Hóa học hữu cơ 1 (tóm tắt trích đoạn)

BÀI 1 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ VÀ HÌNH DẠNG PHÂN TỬ 1.1 Công thức Lewis 1.1.1 Sự hình thành liên kết hóa học Theo Lewis, nguyên tử tham gia tạo liên kết hóa học cần đạt được cấu hình ele

Trang 1

Phụ lục 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH

KHOA HÓA HỌC ỨNG DỤNG

TÀI LIỆU GIẢNG DẠY

MÔN HÓA HỌC HỮU CƠ 1

GV biên soạn: Mai Thị Thùy Lam

Trà Vinh, 10/2016 Lưu hành nội bộ

Trang 2

MỤC LỤC

BÀI 1 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ VÀ HÌNH DẠNG PHÂN TỬ 3

1.1 Công thức Lewis 3

1.2 Nhóm chức 5

1.3 Góc liên kết và hình dạng phân tử 6

1.4 Hiệu ứng điện tử trong hóa học hữu cơ 8

 Câu hỏi (bài tập) củng cố 11

BÀI 2 ALKANE VÀ CYCLOALKANE 14

2.1 Cấu tạo của alkane 14

2.2 Đồng phân cấu tạo (Constitutional isomerism) của alkane 15

2.3 Danh pháp của alkane 15

2.4 Cycloalkane 18

2.5 Cấu dạng (Conformation) của alkane và cycloalkane 19

2.6 Đồng phân cis, trans trong cycloalkane 23

2.7 Tính chất vật lý 25

2.8 Phản ứng của alkane 25

2.9 Ứng dụng 26

2.10 Giới thiệu riêng về methane 27

BÀI 3 ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 31

3.1 Tính quang hoạt 31

3.2 Chiral (tính chất không trùng vật - ảnh) 33

3.3 Cấu hình tương đối và cấu hình tuyệt đối 36

3.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của hóa học lập thể 39

3.4.1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của hóa học lập thể trong hóa dược 39

3.4.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của hóa học lập thể trong hóa sinh 41

3.4.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của hóa học lập thể trong nông nghiệp 41

3.4.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của hóa học lập thể trong vật liệu 42

Cách biểu diễn một phân tử chiral trên mặt phẳng giấy 43

BÀI 4 ACID - BASE 46

4.1 Acid và base Arrhenius 46

4.2 Acid và base Bronsted – Lowry 46

4.3 Hằng số phân ly acid, pK a 48

4.4 Cân bằng trong phản ứng acid base 49

4.5 Cấu tạo phân tử và tính acid 50

4.6 Acid và base Lewis 52

BÀI 5 ALKENE 55

5.1 Cấu tạo của alkene 55

5.2 Danh pháp 56

5.4 Tính chất hóa học 57

5.5 Ứng dụng 65

BÀI 6 ALKYNE 68

Trang 3

6.1 Cấu tạo của alkyne 68

6.3 Phân loại 69

6.5 Tính acid của 1 – Alkyne 69

6.6 Điều chế alkyne 70

6.7 Phản ứng cộng electrophile của alkyne 71

6.8 Phản ứng hydrate hóa alkyne tạo aldehyde và ketone 73

6.9 Phản ứng khử của alkyne 74

6.10 Ứng dụng 75

BÀI 7 HALOALKANE VÀ PHẢN ỨNG HALOGEN HÓA VÀ PHẢN ỨNG GỐC TỰ DO 78

7.1 Cấu tạo của haloalkane 78

7.3 Tính chất vật lý của haloalkane 78

7.4 Điều chế haloalkane bằng phản ứng halogen hóa alkane 81

7.5 Phản ứng halogen hóa tại carbon allyl 83

7.6 Phản ứng cộng HBr vào alkene theo cơ chế gốc tự do 84

7.7 Vài nét về ứng dụng thực tiễn và tác hại của một số nhóm alkyl halide đối với môi trường 85

BÀI 8 PHẢN ỨNG THẾ VÀ PHẢN ỨNG KHỬ 88

8.1 Một số khái niệm 88

8.2 Phản ứng thế thân hạch (Nucleophilic Substitution) 91

8.3 Phản ứng tách (Elimination reaction) 100

8.4 Sự cạnh tranh giữa phản ứng S N 1, S N 2, E1, E2 105

BÀI 9 ALCOHOL 111

9.1 Cấu tạo và danh pháp 111

9.3 Tính acid và tính base của alcohol 112

9.4 Phản ứng của alcohol với kim loại hoạt động 113

9.5 Sự chuyển đổi alcohol thành haloalkane và sulfonate 114

9.7 Phản ứng oxi hóa alcohol 120

9.8 Rượu và sức khỏe con người 122

BÀI 10 ETHER, SULFIDE VÀ EPOXIDE 126

10.1 Ether 126

10.2 Epoxide 130

10.3 Sulfide 132

BÀI 11 HỢP CHẤT CƠ KIM 136

11.1 Hợp chất cơ magnesium và hợp chất cơ lithium 136

11.2 Tác chất lithium dialkylcuprate (Tác chất Gilman) 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 141

Trang 4

BÀI 1 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ VÀ HÌNH DẠNG PHÂN TỬ

1.1 Công thức Lewis

1.1.1 Sự hình thành liên kết hóa học

Theo Lewis, nguyên tử tham gia tạo liên kết hóa học cần đạt được cấu hình electron bão hòa của lớp ngoài cùng, giống như của nguyên tử khí hiếm Nguyên tử đạt được lớp hóa trị bão hòa theo hai cách

(1) Nguyên tử cho hoặc nhận electron để đạt được lớp hóa trị bão hòa Nguyên tử nhận electron trở thành anion (mang điện tích âm), nguyên tử cho electron trở thành cation (mang điện tích dương) Ion mang điện tích âm và ion mang điện tích dương tương tác với nhau hình thành tinh thể ion như sodium chloride (NaCl), trong đó mỗi ion mang điện tích dương sẽ được bao quanh bởi các ion mang điện tích âm và ngược lại Ta gọi tương tác này là tương tác ion

(2) Nguyên tử có thể dùng chung electron với một hoặc nhiều nguyên tử khác để đạt được lớp hóa trị bão hòa Liên kết hóa học được tạo thành do sự dùng chung electron gọi là liên kết cộng hóa trị

Liên kết có một phần liên kết ion và một phần liên kết cộng hóa trị gọi là liên kết cộng hóa trị phân cực

1.1.2 Độ âm điện và liên kết hóa học

Bảng 1.1 Giá trị độ âm điện cho các nguyên tử

 Mục tiêu học tập: Sau khi học xong bài này, người học có thể:

- Trình bày sự hình thành liên kết hóa học

- Vẽ công thức cấu tạo theo Lewis

- Phân loại các nhóm chức trong hóa học hữu cơ

- Trình bày hiệu ứng trong hóa học hữu cơ

- Sử dụng đúng mũi tên cong để chỉ sự di chuyển của electron

- Phân biệt các loại liên kết, Dự đoán góc liên kết và hình dạng phân tử

Trang 5

Phân loại liên kết hóa học dựa vào sự chênh lệch độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết với nhau được thể hiện ở bảng 1.2 phân loại liên kết hóa học

Bảng 1.2 Phân loại liên kết hóa học

(Nonpolar covalent)

(Polar covalent)

Trong liên kết cộng hóa trị phân cực, nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ hút cặp electron liên kết về phía nó, nên nó có điện tích âm riêng phần, ký hiệu là  , nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn sẽ có điện tích dương riêng phần, ký hiệu là   Ta dùng mũi tên để biểu diễn cho liên kết cộng hóa trị phân cực với đầu mũi tên hướng về nguyên tử có độ âm điện lớn



  

H Cl H Cl

Độ phân cực của liên kết cộng hóa trị được đo lường bằng vectơ gọi là moment lưỡng cực

liên kết (bond dipole moment), ký hiệu là µ

1.1.3 Công thức Lewis cho phân tử và ion đa nguyên tử

Lưu ý khi vẽ công thức Lewis:

(1) Xác định số electron hóa trị trong phân tử hoặc ion

(2) Xác định sự sắp xếp giữa các nguyên tử trong phân tử

(3) Nối các nguyên tử với nhau bằng liên kết đơn Sắp xếp các electron còn lại cho các nguyên tử sau cho tất cả các nguyên tử đều đạt quy tắc bát tử (8 electron ở lớp ngoài cùng cho các nguyên tử ngoại trừ hydrogen là 2 electron ở lớp ngoài cùng)

(4) Cặp electron liên kết giữa hai nguyên tử được biểu diễn bằng đường gạch đơn, còn cặp electron không liên kết được biểu diễn bằng hai chấm

(5) Hai nguyên tử có thể liên kết với nhau bằng liên kết đơn, liên kết đôi, hoặc liên kết ba (6) Đa số trong các phân tử thì: xung quanh nguyên tử carbon có 4 cặp electron liên kết, xung quanh nguyên tử nitrogen có 3 cặp electron liên kết và 1 cặp electron không liên kết, xung quanh nguyên tử oxygen có 2 cặp electron liên kết và 2 cặp electron không liên kết, xung quanh nguyên tử halogen có 1 cặp electron liên kết và 3 cặp electron không liên kết

Trang 6

Bảng 1.3 Công thức Lewis cho một vài hợp chất

H

H C H

H H

H Cl

H2O

Nước

NH3 Ammonia

CH4 Methane

HCl Hydrogen chloride

C C

H

C O H

H

O C

H

O H O

C2H4

Ethylene

C2H2 Acetylene

CH2O Formaldehyde

H2CO3 Acid carbonic

1.2 Nhóm chức

1.2.1 Alcohol

Alcohol là hợp chất hữu cơ có chứa nhóm – OH (hydroxyl) liên kết với carbon tứ diện (carbon liên kết với bốn nguyên tử) Ví dụ như ethanol

C O H H C

H

H C H

H

O H

Ethanol Alcohol

Chúng ta cũng có thể biểu diễn alcohol bằng công thức cấu tạo rút gọn Ví dụ ethanol là

CH3CH2OH hay CH3 – CH2 – OH

Alcohol được phân loại thành alcohol bậc 1 (1o – primary), alcohol bậc 2 (2o – secondary)

và alcohol bậc 3 (3o – tertiary) phụ thuộc vào số nguyên tử carbon liên kết với carbon mang nhóm – OH

H 3 C C

H

OH H 3 C C

H

CH 3

OH H 3 C C

CH 3

CH 3 OH

Alcohol 1 o Alcohol 2 o Alcohol 3 o

1.2.2 Amine

Amine là hợp chất hữu cơ có chứa nhóm amino, trong đó nguyên tử nitrogen liên kết với một, hai hoặc ba nguyên tử carbon bằng liên kết đơn Amine được phân loại amine bậc 1 – nguyên tử nitrogen liên kết với một nguyên tử carbon, amine bậc 2 – nguyên tử nitrogen liên kết với hai nguyên tử carbon và amine bậc 3 – nguyên tử nitrogen liên kết với ba nguyên tử carbon

Trang 7

H N

H

H H 3 C N

H

H H 3 C N

CH 3

H H 3 C N

CH 3

Ammonia Methylamine

(amine 1 o )

Dimethylamine (amine 2 o )

Trimethylamine (amine 3 o )

1.2.3 Aldehyde và ketone

là aldehyde đơn giản nhất, carbon carbonyl liên kết với hai nguyên tử hydrogen Trong phân

tử các aldehyde khác, carbon carbonyl liên kết với một nguyên tử hydrogen và một nguyên tử carbon Nhóm chức aldehyde được viết gọn là – CH=O hay – CHO Trong phân tử ketone, carbon carbonyl liên kết với hai nguyên tử hydrogen

C C H

O

H 3 C C H

O

C C

O

C H 3 C C

O

CH 3

Acetaldehyde (Aldehyde)

Acetone (Ketone)

1.2.4 Acid carboxylic

Nhóm chức acid carboxylic là nhóm – COOH (carboxyl: carbonyl + hydroxyl)

C

O

O H H 3 C C

O

O H

Acid acetic

1.2.5 Ester carboxylic

Ester carboxylic thường được gọi là ester, là dẫn xuất của acid carboxylic, thay thế nguyên tử hydrogen của acid carboxylic bằng nhóm alkyl, – COOR

C

O

O C H 3 C C

O

O CH 3

Methyl acetate

1.3 Góc liên kết và hình dạng phân tử

Để dự đoán góc liên kết trong phân tử hoặc ion, ta lưu ý đến thuyết đẩy các cặp electron ở lớp hóa trị (valence-shell electron pair repulsion – VSEPR)

Sau đây ta dùng thuyết VSEPR để dự đoán góc liên kết trong phân tử methane, CH4 Công thức Lewis của CH4 cho thấy xung quanh nguyên tử carbon có bốn vùng electron Mỗi vùng chứa một cặp electron liên kết với một nguyên tử hydrogen Theo VSEPR, bốn vùng electron này nằm ở những vị trí sao cho khoảng cách giữa chúng là xa nhất, và vị trí phù hợp

là khi góc giữa hai cặp electron là 109,5o, và hình dạng phân tử là dạng tứ diện Góc liên kết

H – C – H trong methane thực nghiệm đo được là 109,5o

Trang 8

của NH3 cho thấy xung quanh nguyên tử nitrogen có bốn vùng electron Trong đó, ba vùng chứa cặp electron liên kết với nguyên tử hydrogen và một vùng chứa cặp electron không liên kết Theo VSEPR, ta dự đoán rằng bốn vùng electron này sắp xếp theo dạng tứ diện, góc liên kết H – N – H là 109,5o và hình dạng phân tử là hình tháp đáy tam giác Góc thực nghiệm quan sát được là 107,3o Có sự khác biệt nhỏ giữa độ lớn góc liên kết dự đoán và thực nghiệm được giải thích là do cặp electron không liên kết đẩy cặp electron kế bên mạnh hơn so với cặp electron liên kết

Hình 1 1 Công thức Lewis và hình dạng phân tử của methane

(a) Công thức Lewis (b) Hình dạng phân tử

Ta xét tiếp một số phân tử có nguyên tử được bao xung quanh bởi ba vùng electron như trong phân tử formaldehyde và ethylene

Theo VSEPR, liên kết đôi được xem như một vùng electron Trong formaldehyde, xung quanh nguyên tử carbon có ba vùng electron, hai vùng chứa liên kết đơn C – H và một vùng chứa liên kết đôi C = O Trong ethylene, mỗi nguyên tử carbon cũng được bao quanh bởi ba vùng electron

Ba vùng electron ở xa nhau nhất khi chúng đồng phẳng và tạo thành một góc 120o, dạng tam giác phẳng Vì vậy, dự đoán góc H – C – H và H – C – O trong formaldehyde và góc

H – C – H và H – C – C trong ethylene là 120o, và tất cả các nguyên tử đều đồng phẳng Góc liên kết thực nghiệm có giá trị khá gần với góc dự đoán

Những dạng khác của phân tử, nguyên tử trung tâm được bao xung quanh bởi hai vùng

Trang 9

electron như carbon dioxide (CO2) và acetylene (C2H2)

Trong carbon dioxide, carbon được bao xung quanh bởi hai vùng electron Mỗi vùng chứa hai cặp electron Trong acetylene, mỗi carbon được bao xung quanh bởi hai vùng electron Một vùng chứa cặp electron tạo liên kết đơn, và một vùng chứa ba cặp electron tạo liên kết ba Trong mỗi trường hợp, hai vùng electron này ở xa nhất khi chúng nằm thẳng hàng với nhau qua nguyên tử trung tâm tạo nên một góc 180o Cả carbon dioxide và acetylene đều

ở dạng đường thẳng

Bảng 1.4 Dự đoán hình dạng phân tử (VSEPR)

Vùng electron xung quanh

nguyên tử trung tâm

Hình dạng phân

tử dự đoán

Góc liên kết dự đoán

Dạng lai hóa

Ví dụ

H C H H H

H

H H H

1.4 Hiệu ứng điện tử trong hóa học hữu cơ

1.4.1 Hiệu ứng cảm (Inductive effect)

Sự bất đối xứng về phương diện điện tích trên nối đơn giữa 2 nguyên tử còn ảnh hưởng đến các nối đơn kế cận trong phân tử Nói cách khác, nguyên tử có độ âm điện lớn không những chỉ có ảnh hưởng đến các nguyên tử nối trực tiếp với nó mà còn ảnh hưởng đến các nguyên tử xa hơn

Hiệu ứng cảm là hiệu ứng đặc biệt của nối đơn gây ra do sự khác biệt về độ âm điện của hai nguyên tử hay hai nhóm nguyên tử nối với nhau

Hiệu ứng cảm ký hiệu là I và được biểu diễn bằng mũi tên đặt giữa nối đơn Chiều mũi tên chỉ chiều di chuyển của điện tử X > Y

Để có thể phân loại hiệu ứng cảm, người ta qui ước chọn nguyên tử hydrogen để so sánh (nối C – H được xem như không phân cực I = 0) Hiệu ứng cảm chia ra hai loại: (1) nguyên

tử hay nhóm nguyên tử có khuynh hướng đẩy điện tử (hút điện tử yếu hơn hydrogen) gây hiệu ứng cảm dương I+ (2) nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khuynh hướng hút điện tử (hút điện tử mạnh hơn hydrogen) gây hiệu ứng cảm âm I –

Hiệu ứng cảm có tính chất sau: chỉ liên quan đến điện tử của nối đơn  , truyền dọc theo mạch, giảm dần ảnh hưởng khi càng xa tâm gây ra hiệu ứng

Trang 10

Các nhóm gây hiệu ứng cảm âm I – :

+ Các halogen khi độ âm điện càng lớn thì hiệu ứng càng mạnh (– F > – Cl > – Br >– I) + Các nhóm mang điện tích dương: – NR3+, – PR3+, – OR2+, – SR2+

+ Các nhóm trung hòa có nguyên tử có độ âm điện lớn: – NH2, – OH, – SH, – NR2, – PR2 + Các nhóm trung hòa có nối lưỡng cực: – NO2, – SO3H, – C=O

Các nhóm gây hiệu ứng cảm dương I + :

+ Các nhóm alkyl có hiệu ứng cảm I + yếu: gia tăng theo thứ tự sau đây:

CH 3 CH 2 CH 3 CH CH 3

CH 3

C

CH 3

+ Các nhóm có nguyên tử mang điện tích âm: như oxide, sulfur,… cho điện tử tương đối

dễ dàng Như vậy, gây hiệu ứng I+ mạnh:

<

O: S:

1.4.2 Hiệu ứng cộng hưởng (Resonance effect)

Trong một liên kết đôi cô lập, sự khác biệt giữa hai nguyên tử nối hoặc giữa các nhóm thế gắn trên 2 nguyên tử nối đưa đến một sự bất đối xứng tương tự như hiệu ứng cảm trong nối

 Nhưng một hiện tượng mới xuất hiện trong các phân tử có liên kết đôi tiếp cách (conjugate) Trong trường hợp này, sự phân phối điện tử khác hẳn sự phân phối trong các cơ cấu có nối hóa trị thông thường, và không một cơ cấu nối cộng hóa trị riêng biệt nào thích hợp với tất cả tính chất của phân tử Một số lý tính và hóa tính của các chất này được giải thích thỏa đáng bởi sự lai hóa của nhiều cấu tạo Lewis, gọi là công thức cộng hưởng, chúng khác nhau ở vị trí các điện tử

a) Sự phân cực của nối đôi cộng hóa trị

Xét nối cộng hóa trị đôi C=O trong phân tử formaldehyde Nguyên tử oxygen có độ âm điện lớn hơn nguyên tử carbon nên hút 2 điện tử của liên kết  về phía nó Ta nói liên kết đôi

bị phân cực

Ta đã biết một nối cộng hóa trị đôi gồm: một nối  bền và một nối  kém bền Các điện

tử của nối  linh động hơn Do đó, sự phân cực của liên kết đôi dễ thực hiện hơn sự phân cực của nối đơn

b) Sự phân cực của nối ba cộng hóa trị

Hiện tượng phân cực nói trên cũng xảy ra dễ dàng với nối ba vì trong nối này ta có: một nối  và 2 nối 

Một cách tổng quát, khi có một nối đa giữa 2 nguyên tử có độ âm điện khác nhau, các

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,29 MB