Khảo sát một số dẫn xuất halogen, ancol, phenol và axit cacboxylic bằng phương pháp hóa học lượng tử

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC HỮU CƠ Electron là tiểu phân linh động nhất trong phân tử, dù chưa tham gia liên kết hoặc đã tham gia liên kết nó đều có thể bị dịch chuyển bởi ảnh hưởng tương h

Khảo sát một số dẫn xuất halogen, ancol, phenol và axit cacboxylic bằng phương pháp

hóa học lượng tử Nguyễn Hà My

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Hóa lý và hóa lý thuyết; Mã số: 60 44 31

Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Nhiêu ; TS Nguyễn Họa Mi

Năm bảo vệ: 2012

Abstract Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hóa học lượng tử, phương trình Schrodinger,

sự gần đúng Born – Oppenheirmer (Bon-Openhemơ, phương pháp biến phân, thuyết trường tự hợp Hartree-Fork, phương trình Roothaan Nghiên cứu cơ sở của các phương pháp tính gần đúng lượng tử, cơ sở lý thuyết hóa học hữu cơ Dẫn xuất

halogen, Anco, Phenol, Axit cacboxylic

Keywords Hóa lý; Hóa học lượng tử

Content

MỞ ĐẦU

Hóa học lượng tử bắt đầu phát triển từ khoảng những năm 30 của thế kỷ XX và ngày càng chứng tỏ là một lý thuyết không thể thiếu trong mọi lĩnh vực hóa học Hóa học lượng tử

là ngành khoa học nghiên cứu các hệ lượng tử dựa vào phương trình chính tắc của cơ học lượng tử do Schorodinger đưa ra năm 1926, và nhanh chóng trở thành công cụ hữu ích của hóa lý thuyết để đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu vấn đề cốt lõi nhất của hóa học là cấu trúc và các tính chất hóa lý của các chất

Các quy luật phản ứng thế vào một số hợp chất hữu cơ, đặc biệt là phản ứng thế vào vòng benzen là những quy luật thực nghiệm được hình thành rất lâu, và được sử dụng nhiều trong giảng dạy hóa học hữu cơ Các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra được hướng thế vào liên kết C – H trong vòng benzen Tuy nhiên cho đến nay chưa có tài liệu nào công bố số liệu giải thích và làm rõ thêm những quy luật trên GAUSSIAN là phần mềm phát triển vượt trội về các phương pháp ab initio (DFT) khá hiệu quả, được nhiều nhà nghiên cứu chuyên nghiệp sử dụng Với các thuật toán được viết tốt hơn, các bước tối ưu hóa của Gaussian cần 4 chuẩn hội

tụ trong khi Hyperchem chỉ có 1 Tuy chạy hơi chậm nhưng có độ chính xác khá cao, vì thế đây là một công cụ hữu hiệu trợ giúp các nhà hóa học thực nghiệm trong nghiên cứu của mình

Từ những lý do trên, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu :”Khảo sát một số dẫn xuất

halogen, ancol, phenol và axit cacboxylic bằng phương pháp hóa học lượng tử”

Luận văn gồm các phần mở đầu, nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục Phần nội dung chính gồm 3 chương

Chương 1 Tổng quan

Chương 2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Chúng tôi hy vọng các kết quả của luận văn có thể góp phần làm rõ hơn hướng một số phản ứng và là tài liệu tham khảo cho việc giảng dạy hóa học ở trường phổ thông

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC LƯỢNG TỬ

1.1.1 Phương trình Schrodinger

Sự biến đổi trạng thái vi mô theo thời gian của hệ lượng tử được mô tả bởi phương trình Schrodinger (Srodingơ, 1926) có dạng tổng quát:

i t





 Ĥѱ (1.1) ( , )q t

 – Hàm sóng mô tả trạng thái của hệ lượng tử Đó là hàm của tọa độ (q) và thời gian t

2 2 2

m

 

       Với

2

  

   

