1. Lí do chọn đề tài Chúng tôi chọn đề tài “Bài tập chọn lọc về danh pháp và lập thể của hiđrocacbon vòng no” với những lí do và mục đích sau đây: Một là cần có giáo trình để dạy học sinh chuyên hóa, đồng thời thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu các chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi mà nhà trường đề ra trong năm học này. Hai là, mảng kiến thức này vừa là trọng tâm vừa là cơ sở để nghiên cứu những chuyên đề khác, như hợp chất tự nhiên, polime … Ba là, đề thi học sinh giỏi quốc gia hiện nay có nhiều bài toán liên đến cấu dạng và danh pháp của các hợp chất hữu cơ. 2. Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế, chọn lọc các bài tập có hệ thống về danh pháp, cấu hình và cấu dạng của hiđrocacbon vòng no. 3. Phương pháp tiến hành Tập hợp các tài liệu tham khảo có liên quan đến đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết có liên quan. Lập sơ đồ nghiên cứu:
BÀI TẬP CHỌN LỌC VỀ DANH PHÁP VÀ LẬP THỂ CỦA HIĐROCACBON VÒNG NO Đặng Công Anh Tuấn Trường THPT Chuyên Lê Quý Đôn I. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Chúng tôi chọn đề tài “Bài tập chọn lọc về danh pháp và lập thể của hiđrocacbon vòng no” với những lí do và mục đích sau đây: Một là cần có giáo trình để dạy học sinh chuyên hóa, đồng thời thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu các chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi mà nhà trường đề ra trong năm học này. Hai là, mảng kiến thức này vừa là trọng tâm vừa là cơ sở để nghiên cứu những chuyên đề khác, như hợp chất tự nhiên, polime … Ba là, đề thi học sinh giỏi quốc gia hiện nay có nhiều bài toán liên đến cấu dạng và danh pháp của các hợp chất hữu cơ. 2. Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế, chọn lọc các bài tập có hệ thống về danh pháp, cấu hình và cấu dạng của hiđrocacbon vòng no. 3. Phương pháp tiến hành Tập hợp các tài liệu tham khảo có liên quan đến đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết có liên quan. Lập sơ đồ nghiên cứu: Thiết lập, chọn lọc các bài tập phù hợp với mục tiêu đề ra. II. NỘI DUNG Bài 1. Xicloankan là gì? Thế nào là monoxicloankan? Thế nào là polixicloankan ? Công thức chung của monoxicloankan là gì ? Bài giải Xicloankan là hiđrocacbon no mạch vòng. 104 Monoxicloankan Monoxicloankan Polixicloankan Polixicloankan Công thức cấu tạo Công thức cấu tạo Danh pháp Danh pháp Cấu hình Cấu hình Cấu dạng Cấu dạng Hiđrocacbon vòng no Hiđrocacbon vòng no Xicloankan có một vòng (vòng đơn) gọi là monoxicloankan. Ví dụ: Xicloankan có nhiều vòng (đa vòng) gọi là polixicloankan. Ví dụ: nobonan là một bixicloankan. bixiclo[2.2.1]heptan Monoxicloankan có công thức chung là C n H 2n (n ≥ 3). Lưu ý: Trong chương trình hóa học phổ thông, xicloankan được hiểu là monoxicloankan. Bài 2. Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f) Bài giải Qui tắc đọc tên: Xiclo + tên mạch chính + an (a) (b) (c) (d) (e) (f) xiclopropan xiclobutan xiclopentan xiclohexan xicloheptan xiclooctan 105 Bài 3. Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Bài giải Qui tắc đọc tên: số chỉ vị trí + tên nhánh + xiclo + tên mạch chính + an (a) (b) (c) (d) (e) (f) metylxiclopropan 1,2-dimetylxiclobutan 1,1-dimetylxiclopentan 1,2,4-trimetylxiclohexan 1-isopropyl-2-metylxicloheptan 1-sec-butyl-2-etylxiclooctan (g) (h) metylenxiclohexan 1-metyl-3-metylencyclopentan 106 Bài 4. Cho biết công thức chung của hiđrocacbon có hai vòng no, phân loại. Cho biết nguyên tắc đọc tên của các loại này. Bài giải Công thức chung của hiđrocacbon hai vòng no là C n H 2n-2 n ≥ 4. Nó có 3 loại, đó là: - Hai vòng rời Lấy vòng lớn làm mạch chính, còn vòng nhỏ làm nhóm thế. Ví dụ: xiclopentylxiclohexan - Hai vòng có chung một nguyên tử mắt vòng, kiểu spiro. Mạch cacbon được đánh số hết vòng nhỏ đến vòng lớn, bắt đầu từ một nguyên tử ở kề nguyên tử chung. Tên của hiđro kiểu spiro gồm các bộ phận hợp thành theo trình tự sau đây: spiro + [các số nguyên tử cacbon riêng (từ số lớn đến số nhỏ)] + tên hiđrocacbon mạch hở tương ứng. Ví dụ: 1 2 3 4 5 6 6 8 9 10 spiro[4.5]decan - Hai vòng có chung cầu nối, kiểu bixiclo Mạch cacbon được đánh số bắt đầu từ một nguyên tử chung (ở một đỉnh), đến các nguyên tử của cầu nối dài nhất, tiếp đến các cầu nối ngắn hơn. Tên của hiđrocacbon kiểu gồm các bộ phận hợp thành theo thứ tự sau: bixiclo + [số nguyên tử C ở các cầu nối (ghi từ số lớn đến số nhỏ)] + tên của hiđrocacbon mạch hở tương ứng. Ví dụ: bixiclo[4.3.0]nonan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bài 5. Hãy gọi tên cho các hợp chất sau. (a) (b) (c) (d) 107 Bài giải (a) (b) (c) (d) xiclopropylxiclopentan xiclobutylxiclobutan 1-xiclopentyl-4-metylcyclohexan (3-metylcyclopentyl)xiclohexan Bài 6. Hãy gọi tên các chất sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f) Bài giải (a) (b) (c) (d) (e) (f) bixiclo[1.1.1]pentan bixiclo[2.1.1]hexan bixiclo[2.2.1]heptan bixiclo[2.2.2]octan bixiclo[3.1.1]heptan bixiclo[4.1.1]octan Bài 7. Gọi tên các hợp chất sau: (a) (b) (c) (d) 108 (e) (f) Bài giải: (a) (b) spiro[2.3]hexan spiro[2.2]pentan (c) (d) spiro[2.4]heptan spiro[3.4]octan (e) (f) spiro[4.5]decan spiro[2.5]octan Bài 8. Cho biết công thức cấu tạo của các chất có tên sau: (a) spiro[2,3]hexan (b) 1-metylspiro[2.3]hexan (c) spiro[3.4]octan (d) 5-etylspiro[3.4]octan (e) spiro[4.5]decan (f) 8-ipropylspiro[4.5]decan Bài giải (a) spiro[2,3]hexan (b) 1-metylspiro[2.3]hexan spiro[2.3]hexan 1-metylspiro[2.3]hexane 1 2 3 4 5 6 (c) spiro[3.4]octan (d) 5-etylspiro[3.4]octan spiro[3.4]octan 5-etylspiro[3.4]octan (e) spiro[4.5]decan (f) 8-ipropylspiro[4.5]decan spiro[4.5]decan 8-ipropylspiro[4.5]decan 1 2 3 4 5 67 8 9 10 Bài 9. Vẽ công thức cấu tạo của các hiđrocacbon hai vòng no sau: (a) Bixiclo[2.2.1]heptan (b) Bixiclo[5.2.0]nonan (c) Bixiclo[3.1.1]heptan 109 (d) Bixiclo[3.3.0]octan Bài giải bixiclo[2.2.1]heptan (a) bixiclo[5.2.0]nonan (b) bixiclo[3.1.1]heptan (c) (d) bixiclo[3,3,0]octan Bài 10. Cho biết công thức cấu tạo của các chất có công thức sau: (a) bixiclobutan (b) 2-metylbixiclobutan (c) bixiclo[3.2.1]octan (d) 8-metylbixiclo[3.2.1]octan Bài giải (a) Bixiclobutan (b) 2-metylbixiclobutan bixiclo[1.1.0]butan 2-metylbixiclo[1.1.0]butan 1 2 3 4 (c) bixiclo[3.2.1]octan (d) 8-metylbixiclo[3.2.1]octan bixiclo[3.2.1]octan 8-metylbixiclo[3.2.1]octan 1 2 3 4 5 6 7 8 Bài 11. Đọc tên các chất sau: (a) (b) (c) (d) Bài giải Chú ý: Hai nhóm thế cùng phía là đồng phân cis, còn khác phía là đồng phân trans. 110 cis-1,2-dimetylxiclohexan cis-1,3-dimetylxiclohexan trans-1,4-dimethylcyclohexan trans-1-etyl-3-mehylxiclopentae Bài 12. Xicloankan nào có đồng phân cis – trans ? Nếu có vẽ cả hai đồng phân đó. (a) 1,3-dimetylxiclopantan (b) Etylxiclopantan (c) 1-etyl-2-metylxiclobutan Bài giải (a) 1,3-dimetylxiclopantan. Có đồng phân cis – trans CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C cis-1,3-dimetylxiclopentan CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C trans-1,3-dimetylxyclopentan (b) Etylxiclopantan. Không có đồng phân cis-trans. C 2 H 5 C 2 H 5 Hai chất trên là một. (c) 1-etyl-2-metylxiclobutan: Có đồng phân cis-trans C 2 H 5 H CH 3 H H 3 C C 2 H 5 cis-1-etyl-2-metylxiclobutan H C 2 H 5 CH 3 H H 3 C C 2 H 5 trans-1-etyl-2-metylxiclobutan Bài 13. Hai hợp chất hữu cơ A và B đều có công thức phân tử C 5 H 10 . Cả hai đều không phản ứng với Cl 2 trong tối và lạnh. A phản ứng với Cl 2 có ánh sáng, nhưng cho một sản phẩm duy nhất là C 5 H 9 Cl. Còn hợp chất B cũng tác dụng với Cl 2 trong cùng điều kiện nhưng cho 6 đồng phân 111 C 5 H 9 Cl khác nhau, có thể phân biệt bằng phương pháp vật lý. Hãy xác định cấu trúc của A, B và các sản phẩm monoclo đó. Bài giải: A và B có công thức C 5 H 10 nên chúng có thể là anken hoặc xicloankan. Theo đều bài, các chất này không tác dụng với Cl 2 tối và lạnh nên A và B là các xicloankan. A tác dụng với Cl 2 cho một monoclo duy nhất nên A là xiclopentan + Cl 2 as Cl + HCl B tác dụng với Cl 2 (ánh sáng) tao ra 6 dẫn xuất monoclo, nên B phải là metylxiclobutan. Cl 2 -HCl CH 3 CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl CH 2 Cl Bài 14. Sức căng Baeyer là gì? Bài giải Xuất phát từ hai tiên đề là các vòng no có cấu trúc phẳng và góc bình thường của hiđrocacbon no là 109 0 28’, năm 1885, Baeyer cho rằng sự éo nhỏ hay trương rộng các góc của vòng no đều dẫn đến một sức căng là cho tính bền của vòng giảm đi. Người ta gọi đó là sức căng Baeyer. Sức căng càng lớn, vòng tương ứng càng ít bền. Độ mạnh của sức căng được đánh giá bằng θ. θ được tính theo công thức ( ) ×− −=θ n 1802n '28109 2 1 0 ví dụ: n 3 4 5 6 7 8 9 θ 24 0 44’ 9 0 44’ 0 0 44’ -5 0 44’ 9 0 33’ 12 0 46’ -15 0 06’ Bài 15. Vì sao nói liên kết C-C trong xilopropan được gọi là “liên kết quả chuối” ? Bài giải Xiclopropan là hợp chất vòng no duy nhất có cấu tạo phẳng. Theo quan niệm hiện đại, phần xen phủ cực đại của các đám mây electron không nằm trên đường thẳng nối liên hai nguyên tử cacbon mà có sự uốn cong. Sự uốn cong này làm cho phần xen phủ đám mây electron có giảm đi, nhưng sắp xếp như thế có lợi về mặt năng lượng. Các liên kết C-C này được gọi là “liên kết quả chuối”, nó mang tính chất trung gian giữa liên kết σ và π bình thường. Do sự uốn cong như vậy, thực tế góc liên kết của vòng chỉ bằng 106 0 chứ không phải 109 0 28’ và lớn hơn nhiều so với góc cấu tạo phẳng của tam giác đều (60 0 ). Xiclopropan