Lý thuyết hóa hữu cơ

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I-CÔNG THỨC HÓA HỌC : Khi nói đến công thức hóa học của các hợp chất hữu cơ thì phải nói cả công thức phân tử CTPT và công thức cấu tạo CTCT.. Ví dụ : Công thức phân

HỢP CHẤT HỮU CƠ

-§ 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

I-CÔNG THỨC HÓA HỌC :

Khi nói đến công thức hóa học của các hợp chất hữu cơ thì phải nói cả công thức phân tử (CTPT) và công thức cấu tạo (CTCT)

1) CTPT:

CTPT của một hợp chất cho biết thành phần định tính ( gồm những nguyên tố nào ) và thành phần định lượng ( mỗi nguyên tố bao nhiêu nguyên tử) của chất đó

Ví dụ : Công thức phân tử của Mê tan là CH4

⇒ Mê tan do 2 nguyên tố là C, H cấu tạo nên; phân tử mêtan có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử H

2) CTCT:

CT CT cho biết thành phần định tính, định lượng và trật tự sắp xếp các nguyên tử trong phân tử các hợp chất hữu cơ

Ví dụ: Rượu êtylic có công thức phân tử là C2H6O

⇒ CTCT của rượu etylic là :

H C C O H ; thu gọn : CH3 – CH2 – OH

II-MẠCH CACBON

Các nguyên tử cacbon không những liên kết được với các nguyên tử của nguyên tố khác mà còn có thể liên kết nhau tạo thành mạch cacbon

1) Mạch không nhánh (còn gọi là mạch thẳng)

ví dụ : H3C – CH2 – CH2 – CH3 n-Butan

2) Mạch nhánh:

( 2-mêtyl propan)

CH3

3) Mạch vòng ( mạch kín )

CH2 CH2 (Xiclô hecxan)

CH2 CH2

Lưu ý: Các dạng mạch cac bon không khép vòng gọi chung là mạch hở.

III- ĐỒNG ĐẲNG – ĐỒNG PHÂN

1) Đồng đẳng :

Đồng đẳng là hiện tượng các chất hữu cơ có cấu tạo và tính chất tương tự nhau, nhưng thành phần phân tử khác nhau một hoặc nhiều nhóm – CH2

Tập hợp những chất đồng đẳng với nhau, gọi là dãy đồng đẳng

Ví dụ : Dãy đồng đẳng của Mê Tan : CH4 ; C2H6 ; C3H8 ; C4H10 … ( TQ : CnH2n + 2 )

2) Đồng phân :

Đồng phân là hiện tượng các chất có cùng CTPT nhưng cấu tạo khác nhau do đó tính chất hóa học cũng khác nhau

Thí dụ: C3H8 chỉ có một đồng phân CH3 – CH2 – CH3

C4H10 có hai đồng phân do xuất hiện mạch nhánh:

CH3 – CH2 – CH2 – CH3 và CH3 – CH – CH3

CH3

n-Butan 2-Metyl propan ( hoặc izo butan)

Chú ý: Thường nghiên cứu 2 dạng đồng phân chính:

- Đồng phân cấu tạo : Do sự khác nhau về mạch cacbon ( nhánh hoặc không nhánh ) ;sự

khác nhau về vị trí của liên kết đôi, ba và các nhóm định chức ( Ví dụ :– OH ; – COOH ; – NH2 , –CHO v.v )

- Đồng phân hình học ( học ở cấp 3 ): Khi 2 nhóm thế ở cùng phía với mặt phẳng π của liên

kết đôi thì có đồng phân Cis Khi 2 nhóm thế ở khác phía với mặt phẳng π thì có đồng phân

Trans ( Phần này chỉ tham khảo cho biết )

Ví dụ :

C = C (Cis -buten -2) C = C ( Trans - buten-2)

§ 2- NHẬN DẠNG CẤU TẠO CỦA HIĐROCACBON

I- HIĐRO CACBON MẠCH HỞ:

CnH2n + 2 (n ≥ 1)

CnH2n (n ≥ 2)

CnH2n - 2 (n ≥ 2)

CnH2n - 2 (n ≥ 3)

Tên gọi

Cấu tạo

Chỉ có liên kết đơn trong mạch:

( hợp chất no)

Có 1 liên kết đôi:

C = C

Có 1liên kết ba – C ≡ C –

Có 2 liên kết đôi : C= C= C

Ví dụ

( chất đại

diện )

H

H C H H

C = C

H –C ≡ C –H CH2= C= CH2

* Nhận xét :

- Một CTCT dạng mạch hở khi chuyển sang CTCT dạng 1 vòng thì giảm 1 liên kết đôi (ngược lại chuyển CTCT từ mạch vòng sang mạch hở thì tăng 1 liên kết đôi )

- Tách 2 nguyên tử H khỏi phân tử hiđro cacbon thì CTCT sẽ xuất hiện vòng hoặc thêm 1 liên kết đôi

- Liên kết đôi C = C gồm 1 liên kết bền (δ) và 1 liên kết kém bền (π), liên kết ba C ≡ C

gồm 1 liên kết bền (δ) và 2 liên kết kém bền (π)

- Một hiđro cacbon không có vòng và không có liên kết π gọi là bão hoà ( no ) Nếu có

vòng hoặc liên kết π thì là bất bão hoà.

Độ bất bão hoà : k = số vòng + số liên kết π

Một hiđro cacbon có độ bất bão hoà k thì có CTTQ là : CnH2n+2 – 2k

II- HIĐROCACBON MẠCH VÒNG

1) Xiclô ankan : mạch vòng chỉ toàn liên kết đơn

CTTQ : CnH2n ( n ≥ 3)

Các nguyên tử C được sắp xếp trên hình đa giác có số cạnh thường bằng chỉ số của cacbon trong phân tử

CH2

2) Aren ( Hiđro cacbon thơm ) : Các nguyên tử cacbon sắp xếp trên hình lục giác đều : 3

liên kết đôi xen kẽ 3 liên kết đơn ( tạo nên một hệ liên hợp)

CTTQ : CnH2n –6 ( n ≥ 6)

Ví dụ:

* Ngoài ra còn có xiclo anken ( vòng có 1 liên kết đôi) , xiclo ankin ( vòng có 1 liên kết ba)

§ 3- TÊN GỌI CỦA HIĐRO CACBON

I- Tên gọi của Hiđro cacbon:

1) Tên Ankan: CnH2n + 2 ( n ≥ 1)

n= 1 → CH4 Mêtan

n= 2 → C2H6 ÊTan

n= 3 → C3H8 Propan

n= 4 → C4H10 Bu tan

n= 5 → C5H12 Pentan

n= 6 → C6H14 Hec xan

n= 7 → C7H16 Hep tan

n= 8 → C8H18 Oc tan

n= 9 → C9H20 No nan

n=10 → C10H22 Đê can Nếu an kan có nhánh thì đọc theo qui tắc sau:

Tên An Kan = vị trí nhánh (số) + tên nhánh + tên an kan mạch chính

Ví dụ : CH3 – CH – CH2 – CH3 Mạch chính là Bu tan ;

Nhánh là Mêtyl - CH3 ở vị trí cacbon thứ 2

⇒ tên của hợp chất trên là : 2- Mêtyl- Butan ( hoặc izo- Pen tan )

CH3

2) Tên An ken CnH2n ( n ≥ 2 )

Tên AnKen = Tên AnKan biến đổi ( “an” → “ ilen” hoặc “en ”

Ví dụ:

C2H4 : Êtilen ( tên quốc tế là Êten )

C3H6 : Propilen ( tên quốc tế là Propen )

* Các đồng phân do cấu tạo khác nhau được đọc theo qui tắc :

Tên An Ken = vị trí nhánh (số) + tên nhánh + tên an ken mạch chính + + vị trí của nối đôi

ví dụ : CH3 – CH –CH = CH2

CH3 ( 3-Mêtyl Butilen – 1)

* Việc đánh số cacbon trong mạch chính sao cho vị trí nối đôi có STT nhỏ nhất

3) Tên AnKin : C2H2n – 2 ( n ≥ 2 )

Tên Ankin = Tên gốc ankyl ( 2 bên nối ba) + Axetilen

Trong đó An kyl là gốc hoá trị I tạo thành khi AnKan mất đi 1nguyên tử H

( – CH3 : Mêtyl ; – C2H5 : Êtyl .V.V )

Ví dụ :

CH ≡ CH Axetilen

CH ≡ C – CH2 –CH3 Êtyl Axetilen

* Tên quốc tế : Từ an kan tương ứng → biến đuôi “an” thành “in”

4) Tên của Aren : CnH2n –6 ( n ≥ 6)

Tên Aren = Tên nhánh Ankyl ( nếu có ) + Benzen

Ví dụ :

CH3 Mêtyl Benzen ( hoặc Toluen )

Trong cấu tạo trên mỗi đỉnh hình lục giác là 1 nhóm CH ( trừ đỉnh có gắn CH 3 chỉ có 1nguyên tử Cacbon )

5) Tên AnKa đien ( còn gọi là đi anken): CnH2n – 2 ( n ≥ 3 )

Tên Ankađien = Như tên của Anken ( biến đổi đuôi “ en” thành “ađien”

Ví dụ: 2 chất thuộc dãy Ankađien thường gặp là

CH2 = CH – CH = CH2 Butađien –1,3

CH2 = C – CH = CH2

CH3 2- Mêtyl Butađien –1,3

( izo pren )

6) Xiclo ankan ( Vòng no ): CnH2n ( n ≥ 3 )

Tên xiclo ankan = Xiclo + tên ankan tương ứng …………

Ví dụ:

CH2 CH2

( Xiclo Butan )

(4) (3) (2) (1)

II- Tên dẫn xuất của Hiđro cacbon:

Tên dẫn xuất = tiền tố ( số nhóm thế ) + tên Hiđro cacbon tương ứng

Nếu mạch nối đơn đọc theo ankan; mạch có 1 nối đôi đọc theo anken ; có 1 nối ba đọc theo an kin…

Ví dụ : C2H5Cl : Clorua êtan

CHBr = CHBr : Đi Brom êtilen

CHBr2 – CHBr2 : Têtrabrom êtan

§4 TÍNH CHẤT CỦA MÊTAN (CH4) VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG I- Tính chất vật lý của Ankan

C1 → C4 : là chất khí

C5 → C17 : là chất lỏng

C18 → trở đi : là chất rắn

- không tan hoặc rất khó tan trong nước ( chỉ số của Cacbon trong phân tử càng lớn thì hiđro cacbon càng khó tan )

II- Tính chất hóa học của Mê Tan

Mê tan và các đồng đẳng của nó, do có liên kết đơn trong mạch nên có phản ứng đặc trưng là phản ứng thế bởi Cl2 hoặc Br2

1) Phản ứng thế Cl2, Br2: Thế vào chỗ H của liên kết C –H

Mỗi lần thế , có một nguyên tử H bị thay thế bằng một nguyên tử Cl Các nguyên tử H lần lượt

bị thay thay thế hết.

Mêtyl clorua ( hoặc Clo Mêtan )

Điclo mêtan

Triclo Mêtan ( hay clorofom)

Têtraclo Cacbon

2) Phản ứng cháy:

b) Cháy trong khí Clo:

3) Phản ứng phân huỷ do nhiệt:

lamlanh.nhanh1500→0 C2H2+ 3H2

III- Điều chế Mê Tan

1) Từ nhôm Cacbua:

Al4C3 + 12H2O → 3CH4 ↑ + 4Al(OH)3 ↓

2) Từ than đá:

3) Phương pháp vôi tôi xút:

CH3COONa + NaOH CaO;t C0 → CH4 ↑ + Na2CO3

IV- Dãy đồng đẳng của Mêtan ( An Kan hay Parafin )

1) Tính chất hóa học:

Những hợp chất có dạng CnH2n + 2 đều có tính chất tương tự như Mêtan Mặt khác từ C3 trở đi

có thêm phản ứng Crăcking ( bẻ gãy mạch do nhiệt)

CnH2n + 2 Crac.king→ CxH2x + 2 CyH2y ( trong đó x + y = n )

Ví dụ:

C3H8 Crac.king→ CH4 + C2H4

2) Điều chế:

a) Từ muối có chứa gốc Ankyl tương ứng

CnH2n + 1 COONa + NaOH CaO;t C0 →

CnH2n + 2 + Na2CO3 …………

Ví dụ :

C2H5COONa + NaOH CaO;t C0 →

C2H6 + Na2CO3

b) Cộng H2 vào Anken hoặc Ankin tương ứng:

CnH2n + H2 →Ni;t C0 CnH2n +2

Hoặc CnH2n - 2 + 2H2 →Ni;t C0

CnH2n +2

Ví dụ :

CH2 = CH2 + H2 →Ni;t C0 CH3 – CH3

Ê tilen Ê tan

c) Phương pháp nối mạch Cacbon: ( điều chế những Hiđro Cacbon mạch dài)

Trong đó X là nguyên tố halogen : Cl, Br…

R, R’ là các gốc Hiđro Cacbon

Ví dụ:

CH3 – Cl + 2 Na + C2H5 – Cl → CH3 – C2H5 + 2NaCl

Mêtyl clorua Êtyl clorua Propan

-§5 ÊTILEN VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG I- Cấu tạo của Êtilen ( C2H4 ) CH2

σ π

=CH2

Phân tử Êtilen có 1 liên kết đôi chứa liên kết kém bền ( liên kết π) nên dễ bị bẻ gãy thành liên kết đơn Do đó phản ứng đặc trưng là phản ứng cộng hợp.

CH2 = CH2 sau khi bẻ gãy : – CH2 – CH2 –

Tác chất tấn công ( Br2) cộng 2 nguyên tử Br vào đây

II- Tính chất hóa học của Êtilen:

1) Phản ứng cháy : cho CO2 và H2O

2) Phản ứng cộng ( đặc trưng)

* Tác chất tham gia phản ứng cộng gồm: Br 2 , Cl 2 ,H 2 ; một số hợp chất HCl, HBr, HOH

Ví dụ:

CH2 = CH2 + Br2 dung.dich→ CH2Br – CH2Br (1)

Đibrom êtan

CH2 = CH2 + H2 →Ni;t C0

Êtan

CH2 = CH2 + H –OH →x.t CH3 – CH2OH (3)

Rượu Êtylic

* Lưu ý:

- Phản ứng ( 1) dùng để nhận biết Êtilen do làm mất màu da cam của dung dịch nước Brôm.

- Dung dịch brom trong phản ứng trên xét cho dung môi hữu cơ, ví dụ CCl 4 … Nếu dung mối là nước thì phản ứng rất phức tạp.

3) Làm mất màu dung dịch thuốc tím.

Để đơn giản người ta viết gọn thuốc tím thành [O]:

CH2 = CH2 + [O] + H2O →KMnO4 CH2OH –CH2OH Viết gọn : C2H4 + [O] + H2O →KMnO4 C2H4(OH)2

Êtilen glycol

4) Phản ứng trùng hợp:

nCH2=CH2 x.t ; t 0→ ( –CH2 – CH2 – )n

Pôly êtilen ( PE)

* Phản ứng trùng hợp là phản ứng kết hợp nhiều phân tử nhỏ ( monome) thành phân lớn ( polyme) Nói chung, những phân tử có liên kết đôi có thể tham gia phản ứng trùng hợp.

III- Điều chế Êtilen

1) Khử nước từ phân tử rượu tương ứng:

C2H5OH →H SO đđ ; 2 4 > 1700C CH2 = CH2 ↑ + H2O

2) Cho Zn tác dụng với các dẫn xuất Halogen:

C2H4Br2 + Zn →t C0

C2H4 ↑ + ZnBr2

3) Từ Ankin tương ứng:

CH ≡ CH + H2

Pd

t C

→0 CH2 =CH2

4) Dùng nhiệt để tách 1 phân tử H2 khỏi An Kan tương ứng hoặc Crăking.

C3H8 Crac.king→ CH4 + C2H4

IV- Dãy đồng đẳng của Êtilen

Dãy đồng đẳng của Êtilen là tập hợp những Hiđro cacbon mạch hở có công thức chung C n H 2n

( Gọi là AnKen hoặc Olefin )

Các đồng đẳng của Êtilen đều có 1 liên kết đôi trong mạch ( không no), có tính chất hoá học và cách điều chế tương tự như Êtilen

-§ 6 AXETILEN VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG

I- Cấu tạo của axetilen ( C2H2)

H– C ≡ C –H Liên kết ba có chứa 2 liên kết π kém bền nên dễ bị bẻ gãy thành liên kết đơn Phản ứng đặc trưng là phản ứng cộng hợp

II- Tính chất hóa học của Axetilen.

