GIÁO TRÌNH MÔN HÓA HÓA ĐẠI CƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM KHOA KHOA HỌC – BỘ MÔN HÓA TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HCM KHOA KHOA HỌC – BỘ MÔN HÓA HÓA ĐẠI CƯƠNG NỘI DUNG Môn Hóa đại cương là môn học 3 tín chỉ ( 45 tiết ) gồm 2 phần.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA KHOA HỌC – BỘ MÔN HÓA

HÓA ĐẠI CƯƠNG

NỘI DUNG Môn Hóa đại cương là môn học 3 tín chỉ ( 45 tiết ) gồm 2 phần:

• Phần 1: Hóa Đại cương ( 22,5 tiết )

• Phần 2: Hóa Hữu cơ ( 22,5 tiết )

HÓA HỮU CƠ ĐẠI CƯƠNG

GVPT: PHẠM THỊ BÍCH VÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM KHOA KHOA HỌC – BỘ MÔN HÓA

HÓA HỮU CƠ ĐẠI CƯƠNG

CI : ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

CII : HYDROCARBON

CIII : DẪN XUẤT HYDROXY CỦA HYDROCARBON (ALCOL VÀ PHENOL) CIV : HỢP CHẤT CARBONYL

CV : ACID CARBOXYLIC VÀ DẪN XUẤT

CVI : HỢP CHẤT CHỨA NITƠ

CVII : GLUCID

CVIII : HỢP CHẤT DỊ VÒNG VÀ ALKALOID

CIX : TERPENOID – CAROTENOID - STEROID

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

GIỚI THIỆU

ĐỒNG PHÂN

HIỆU ỨNG ĐIỆN TỬ

Định nghĩa : là hiện tượng cùng một công thức có nhiều chất khác nhau

• Đồng phân cấu tạo (phẳng) : cùng công thức phân tử

nhưng khác công thức cấu tạo

• Đồng phân lập thể (không gian) : cùng công thức cấu

tạo nhưng khác nhau về cách thức sắp xếp các nguyên

tử trong không gian (khác nhau về cấu hình)

ĐỒNG PHÂN

• Đồng phân mạch carbon, đồng phân vị trí : tính chất vật lý khác

nhau (không nhiều), tính chất hóa học tương đồng

• Đồng phân nhóm chức : tính chất vật lý hóa học hoàn toàn khác

nhau

• Đồng phân cấu tạo : phân biệt nhau về CTHH

Đồng phân cấu tạo

1 Đồng phân cấu tạo (đồng phân phẳng)

1.1 Đồng phân mạch carbon

Các đồng phân mạch phân biệt nhau về cách sắp xếp mạch carbon

1 Đồng phân cấu tạo (đồng phân phẳng)

1.2 Đồng phân vị trí

CH3OH

Isobutanol tert-Butanol

Cùng CTPT, cùng nhóm chức nhưng khác vị trí nhóm chức

1 Đồng phân cấu tạo (đồng phân phẳng)

Ciclobutanol Hidroximetilciclopropan 1,2-Dimetiloxiran Tetrahidrofuran

Cùng CTPT nhưng công thức khai triển của chúng mang các nhóm chức khác nhau

Trong một số trường hợp, chất hữu cơ có thể tồn tại dưới 2 dạng cấu tạo khác nhau Giữa 2 dạng này tồn tại một cân bằng liên tục chuyển hóa lẫn nhau khiến cho chúng chỉ xử sự như một chất duy nhất Hiện tượng này được gọi là sự hỗ biến

Phân biệt giữa hỗ biến và đồng phân

Hai dạng hỗ biến không thể tách riêng được do chúng chuyển hóa (biến đổi) liên tục qua lại như vậy hỗ biến không phải hiện tượng đồng phân.

Ceton Enol

2 Đồng phân lập thể

Các đồng phân lập thể phân biệt nhau về cấu hình nghĩa là phân biệt nhau về sự phân nhau về sự phân bố của các nhóm thế trong không gian

2.1 Đồng phân hình học

• Định nghĩa : là những hợp chất có cùng CTPT, cùng công thức khai triển phẳng (cùng CTCT) nhưng cách sắp xếp của những nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau đối với mặt phẳng quy chiếu.