   : toán tử Laplace

U: thế năng (năng lượng tương tác giữa các hạt lượng tử trong hệ)

Trong trường hợp thế năng của hệ không phụ thuộc vào thời gian:

U = U(q) (q: tọa độ)

Hệ kín, hoặc hệ chuyển động trong một trường ngoài không đổi, thì toán tử Hamilton

H



không phụ thuộc vào thời gian và trùng với toán tử năng lượng toàn phần H (q), còn trạng thái của hệ được gọi là trạng thái dừng: ( , )q t ( )q Khi đó phương trình Schrodinger được viết dưới dạng:

( ) ( ) ( )

H q  q E q (1.2)

Ở đây E là trị riêng năng lượng, ( )q là hàm sóng (q: tọa độ tổng quát (x, y, z)

hay (r,  , ) Khi đó nghiệm của phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng:

( , )q t ( ).q e iET

    (1.3) Những trạng thái (1.3), ở đó hệ lượng tử có giá trị xác định gọi là những trạng thái dừng và phương trình Schrodinger (1.2) là phương trình Schrodinger cho những trạng thái dừng, được dùng trong hóa lượng tử

1.1.2 Phương pháp biến phân

Mục đích của phương pháp dựa trên MO – LCAO là để tìm ra cij gần đúng nhất với hàm sóng thực tế  ứng với năng lượng cực tiểu theo tập hàm cơ sở đã chọn Biến đổi từ phương trình Schrodinger ta có:

*

*

H d E

d

  

  

 (1.8)

Ở đây d là thể tích vô cùng nhỏ của không gian và spin

Nếu hàm  đã chuẩn hóa thì tích phân ở mẫu bằng đơn vị và phương trình có dạng:

*

E  H d (1.9) Khi áp dụng phương pháp biến phân, hàm sóng gần đúng  thường được biểu diễn dưới dạng MO – LCAO ở trên, tức là:

1 1 2 2 3 3 n n

          (1.10)

1.1.3 Thuyết trường tự hợp Hartree-Fock

Phương pháp gần đúng đầu tiên được sử dụng để giải phương trình (1.2) là phương pháp gần đúng Hartree – Fock (HF) Từ quan điểm vật lý về trường thế hiệu dụng trung bình hóa đối với mỗi electron hợp bởi thế hút của hạt nhân và thế đẩy trung bình hóa do tất cả các electron khác sinh ra

1.1.4 Phương trình Roothaan

Phương pháp Hartree – Fock đề cập ở trên thuận tiện đối với việc sử dụng trong những trường hợp trường Coulomb đối xứng cầu, tức là đối với các nguyên tử Tuy nhiên, nó khó tính được đối với những phân tử, không có trường Coulomb đối xứng cầu Roothaan (1951)

sử dụng các tập hàm cơ sở để mở rộng phần không gian (bán kính) của các hàm spin – orbitan Việc này giúp chuyển các phương trình HF thành một bài toán ma trận có thể giải được

1.2 CƠ SỞ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN ĐÚNG LƯỢNG TỬ

Các phương pháp tính gần đúng được xây dựng trên cơ sở phương trình Roothaan Hầu hết các phương pháp này đều tập trung giải quyết vấn đề thế năng tương tác giữa các electron với nhau dựa vào việc giải gần đúng các phương trình chưa tích phân Coulomb và các tích phân xen phủ giữa các electron

Với một lượng lớn các electron các tích phân đa tâm xuất hiện trong các số hạng J, K (trong phương trình 1.19) hầu như không thể giải được Để khắc phục những trở ngại đó, người ta sử dụng một số phương pháp bán kinh nghiệm khác nhau dựa vào một số giả thiết gần đúng sau:

- Giảm bộ hàm cơ sở

- Bỏ qua một số tích phân

- Thay thế một số tích phân bằng các hàm đơn giản có chứa tham số rút ra từ thực nghiệm Những tham số đó có được bằng cách đo hay tính toán như thế ion hóa, ái lực electron, phổ,