rất dễ bị mở vòng dưới tác dụng của hiđrohalogenua, Br 2 và bị hiđro hoá có chất xúc tác. 112 Bài 16. Thế nào là lực đẩy Pitze? Bài giải Thực tế, các vòng no (trừ xiclopropan) không phải là những vòng phẳng. Trong một vòng ngoài sức căng góc Baeyer có có một lực đẩy nữa đó là lực đẩy giữa các nguyên tử hiđro ở trạng thái che khuất một phần hay toàn phần gây nên, đo đó một vài nguyên cacbon của vòng bị lệch ra khỏi mặt phẳng vòng. Lực đẩy đó gọi là lực đẩy Pitze Bài 17. Nguyên nhân nào để xiclobutan tồn tại ở dạng không phẳng? Bài giải Theo quan niệm hiện nay, xiclobutan có cấu tạo không phẳng góc gấp có giá trị khoảng 20-25 0 . Tính không phẳng của xiclobutan được chứng tỏ từ các dữ kiện thực nghiệm của giản đồ Rơnghen, giản đồ electron, momen lưỡng cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và một số phương pháp khác. Nguyên nhân chủ yếu để xiclobutan tồn tại dạng không phẳng là để giảm sức căng Pitz. Bài 18. Xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng: dạng “phong bì” và dạng “nửa ghế”. Hãy vẽ hai cấu dạng này và cho biết dạng nào có tâm đối xứng, dạng nào có trục đối xứng. Bài giải Nếu giả sử phân tử xiclopentan nằm trên một mặt phẳng thì góc lệch 0 0 44, do đó coi như không có sức căng Baeyer. Nhưng ở đây 5 liên kết C-C ở dạng che khuất nên lại xuất hiện sức căng Pitz. Thực tế xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng là cấu dạng phong bì có mặt phẳng đối xứng nên còn gọi là cấu dạng C s . Cấu dạng nửa ghế có trục đối xứng bậc hai nên còn gọi là cấu dạng C 2 . Lưu ý: Khi thực hiện phép quay phân tử xung quanh trục đối xứng C n một góc n 2 π =ϕ sao cho phân tử trùng với chính nó. Trục quay C n gọi là trục đối xứng cấp n. 113 C 5 C 2 [...]... D(+)-Xilozo D(-)-Arabinozo Trong thiờn nhiờn Arabinoz tn ti ch yu dng L(+)-arabinoz 3 Cu trỳc mch vũng ca monosaccarit-ng phõn anome a.Cu hỡnh trng thỏi rn, cỏc monosaccarit tn ti ch yu dng mch vũng 5, cnh hoc 6 cnh Nh ó bit phn xicloancan, vũng 6 cnh l ch yu.Vũng 5 cnh gi l furanoz , 6 cnh gi l pyranoz Vớ d i vi D- glucoz l D(+ ) glucozopyranozo D(-)-Ribozo CHO H HO H H D(+) glucozofuranozo D(+)... hỡnh phõn t cho nobonan (bixiclo[2,2,1]heptan) Vũng 6 cnh dng thuyn hay gh? Hp cht monoclo nobonan cú bao nhiờu ng phõn khỏc nhau? Bi gii nobonan Bi 28 Vũng 6 cnh ca nobonan dng thuyn monoclo nobonan cú 4 ng phõn: Cl Cl Cl Cl A B C D A v B cú th cú ng phõn quang hc Nhit t chỏy ca mt s xicloankan nh sau: Bi 29 Xicloankan Xicloankan H (kcal/mol) H (kcal/mol) Xiclopropan 499,83 Xiclonoan 1429,50 Xiclobutan... cu hỡnh C1( nguyờn t C* mi hỡnh thnh) c gi l hai ng phõn anome Tựy tng monosaccarit m hm lng tng ng phõn anome trong cõn bng cng khỏc nhau ng phõn anome no cú nng lng nh hn s chim hm lng cao hn Vớ d: i vi glucoz v galactoz, t l : l 3 6 : 64, trong khi ú i vi manoz t l ny l 68:32 Dng vũng ca monosaccarit c biu din dng chiu Haworth ( c l Havooc) Vũng 5,6 cnh c qui c chiu xung mt phng thng gúc vi mt... hon ton sinh ra 2 - 10 phõn t monosaccarit Vớ d: saccaroz, mantoz (C12H22O11) , rafinoz,melexitoz (C18H32O16) 3 Polisaccarit: l nhúm cacbohirat phc tp m khi thy