tom tat khoa luan: Cơ chế phản ứng hữu cơ trong chương trình hóa học phổ thông nâng cao

Trong chương trình hóa học hữu cơ ở bậc phổ thông thường chỉ trình bàychất đầu và chất cuối của hệ mà không cho biết quá trình hóa học thực hiện nhưthế nào, tiến trình phản ứng diễn biến

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 bàychất đầu và chất cuối của hệ mà không cho biết quá trình hóa học thực hiện nhưthế nào, tiến trình phản ứng diễn biến ra sao tức là không nêu lên được cơ chếphản 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 mộtphản 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 đườngchi tiết mà các phản ứng có thể đi qua để tạo ra sản phẩm Từ đó các em dễ dàngviết 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 ứnghữu cơ nếu có cũng chỉ dừng lại ở một vài thuật ngữ Vì vậy học sinh phổ thôngkhông hề được học cơ chế nhưng các em phải viết được sản phẩm của các phảnứng hữu cơ, chính vì lẽ đó học hóa học hữu cơ trở thành vấn đề khó khăn với họcsinh Còn đối với giáo viên phổ thông, tuy đã được học ở bậc đạị học nhưng vẫnrất mơ hồ Vì vậy ít khi các giáo viên đưa thêm cơ chế của các phản ứng vào bàigiảng của mình

Ngoài ra, với mong muốn góp phần xây dựng nguồn tài liệu tham khảocho các giáo viên phổ thông và học sinh đặc biệt là các học sinh giỏi và học sinhthi giải Olympic thì cơ chế là vấn đề cần thiết, đồng thời cũng là nguồn tài liệutham khảo cho bản thân và các bạn sinh viên nghành sư phạm hóa để phục vụcho 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 lýthuyết và bài tập liên quan dến phần cơ chế các phản ứng hữu cơ trong chươngtrình 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 viênchuyên ngành trong bậc đại học còn rất ít đề tài nghiên cứu cơ chế của các phảnứng 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 củacác phản ứng

 Nghiên cứu xây dựng bài tập và cách giải bài tập về phần cơ chế cácphản 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 cơchế 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 vậntốc 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 xeton6.3.1 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 chúng6.4.1 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 SN 2

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

Gồm 1 giai đoạn, đi qua TTCT:

Khi X là OH hoặc OR cần dùng axit để hoạt hoá, chẳng hạn chuyển OH

thành ( )O H 2

+Hóa lập thể

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

CY

Y C X

CY

TTCT kém bền giữ nguyên cấu hình

Tấn công của tác nhân electronphin

Tái tạo hợp chất thơm

Như vậy, phản ứng SN2 làm quay cấu hình phân tử.

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

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

2 ( )

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

- X

CY

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 -

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 làtắt 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 quantrọng 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 tháichuyển tiếp

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

-+Hoá lập thể

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

- HY

R R TTCT anti

TTCT syn

Phản 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

-HH

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

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:

CH2OH

H + -H 2 O

CH3

1-metylxiclohenxen (spc)

CH2

Metylidenxiclohexen 2-metylxiclopentanol

CH3

CH2=CCH2CH3

2-metylbut-1-en

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:

1-CH2OH H

+ -H 2 O

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 phổthông 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 bàitoán 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 thămdò)

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

4.4.2 Phương pháp.

- Phỏng vấn thu thập ý kiến của học sinh và giáo viên bộ môn hóa ở trường THPT

- Thu thập số liệu từ bài kiểm tra của học sinh

4.4.3 Cách tiến hành.

- 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 họchữu 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

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

0 2 4 6 8 10 12 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thực nghiệm Đối chứng

Bảng 4.1.Kết quả kiểm tra của HS 2 lớp 11A3 và 11A1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thực nghiệm

+ 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 HSlớp đối chứng đạt nhiều hơn, trên 6 thì lớp thực nghiệm đạt nhiều hơn

- Đồ thị đường tích lũy điểm số kết quả kiểm tra của lớp TN luôn nằm dưới đườngtích 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 trongnội dung dạy học mang lại hiệu quả thiết thực, các em đã có cái nhìn trọn vẹn hơn, biếttìm ra hướng cụ thể của các phản ứng hoá học hiểu bản chất của các phản ứng đó, nó cầnthiết trong việc nâng cao chất lượng dạy và học Hóa học Tuy nhiên việc đưa vào cầnphải rõ ràng và cụ thể, thời điểm phải hợp lí thì mới mang lại hiệu quả và nhằm nâng caokết quả học tập của học sinh đồng thời cũng nâng cao kết quả trong các kì thi học sinhgiỏi 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 cơchế 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 trìnhphổ thông Việc lồng ghép cơ chế vào giảng dạy sẽ làm học sinh hiểu bì hơn và cảm thấythích 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 dựngđược cơ sở lí thuyết của các phản ứng hữu cơ Vì phải xuất phát từ lí thuyết mới xây

R ấ t khó Khó Bình Th ườ ng

- 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 bàitập về cơ chế phản ứng cần xuất phát từ cơ sở lí thuyết của nó Việc xây dựng cơ sở lýthuyết 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 ĐăkLăk:

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

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

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

Số HS

% số HS Rất khó 173 44,8