• Tùy vào mặt phẳng quy chiếu đó là mặt phẵng π (mặt phẳng chứa nối σ và π) hay mặt phẳng vòng carbon mà ta có đồng phân hình học tương ứng

Đồng phân hình học của nối đôi

Đồng phân cis – trans

Đồng phân xiclan

C2H5 CH3

H Cl

C2H5 CH3

Cl H

cis-1-cloro-3-etil-3-metilciclohexan trans-1-cloro-3-etil-3-metilciclohexan

c-3-etil-c-5-nitrociclohexan-r-1-ol c-3-etil-t-5-nitrociclohexan-r-1-ol

C2H5 H

H OH

3

H

O2N

1 5 3

b) Carbon thủ tính : carbon phi đối xứng _ carbon mang 4 nhóm thế

khác nhau

Ký hiệu : C*

Điều kiện cần và đủ để 1 chất có tính quang hoạt là phân tử phải bất đối xứng hay phân tử phải không chồng khít lên được ảnh của nó ở trong gương giống như bàn tay phải và bàn tay trái: đối xứng với nhau qua một gương phẳng nhưng không chồng khít lên nhau và người ta gọi đó là sự không chồng khít vật - ảnh gương

Khi có sự không trùng vật - ảnh thì sẽ xuất hiện hai đồng phân đối xứng nhau qua mặt phẳng gương song không chồng khít lên nhau được

c) Công thức lập thể

C tạp chủng sp3

2.2.1 Thuyết carbon tứ diện (Lebel & Van’Hoff, 1874)

4 nguyên tử, nhóm nguyên tử nối với carbon được phân bố trong không gian tại 4 đỉnh của tứ diện đều có tâm là nguyên tử carbon đó

e

d

b a C

2.2.2 Thuyết quay giới hạn của liên kết đơn σ

 Liên kết đơn có được là do sự xen phủ giữa hai orbital dọc theo trục nối hạt nhân 2 nguyên tử.

 Như vậy liên kết σ có tính đối xứng trục nghĩa là khi xoay

2 orbital xen phủ, độ xen phủ hay độ bền (năng lượng) liên kết không thay đổi Do đó, 2 nguyên tử của liên kết σ

có thể xoay quanh trục liên kết

 Do sự quay tự do này mà phân tử hữu cơ có thể tồn tại dưới nhiều cấu dạng khác nhau, trong đó 2 cấu dạng ưu tiên là cấu dạng đối và cấu dạng che khuất

a

b d

Nối C-a và C-b trong mặt phẳngNối C-d hướng ra ngoài mặt phẳngNối C-e hướng ra sau mặt phẳng

2.2.4 Công thức chiếu Newman

2.1.4 Công thức chiếu Fischer

CH3H

COOH HO

OH H

CH3OH

H HOOC

CH3

H Br

C2H5

Cl H C2H5

Cl H

H Br

CH3

CH3

H Br

Cl H

C2H5

2 nối nằm ngang : hướng ra trước mặt phẳng

2 nối thẳng đứng : hướng ra sau mặt phẳng

2.1.5 Chuyển đổi từ CT phối cảnh sang Fischer

Trái qua Phải qua

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

- Đối phân (đối hình ) : công thức lập thể đối xứng nhau qua gương phẳng

- Xuyên lập thể phân (bán đối hình) : CTLT không đối xứng nhau qua gương

Những hợp chất có cùng công thức khai triển trong mặt phẳng nhưng công thức lập thể khác nhau

Hai đối phân của acid lactic Hai xuyên lập thể phân của acid tartric

Các đồng phân quang học có hoá tính và lý tính giống nhau

Tính quang hoạt khác nhau do đó hoạt tính sinh học khác nhau

d) Đồng phân quang học

Một chất có n carbon thủ tính 2 n đồng phân quang học

Acid meso-tartric Acid (+)-tartric Acid (-)-tartric

• Đồng phân quang học không chứa C thủ tính : trong

trường hợp của alen, spiran và biphenil

Đối với hợp chất có 2 tâm C thủ tính, dạng meso được tìm thấy chỉ khi 4 nhóm gắn trên C thủ tính này giống hệt 4 nhóm gắn trên C thủ tính còn lại.

Hình chiếu Fisher và đồng phân D và L

CH 2 OH

1 2 3

H

C H HO

C OH H

C H HO

C H HO

CH 2 OH

1 2 3 4 5 6

H

O

C

C OH H

C H HO

C OH H

C OH H

CH 2 OH

1 2 3 4 5 6

H O

L -Glucose D -Glucose (L-Gliceraldehid) (D-Gliceraldehid)

Nhóm OH gắn lên carbon bất đối xứng có số thứ tự lớn nhất quay sang phải

là đồng phân D , ngược lại là đồng phân (đối phân) L

C H H

C 6 H 5

1 2 3 4

H O

(D-Phenilanalin)