1) Phản ứng với Oxi:

2C2H2 + 5O2 →t C0 4CO2 + 2H2O phản ứng này được ứng dụng trong lĩnh vực hàn cắt kim loại

áp suất

2) Phản ứng cộng hợp: H2 ; Br2 ; H2O ; HCl …

Cơ chế: bẻ gãy liên kết π và cộng vào 2 đầu liên kết các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử hóa trị I như : -H, -Br, -Cl, - OH …

CH ≡ CH + H2 →t ;Ni0 CH2 = CH2 CH2= CH2 + H2 →t ;Ni0 CH3 – CH3

Muốn phản ứng dừng lại ở giai đoạn thứ nhất thì phải dùng chất xúc tác là Pd.

* Cộng Br 2 : ( làm mất màu dung dịch brôm )

CH ≡ CH + Br2 →CHBr = CHBr ( đi brom êtilen )

CHBr = CHBr + Br2 → CHBr2 –CHBr2 ( tetra brom êtan )

* Cộng HCl ;

CH ≡ CH + HCl →x.t CH2 = CHCl

Vinyl clorua

- Nếu đem trùng hợp Vinyl Clorua thì thu được Poly Vinyl clorua, gọi tắt là PVC:

( – CH2 –CHCl – )n

* Cộng H 2 O:

CH ≡ CH + H – OH →HgSO ; 80 C4 o CH3 - CHO

An đê hit axetic

3) Tác dụng với Ag2O : (?)

Cơ chế : thế kim loại vào vị trí của nguyên tử H ở hai đầu liên kết ba

CH ≡ CH + Ag2O dung.dichNH3→ AgC ≡ CAg ↓ + H2O

Bạc Axetile nua ( màu vàng xám)

4) Làm mất màu thuốc tím:

CH ≡ CH + 4[O] →KMnO4 HOOC – COOH

Axit Oxalic

III- Điều chế Axetilen:

1) Từ đá vôi và than đá:

CaCO3 →9000C CaO + CO2 CaO + 3C →2000 0C CaC2 + CO ↑

Can xi Cacbua

Cho CaC2 tác dụng với H2O hoặc một số axit mạnh như : H2SO4, HCl

CaC2 + 2H2O → C2H2 ↑ + Ca(OH)2 CaC2 (*) + H2SO4 → C2H2 ↑ + CaSO4

2) Từ Mê tan:

2CH4 1500o C; Làm lạnh nhanh→ C2H2 + 3H2

3) Từ Axetilen nua kim loại : Ag2C2 ; Cu2C2

Ag2C2 + 2HCl → C2H2 ↑ + 2AgC1 ↓

IV- Dãy đồng đẳng của Axetilen ( gọi chung là Ankin )

Dãy đồng đẳng của Axetilen gồm những Hiđrocacbon mạch hở có công thức chung dạng CnH2n – 2 ( n ≥ 2)

Vì có liên kết ba trong mạch nên tính chất hóa học và cách điều chế các đồng đẳng tương tự như Axetilen

- An kin nào có nối ba đầu mạch thì mới tác dụng với Ag2O / dd NH3

(?) thực chất là phản ứng xảy ra với AgNO3 trong dung dịch NH 3

(*) CaC2 được xem là muối của axêtilen C 2 H 2

§ 7 BENZEN VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG I- Cấu tạo của Benzen ( C6H6 )

Phân tử ben zen có mạch vòng 6 cạnh đều nhau, chứa 3 liên kết đôi xen kẽ 3 liên kết đơn ( tạo nên một hệ liên hợp ) Vì vậy benzen dễ tham gia phản ứng thế và khó tham gia phản ứng cộng

Các liên kết π là liên kết chung của cả 6 nguyên tử cacbon ( Hệ liên hợp )

II- Tính chất hóa học của Ben Zen

1) Tác dụng với oxi : Ben zen cháy trong không khí cho nhiều mụi than ( do hàm lượng C

trong ben zen rất cao )

