặp electron tự do có thể cho đi một cách dễ dàng, một số phân tử có chứa electron π có ái lực mạnh đối với trung tâm mang điện tích dương

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

C2H5OH H2SO4

1700C CH2 CH2 + H2ONhững tác nhân như vậy gọi là tác nhân nucleophin ( tác nhân ái nhân ) Phản ứng xảy ra với sự tham gia của tác nhân nucleophin gọi là phản ứng nucleophin

Các tác nhân là các ion dương, những phân tử chứa nguyên tử không có bát

tử đầy đủ ( axit lewis ), các phân tử bị phân cực dưới ảnh hưởng của môi trường phản ứng thường có ái lực với trung tâm mang điện tích âm

Đó là tác nhân electronphin ( tác nhân ái điện tử ) Phản ứng xảy ra với sự tham gia của tác nhân electronphin gọi là phản ứng electrophin

1.1.3 Phân loại theo hướng của phản ứng

Theo cách này người ta chia các phản ứng hữu cơ thành phản ứng thế, phản ứng cộng hợp, phản ứng tách

Phản ứng thế ( kí hiệu là S ) là phản ứng trong đó một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử trong phân tử này được thay thế bằng một nguyên tử hay nhóm nguyên tủ khác Thí dụ:

Ở đây một nguyên tử hiđro trong phân tử metan được thay thế bằng nguyên

tử clo

Phản ứng cộng hợp (kí hiệu là A) là phản ứng trong đó hai hay nhiều nguyên

tử kết hợp với nhau tạo thành phân tử mới Thí dụ phản ứng cộng hợp phân tử hiđro vào phân tử etylen để tạo thành phân tử etan

CH 2 CH 2 + H2 CH3 CH3

Phản ứng tách (kí hiệu là E) là phản ứng trong đó một phân tử bị loại đi một nguyên tử hay nhóm nguyên tử để tạo thành hợp chất mới có nối kép Thí dụ phản ứng loại nước của ancol etylic để tạo thành etylen

Trong các loại phản ứng, trên tùy thuộc vào đặc điểm của tác nhân phản ứng chúng còn có thể được chia chi tiết và cụ thể hơn Chẳng hạn, phản ừng thế gồm phản ứng thế gốc SR, phản ứng thế electronphin SE, phản ứng thế nucleophin SN

Cần chú ý thêm rằng, trong quá trình phản ứng của ba loại phản ứng trên đều

có thể xảy ra sự đổi chỗ một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử trong phân tử được gọi là “ sự chuyển vị ” Sự chuyển vị cũng có thể được coi là loại phản ứng thứ tư

1.1.4 Phân loại theo số lượng tiểu phân tham gia vào quá trình quyết định vận tốc của phản ứng

Theo cách này người ta phân chia thành phản ứng đơn phân tử, phản ứng lưỡng phân tử, phản ứng tam phân tử, phản ứng đa phân tử

1.2 Các kiểu phân cắt liên kết cộng hóa trị.[1, 2, 6, 10]

1.2.1 Định nghĩa liên kết cộng hóa trị

Liên kết hóa học được thực hiện bằng những cặp điên tử dùng chung gọi là liên kết cộng hóa trị Cặp điện tử này tất nhiên phải có spin ngược chiều nhau và khi

đó nó thuộc về cả hai nguyên tử

1.2.1 Một số đặc điểm của liên kết cộng hóa trị

1.2.1.2 Độ phân cực của liên kết

Trong liên kết cộng hóa trị, nếu obital phân tử có cấu tạo cân đối, nghĩa là mật độ điện tử của obital phân tử phân bố đều giữa hai hạt nhân, trọng tâm điện tích

âm và dương trùng nhau thì liên kết là không phân cực

Liên kết cộng hóa trị không cực chỉ tạo giữa hai nguyên tử của cùng môt nguyên tố Thí dụ H-H trong phân tử H2, Cl- Cl trong phân tử Cl2…

Trong trường hợp nếu obital phân tử có cấu tạo không cân đối, nghĩa là mật

độ điện tử của obital phân tử lệch về phía một trong hai nguyên tử thí liên kết đó là phân cực

Liên kết cộng hóa trị phân cực được tạo thành do các nguyên tử có độ âm điện khác nhau liên kết với nhau

CH 3 CH Br CH 3 CH + Br

CH3Isopropyl bromua Cation isopropyl

CH3

2(C6H5)3C H + 2Na 2(C6H5)3C + 2Na + H2

Triphenyl metan Anion triphenylmetyl

Độ phân cực của liên kết được quyết định trước hết bởi độ âm điện của các nguyên tử liên kết với nhau Hai nguyên tử có độ âm điện chênh lệch nhau càng lớn liên kết với nhau thì liên kết đó càng phân cực và ngược lại