phõn n cựng sinh ra nhiu hn 10 phõn t monosaccarit Vớ d: tinh bt, xenluloz (C6H10O5)n Polisaccarit c chia thnh 2 loi: homopolisaccarit v heteropolisaccarit homopolisaccarit khi b thy phõn hon ton cho nhiu hn 10 monosaccarit cựng loi vớ d tinh... 37 bi tp v danh phỏp v lp th ca hirocacbon vũng no cú li gii, trong ú: Bi tp v khỏi nim: 9 bi Bi tp v danh phỏp: 9 bi Bi tp v cu hỡnh: 4 bi Bi tp v cu dng: 11 bi Bi tp tng hp: 4 bi 3 Xõy dng c h thng bi tp t d n khú, t n gin n phc tp, giỳp cho cỏc em hc sinh d tip thu ti ny l mt ti liu giỳp cỏc em hc sinh t hc, t nghiờn cu, l ti liu tham kho cho giỏo viờn bi dng hc sinh gii cỏc cp Kin ngh: Danh phỏp... glucozopyranozo OH H OH OH CH2OH D(+ ) glucozofuranozo Dng vũng c to ra do nguyờn t H ca nhúm OH C5 tỏch ra cng vo nhúm cacbonyl C=O C1 to ra nhúm C1-OH, nhúm OH ny c gi l nhúm hidroxyl semiaxetal (hay hemiaxetal) ng phõn cú nhúm hemiaxetal nm bờn phi gi l ng phõn , cũn nm bờn trỏi gi l Hai ng phõn ny ch khỏc nhau cu hỡnh C1( nguyờn t C* mi hỡnh thnh) c gi l hai ng phõn anome Tựy tng monosaccarit... loi: Cacbohirat c phõn thnh ba nhúm chớnh sau õy: 1 Monosaccarit (monoz): l nhúm cacbohirat n gin nht, khụng th thy phõn c Vớ d: glucoz, fructoz (C6H12O6) Monosaccarit dng mch h nu thuc loi polihidroxiandehyd thỡ gi l andoz, cũn nu thuc loi polihidroxixeton thỡ gi l xetoz Chỳng u cú uụi oz ( ting Anh ose) Tựy vo s nguyờn t cacbon trong phõn t m monosaccarits c gi l : 3C- Trioz ( andotrioz hoc xetotrioz)... cH2OH 5 H OH 3 4 O H H 1 2 OH OH OH H OH H C1 H HO H H OH H OH O CH2OH D (+) glucozopyranozo H HO CH2OH H 4 OH O H H 1 4 H OH H 3 HOH 2 OH 1 3 2 OH H H D(+) glucozopyranozo OH H 6 OH OH O OH 4 CHO OH H H D(+ ) glucozofuranozo cH2OH 5 H OH CH2OH OH 1 C1 1 H 2 OH HO 3 H H 4O H 5 OH 6 CH OH 2 D (+) glucozofuranozo 6 CH OH 2 5 H OHO 4 H OH 3 H OH HH 1 2 OH Chỳ ý! Trờn c s cu trỳc vũng cú th gii... hexopiranoz tn ti dng gh: dng C1 v 1C 132 Vớ d: 4 5 5 O O 1 4 C1 -(D)-glucozpyranoz 1 1c -(D)-glucozpyranoz OH H OH H HO HO HO H HO HO HO OH OH H H H Cu trỳc vũng ca xetohexoz cng c xem xột tng t nh andohexoz H OH OH H III MT S PHN NG TIấU BIU III.1 Phn ng ca nhúm hydroxyl a Phn ng vi Cu(OH)2, trong mụi trng kim to thnh phc cht mu xanh lam ging poliancol b Phn ng to este Ging ancol, cỏc monosaccarit... cacbohydrat, chỳng tụi nhn thy rng: hc sinh rt lỳng tỳng trong phn cu trỳc phõn t, cỏc danh phỏp tng i v tuyt i, vn dng gii cỏc bi tp Nhm trao i thỏo g bt cỏc lỳng tỳng ú, chỳng tụi ly monosaccarit lm c s cho vic nghiờn cu saccarit Trong phm vi bi vit ny chỳng tụi ch trỡnh by cỏc vn sau: 1.Mt s khỏi nim m u 2 Phõn loi 3 Cu trỳc ca monosaccarit 4.Cỏc phn ng tiờu biu 5 Gii thiu mt s bi tp c tuyn ch t thi hc sinh . 0 119 7 1108 .2 158.31 1101.89 6.31 8 126 9 .2 158.65 125 9.31 9.89 9 1 429 .5 158.83 1416. 72 12. 78 10 1586 158.6 1574.13 11.87 11 17 42. 4 158.4 1731.55 10.85 12 18 92. 4 157.7. C 4 H 8 : CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 3 C CH 2 CH 3 CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH CH CH 3 H 2 C H 2 C CH 2 CH 2 H 2 C CH CH 2 CH 3 - Vỡ F hu nh khụng phn ng vi Br 2 /CCl 4 ,