SKKN xây dựng tính đồng phân của chất hữu cơ

Việc dạy và học vấn đề “ Đồng phân” trong chương trình hoá học học phổ thông là vấn đề khó, rộng và xuyên suốt chương trình hoá hữu cơ vì nó liên quan đến “cấu tạo hóa học”, “tính chất c

A ĐẶT VẤN ĐỀ

I Lý do chọn đề tài:

Trong tiến trình đổi mới của đất nước, ngành giáo dục phải thường xuyên đổi mới nội dung, phương pháp dạy học để không ngừng nâng cao chất lượng đào tạo Những đổi mới đó phải đi theo hướng của nền giáo dục hiện đại là: Phát huy cao độ tính tích cực, tính độc lập, sáng tạo của người học,

Việc dạy và học vấn đề “ Đồng phân” trong chương trình hoá học học phổ thông là vấn đề khó, rộng và xuyên suốt chương trình hoá hữu cơ vì nó liên quan đến “cấu tạo hóa học”, “tính chất của chất”, “sự biến đổi chất này thành chất khác” là những vấn đề then chốt của bộ môn hóa học

Vấn đề “Đồng phân” của hợp chất hữu cơ luôn được quan tâm nhiều ở chương trình học, đề kiểm tra, đề thi tuyển sinh Đại học –Cao đẳng trong các năm qua Mâu thuẫn giữa bài làm của học sinh với đáp án của đề thi, hay sự lúng túng của học sinh không biết mình xác định đúng, đủ số lượng các chất hay chưa và làm thế nào để xác định đúng, đủ các chất đó một cách nhanh chóng

Để đáp ứng yêu cầu chạy đua thời gian với hình thức thi trắc nghiệm hiện nay, với những trăn trở của học sinh như đã nêu, cùng với sự yêu mến nghề nghiệp tôi xin được đóng góp một phần nhỏ kinh nghiệm để góp phần

giải quyết các tồn tại như đã trình bày Tôi đã chọn đề tài: “Xây dựng phương pháp tính nhanh để giải quyết vấn đề đồng phân trong chương trình hoá học trung học phổ thông ”

II Phạm vi đề tài:

Nghiên cứu các vấn đề “ Đồng phân” trong hóa học hữu cơ của chương trình trung học phổ thông Đối tượng là các vấn đề đồng phân dễ

bị thiếu sót, nhầm lẫn, gây khó khăn đối với học sinh lớp 11, lớp 12, học sinh luyện thi đại học tại Trường THPT Nguyễn Xuân Nguyên

III Một số từ viết tắt trong đề tài:

- CTCT Công thức cấu tạo - CTPT: Công thức phân tử

- THPT Trung học phổ thông

B GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I Cơ sở lý luận liên quan đến vấn đề đồng phân:

I.1 Thuyết cấu tạo hoá học

Học sinh cần nắm vững nội dung thuyết cấu tạo hoá học ở Mục II trang

97 – SGK hoá học 11 chương trình chuẩn (in tháng 6 năm 2007) hoặc Mục I trang 122 – SGK hoá học 11 chương trình nâng cao (in tháng 6 – 2007)

I.2 Đồng phân

I.2.1 Khái niệm

“Đồng phân” là những chất khác nhau nhưng có cùng công thức phân

tử

L

ư u ý: Những chất là đồng phân của nhau tuy có cùng công thức phân tử

nhưng có cấu tạo hóa học khác nhau, nên khi gặp bài toán xác định số đồng phân phải làm rõ được đồng phân của loại hợp chất hữu cơ nào?