1.2.3 Các kiểu phân cắt liên kết cộng hóa trị

1.2.3.1 Sự cắt đứt liên kết, kiểu cắt đứt liên kết

Sự phá vỡ và hình thành liên kết trong phân tử hữu cơ có thể xảy ra theo 2 kiểu:

- Phân cắt dị li ( phân cắt phân cực )

- Phân cắt đồng li ( phân cắt không phân cực )

1.2.3.2 Phân cắt dị li

Khi phản ứng hữu cơ xảy ra, liên kết C – X ( X: Cl, Br, OH, H,…) có thể bị phân cắt về một phía nào đó ( C hoặc X ) sao cho cặp electron liên kết thuộc hẳn về một trong hai nguyên tử vốn liên kết với nhau

Phân cắt dị li có hai kiểu:

Sự phân cắt dị li ở phía nguyên tử X sẽ tạo thành một cation mà điện tích dương cation chủ yếu ở từ cacbon, cation đó được gọi là cabocation, kí hiệu R+

CH3 < CH2CH3 < CH(CH3)2 < C(CH3)3

CH2 CH CH3 < CH2 CH CH2 < CH2 C6H5

CH3 < CH2CH3 < CH(CH3)2 < C(CH3)3

CH2CH2CH3 < CH2CH CH2 < CH2C6H5

1.2.3.3 Phân cắt đồng li

Trong phản ứng hữu cơ, liên kết cộng hóa trị C–X ( X: -H, -C, -I,…) có thể bị phân cắt sao cho mỗi nguyên tử liên kết vẫn còn giữ được một electron vốn ở liên kết đó

Tiểu phân mang electron độc thân được gọi là gốc tự do và thường được gọi đơn giản là gốc, kí hiệu R+

nhân như vậy gọi là tác nhân nucleophin ( tác nhân ái nhân )

1.3.2 Tác nhân electronphin của phản ứng

Các tác nhân là các ion dương, những phân tử chứa nguyên tử không có bát

tử đầy đủ ( axit lewis ), các phân tử bị phân cực dưới ảnh hưởng của môi trường phản ứng thường có ái lực với trung tâm mang điện tích âm Đó là tác nhân electronphin ( tác nhân ái điện tử )

1.4 Cơ chế phản ứng.[ 1, 2, 6, 7, 12]

1.4.1 Phản ứng thế

1.4.1.1 Phản ứng thế gốc tự do S R

Phản ứng thế theo cơ chế gốc là phản ứng dây chuyền cĩ ba giai đoạn:

- Giai đoạn khơi mào

- Giai đoạn phát triển mạch và tạo sản phẩm

- Giai đoạn tắt mạch và kết thúc phản ứng

Thí dụ:

Phản ứng clo hĩa ankan xảy ra như sau:

+Giai đoạn khơi mào:

Cl2 2ClNhiệt hoặc ánh sáng (hv)

+Giai đoạn phát triển mạch và tạo sản phẩm:

electronphin

Tái tạo hợp chất thơm

Thí dụ: Nitro hóa benzen bằng hỗn hợp HNO3 và H2SO4 đậm đặc, trong phản ứng này tác nhân electrophin trực tiếp tấn công vòng benzen là NO2+ sinh ra sản phẩm trung gian là một cation vòng …

X: -I, -Cl, -Br, -OH, -OSO2Ar,…

Y: OH-, RO-, RCOO-, I-,

Phản ứng thế nucleophin xảy ra theo hai cơ chế chính: phản ứng thế nucleophin một giai đoạn lưỡng phân tử SN2 và phản ứng thế nuleophin hai giai đoạn đơn phân tử SN1

+ Cơ chế S N 2

Cơ chế lưỡng phân tử SN2 thể hiện trong phương trình tốc độ phản ứng có nồng độ của hai chất tham gia phản ứng Phản ứng xảy ra một giai đoạn và có trạng thái chuyển tiếp giữa chất phản ứng và tác nhân Y-

Gồm 1 giai đoạn, đi qua TTCT:

Xét về án ngữ không gian cũng như độ ổn định của TTCT trong phản ứng

SN2, Y(-) tấn công C(+) từ phía không có X thì thuận lợi hơn từ phía có X

Y C X

CY

Ở trạng thái chuyển tiếp, liên kết cũ sắp bị đứt và liên kết mới sắp tạo thành Tác nhân nucleophin tác kích vào cacbon phía sau của Cl hình thành sản phẩm

+ Cơ chế S N 1

Nếu không kể đến dung môi, đây là phản ứng đơn phân tử, 2 giai đoạn, tạo

ra R(+) trung gian ở gian đoạn chậm