DẠY HÓA BẰNG TIẾNG ANH HÓA HỮU CƠ (p2)

Để mô tả về các phản ứng một cách tổng quát, chúng ta sữ dụng chữ hoa R vớimột liên kết đơn, R-, để biểu thị một nhóm hữu cơ không phản ứng được liên kết vớimột trong các nguyên tử được

CHAPTER 15

ORGANIC COMPOUNDS AND THE ATOMIC

PROPERTIES OF CARBON 15.3 SOME IMPORTANT CLASSES OF ORGANIC REACTIONS

Organic reactions are classified according to the chemical process involved Threeimportant classes are addition, elimination, and substitution reactions

To depict reactions more generally, it’s common practice to use an uppercase Rwith a single bond, R-, to signify a nonreacting organic group attached to one of theatoms shown; you can usually picture R- as an alkyl group, a saturated hydrocarbongroup with one bond available to link to another atom Thus R-CH2-Br has an alkylgroup attached to a CH2 group bonded to a Br atom; R-CH-CH2 is an alkene with analkyl group to one of the carbons in the double bond; and so forth (Often, when morethan one R group is present, we write R, R’, R”, and so forth, to indicate that thesegroups may be different.)

15.3 MỘT VÀI LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC HỮU CƠ QUAN TRỌNG

Cá phản ứng hóa học hữu cơ được phân loại dựa vào quá trình hóa học liên quan Ba

loại phản ứng quan trọng đó là phản ứng cộng, phản ứng tách, và phản ứng thế.

Để mô tả về các phản ứng một cách tổng quát, chúng ta sữ dụng chữ hoa R vớimột liên kết đơn, R-, để biểu thị một nhóm hữu cơ không phản ứng được liên kết vớimột trong các nguyên tử được đưa ra Các bạn có thể hình dung R- như là một nhóm

ankin, một nhóm hydrocarbon bão hòa với một liên kết có sẵn để nối với một nguyên

tử khác Do đó, R-CH2-Br có một nhóm ankin gắn với một nhóm CH2 được liên kếtvới một nguyên tử Br; R-CH=CH2 là một anken với một nhóm ankin gắn liền với mộttrong những cacbon trong liên kết đôi; và vân vân (thường thì khi có hơn một nhóm Rxuất hiện, chúng ta kí hiệu R, R’, R”, và cứ tăng lên như thế, để biểu thị rằng nhữngnhóm này có thể khác nhau.)

The three classes of organic reactions we discuss here can be identified bycomparing the number of bonds to C in reactants and products

1. An addition reaction occurrs when an unsaturated reactant becomes a

saturated product:

X Y

Note the C atoms are bonded to more atoms in the product than in the reactant

The C=C and C≡C bonds and the C=O bond commodity undergo additionreactions In each case, the π bond breaks, leaving the σ bond intact In the product,the two C atoms (or C and O) form two additional σ bonds A good example is theaddition reaction in which H and Cl from HCl add to the double bond in ethylene:

CH2 CH2 + H Cl CH2 CH2

2. An elimination reaction is the opposite of an addition reaction It occurs when

a saturated reactant becomes an unsaturated product:

CH3 CH CH2 + H OH

CH3 CH CH2

OH H

H2SO4

3. A substitution reaction occurs when an atom (or group) from an added

reactant substitutes for one in the organic reactant:

Note that the C atom is bonded to the same number of atoms in the product as in thereactant The C atom may be saturated or unsaturated, and X and Y can be manydifferent atoms, but generally not C The main flavor ingredient in banana oil, forinstance, forms through a substitution reaction; note that the O substitutes for the Cl:

O

Ba loại phản ứng hóa học hữu cơ xảy ra mà chúng ta thảo luận ở đây có thể được xác

định bằng việc so sánh số liên kết với C trong các chất phản ứng và chất sản phẩm.

1 Phản ứng cộng xảy ra khi một chất phản ứng không bão hòa (chất phản ứng

không no) trở thành một chất mới bão hòa (no)

Chú ý rằng các nguyên tử C được liên kết với những nguyên tử thừa trong chất sản

2 Phản ứng tách ngược lại với phản ứng cộng Nó xảy ra khi một chất phản

ứng no trở thành một chất mới không no

Chú ý rằng các nguyên tử C được liên kết với các nguyên tử thiếu trong chất sản phẩm

mạnh hơn chất phản ứng Một cặp các nguyên tử halogen, một nguyên tử H và mộtnguyên tử halogen, hoặc một nguyên tử và một nhóm –OH thường được tách ra,nhưng đối vơi nguyên tử C thì không:

3 Phản ứng thế xảy ra khi một nguyên tử (hoặc nhóm) từ một phản ứng cộng

thay thế cho một nguyên tử (hoặc nhóm) trong chất phản ứng hữu cơ:

Chú ý rằng nguyên tử C được liên kết với cùng số lượng nguyên tử trong chất

mới như ở chất phản ứng Nguyên tử C có thể no hặc không no, còn X và Y có thể là

nhiều nguyên tử khác nhau, nhưng thông thường thì đó không thể là C Ví dụ, thành

phần hương vị chính trong dầu chuối, các hình thành thông qua một phản ứng thế; lưu

ý rằng O thay thế cho Cl:

Sample Problem 15.3 Recognizing the Type of Organic Reaction

Problem State whether each reaction is an addition, elimination, or substitution:

(c) CH3 C

O

Br + CH3CH2OH CH3 C

OOCH2CH3 + HBr

CH3 CH2 CH2 Br CH3 CH CH2 +

HBr

• More atoms bonded to C indicates an addition.

• Fewer atoms bonded to C indicates an elimination.

• Same number of atoms bonded to C indicates a substitution.

Solution (a) Elimination: two bonds in the reactant, C—H and C—Br, are absent in

the product, so fewer atoms are bonded to C

(b) Addition: two more C—H bonds have formed in the product, so more

atoms are bonded to C

(c) Substitution: the reactant C—Br bond becomes a C—O bond in the product,

so the same number of atoms are bonded to C

FOLLOW –UP PROBLEM Write a balanced equation for each of the following:

(a) An addition reaction between 2-butene and Cl2

(b) A substitution reaction between CH3—CH2—CH2—Br and OH

-(c) The elimination of H2O from (CH3)3C—OH

Bài tập mẫu 15.3 Xác định dạng phản ứng hóa học hữu cơ

Vấn đề Xác định xem phản ứng nào là phản ứng thế, phản ứng cộng, hay là phản ứng

tách: (a), (b), (c)

Cách làm Chúng ta xác định loại phản ứng bằng cách tìm bất kì sự thay đổi số lượng

các nguyên tử được liên kết với C:

• Các nguyên tử thừa liên kết với C suy ra đó là một phản ứng cộng.

• Các nguyên tử thiếu liên kết với C suy ra đó là một phản ứng tách.

• Các nguyên tử có cùng số lượng liên kết với C suy ra đó là một phản ứng thế.

Giải (a) Phản ứng tách: Hai liên kết trong chất phản ứng là C-H và C-Br bị thiếu trong

chất phản ứng, vậy nên các nguyên tử thiếu liên kết với C

(b) Phản ứng cộng: Hơn hai liên kết C-H hình thành trong chất mới, vì vậy các nguyên

tử dư được liên kết với C

(c) Phản ứng thế: Liên kết chất phản ứng C-Br trở thành một liên kết C-O trong chấtmới, thế nên nguyên tử có cùng số lượng được liên kết với C

BÀI TẬP TƯƠNG TỰ 15.3 Viết phương trình cân bằng cho mỗi câu bên dưới:

(a) Phản ứng cộng giữa 2-buten và Cl2

15.4 PROPERIES AND REACTIVITIES OF COMMON FUNCTIONAL

GROUPS.

The central organizing principle of organic chemistry is the functional group The distribution of electron density in a functional group is the key to the reactivity of the compound The electron density can be high, as in the C=C and C≡C bonds, or it can

be low at one end of a bond and high at the other, as in the C-Cl and C-O bonds Such electron-rich or polar bonds enhance the oppositely charged pole in the other reactant

As a result, the reactants attract each other and begin a sequence of bond-forming and bond-breaking steps that lead to a product Thus, the intermolecular forces that affect physical properties and solubility also affect reactivity Table 15.5 lists some of the important functional groups in organic compounds

When we classify functional groups by bond order, they follow certain patterns of reactivity

• Functional groups with only single bonds undergo elimination or substitution

• Functional groups with double or triple bonds undergo addition

• Functional groups with both single and double bonds undergo substitution

15.4 HOẠT TÍNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA CÁC NHÓM CHỨC THƯỜNG GẶP

Yếu tố cấu tạo cơ bản cốt yếu của hóa học hữu cơ là nhóm chức Sự phân bố mật độ electron trong một nhóm chức là mấu chốt cho phản ứng của các hợp chất Mật độ

electron có thể cao, như trong liên kết C=C và C≡C, hoặc nó có thể thấp ở một đầunày của liên kết và cao ở đầu kia, như trong liên kết C-Cl và C-O Giống như giàuelectron và liên kết phẳng tăng cường cực tích điện trái dấu trong các chất phản ứngkhác Kết quả là, các chất phản ứng tấn công nhau và bắt đầu một chuỗi các bước hình

thành liên kết và phá vỡ liên kết tạo ra sản phẩm Do đó, lực giữa các phân tử có ảnh hưởng đến tính chất vật lý còn độ tan thì ảnh hưởng đến vệc phản ứng Bảng 15.5 liệt

kê một số các nhóm chức quan trọng trong các hợp chất hữu cơ

Khi phân loại các nhóm chức bằng thứ tự liên kết, việc phân loại chúng đềudựa trên các dạng nhất định của phản ứng:

• Các nhóm chức có liên kết đơn duy nhất thì có phản ứng tách hoặc phản ứngthế

• Các nhóm chức có liên kết đôi hoặc liên kết ba thì có phản ứng cộng

• Các nhóm chức có chứa cả liên kết đơn và liên kết đôi thì có phản ứng thế

Functional Groups with Only Single Bonds.

The most common functional groups with only single bonds are alcohols, haloalkanes,and amines

Table 15.5 Important Functional Groups in Organic Compounds

Các nhóm chức có chứa liên kết đơn duy nhất

Các nhóm chức chỉ chứa liên kết đơn thường gặp nhất đó là alcohol, haloankan, và amin

Alcohols The alcohol functional group consist of an carbon bonded to an –OH group,

-C-O-H, and the general formula of an alcohol is R-OH Alcohols are named by

dropping the final –e from the parent hydrocarbon name and adding the suffix –ol.

Thus, the two-carbon is ethanol (ethan- + -ol) The common name is the hydrocarbonroot- + -yl, followed by “alcohol”; thus, the common name of ethanol is ethyl alcohol.(This substance, obtained from fermented grain, has been consumed by people as anintoxicant in beverages since ancient times; today, it is recognized as the most abuseddrug in the world.) Alcohols are common organic reactants, and the functional groupoccurs in many biomolecules, including carbohydrates, sterols, and some amino acids.Figure 15.10 shows the names, structures, and uses of some important compounds thatcontain the alcohol group

The physical properties of the smaller alcohols are similar to those of water.They have high melting and boiling points as a result of hydrogen bonding, and theydissolve polar molecules and some salts Alcohols undergo elimination andsubstitution reactions

Alcohols Nhóm chức ancol bao gồm một cacbon liên kết với một nhóm -OH, ,

công thức tổng quát của một alcohol là R-OH Alcohol được gọi tên bằng cách bỏ

đuôi -e từ tên của hydrocacbon gốc và thêm các hậu tố -ol Như vậy, alcohol

hai-cacbon là etanol (etan- + -ol) Tên gọi thường là tên mạch chính hydrocarbon + -yl,gọi theo "alcohol"; do đó, tên gọi thường của etanol là alcohol ethyl (Chất này thuđược từ ngũ cốc lên men, đã từng được tiêu thụ bởi con người như là một loại đồ uốnglàm say vào thời cổ đại Ngày nay, Nó được công nhận là chất bị lạm dụng nhiều nhấttrên thế giới) Alcohol là chất phản ứng hữu cơ phổ biến, và là nhóm chức xuất hiệnnhiều trong các phân tử sinh học, bao gồm cacbohydrat, sterol và một số axit amin.Hình 15.10 trình bày các danh pháp, cấu tạo và ứng dụng của một số hợp chất quantrọng có chứa nhóm alcohol

Tính chất vật lý của các nhóm alcohol nhỏ hơn tương tự với tính chất vật lí củanước Chúng có nhiệt độ nóng chảy cao và và nhiệt độ sôi giống như kết quả liên kếtcủa hydrogen, và chúng không thể hòa tan các phân tử phân cực và một số loại muối.Alcohol có phản ứng tách và phản ứng thế

• Elimination of H and OH, called dehydration, requires acid and forms analkene:

Alcohols with an OH group at the end of the chain (R-CH2-OH) can be oxidizedfurther to acids (This is not an elimination reaction.) Wine turns sour, for example,when the ethanol in contact with air is oxidized to acetic acid (vinegar):

• Substitution yields products with other single-bonded functional groups Reactions ofhydrohalic acids with many alcohols give haloalkanes:

R2CH-OH + Br → R2CH=Br + HOH

As you’ll see shortly, the C atom undergoing the change in a substitution is bonded to

a more electronegative element, which makes it partially positive and, thus, a targetfor a negatively charged or electron-rich group of an incoming reactant

• Các chất sản phẩm tạo ra từ phản ứng thế phản ứng với các nhóm chức liên kết đơnkhác Các phản ứng của axit halôgen với nhiều alcohol cho ra haloankan:

Như các bạn nhận thấy, các nguyên tử C trải qua sự thay đổi trong một phản

ứng thế được liên kết với một phân tử có độ âm điện lớn hơn, khiến cho nó dương

không hoàn toàn, và do đó nó trở thành mục tiêu đối với một phân tử mang điện tích

âm hoặc một nhóm giàu-electron của chất phản ứng mới

Haloalkanes A halogen atom (X) bonded to a carbon gives the haloalkane functional

group C-X, and compounds with the general formula R-X Haloalkanes (commonname, alkyl halides) are named by identifying the halogen with a prefix on thehydrocarbon name and numbering the C atom to which the halogen is attached, as inbromomethane, 2-chloropropane, or 1,3-diiodohexane

Like alcohols, haloalkanes undergo substitution and elimination reactions

• Just as many alcohols undergo substitution to form alkyl halides when treated withhalide icons in acid, many halides undergo substitution to form alcohols in base Forexample, OH- attacks the positive C end of the C-X bond and displaces X-:

Haloankan Một nguyên tử halogen (X) được liên kết với một cacbon cho ra nhóm

chức haloankan, , và các hợp chất có công thức tổng quát R-X Haloankan (tên gọi chung là halogenua alkyl) được đặt tên bằng cách xác định các halogen có một tiền tố

nằm trong tên hydrocarbon và đánh số thứ tự nguyên tử C mà halogen được đính kết,như trong metyl bromide, 2-chloropropan, hoặc 1,3-diiodohexan

Giống với alcohol, haloankan có các phản ứng cộng, phản ứng tách và phảnứng thế.

• Cũng giống như nhiều alcohol phải trải qua phản ứng thế để tạo thành halogenuaankin khi xử lý bằng các ion halogenua trong axit, nhiều halogenua trải qua phản ứngthế để tạo ra alcohol trong môi trường bazơ Ví dụ nhóm OH- tấn công đầu C dươngcủa liên kết C-X và thay thế X-:

Phản ứng thế bởi các nhóm như là –CN, -SH, -OR và –NH2 tạo điều kiện đểcho các nhà khoa học chuyển đổi halogenua ankin thành một phân tử gốc của những

Amines The amine functional group is –C-N- Chemist classify amines as derivatives

of ammonia, with R groups in place of one or more of the H atoms in NH3 Primary(10) amines are RNH2, secondary (20) amines are R2NH, and tertiary (30) amines areR3N Like ammonia, amines have trigonal pyramidal shapes, and the lone pair of

electrons results in a partially negative N atom (Figure 15.11)

Figure 15.11 General structures of amines.

Systematic names drop the final –e of the alkane and add the suffix –amine, as

in ethanamine However, there is still wide usage of common names, in which thesuffix –amine follows the name of the alkyl group; thus, methylamine has one methylgroup attached to N, diethylamine has two ethyl groups attached, and so forth Figure15.12 shows that the amine functional group occurs in many biomolecules

Figure 15.12 Some biomolecules with the amine functional group

Amines undergo substitution reactions in which the lone pair of N attacks thepartially positive C in an alkyl halide to displace X- and form a larger amine:

Amin Nhóm chức amin có công thức tổng quát Các nhà hóa học phân loại amin

như dẫn xuất của amoniac, với các nhóm R trong không gian của một hay nhiềunguyên tử H trong NH3 Amin bậc 1 (primary amine) RNH2, amin bậc 2 (secondary amine) R2NH và amin bậc 3 (tertiary amine) R3N Giống như amoniac, amin có hìnhdạng chóp tam giác, và cặp các electron đơn lẻ tạo thành một nguyên tử N mang điệntích âm không hoàn toàn (Hình 15.11)

Tên hệ thống chúng ta bỏ đuôi -e của ankan và thêm hậu tố -amin, như là etan amin Tuy nhiên, nhiều tên gọi thông thường vẫn còn được sử dụng rộng rãi, hậu tố -amin có

kèm theo tên của nhóm ankin; do đó metylamin có một nhóm metyl liên kết với N,dietylamin có hai nhóm etyl liên kết Hình 15.12 cho thấy rằng nhóm chức aminthường xuất hiện trong nhiều phân tử sinh học

Các amin trải qua phản ứng thế, một cặp đơn lẻ N tấn công C mang điện tíchdương không hoàn toàn trong một alkyl halogenua để thay thế X- và hình thành mộtamin lớn hơn:

(Hai phân tử amin cần thiết: một phân tử tấn công etyl clorua , còn phân tử kia liên kếtvới H được giải phóng để ngăn cho nó khỏi bị các phản ứng còn lại trong sản phẩmdietylamin tấn công.)