Nhóm NH 2 gắn lên carbon bất đối xứng có số thứ tự nhỏ nhất quay sang phải là đồng phân D , ngược lại

là đồng phân (đối phân) L

HIỆU ỨNG ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

Sự tác động tương hỗ giữa các nguyên tử trong phân tử làm thay đổi sự phân cực của phân tử được gọi là hiệu ứng hóa học hay hiệu ứng điện tử

Hiệu ứng điện tử

Hiệu ứng liên hợp

Hiệu ứng siêu liên hợp Hiệu ứng

cảm ứng

• Định nghĩa: Hiệu ứng cảm (I) : hiện tượng nguyên tử có độ âm điện cao

hút điện tử của nguyên tử có độ âm điện thấp hơn thông qua nối σ

 Những nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả năng hút electron

mạnh hơn hidro được coi là có hiệu ứng cảm ứng âm –I

 Những nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khả năng đẩy electron

mạnh hơn hidro được coi là có hiệu ứng cảm ứng âm +I

 Trong cùng chu kỳ, -I tăng dần từ phảI qua trái

CR3 < -NR2 < -OR < -F

 Trong cùng phân nhóm, -I giảm dần từ trên xuống dưới

 Điện tích dương càng lớn hay tạp chủng càng có nhiềI tính s,

-F > -Cl > -Br > -I

Hiệu ứng cảm +I : Những nguyên tử, nhóm nguyên tử có khả năng

đẩy electron mạnh hơn hidro Hiệu ứng cảm ứng dương +I thường gặp ở các nhóm ankyl và các nhóm mang điện tích âm.

Nhóm ankyl càng dài, càng phân nhánh hiệu ứng +I càng mạnh:

C

H H H

C

CH 3 H

H

C

CH 3 H

Đặc tính : Hiệu ứng cảm ứng lan truyền dọc theo trục liên kết đơn σ và giảm nhanh khi

kéo dài mạch carbon

Ví dụ: Khi thế 1Hα bằng clo, tính axit tăng 92 lần, thế 1Hβ tăng 6 lần, còn khi thế Hɣ tính axit chỉ tăng 2 lần so với axit không có nhóm thế clo:

CH3CH2CH2COOH CH2ClCH2CH2COOH CH3CHClCH2COOH CH3CH2CHClCOOH

Ka : 1,5.10 -5 3.10 -5 9.10 -5 138.10 -5

Hiệu ứng cộng hưởng C Định nghĩa: Hiệu ứng cộng hưởng chỉ đặc trưng cho các hệ liên hợp là các hệ thống có các liên kết đôi luân phiên với các liên kết đơn (liên hợp π, π) hoặc là các hệ thống có nguyên tử còn cặp electron tự do nối với liên kết đôi (liên hợp p, π), liên hợp π trống - π

Hiệu ứng liên hợp âm –C :

Nhóm rút điện tử π của nối đôi C=C tiếp cách gây hiệu ứng -C

Ví dụ : C=O, -NO2, CN, RCOO-…

HC CH N

O O

HC CH N

O O

 Trong 1 chu kỳ, độ âm điện càng lớn, -C càng mạnh (-COR > CNR 2 ).

 Điện tích dương trên nguyên tử càng lớn, -C càng mạnh.

Hiệu ứng liên hợp dương +C :

Nhóm cho đôi điện tử cô lập của mình về phía nối đôi C=C tiếp cách gây hiệu ứng +C

 Độ âm điện càng lớn, +C càng kém (-NR 2 > -OR > -F).

 Vân đạo p có mức năng lượng càng cao, +C càng kém (-F>-Cl>-Br>-I).

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

Đặc tính: Hiêu ứng liên hợp lan truyền trong các hệ liên hợp và độ

mạnh hầu như không thay đổi khi kéo dài mạch carbon.

Chú ý: Một số nhóm có thể gây ra 2 loại hiệu ứng có tác dụng ngược chiều ( +C, -I ), trong trường hợp này hiệu ứng liên hợp sẽ thắng thế.