2C6H6 + 15 O2 →t C0 12CO2 + 6H2O

2) Tác dụng với Brôm lỏng nguyên chất (Phản ứng thế):

C6H6 + Br2 →bột Fe ;t C o C6H5Br + HBr

Brombenzen Hiđrobromua

Lưu ý: Benzen không làm mất màu da cam của dung dịch Brôm

3) Phản ứng cộng:

* Với H 2 :

C6H6 + 3H2 →t C;Ni0 C6H12 ( xiclohecxan )

* Với Cl 2 :

C6H6 + 3Cl2 →a.s C6H6Cl6 ( Hecxaclo xiclohecxan)

(Thuốc trừ sâu : 666)

4) Phản ứng với HNO3 ( phản ứng Nitro hóa ):

C6H5 –H + HO –NO2 →H SO đ.đ2 4

Nitro benzen

III- Điều chế Ben zen

1) Trùng hợp 3 phân tử axetilen ( tam hợp )

3C2H2 xt,600 0C→C6H6

2) Đóng vòng ankan tương ứng:

C6H14 →xt,t C0 C6H6 + 4H2 ↑

(n- hecxan)

IV- Dãy đồng đẳng của Benzen

Dãy đồng đẳng của benzen có tên gọi là Aren, có công thức chung là CnH2n – 6 ( n ≥ 6 ).

Các đồng đẳng của Ben Zen có cấu tạo vòng giống như ben zen và tính chất cũng tương tự như benzen

Từ C 8 trở đi mới có hiện tượng đồng phân do vị trí của nhóm thế ( nhóm gắn vào vòng benzen) Ví dụ: C 8 H 10 có các đồng phân vị trí nhóm thế như sau:

CH3 CH3 CH3 CH3

CH3

CH3

§ 8 RƯỢU ÊTYLIC VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG

I- Cấu tạo của rượu êtylic

CTPT: C2H6O

H C C O H hay C2H5 – O –H

Nhóm chức của rượu là nhóm – OH ( nhóm hyđroxyl) chứa nguyên tử H linh động ( do bị oxi

hút electron ) nên làm cho rượu có tính chất đặc trưng : tham gia phản ứng thế với Na, K… )

II- Tính chất hóa học của Rượu Êtylic

1) Tác dụng với Oxi : Cháy dễ dàng trong không khí , cho lửa màu xanh mờ và toả nhiều

nhiệt

C2H6O + 3O2 →t0 2CO2 + 3H2O

2) Tác dụng với kim loại kiềm : K, Na … giải phóng H2

2C2H5 –OH + 2Na →2C2H5 –ONa + H2 ↑

Nattri êtylat Nattri êtylat dễ bị thuỷ phân trong nước cho ra rượu Êtylic

C 2 H 5 ONa + HOH →C 2 H 5 OH + NaOH

3) Tác dụng với Axit hữu cơ ( xem bài axit axêtic )

4) Phản ứng tách nước:

140

→H SO đặc

C C2H5 – O –C2H5 + H2O

đi Êtyl ête

170

>

→H SO đặc

C C2H4 ↑ + H2O

Êtilen

III- Điều chế rượu Êâtylic

1) Từ chất có bột , đường: ( phương pháp cổ truyền )

(C6H10O5)n + nH2O A.xit→nC6H12O6

Tinh bột, xenlulozơ glucozơ

C12H22O11 + H2O A.xit→2C6H12O6

Saccarozơ

C6H12O6 men rượu→ 2C2H5OH + 2CO2 ↑

2) Tổng hợp từ Êtilen

CH2 =CH2 + HOH →xt C2H5OH

3) Từ dẫn xuất Halogen có mạch cacbon tương ứng:

C2H5Cl + NaOH

xt

t C

→0 C2H5OH + NaCl

IV- Độ rượu :

Độ rượu là tỉ lệ % theo thể tích của rượu Êtylic nguyên chất trong hỗn hợp với nước

Ví dụ : rượu 450 tức là trong 100lít rượu có chứa 45 lit rượu nguyên chất

ĐR =

2

R h

V × ( đơn vị : độ 0 )

(–) (+)