I.2.2 Phân loại đồng phân (không xét đồng phân quang học, đồng phân cấu dạng)

I 3 Nhóm chức hợp chất hữu cơ:

I 3 1 Khái niệm

Là nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử quyết định tính chất hoá học đặc trưng của hợp chất hữu cơ

I 3 2 Phân loại

- Hợp chất hữu cơ đơn chức: Chỉ chứa một loại nhóm chức trong phân tử

- Hợp chất hữu cơ đa chức: Hợp chất chứa từ 2 loại nhóm chức giống nhau trong

Đồng Phân ( Cùng CTPT)

ĐP mạch

Cacbon

(có

nhánh,

không

nhánh,

vòng)

ĐP nhóm chức (Do

sự thay đổi bản chất nhóm chức)

ĐP vị trí (do thay đổi vị trí nhóm chức, lk π

trong mạch C)

ĐP Cis (A ≠ a; B ≠ b)

ĐP Trans (A ≠ a; B ≠ b)

(A, B: nhóm thế lớn

a, b: nhóm thế nhỏ)

trong phân tử.

- Hợp chất hữu cơ tạp chức: Hợp chất chứa từ 2 loại nhóm chức khác nhau trong trong phân tử

* Một số loại nhóm chức phổ biến trong hoá học THPT

Ancol, Phenol( -OH); Ete ( - O - ) Xeton ( - CO - )

Andehit ( - CHO) Axit cacboxylic( - COOH) Este ( - COO - )

Amin ( - NH2 bậc I; -NH- bậc II; l

l

N

− bậc III )

* Để xác định loại đồng phân vị trí nhóm chức, cần phân loại hoá trị của nhóm chức:

Nhóm chức hóa trị 1 ( 2 hay 3) là nhóm chức có khả năng tạo được 1 (2 hay 3) liên kết cộng hóa trị với n guyên tử hay nhóm nguyên tử khác

- Nhóm chức hóa trị 1 gồm: -X (halogen); -OH; -CH=O; -COOH ; -NH2 ; -C ≡ CH;

RCOO Nhóm chức hóa trị 2 gồm: RCOO ORCOO ; RCOO CORCOO ; RCOO NHRCOO

-NH Nhóm chức hóa trị 3 gồm: l

l

N

− ( amin bậc III)

I 3 3 Tính chất hoá học đặc trưng của nhóm chức

Để giải quyết các bài toán đồng phân có điều kiện (liên quan đến tính chất hoá học hợp chất hữu cơ) cần phải nắm được tính chất của các nhóm chức: -OH; - O-; - CH=O; - CO -; -COOH; - COO-R; -NH2, - X; -CH=CH-; - C≡CH; - CO-NH- , R- NH3+, … Cụ thể:

1 Hợp chất A Na H 2

muôi

 → => A có H linh động Vậy A là: −COOH(axit, tapchuc)−OH(ancol, phenol)

2 Hợp chất A o

NaOH

t C

+

→Sản phẩm => A chứa chức

OH(phenol); R X COOH(axit, tap chuc) COO R(este)

CO NH (lk peptit)

NH / R NH (ion)+ +

−

3 Hợp chất A 3 3

o

AgNO / NH

+

Vậy A:

4

CH O(andehit) HCOOH(axit fomic) HCOOR(estecua axit fomic) HCOONH ,HCOONa(muôicua axit fomic) glucozo,fructozo,matozo

Lưu ý: nếu A + AgNO3/NH3 => sản phẩm=> Ank 1 in(R C CH)Nhóm( CH O)− −− =− ≡

4 Hợp chất A 2

o

Cu(OH) /OH

2

+

5 Hợp chất A Cu(OH) /OH 2

dk thuong

− +

- Nhiều nhóm –OH liền kề: glixerol, etilenglicol, glucozơ, fructozơ,…

hoặc nhóm –COOH ( axit) hoặc hợp chất có từ 2 lk peptit trở lên ( phản ứng màu biure)

Lưu ý: hiện tượng:

+ dung dịch phức xanh lam => Nhiều nhóm –OH liền kề

+ dung dịch xanh (ion Cu2+ hidrat) => chứa nhóm –COOH

+ Phức màu tím (phản ứng màu biure)=> tripeptit, tetrapeptit, …, polipeptit, protein

6 Hợp chất A ddBr (nuoc Brom) 2

dk thuong

+

=> A phải có : - Liên kết π trong gốc hiđrocacbon (anken, ankadien, ankin,….)