Do hiệu ứng liên hợp ưu thế hơn nên mật độ electron trong vòng benzen của phenol vẫn cao hơn của benzen

-S-, -O

-=CR

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỮU CƠ

Hiệu ứng siêu liên hợp

•Hiệu ứng siêu liên hợp là hiệu ứng gây nên bởi hệ thống các liên kết C-H ở vị trí α so với liên kết đôi, liên kết ba hay vòng benzen

R C R H

• Hiệu ứng siêu liên hợp của các gốc ankyl luôn luôn là hiệu ứng đẩy electron Cường độ của nó tỉ lệ thuận với số lượng các liên kết C-H ở vị trí α so với liên kết đôi, liên kết ba hay vòng benzen:

-CH3 > -CH2-CH3 > -CH(CH3)2 > -C(CH3)3

Như vậy các nhóm ankyl bản thân gây 2 loại hiệu ứng có tác dụng cùng chiều ( đều là đẩy electron ), trong trường hợp này hiệu ứng siêu liên hợp sẽ thắng thế:

CH3- CH3-CH2- (CH3)2CH- (CH3)3C-

Hiệuứng cảm ứng dương tăng Hiệu ứng siêu liên hợp giảm

Các yếu tố ảnh hưởng đến lực acid - baz

- Nhóm –I làm tăng tính acid và làm giảm tính baz

- Nhóm –C làm tăng tính acid và làm giảm tính baz

- Trong một chu kỳ từ trái sang phải, tính acid tăng và tính baz giảm

Tính acid tăng : CH 4 < NH 3 < H 2 O < HF Tính baz giảm : CH 3 - < NH 2 - < OH - < F -

- Trong một phân nhóm từ trên xuống dưới, tính acid tăng và tính baz giảm

Tính acid : HF < HCl < HBr < HI

CHƯƠNG II : HYDROCARBON

Các chất chỉ chứa 2 nguyên tố C và H

I Alcan : CnH2n+2

I.1 Danh pháp : -an

CH4 : met an ; C2H6 : etan ; C7H16 : hept an ; C10H22 : dec an

1 2 3 4 5 6 7

CH 3 CH 2 CH

Et

CH CH 2 CH 3 Me

1 2 3 4 5 6

4-Etil-3-metilheptan 3-Etil-4-metilhexan

Qui tắc gọi tên :

- Chọn dây dài nhất làm dây chính Nếu hai dây cùng chiều dài chọn dây

1 2 3 4 5 6

CH 3 CH 2 CH

Me

CH CH 2 CH 3 Et

1 2 3 4 5 6

4-Etil-3-metilhexan

Lý tính : không phân cực, tan trong dung môi hữu cơ

- Dây thẳng : độ sôi và tỷ trọng tăng theo số C,

C n H 2n+2 3n + 1

2 O 2 nCO 2 + (n+1) H 2 O + Q +

Hóa tính

1 Sự đốt cháy

R-H + X2 t° R-X + HX

2.1 Halogen hóa alcan

3 Phản ứng nhiệt phân (phản ứng cracking)

Điều chế

1 Hoàn nguyên halogenur alkil

 Dùng hidrogen đang sinh :

4 Hidrogen hóa alcan, alcin

6 Khử CO 2 của muối RCOONa

II Alcen : -en hoặc ilen (tên thông thường) : CnH2nDây dài nhất có chứa nối đôi và nối đôi ở vị trí nhỏ nhất

CH 3

CH CH 2 CH

CH 2 =CH-CH=CH 2 Etilen

Eten

Butilen 1-Buten

1,3-Butadien 2-Metil-1,3-butadien

(isopren)

CH 2 =CH- CH 3 -CH=CH- CH 2 =CH-CH 2 - CH 3 -CH=CH-CH 2 Etenil

-(vinil)

1-Propenil 2-Propenil

(alil)

2-Butenil (crotil)

Xảy ra theo cơ chế ái điện tử (cộng electrophil)

Phản ứng xảy ra thuận lợi nếu alken có mật độ electron cao ở nối đôi

R CH CH 2 < R CH CH R < R 2 C CH R < R 2 C CR 22.1 Cộng halogen

R-CHBr-CHBr-R' R=CH-CH=R' + Br 2 CCl 4

- Halogen hóa : Cl  Br 

Phản ứng cộng

2.2 Cộng tác chất bất đối xứng

Qui tắc Markownikoff : nguyên tử H hay phần mang điện tích dương

của tác chất sẽ gắn vào C của nối đôi mang nhiều nguyên tử H nhất và phần mang điện tích âm sẽ gắn vào C của nối đôi mang ít nguyên tử H nhất.

