skkn chuyên đề “hợp chất dị vòng” ôn thi học sinh giỏi hoá học

Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc An Giang, ngày 14 tháng 09 năm 2018 BÁO CÁO Kết thực sáng kiến, cải tiến, giải pháp kỹ thuật, quản lý, tác nghiệp, ứng dụng tiến kỹ thuật nghiên cứu khoa học sư phạm ứng dụng I- Sơ lược lý lịch tác giả: - Họ tên: NGUYỄN THỊ THẠCH THẢO Nam, nữ: Nữ - Ngày tháng năm sinh: 12/11/1983 - Nơi thường trú: Bình Đức, Long xuyên, An giang - Đơn vị công tác: THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu - Chức vụ nay: Giáo viên - Trình độ chun mơn: Thạc sĩ – Chun ngành Hóa hữu - Lĩnh vực cơng tác: Giảng dạy mơn Hóa II- Sơ lược đặc điểm tình hình đơn vị - Thuận lợi: + Ban giám hiệu nhà trường đặc biệt quan tâm đến công tác bồi dưỡng học sinh giỏi, tạo điều kiện tốt cho việc dạy học bồi dưỡng vật chất lẫn tinh thần + Trang thiết bị đầy đủ phục vụ cho việc giảng dạy + Học sinh có khả tư sáng tạo, khả tự tìm tịi, nghiên cứu tốt - Khó khăn: + Các em chưa biết cách trang bị đầy đủ kiến thức chuyên sâu, gây khó khăn cho việc tìm hiểu, giải vấn đề liên quan + Chuyên đề hợp chất dị vòng đề thi học sinh giỏi quốc gia, Olympic tương đối đa dạng + Các tài liệu phong phú chưa có chọn lọc, khơng đáp ứng nhu cầu tìm hiểu, nghiên cứu học sinh - Tến sang kiến: Hợp chất dị vịng Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến - Lĩnh vực: Hóa Hữu III- Mục đích yêu cầu sáng kiến Thực trạng ban đầu trước áp dụng sáng kiến Trong nghiệp đổi toàn diện đất nước, bồi dưỡng học sinh giỏi mục tiêu chiến lược giáo dục nước nhà, giúp học sinh hoàn thiện tri thức, phát huy lực, khiếu thân Chính vậy, bồi dưỡng học sinh giỏi nhiệm vụ hàng đầu trường THPT, đặc biệt THPT Chuyên Chuyên đề hợp chất dị vòng bồi dưỡng HSG chuyên tương đối khó, khối lượng kiến thức lớn, tài liệu tham khảo dàn trãi nhiều, gây hoang mang cho học sinh Sự cần thiết phải áp dụng sáng kiến Sách giáo khoa chuyên viết nội dung hợp chất di vịng cịn mang tính chất sơ lược, chưa đủ kiến thức để em hoàn thành tốt đề thi HSG, sách tham khảo lại tương đối rộng không biên soạn theo cấp độ từ đến nâng cao Có tài liệu viết sâu, với kiến thức phổ thông học sinh khó tiếp cận, tập nghiêng chuyên hợp chất dị vịng lại khơng có nhiều Do đó, giáo viên dạy bồi dưỡng phải tự chọn lọc, tập hợp kiến thức từ sách tham khảo, sau biên soạn lại để làm tư liệu giảng dạy Từ thực tế đó, tơi biên soạn chun đề“Hợp chất dị vịng” với mong muốn chia sẻ tư liệu với đồng nghiệp Nội dung chuyên đề gồm kiến thức thật với tập áp dụng đơn giản để học sinh làm quen bắt đầu tiếp cận với chuyên đề hợp chất dị vòng Nội dung sáng kiến 3.1 Tiến trình thực hiện: - Nghiên cứu tài liệu chuyên sâu hóa hữu cơ, tập hợp chọn lọc tài liệu có liên quan đến loại hợp chất dị vịng - Cơ đọng lại kiến thức trọng tâm theo chuyên đề nhỏ - Tham khảo tập hợp tập sách tham khảo, đề thi HSG, HSGQG, luận văn, luận án, báo khoa học … - Học hỏi kinh nghiệm đồng nghiệp, qua chuyên đề báo cáo tổ chuyên môn - Tự trau dồi, bồi dưỡng thường xuyên rút học kinh