- Có nhóm chức –CH=O trong các hợp chất như (3) trừ fructozo

- có vòng thơm linh động: phenol, anilin hoặc vòng kém bền như xiclopropan

7 Hợp chất A H 2

Ni,t C

+

→=> A có liên kết π kém bền, vòng kém bền như xiclopropan

I.4 Độ bất bão hòa (∆)

Cho ta biết tổng số liên kết π và số vòng trong một phân tử chất hữu cơ

I.4.1 Công thức tính

Theo “thuyết cấu tạo hóa học” ta rút ra công thức tính như sau:

n

i 1

(*) 2

=

+

n: số nguyên tố trong hợp chất hữu cơ

xi : hoá trị nguyên tố i

yi : Số nguyên tử nguyên tố i

Vận dụng: độ bất bão hoà của hợp chất hữu cơ (A) CxHyOzNtClv

Lưu ý: Nitơ trong hợp chất cộng hoá trị là 3

Khi đó: ∆ = ∑ (số liên kết π) +∑ (số vòng no)

I 4 2 Ý nghĩa của độ bất bão hoà ∆ trong việc định hướng viết đồng phân

Khi biết ∆, ta có thể suy đoán được đặc điểm cấu tạo hợp chất hữu cơ (no hay không no, liên kết đôi, liên kết ba; mạch vòng, vòng thơm …)

2 2x y t v

2

+ − + −

∆ =

+ ∆ = 0 ⇔ A no, hở ( Chỉ chứa liên kết đơn)

+ ∆ = 1 ⇔ A có 1 liên kết π C=C; C=O, …hoặc có 1 vòng no (xiclo)

+ ∆ = 2 ⇔ A có 2 lk π (lk ba) C≡C; C≡N hoặc có 2 lk π (lk đôi) C=C=C, C=C-C=O hoặc có 1 lk đôi + 1 vòng no: ; hoặc có 2 vòng no:

* Một số điều kiện về số lượng nguyên tử trong các hợp chất hữu cơ

Hợp chất Khối lượng mol phân tử Điều kiện

y: luôn chẵn

y≤ 2x+2

CxHyNt 12x+y+14t x,y,z,t: nguyên và ≥ 1

y≤ 2x+2+t

y và t cùng chẵn (lẻ)

CxHyOzNt 12x+y+16z+14t

CxHyOzXv

( X: halogen)

12x+y+16z+Mx.v y +v ≤ 2x+2

y và v cùng chẵn (lẻ)

II Thực trạng của vấn đề

II 1 Các bước viết đồng phân cấu tạo của hợp chất hữu cơ

Nhận thấy, từ trước đến nay trong quá trình giảng dạy về phần “ đồng phân” của hợp chất hữu cơ, đa số giáo viên hướng dẫn học sinh thực hiện xác định số đồng phân theo các bước sau:

Bước 1: Phải tính nhanh số liên kết π => loại mạch C + loại nhóm chức ∆phân tử =∆mạch + ∆ chức =>(Tách CTPT = Gốc hiđrocacbonbon + nhóm chức)

Bước 2: Xây dựng mạch C chính( hở, vòng): không nhánh→có nhánh (1 nhánh, 2 nhánh …) lấy trục đối xứng

Bước 3: Bố trí nhóm chức vào mạch C ở một phía của trục đối xứng.

Bước 4: Đếm số đồng phân.

(Số đp = đpct + đphh) Trong khi thực hiện các bước cần lưu ý:

+ Với liên kết π trong gốc hiđrocacbon ta dùng mũi tên cho nó chạy vào các liên kết từ đầu mạch đến vị trí đối xứng thì dừng lại

+ Với mạch vòng bắt đầu từ vòng to →nhỏ, không nhánh →có nhánh

+ Với nhóm chức hóa trị I cho chạy vào các nguyên tử sao cho đúng hóa trị + Với nhóm chức hóa trị II cho ch ạy vào giữa các lk C-C trên mạch C

+ Với nhóm chức hóa trị III viết đủ 3C, các C còn lại cho chạy vào mạch C + Nếu có 2 nhóm chức thì cố định một nhóm trên mỗi mạch và cho nhóm kia chạy