- Xem xét các hệ thống các electron  và các electron  riêng rẽ

Các phương pháp tính gần đúng hiện nay bao gồm các phương pháp tính không kinh nghiệm

Ab initio (tính toán các tham số trên mô hình ước lượng) và các phương pháp bán kinh nghiệm sử dụng các tham số thực nghiệm: CNDO, NDDO, AM1, PM3, MINDO, ZINDO

1.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỌC HỮU CƠ

Electron là tiểu phân linh động nhất trong phân tử, dù chưa tham gia liên kết hoặc đã tham gia liên kết nó đều có thể bị dịch chuyển bởi ảnh hưởng tương hỗ của các nguyên tử trong phân tử

Thuyết dịch chuyển electron xuất hiện từ năm 1920, trước thời kỳ phát triển của thuyết obitan phân tử Đơn giản và dễ hiểu, nó đã giúp giải thích đa số các dữ liệu thực nghiệm có liên quan đến cấu trúc, tính chất và khả năng phản ứng của các hợp chất hữu cơ, vì vậy nó đã được áp dụng rộng rãi cho đến nay

1.3.1 Hiệu ứng cảm ứng

- Bản chất: hiệu ứng cảm ứng là sự phân cực các liên kết, lan truyền theo mạch các liên kết

 do sự khác nhau về độ âm điện

- Phân loại:

+I I=0 -I

Y C C H C X

       

Y là nhóm đẩy electron gây nên hiệu ứng cảm ứng dương (+I) như các nhóm mang điện tích âm: -S

-, O-, các gốc ankyl CnH2n+1-

X là nhóm hút electron gây nên hiệu ứng cảm ứng âm (-I) như các hạt mang điện tích dương: -N+R3; các nguyên tử có độ âm điện lớn như: - F, -Cl, -OR, -SR, -NR2 ; các gốc hiđrocacbon không no: CH2=CH-; C6H5-

Nguyên tử H coi như không có sự hút hay đẩy electron

- Đặc điểm: hiệu ứng cảm ứng giảm rất nhanh khi kéo dài mạch truyền ảnh hưởng Hiệu ứng

cảm ứng không bị cản trở bởi các yếu tố không gian

1.3.2 Hiệu ứng liên hợp

- Bản chất: Hiệu ứng liên hợp là sự phân cực các liên kết π lan truyền trong hệ liên hợp (biểu

thị bằng mũi tên cong)

- Phân loại:

1.3.3 Hiệu ứng siêu liên hợp:

- Hiệu ứng siêu liên hợp dương là hiệu ứng đẩy electron do tương tác giữa các eletron các liên

kết C Hvà electron p của nối đôi hay vòng benzen Kí hiệu +H ( từ tiếng anh Hyperconjugation) Hiệu ứng +H tăng khi số liên kết C H tăng

-CH3 > - CH2CH3 > - CH(CH3)2 > - C(CH3)3 (Ngược với hiệu ứng cảm ứng)

- Hiệu ứng siêu liên hợp âm

Nhóm C Hliên kết với hệ thống liên kết p có thể gây nên hiệu ứng siêu liên hợp hút electron gọi là hiệu ứng siêu liên hợp âm (-H)

1.3.4 Hiệu ứng không gian

Loại hiệu ứng do kích thước của nhóm nguyên tử gây nên được gọi là hiệu ứng không gian,

kí hiệu là S ( từ tiếng anh Steric Effect)

1.3.5 Hiệu ứng ortho

Các nhóm thế ở vị trí ortho trong vòng benzen thường gây những ảnh hưởng rất bất ngờ đến tính vật lí cũng như tính chất hóa học của phân tử

Chẳng hạn các axit đồng phân ortho RC6H4NH2 có hằng số pKb lớn hơn các đồng phân khác bất kể bản chất của nhóm thế là gì Loại ảnh hưởng đặc biệt của nhóm thế ở vị trí ortho như vậy gọi là hiệu ứng ortho