Qui tắc Kharash: với sự hiện diện của peroxid, nguyên tử H của tác chất

sẽ gắn vào C của nối đôi mang ít nguyên tử H nhất theo cơ chế gốc tự do (chỉ ảnh hưởng đối với HBr)

R R'

Zn, H 2 O R

C R'

O + R"CH=O + H 2 O 2

KMnO4 loãng

• KMnO 4 đặc, nhiệt độ cao

2 Phản ứng với ozon-Sự ozon giải

Ozonid

Phản ứng thế Hα

Do hiệu ứng siêu liên hợp, các liên kết C-Hα trở nên kém bền và Hα có thể được thay thế bằng halogen

CH 3 CH CH 2 Cl 2 450 o C Cl CH 2 CH CH 2 HCl

OH

-R-C=CH-CH 3 R'

R-C-CH =CH 2 R'

Qui tắc Zaitzeff : sản phẩm chính là alcen mang nhiều nhóm trí hoán nhất

3 Khử X 2 của -dihalogenur alkil

+ R-CH-CH-R'

X X

R-CH =CH-R' ZnX 2 + Zn

4 Hydro hóa hữu hạn alkin

R C C R' H 2 / Pd

- PbCO 3

R CH CH R'

III ALCIN - CnH2n-2 : -in

• Nếu dùng NaNH 2 /NH 3

NaNH2/NH3 lỏngNaNH2/NH3 lỏng

Hóa tính

Cộng hidrogen

+ 3 H 2 Ni

, p Cộng halogen

+ 3 Cl 2 h

Cl Cl

Cl Cl

Cl Cl

Ánh sáng

4 Sự định hướng của phản ứng thế thân điện tử trên nhân

hương phương

Các nhóm đẩy điện tử làm tăng hoạt tính nhân thơm, giúp phản ứng xảy

ra dễ dàng : định hướng orto, para

+

-NO 2 -SO 3 H -COOH -CHO -Br -F -R -OCH 3 -NH 2

-OH -NHCOCH 3

C 6 H 5 H

Cl -I

-COOCH 3 -COCH 3

-CN

-NR 3

CHƯƠNG III : ALCOL – PHENOL

I ALCOL : R -OH

C

R H

H

R R'

H

R R'

Metilcarbinol Dimetilcarbinol Iospropilcarbinol Phenilcarbinol

IUPAC : - dây C dài nhất chứa nhóm –OH

- C-OH mang số vị trí nhỏ nhất

CH 3 -CH-CH-CH 2 -OH

CH 3 Cl

1 2 3 4

3-Cloro-2-metilbutanol

CH 3 -CH-CH=CH-CH-OH

Cl CH2 2 -CH1 3

3 4 5 6 7

6-Cloro-3-heptenol

CH 3 -C-H

CH 3 Cl PBr 3

P+I 2

Với clorur tionil :

ROH + SOCl 2 RCl + SO 2 + HCl

Với tác chất khử nước :

C H

C OH

R-OH + R'COOH H + R'COOR + H 2 O

Độ phản ứng : CH 3 OH > alcol I > alcol II > alcol III

R-OH + (R'CO) 2 O H + R'COOR + R'COOH R-OH + R'COCl Piridin R'COOR + HCl

R-OH + Me SO 2 Cl OH - (piridin) Me SO 2 OR

clorur tosil

R' H2 Ni R CH R'

OH

Rượu bậc 1Rượu bậc 2

2.4 Tổng hợp từ hợp chất cơ magie

R CH R'OH

R X Mg eter khan RMgX

RMgX R'CH O

H3O+

1 2

Sự tạo thành ester

ArOH + RCOCl RCOOAr + HCl ArOH + (RCO) 2 O RCOOAr + RCOOH1.Phản ứng

Phản ứng trên vòng hương phương

Br OH

Br 2 , CS 2 , 0°C

OH

Br

2.1 Phương pháp kiềm chảy

2.2 Thủy phân clo benzen

2.3 Thủy phân muối diazonium

2.4 Oxi hóa cumen

2 Điều chế

CH ƯƠ NG IV:ALDEHID & CETON

CR

I Danh pháp

1 Aldehid

a Tên dẫn xuất từ acid

Thay thế -ic hoặc -oic trong tên thông thường của acid carboxilic tương ứng bằng -aldehid

HCHO CH3CHO CH3CH2CH2CHO

Formaldehid Acetaldehid Butiraldehid

Benzaldehid Salicilaldehid -Metilvaleraldehid

b Tên theo hệ thống

Thêm -al vào sau tên hidrocarbon có cùng số carbon

Nhóm định chức carbonil luôn luôn có chỉ số vị trí

a Ceton chi phương

Đặt tên hai nhóm trí hoán, gắn vào nhóm định chức carbonil, trước từ ceton.

CH3CH2CCH3 PhCH2CCH3

Etil metil ceton Benzil metil ceton

d Tên thông thường

O

OO

CH3-C-CH3 CH3-C-C-CH3

O OAceton Diacetil Quinon

O

Menton Camphor Jasmon

b Ceton hương phương

Gọi tên theo tên thông thường của acid carboxilic tương ứng,

Thêm -on sau tên hidrocarbon tương ứng Nguyên tử carbon