II 2 Các ví dụ minh hoạ

Áp dụng các bước viết đồng phân ( Mục II 1)

II 2.1 Đối với hợp chât hiđrocacbon C x H y

Ví dụ 2: Số đồng phân mạch hở của C5H10 là:

H

ư ớ n g g i ả i q u yế t :

- Từ (*) tính được ∆ = ∆phân tử =∆mạch + ∆ chức = 1 => mạch có 1 liên kết đôi

- Xây dựng mạch C: Có 5C có 3 bộ mạch C khác nhau

- Ứng với từng bộ khung biểu diễn vị trí tạo liên kết đôi

Đếm có 6 đp cấu tạo mạch hở và 2 đp hình học Nên có 7 đp mạch hở

 Đáp án C 7.

HS rất dễ nhầm chọn D 8 ( phải trừ bớt số đpct có đphh) hoặc chỉ quan tâm đến số đồng phân cấu tạo nên đã chọn B.6 đp.

Ví dụ 3: Có bao nhiêu đồng phân C6H10 tác dụng được với AgNO3/NH3

H

ư ớ n g g i ả i q u yế t :

- ∆ = 2 ( vì chức ankin, mạch hở có 1 lk ba)

- Tách nhóm chức: C4H9-C≡CH ( ank-1-in)

- Xây dựng mạch C chính: 4C => có 2 bộ mạch C

- Liên kết nhóm chức -C≡CH vào từng mạch C, một bên của trục đối xứng theo sơ đồ mũi tên

=> Chọn đáp án: C 4.

II 2.2 Đối với các dẫn xuất của hiđrocacbon

Ví dụ 5: Số đồng phân cấu tạo no, mạch hở của C6H12O là

A 10 B 12 C 13 D 14.

H

ư ớ n g g i ả i q u yế t :

+ ∆ = 1 => Nhóm chức có 1 lk đôi: Andehit (-CH=O); xeton (- CO-)

+ Tách nhóm chức 1C: gốc hiđrocacbonbon có 5C => có 3 bộ mạch C

+ liên kết nhóm chức –CH=O vào từng bộ mạch C theo sơ đồ mũi tên

 có 8 đp anđehit.

+ lk nhóm chức xeton –CO –

 có 6 đp xeton.

Đếm tổng 8 + 6 = 14 Vậy chọn đáp án D 14.

Ví dụ 4: Số đồng phân cấu tạo của chất ứng với CTPT C5H13 N là

A 13 B 14 C 15 D 16.

H

ư ớ n g g i ả i q u yế t :

• C5H13 N

∆ = 0 => cấu tạo no, mạch hở

+ Amin bậc I: C5H11 NH2 => 8 đp

+ Amin bậc II: -NH- => 6 đp

+ Amin bậc III: Có 1 đp

Đếm tổng thì C5H13 N có 8 + 6+ 1 = 15 Vậy chọn đáp án C 15 đp.

Ví dụ 6: A là hợp chất đơn chức có CTPT C5H10O2 Có bao nhiêu đồng phân cấu tạo của A tham gia phản ứng tráng gương

H

ư ớ n g g i ả i q u yế t : (Nắm vững phần I.3.3)

+ ∆ = 1

+ A đơn chức => Este của axit fomic HCOO-R (HCOOC4H9) ∆chức = 1

C

+ Xây dựng bộ mạch C: 4C => 2 bộ mạch C liên kết nhóm chức HCOO- theo

sơ đồ mũi tên

Đếm số mũi tên Vậy chọn đáp án C 4 đp.

Ví dụ 7: A, B là dẫn xuất của benzen có CTPT C8H10O A tác dụng được với NaOH B không tác dụng với NaOH Tổng số đồng phân cấu tạo của A và B là

A 17 B 18 C 19 D 20.