Hiệu ứng ortho không đơn thuần là hiệu ứng không gian mà là một hiệu ứng hỗn hợp của nhiều yếu tố

- Hiệu ứng không gian loại 1: Nhóm X ở vị trí ortho cản trở sự tấn công của tác nhân Y vào nhóm chức Z

- Hiệu ứng không gian loại 2: Nhóm X làm mất tính đồng phẳng của hệ

- Hiệu ứng cảm ứng: Nhóm X có vị trí ortho ở gần nhóm chức hơn nên thể hiện mạnh hơn ở các vị trí khác, ngoài ra còn có tác dụng trực tiếp nhờ hiệu ứng trường

- Tạo liên kết hidro nội phân tử

1.3.6 Phản ứng thế ở nhân thơm

Vòng thơm kiểu benzen là vòng liên hợp kín rất bền vững và có năng lượng thơm hóa khá lớn (Benzen: 36kcal/mol, Naphtalen: 61kcal/mol) Vì vậy đối với một hợp chất thơm phản ứng thế xảy ra dễ dàng hơn phản ứng cộng, do trong phản ứng cộng hệ thơm bị phá vỡ

Những phản ứng thế ở vòng benzen có thể là thế electrophin SEAr, thế nucleophin SNAr hoặc thế gốc SRAr Tuy vậy, do vòng thơm có mật độ điện tích cao và dễ tương tác với tác nhân electronphin, cho nên phản ứng thế đặc trưng và phổ biến hơn cả ở các hợp chất thơm là thế electrophin SEAr

CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Trong một phạm vi hẹp, đối tượng nghiên cứu của luận văn này là nghiên cứu cấu trúc và

tính chất của khoảng 70 chất thuộc dãy dẫn xuất của halogen, ancol, phenol, axit cacboxylic:

2.1.1 Dẫn xuất halogen

,

CH3X, C2H5X, CH2=CHX, CH3CH=CHX Trong đó X: H, F, Cl, Br, I

2.1.2 Ancol

CH3OH, C2H5OH, XCH2CH2OH

Trong đó X: H, F, Cl, Br, I

2.1.3 Phenol

Trong đó X: H, F, Cl, Br, I

2.1.4 Axit cacboxylic

CH3COOH, XCH2COOH, C2H5COOH, XCH2CH2COOH Trong đó X: H, F, Cl, Br, I

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp sử dụng nghiên cứu trong luận văn này là các phương pháp tính toán lý thuyết hóa học lượng tử Khi sử dụng phương pháp tính toán hóa học lượng tử với mức độ gần đúng tốt thì các kết quả về cấu trúc hình học, phân bố điện tích và phân bố electron là rất

có giá trị Ngoài ra, tính toán lý thuyết còn cung cấp giá trị khá chính xác về năng lượng, các thông số nhiệt động như nhiệt tạo thành, ái lực electron, năng lượng ion hóa…tương đối phù

hợp với kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 LỰA CHỌN BỘ HÀM VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH

Hầu hết các thông số lượng tử phụ thuộc vào cấu trúc hình học của phân tử Người ta chấp nhận cấu trúc với trạng thái năng lượng toàn phần nhỏ nhất như mô hình tồn tại trong thực tế Từ cấu hình tối ưu hóa hình học, chúng tôi tính được các thông số lượng tử quan tâm: năng lượng phân tử, mật độ điện tích, độ dài liên kết,… để rút ra một số quy luật và tính chất của các dẫn xuất halogen, ancol, phenol, axit cacboxylic

Sử dụng chương trình Gaussian 03 (cùng sự hỗ trợ của Gauview 5.0) để tìm cấu trúc tối ưu và năng lượng của phân tử C6H5COOH với các phương pháp tính và bộ hàm khác nhau Kết quả thu được được trình bày ở bảng 3.1

Trong bảng 3.1, các phương pháp tính có độ chính xác tăng dần từ trên xuống dưới, các bộ hàm có độ chính xác tăng dần từ trái qua phải Năng lượng của phân tử được tính theo đơn vị kcal/mol

Qua kết quả tính toán thể hiện trong bảng 3.1, chúng tôi rút ra được phương pháp tính

từ cột trên xuống cột dưới, độ chính xác tăng dần, bộ hàm và bộ hàm vừa cho kết quả chính xác, vừa chấp nhận được về thời gian tính là phương pháp DFT (B3LYP) với bộ hàm cơ sở là 6-31G

Do đó, từ kết quả khảo sát các phương pháp tính và bộ hàm cơ sở, chúng tôi chọn

phương pháp DFT (B3LYP) với bộ hàm cơ sở là 6-31G để tính các thông số lượng tử cho các

hệ nghiên cứu

Bảng 3.1 Kết quả tính năng lượng (kcal/mol) trong phần tính với việc lựa chọn bộ hàm và phương pháp tính khác nhau bằng phần mềm Gaussian03 phân tử C 6 H 5 COOH

Bộ hàm Phương

HF -261033,97600

2 ph 56s

-262391,47813

2 ph 53s

-262447,90293

8 ph1s

LSDA -261192,60173

5ph 21s

-262557,80328 10ph 22s

-262633,74333 15ph 8s

BPV86 -262627,10438

8ph 19s

-264014,82690 13ph25s

-264080,63283 15ph 53s

B3LYP -262609,85440

10 ph 23s

-263992,68870

10 ph7s

-264058,45698

18 ph 1s

B3PW91 -262509,97523

11ph 47s

-263891,36000 12ph 38s

-263951,94513 18ph 4s

MPW1PW91 -262545,29720

10ph 55s

-263927,22790 12ph 4s

-263986,83413 17ph 36s

PBEPBE -262298,86540

7ph 41s

-263687,29073 9ph 49s

-263750,80000 15ph 10s

HCTH -262558,94533

20ph 56s

-263951,07290 17ph 54s

-264012,43613 27ph 6s

MP2 -261028,66735

8 ph 12s

-262384,84545

7 ph 40s

-262441,52753

57 ph 55s

3.2 TỔNG HỢP KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.2.1 Benzen và dẫn xuất của benzen

Bảng 3.2 Mật độ điện tích trên nguyên tử C của benzen và dẫn xuất halogen của benzen

C6H6 C6H5F C6H5Cl C6H5Br C6H5I

C1 -0,019925 0,028409 0,036996 0,032728 -0,034502

C2 -0,019946 -0,113619 -0,067037 -0,078784 -0,156479

C3 -0,019757 0,520048 0,440027 0,383409 0,291205

C4 -0,019925 -0,113612 -0,067037 -0,078780 -0,156467

C5 -0,019945 0,028408 0,036997 0,032730 -0,034500

C6 -0,019757 -0,071058 -0,008138 -0,010723 -0,035377

Nhận xét

- Trong phân tử C6H6 mật độ điện tích phân bố đều trên 6 nguyên tử cacbon

- Trong phân tử C6H5X, mật độ điện tích trên nguyên tử cacbon ở các vị trí liên kết với X (C3) dương hơn mật độ điện tích trên các nguyên tử cacbon khác Do đó, liên kết giữa C – X bị phân cực mạnh Độ phân cực của liên kết giảm dần theo dãy C – F > C – Cl > C – Br > C - I KQ này hoàn toàn phù hợp với cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm

- Loại hợp chất này chỉ phản ứng trong điều kiện rất khắc nghiệt (nhiệt độ, áp suất cao)

Bảng 3.3 Năng lượng phân tử, mật độ điện tích trên nguyên tử C (C-X), nguyên tử X, độ dài

liên kết C – X của benzen và dẫn xuất halogen của benzen

Chất Năng lượng

(kcal/mol)

Mật độ điện tích trên C (C-X)

Mật độ điện tích trên H hoặc X

Độ dài liên kết C-X hoặc C-H (

o

A )

C6H6 -145704,67140 -0,019757 0,019887 1,09968

C6H5F -207961,22545 0,520048 -0,496813 1,35000

C6H5Cl -434088,54439 0,440027 -0,371808 1,76000

C6H5Br -1758989,76102 0,383409 -0,280580 1,91000

C6H5I -4465717,02158 0,291205 -0,140580 2,10000

Nhận xét:

-Năng lượng phân tử của C6H6 và dẫn xuất halogen của nó có năng lượng phân tử âm dần theo thứ tự:

C6H6> C6H5F> C6H5Cl> C6H5Br> C6H5I

Do đó độ bền của phân tử tăng dần:

C6H6> C6H5F> C6H5Cl> C6H5Br> C6H5I

- Mật độ điện tích trên nguyên tử cacbon tăng khi có nhóm thế halogen theo thứ tự:

H < I < Br < Cl < F

Mật độ điện tích trên nguyên tử halogen âm hơn nguyên tử hiđro Mật độ điện tích trên nguyên

tử halogen âm dần từ I đến F Do đó độ phân cực của liên kết tăng dần từ C – I đến C – F

Độ dài liên kết tăng dần:

C – H < C – F < C – Cl < C – Br < C – I Liên kết càng phân cực, tính ion càng cao, liên kết ion càng bền Độ dài liên kết càng lớn, càng dễ bị đứt Do đó khả năng tham gia phản ứng thế (ví dụ bằng nhóm –OH), tăng dần từ

C6H5F đến C6H5I, phù hợp với thực tế khả năng phản ứng của các hợp chất đó

3.2 2 Toluen và dẫn xuất halogen của toluen

Nhận xét:

- Năng lượng của các phân tử giảm dần :

C 6 H 5 CH 3 > F-C 6 H 4 CH 3 > Cl-C 6 H 4 CH 3 > Br-C 6 H 4 CH 3 > I-C 6 H 4 CH 3

- Mật độ điện tích trên nguyên tử cacbon liên kết với halogen dương hơn so với nguyên tử cacbon tương ứng cùng vị trí trong phân tử toluen Mật độ điện tích trên nguyên tử halogen âm dần từ I đến F Như vậy, nhóm thế halogen làm giảm mật độ điện tích trong vòng làm tăng độ phân cực của liên kết

C – X Tính ion của liên kết tăng, liên kết càng bền Do đó phản ứng thế xảy ra càng khó khăn

- Độ dài liên kết C-X tăng từ I đến F Vì thế, độ bền liên kết C – X giảm dần theo dãy:

C – I < C – Br < C – Cl < C – F

Do đó, khả năng thế tăng dần theo thứ tự: F < Cl < Br < I Ở mỗi dẫn xuất halogen của toluen, liên kết C – X ở vị trí meta là phân cực nhất, tính ion lớn nhất nên bền nhất Liên kết C – X ở các vị trí octo và para ít phân cực hơn Khả năng tham gia phản ứng thế tăng, phù hợp với thực tế

3.2.3 Khả năng thủy phân của dẫn xuất halogen

Bảng 3.24 Năng lượng, mật độ điện tích trên nguyên tử C (C-Cl), mật độ điện tích trên

nguyên tử Cl, độ dài liên kết C-Cl của một số dẫn xuất clo

Chất Năng lượng

(kcal/mol)

Mật độ điện tích trên C (C-Cl)

Mật độ điện tích trên Cl

Độ dài liên kết C-Cl (

o

A )

CH2=CH-CH2Cl -1515831,01953 0,51234 -0,43900 1,92596

CH3-CH2Cl -338467,92476 0,45192 -0,39299 1,90358

C6H5Cl -434088,54439 0,44003 -0,37181 1,76000

CH2=CHCl -337688,40491 0,36477 -0,34425 1,82368

Nhận xét:

- Mật độ điện tích trên nguyên tử cacbon gắn với nhóm thế halogen giảm dần theo thứ tự:

CH2=CH-CH2Cl > CH3-CH2Cl > C6H5Cl > CH2=CHCl Mật độ điện tích trên nguyên tử clo tăng dần cũng theo thứ tự đó Vì thế, độ phân cực của liên kết C – Cl giảm dần, khả năng tham gia phản ứng thế bởi nhóm –OH trong phản ứng thủy phân giảm dần

- Độ dài liên kết C – Cl của CH2=CH-CH2Cl lớn hơn của CH3-CH2Cl lớn hơn của C6H5Cl

và xấp xỉ CH2=CHCl nên khả năng thủy phân giảm dần

Kết luận:

Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm:

- Khả năng phản ứng thủy phân giảm dần theo thứ tự

CH2=CH-CH2Cl > CH3-CH2Cl > C6H5Cl  CH2=CHCl

Cụ thể như sau:

CH2=CH-CH2Cl hay anlyl halogenua nói chung bị thủy phân khi đun nóng

CH2=CH-CH2Cl + H2O t o CH2=CH-CH2OH + HCl Etyl clorua hay ankyl halogenua nói chung không bị thủy phân khi đun nóng, chỉ phản ứng với dung dịch NaOH khi đun nóng

CH3-CH2Cl + NaOH t o CH3-CH2OH + NaCl Vinyl halogenua và phenol halogenua chỉ bị thủy phân bởi dung dịch NaOH đặc ở nhiệt

độ cao và áp suất cao

CH2=CH-Cl + NaOHđặc

o

t cao

p cao

CH3CHO + NaCl

C6H5Cl + NaOHđặc

o

t cao

p cao

 C6H5OH + NaCl

3.2.4 Ảnh hưởng của gốc ankyl đến tính axit của axit cacboxylic

Bảng 3.25 Năng lượng, mật độ điện tích trên nguyên tử O (O-H), độ dài liên kết O – H

của một số axit cacboxylic

Chất Năng lượng

(kcal/mol)

Mật độ điện tích Trên O (O-H)

Mật độ điện tích trên H HCOOH -119022,46036 -0,669871 0,286062

CH3COOH -143701,03042 -0,700114 0,278652

C2H5COOH -168364,11397 -0,701616 0,278793

C3H7COOH -193021,65305 -0,712558 0,277326

Nhận xét:

- Năng lượng phân tử tăng dần từ HCOOH đến C3H7COOH

- Mật độ điện tích trên nguyên tử oxi của nhóm –OH âm dần từ HCOOH đến

C3H7COOH, còn điện tích dương trên nguyên tử hiđro giảm nên độ phân cực của liên kết

O – H giảm dần do gốc ankyl đẩy electron về phía nhóm cacboxyl, do đó khả năng đứt liên kết O – H trong các phân tử axit đó giảm dần, nên tính axit yếu dần theo dãy:

HCOOH > CH3COOH > C2H5COOH > C3H7COOH

3.2.5 Tính linh động của nguyên tử hiđro trong nhóm OH

Bảng 3.26 Năng lượng, mật độ điện tích trên nguyên tử O (O-H), độ dài liên kết O –H

của một số hợp chất chứa nhóm OH

Chất Năng lượng

(kcal/mol)

Mật độ điện tích trên O (O-H)

Mật độ điện tích trên H (O-H)

Độ dài liên kết O-H (

o

A )

C2H5OH -97256,33708 -0,567682 0,218068 0,97811

C6H5OH -192886,09423 -0,688151 0,284833 0,97640

CH3COOH -143701,03042 -0,700114 0,278652 0,98222

Nhận xét:

- Ở C2H5OH có nhóm etyl là nhóm đẩy electron làm giảm độ phân cực của liên kết O –

H Ở C6H5OH gốc phenyl hút electron làm tăng độ phân cực của liên kết O – H Ở

CH3COOH, nhóm cacbonyl hút electron làm tăng khả năng phân cực của liên kết O –

H, nhưng đồng thời nhóm metyl lại đẩy electron làm giảm khả năng phân cực của liên kết O – H

- Những điều phân tích ở trên phù hợp với những kết quả thu được ở bảng 3.26

Kết quả tính toán lý thuyết thu được giải thích tính linh động của nguyên tử hiđro của nhóm – OH tăng dần theo dãy C2H5OH < C6H5OH < CH3COOH Điều này được khẳng định bằng các kết quả thực nghiệm thu được dưới đây:

- Phenol có tính axit yếu hơn axit axtetic, mạnh hơn ancol etylic Cụ thể là:

 C2H5OH chỉ phản ứng với kim loại kiềm, không phản ứng với dung dịch kiềm

C2H5OH + Na C2H5Na + 1

2H2

 C6H5OH không những phản ứng với kim loại kiềm mà còn phản ứng được với dung dịch kiềm mạnh, ví dụ NaOH:

C6H5OH + NaOH  C6H5ONa + H2O Tuy vậy, C6H5OH là axit rất yếu, không làm đổi màu quỳ tím

 Axit axetic có đầy đủ các tính chất của một axit, tuy vẫn là axit yếu Axit axetic tác dụng với những kim loại đứng trước hiđro, dung dịch kiềm, muối cacbonat và làm đổi màu quỳ tím thành đỏ

3.2.6 Quy tắc thế ở vòng benzen

Bảng 3.27 Năng lượng và mật độ electron trên các nguyên tử cacbon ở vòng benzen của

phenol và axit benzoic

Chất Mật độ electron trên nguyên tử C

Octo Meta Para

C 6 H 5 OH -0,144434 0,069020 -0,122421

C 6 H 5 COOH 0,009942 -0,067460 0,041965

Nhận xét:

- Ở phân tử phenol, mật độ electron trên các nguyên tử cacbon ở các vị trí octo và para âm

hơn mật độ electron trên nguyên tử cacbon ở vị trí meta Do đó trong phản ứng thế, các hạt mang điện dương (như Br+

, NO2+,….) hướng vào các vị trí octo và para, thay thế đồng thời các nguyên tử hiđro ở các vị trí đó

- Ở phân tử axit benzoic, mật độ electron trên nguyên tử cacbon ở vị trí meta âm hơn mật độ

electron trên nguyên tử cacbon tại các vị trí octo và para Vì vậy, các hạt mang điện dương hướng vào vị trí meta để thế nguyên tử hiđro ở vị trí đó

Kết quả thu được ở trên hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm và đúng với quy luật thế vào vòng benzen

Ví dụ : Phenol không những tác dụng được với Br2 nguyên chất mà còn tác dụng với nước

Br2, ba nguyên tử hiđro ở các vị trí octo và para bị thế đồng thời

Br2 (dung dich)

 trắng

+ 3HBr

KẾT LUẬN

Sau một thời gian nghiên cứu, chúng tôi đã thu được một số kết quả chính như sau:

1 Chọn được phương pháp bán kinh nghiệm thích hợp DFT – B3LYP của phần mềm Gaussian 03 để tính các tham số hóa học lượng tử cho các hợp chất dẫn xuất halogen, ancol, phenol và axit cacboxylic

2 Tính được các tham số hóa học lượng tử của các nhất nêu trên Kết quả thu được gồm:

- Hình học phân tử: cấu trúc hình học phân tử, độ dài liên kết,…

- Sự phân bố mật độ điện tích trên các nguyên tử

- Năng lượng toàn phần

của các chất nghiên cứu Trên cơ sở đó xác định hướng phản ứng

3 Khảo sát quy luật phản ứng trên cơ sở định lượng bằng các tham số lượng tử thu được

ở trên Kết quả tính toán hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm Đó là:

a Phản ứng thủy phân của các dẫn xuất halogen tăng dần theo dãy:

vinyl, phenyl, halogenua-ankyl halogenua-anlyl halogenua

b Tính linh động của nguyên tử hiđro ở nhóm OH tăng dần theo dãy:

C2H5OH, C6H5OH, CH3COOH

c Tính axit giảm dần theo chiều tăng dần của gốc ankyl:

HCOOH – CH3COOH – C2H5COOH - C3H7COOH