nghiệm q trình giảng dạy 3.2 Thời gian thực hiện: cơng tác bồi dưỡng HSG thực từ thời gian nghỉ hè học sinh, liên tục đến tổ chức kỳ thi 3.3 Biện pháp thực hiện: - Giáo viên phát tài liệu cho học sinh tham khảo trước - Giáo viên giải đáp thắc mắc học sinh sau nghiên cứu lý thuyết - Giáo viên cho học sinh giải tập Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến 3.4 Cơ sở lý thuyết 3.4.1 GIỚI THIỆU Hợp chất dị vòng nhóm hợp chất phân lập sớm Mặc dù lĩnh vực hóa học bắt đầu phát triển mạnh nửa đầu kỉ 19 nhiên cấu trúc chúng điều bí ẩn nhà hóa học Mãi đến năm 1860, cấu trúc cacbon tứ diện khám phá, cấu trúc hợp chất dần làm rõ Các hợp chất dị vòng khám phá thời kì hầu hết phân lập từ tự nhiên Nhiều năm sau đó, phương pháp tổng hợp hữu dần phát triển cho phép tổng hợp chúng phịng thí nghiệm Một vài hợp chất dị vịng phát lần đầu liệt kê bên dưới, nhiên cấu trúc chúng đa phần xác định nhiều năm sau đó: - Uric acid (1776, Scheele từ sỏi thận) - Alloxan (1818, Brunatelli cách oxi hóa uric acid) - Quinoline (1834, Runge từ chưng cất nhựa than đá) - Melamine (1834, Liebig đường tổng hợp) - Pyridine (1849, Anderson cách nhiệt phân xương) - Indole (1866, Bayer cách phân hủy indigo) - Furan (1870, đường nhiệt phân chưng cất gỗ cellulose) Bảng Các hợp chất dị vịng có nguồn gốc từ tự nhiên Vậy hợp chất dị vịng gì? Theo IUPAC, hợp chất dị vịng hợp chất vịng có chứa từ hai nguyên tử trở lên tham gia cấu tạo nên vịng Nếu xét theo thuật ngữ hợp chất dị vòng bao gồm hai loại là: hợp chất dị vịng vơ hợp chất dị vịng hữu Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến Trong thực tế, số nhóm hợp chất đáp ứng định nghĩa không xếp vào hợp chất dị vòng Chẳng hạn anhydride nội phân tử, lactone, lactam xếp vào dẫn xuất cacboxylic acid Hợp chất dị vòng vô biết đến nhiều borazin Hầu hết nhắc đến hợp chất dị vịng nói đến hợp chất dị vòng hữu Hợp chất dị vòng hữu định nghĩa hợp chất mạch vịng, ngồi ngun tử carbon cịn có hay nhiều nguyên tử phi cacbon khác cấu tạo nên vòng Những nguyên tử phi cacbon gọi dị nguyên tử hay dị tử Các dị nguyên tử phổ biến thường gặp nitơ, oxi lưu huỳnh Nhiều nguyên tố khác tạo thành liên kết cộng hóa trị bền xem dị nguyên tử là: P, As, Sb (Antimon), Si, Se, Te, B, Ge Trong số trường hợp, chí ngun tố kim loại chì, thiếc có khả hình thành dị vịng Vào năm 1983, IUPAC ghi nhận 15 nguyên tố từ nhóm II đến nhóm IV bảng hệ thống tuần hồn có khả tạo vòng với cacbon 3.4.2 PHÂN LOẠI HỢP CHẤT DỊ VỊNG Có nhiều cách khác để phân loại hợp chất dị vịng: - Theo kích thước vịng ta có phổ biến là: vịng ba, bốn, năm, sáu, bảy cạnh (phổ biến vòng 5, cạnh) - Theo kiểu dị nguyên tố: phổ biến dị vòng chứa O, N, S - Theo số dị tử: ta có vịng một, hai, ba, bốn dị tử - Theo số vịng có hợp chất: đơn vòng, đa vòng (chủ yếu vòng ngưng tụ) Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chun Thoại Ngọc Hầu - Báo cáo kết thực sáng kiến Theo mức độ bão hịa: dị vịng no, khơng no, thơm Nhìn chung, nhắc đến hóa học dị vòng, người ta thường đề cập đến hợp chất dị vòng thơm 3.4.3 DANH PHÁP VÀ CÁCH ĐÁNH SỐ 3.4.3.1 Danh pháp hệ đơn vòng chứa dị tử a Tên thông thường Tên hợp chất dị vịng phức tạp tính da dạng dị vòng Mặc dù xây dụng tên thống cho hợp chất đơn vịng tên thông thường tên nửa hệ thống dị vòng đơn IUPAC chấp nhận dùng rộng rãi [Bảng 4] Tên thông thường hầu hết dị vòng thơm năm cạnh tận –ole, vòng thơm sáu cạnh tận –ine Các dị vịng khơng thơm năm hay sáu cạnh thường tận –ine Một số tên thông thường hợp chất đơn vịng phổ biến trình bày bên b Danh pháp theo hệ thống Hantzsch – Widman Ngoài tên thông thường sử dụng phổ biến, cách hệ thống hơn, tên dị vòng đơn gọi theo danh pháp Hantzsch-Widman với qui tắc sau: Nguyeãn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chun Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến [1] Tên = Tiền tố + phần sở + hậu tố Trong tiền tố cho biết tên dị ngun tử Phần sở nói lên kích thước vòng hậu tố tổ hợp với phần sở phản ánh mức độ no khơng no vịng [2] Dị nguyên tử gọi theo tiền tố (prefix) [Bảng 2] Kí tự “a” kết thúc bỏ âm sau bắt đầu nguyên âm Ví dụ: “aza-irine” viết “azirine” Bảng Một số tiền tố phổ biến hợp chất dị vịng Dị ngun tố* Hóa trị Tiền tố (Prefix) Oxygen II Oxa- Lưu huỳnh II Thia- Nitrogen IV Aza- Phospho III Phospha- Arsen III Arsa- Silic IV Sila- Bor III Bora- Sắp xếp theo trình tự giảm dần mức độ ưu tiên [2] Kích cỡ vịng gọi phần sở theo sau tiền tố: -ir- (vòng cạnh), -et- (vòng cạnh), -ol(vòng cạnh), -in- (vòng cạnh), -ep- (vòng cạnh), -oc-(vòng cạnh), -on- (vòng cạnh), -ec- (vòng 10 cạnh) [3] Nếu hợp chất không no hay hợp chất thơm, thêm hậu tố tương ứng với kích cỡ vịng: -ene (vịng cạnh khơng chứa N), -ine (vịng cạnh chứa N), -e (vòng 4, 5, cạnh), -ine (vòng 7, 8, cạnh) [4] Nếu hợp chất no, thêm hậu tố -ane cho tất kích cỡ vịng, ngoại trừ N sử dụng tiền tố -idine (vòng 3, 4, 5, cạnh) vòng cạnh, tiền tố hexahydro-được dùng Ngồi ra, vịng cạnh chứa O gọi oxane thay oxinane Một vài ngoại lệ khác trường hợp dị vòng chứa P, As, B khơng trình bày Bảng Phần sở hậu tố dị vòng Số cạnh Phần sở Phần sở + Hậu tố Vịng khơng no, vịng thơm Vịng no Chứa N Khơng chứa N Chứa N Không chứa N -irene -idine -irane -ir- -irine -et- -ete -idine -etane -ol- -ole -idine -olane Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chun Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến -in- -ine * -inane -ep- -epine * -epane -oc- -ocine * -ocane -on- -onine * -onane 10 -ec- -ecine * -ecane *Khơng có hậu tố mà phải thêm tiền tố pehydro vào tên dị vịng khơng no thơm tương ứng Một số ví dụ sử dụng quy tắc nên để gọi tên số dị vịng thơng dụng chứa N, O, S [Bảng 4] Một số tên thông thường ưu tiên sử dụng tên hệ thống trình bày dấu ngoặc Quy tắc IUPAC khơng quy định vị trí dị tử viết cơng thức dị vịng thường dị tử đặt phía vịng Bảng Danh pháp IUPAC tên thông thường số dị vịng đơn Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến c Dẫn xuất dị vòng thơm - Quy tắc cách đánh số: Các hợp chất đơn vòng chứa dị tử đánh số dị tử - Quy tắc gọi tên: Tên = Số vị trí nhóm + Tên nhóm + Tên dị vịng dị tử - Cách đánh số: dị tử đánh số 1, nhóm lại đánh số cho tổng số vị trí nhỏ Sắp xếp nhóm theo thứ tự a, b, c… Tên gọi gốc hóa trị hợp chất dị vịng thường hình thành cách thêm hậu tố -yl vào tên thông thường tên hợp chất ban đầu Tuy nhiêu tồn số ngoại lệ: furyl (đối với furan), thienyl (thiophene), pyridyl (pyridine), quinolyl (quiniline), isoquinolyl (isoquinoline) d Đồng phân vị trí H Khi có nhiều dị vịng đồng phân khác vị trí nguyên tử hydrogen “thừa” vòng (nguyên tử extra-hydrogen), nguyên tử H chữ H (in nghiêng) kèm theo số vị trí 1H, 2H, 3H,… Ví dụ trường hợp pyrrole có đồng phân vị trí H tồn song song đồng phân 1H bền tương ứng với H nằm nguyên tử N dị vòng Trong số trường hợp, dùng chữ Hy Lạp để vị trí nguyên tử H với quy ước nguyên tử carbon kế cạnh dị nguyên tố gọi “alpha” Ví dụ trường hợp pyran: Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến e Danh pháp dị vịng khơng no Đối với số dị vịng khơng no mà mức độ chưa bão hòa hệ có liên kết đơi liên hợp ta dùng tiền tố cộng hydrogen như: dihydro, tetrahydro,… Ngoài ra, số trường hợp hệ vịng phức tạp, gọi theo vị trí liên kết đơi theo kiểu x, x+1 (trong x số vị trí liên kết đơi) Lấy ví dụ dihydrofuran: 3.4.3.2 Danh pháp hệ đơn vòng nhiều dị tử Danh pháp dị vòng chứa nhiều dị tử tuân theo quy tắc gọi tên dị vòng chứa dị tử với số khác sau: [1] Nếu có nhiều dị tử giống dùng thêm tiền tố di-, tri-, tetra-,… để 2, 3, 4,… dị tử Đánh số theo quy tắc tổng số vị trí dị tử nhỏ [2] Thứ tự ưu tiên dị tử: Nhóm VI (O > S > Se > Te) > Nhóm V (N > P > As) > Nhóm IV (Si > Ge) > Nhóm III (B) Đơn giản hơn, xét số dị tử phổ biến ta có: O > S > N Dị tử ưu tiên đánh số 1, dị tử lại đánh số theo chiều cho tổng số dị tử nhỏ Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang Trường THPT Chuyên Thoại Ngọc Hầu Báo cáo kết thực sáng kiến [3] Dị nguyên tử bão hòa (dị nguyên tử chứa nhiều H hơn, extra-hydrogen) ưu tiên đánh số dị ngun tử khơng bão hịa (chứa H hơn) [4] Số vị trí gộp thành nhóm đứng trước tên gọi dị tử Ví dụ: gọi “1,3-oxazole” không gọi “1-oxa-3-azole” [5] Quy tắc kết hợp nguyên âm - nguyên âm: Khi hai nguyên âm kết hợp với nhau, hai nguyên âm loại bỏ Ví dụ: “oxa-aza”  “oxaza” 3.4.3.3 Danh pháp hệ hai vòng Hệ chứa hai vịng có loại là: ngưng tụ (fused), vòng cầu (bridged) vòng spiro Trong phần xem xét đến hệ vòng ngưng tụ với hai vòng (hay nhiều vịng) có (hay nhiều) cạnh chung Nguyễn Thị Thạch Thảo Trang 10 ... chun đề? ??Hợp chất dị vòng” với mong muốn chia sẻ tư liệu với đồng nghiệp Nội dung chuyên đề gồm kiến thức thật với tập áp dụng đơn giản để học sinh làm quen bắt đầu tiếp cận với chuyên đề hợp chất. .. hợp chất dị vịng đa dạng phong phú, phạm vi sáng kiến đề cập số hợp chất dị vòng tiêu biểu mà em thường gặp chương trình THPT Chuyên, đề thi học sinh giỏi quốc gia Dưới tính cấu tạo, tính chất. .. tâm theo chuyên đề nhỏ - Tham khảo tập hợp tập sách tham khảo, đề thi HSG, HSGQG, luận văn, luận án, báo khoa học … - Học hỏi kinh nghiệm đồng nghiệp, qua chuyên đề báo cáo tổ chuyên môn - Tự