H

ư ớ n g g i ả i q u yế t :

+ ∆ = 4 = 4 + 0 ( vòng benzen 3π + 1 vòng) + (nhánh no, hở)

* A tác dụng với NaOH => A là phenol => tách chức C8H9 –OH

+ Xây dựng bộ mạch C: 8C = 6 + 2 = 6 +1 + 1

Vậy A có 9 đp phenol

* B không tác dụng với NaOH Nên B ancol (–OH) và ete (-O-)

Có 5đp ete

Đếm tổng số mũi tên Vậy B có tổng số 10 đp Chọn phương án C 19.

Nhận xét: Như vậy, trong các ví dụ trên chúng ta đã hướng dẫn học sinh xác

định số đồng phân của hợp chất hữu cơ bằng cách đếm dựa vào mạch cacbon

Với phương pháp đếm số đồng phân của hợp chất hữu cơ như trên, học sinh thường đếm thiếu, do đó tôi đã xây dụng phương pháp tính số đồng phân của hợp chất hữu cơ giúp học sinh không những tính nhanh mà còn hạn chế được thiếu sót

III Giải pháp và tổ chức thực hiện:

III 1 Xây dựng phương pháp tính nhanh số đồng phân:

III.1.1 Cơ sở của việc xây dựng:

* Số đồng phân của các gốc hiđrocacbon hoá trị I:

- Với gốc hiđrocacbonbon no, hở ( ankyl) CnH2n + 1 –

+ CH3 – có 1 đp cấu tạo

+ C2H5 – có 1 đp cấu tạo

+ C3H7 – có 2 đp cấu tạo( propyl, iso proyl) =>2 n- 2 ( đp) ( 1< n < 6)

+ C4H9 – có 4 đp cấu tạo.(butyl, iso, tert Sec)

+ C5H11 – có 8 đp cấu tạo

- Với gốc hiđrocacbonbon không no, hở, có 1 nối đôi CnH2n - 1 –

C2H3- => C=C (1 đp)

C3H5- => C=C-C (4 đp)= 3(đpct) + 1(hh) (có 3 vị trí C tạo hoá trị I)

C4H7 - => C=C-C-C (5 đp) = 4(đpct) + 1(hh) => 8 đp

C-C=C-C (3 đp) = 2(đpct) + 1(hh)

*Phạm vi áp dụng: những loại hợp chất hữu cơ có 2 phần cấu tạo X và Y:

Ancol/ ete (R- O- R’) ; Andehit/ xeton (R- CO- R’);

Axit/ Este (R- COO- R’) Amin…

III.1.2 Cách xây dựng:

* Ta xét hợp chất hữu cơ A gồm 2 phần cấu tạo X và Y

Tổng số nguyên tử C trong A (XY) không đổi X1 + Y1 = X2 + Y2 = X + Y Trong đó: x1 là số đồng phân của X1

y1 là số đồng phân của Y1

Số đồng phân của A1 = x1 y1 (đp) { phép nhân}

Khi số nguyên tử C trong X, Y thay đổi lúc này sẽ có x2, y2 đồng phân tương ứng X2, Y2

Số đồng phân lúc này A2 = x2 y2 (đp) { phép nhân}

Khi đó: Số đồng phân cần tìm = A1 + A2 + …… { phép cộng}

* Xuất phát từ CTPT chất A C5H12O

- Tách A thành dạng C5H11-O-H với X1: C5H11 ( 8 đp) Y1: H ( 1 đp)

- Tách A thành dạng CH3OC4H9 với X2: CH3 ( 1 đp) Y2: C4H9 ( 4 đp)

- Tách A thành dạng C2H5OC3H7 với X3: C2H5 ( 1 đp) Y3: C3H7 ( 2 đp)

Từ số đồng phân của các gốc hoá trị I ( Mục III 1.1)

Tổng số đồng phân của A = 8 1 + 1 4 + 1 2 = 14 đồng phân { phép cộng}

* Sự tách số nguyên tử cacbon ở các phần Xi, Yi theo phân tích tổng như sau:

Xi + Yi = 5 = 5 + 0 { Xi: có 5 cacbon; Yi: có 0 cacbon}

= 1 + 4 { Xi: có 1 cacbon; Yi: có 4 cacbon}

= 2 + 3 { Xi: có 2 cacbon; Yi: có 3 cacbon}

III.1 3 Một số công thức kinh nghiệm rút ra từ cách xây dựng:

III.1 3 1 Hợp chất no, đơn chức mạch hở:

tính

Điều kiện

1 Ancol no, đơn chức mạch hở CnH2n+2O 2 n-2 1< n < 6

2 Ete no, đơn chức mạch hở CnH2n+2O (n 1)(n 2)

2

− − 2< n < 5

3 Andehit no, đơn chức mạch hở CnH2nO 2 n – 3 2< n < 7

4 Xeton no, đơn chức mạch hở CnH2nO (n 2)(n 3)

2

− − 3< n < 6

5 Axit no, đơn chức mạch hở CnH2nO2 2 n - 3 2< n < 7

6 Este no, đơn chức mạch hở CnH2nO2 2 n - 2 1< n < 5

7 Amin no, đơn chức mạch hở CnH2n+3N 2 n - 1 1< n < 5

III 1.3 2 Tính số loại trieste:

Số trieste được tạo bởi Glyxerol với (n) Axit béo khác nhau

Công thức 1:

Trieste chứa 1 loại gốc axit giống nhau n

Trieste chứa 2 loại gốc axit khác nhau 2

n

4C Trieste chứa 3 loại gốc axit khác nhau 3

n

3C

n

4C + 3

n

3C (n≥3)

+ Với n= 1 => Số trieste = 1

+ Với n= 2 => Số trieste = 2+ 2

2

4C = 2+ 4 =6 + Với n= 3 => Số trieste = 3+ 2

3

4C + 3

3

3C = 3+ 4 3+ 3 = 18 + Với n= 4 => Số trieste = n + 2

n

4C + 3

n

3C (n≥3)

Công thức 2: Số trieste =n (n 1)2

2

+ (áp dụng cho các loại trieste như trên)

+ với n=3 => Số trieste =3 (3 1)2 18

2 + =

Nhận thấy: Trên đây là 1 số công thức tính nhanh số đồng phân của hợp chất

hữu cơ Để HS nhớ, hiểu và biết cách vận dụng các công thức tính nhanh ở trên tránh nhầm lẫn giữa các loại hợp chất, tôi đưa ra các ví dụ minh hoạ sau Trong các vi dụ này số đồng phân của hợp chất hữu cơ được xác định theo 2 cách

III 2 Các ví dụ minh hoạ

Ví dụ : Số đồng phân của C5H12O là

A 13 B 14 C 15 D 16.

Hướng giải quyết:

Cách 1: =>Ancol/ ete (R- O- R’) có tính đối xứng

Xác định số nguyên tử C trong R, R’ và số đồng phân của R, R’

R + R’ = 5 = 5 + 0 ⇔ 25-2 1 = 8 8 đp ancol

= 4 + 1 ⇔ 24-2 1 = 4

= 3 + 2 ⇔ 23-2 22-2 = 2 6 đp ete

Phép cộng 14 (đp)

Cách 2: Áp dụng công thức kinh nghiệm:

2n-2 + (n 1)(n 2)

2

= 25-2 + (5 1)(5 2)

2

= 8 + 6 = 14 đp Chọn phương án C

Ví dụ 9: Số đồng phân cacbonyl của C5H10O là:

Hướng giải quyết:

Cách 1: Cacbonyl có dạng (R- CO- R’) - R, R’ ≠ 0 ( xeton)

- R hoặc R’ = 0 ( andehit) Xác định số nguyên tử C trong R, R’ và số đồng phân của R, R’

R + R’ = 4 = 4 + 0 ⇔ 24-2 1 = 4 4 đp andehit

= 3 + 1 ⇔ 23-2 1 = 2

= 2 + 2 ⇔ 22-2 22-2 = 1 3 đp andehit

Phép cộng 7 (đp)

Vì R, R’ có tính đối xứng nên: ( 4+0 ≡ 0+4; 3+1 ≡ 1+3 )

Cách 2: Áp dụng công thức kinh nghiệm: