Các khái niệm cơ bản trong Hóa hữu cơ

Phương pháp mô tả hợp chất hưũ cơ Công thức đơn giản Công thức phân tử Công thức cấu tạo phẳng Công thức Lewis Công thức Kekule Công thức cộng hưởng -Biểu diễn các liên kết giữa các phâ

Bài 1: Các khái niệm cơ bản

trong Hóa hữu cơ

Phân loại theo mạch carbon Phân loại theo nhóm chức

Thơm Không thơm Thơm Không thơmPhần I Phân loại hợp chất hữu cơ

Phân loại theo mạch carbon Phân loại theo nhóm chức

- Anken, xycloanken, polien

- Ankin, xycloankin, polin

- HCHC đồng vòng trong mạch vòng chỉ chứa nguyên tử carbon

- HCHC dị vòng trong mạch vòng ngoài nguyên tử

carbon còn chứa các dị nguyên tố khác như kim loại, S,

O, N…

Hợp chất cơ kim Hợp chất cơ phi kim

Phần II Phương pháp mô tả hợp chất

hưũ cơ

Công thức đơn giản Công thức phân tử

Công thức cấu tạo phẳng

Công thức Lewis Công thức Kekule Công thức cộng hưởng

-Biểu diễn các liên kết giữa các phân tử hay số electron hóa trị của mỗi nguyên tử

-Số electron lầ tổng electron của các nguyên tử đóng góp vào

và các nguyên tử có xu hướng tạo trạng thái electron lớn nhất

có thể để có electron bền vững của khí trơ

Quy tắc bát tử

Lưu ý:

- Chỉ biểu diễn các electron hóa trị

- Các nguyên tố đạt cấu hình của khí hiếm: H = 2e, C, N, O…= 8e Quy tắc bát tử

Ví dụ: viết công thức Liuyt cho C3H6, CH3CN, CH3COOH, CHNO

Ngoại lệ: B(OCH3)3 = 6e

Công thức Kekule

-Để đơn giản trong cách biểu diễn của Lewis, người ta biểu diễn các liên kết trong phân tử bằng các vạch ngang thay cho cặp electron liên kết

Công thức cộng hưởng

- Không phải khi nào cũng biểu diễn được cấu trúc phân tử bằng cấu trúc Lewis hay Kekule, ví dụ hợp chất Cl-NO2, HCO2-

Trong công thức của Liuyt, các electron được xem như ở vị trí

nhất định Tuy nhiên trong thực tế không phải như vậy

Ví dụ: R(NO2)-: độ dài liên kết N-O là như nhau giữa hai nguyên tử oxy

Phần III Cấu tạo phân tử HCHC

1 Thuyết cấu tạo hóa học

1) Trong phân tử các nguyên tử kết hợp với nhau theo một trật tự xác định Sự biến đổi trật tự này dẫn đến sự tạo thành chất mới

có những tính chất mới

2) C luôn có hóa trị 4 Chúng không chỉ liên kết với nhau tạo ra các mạch cacbon đa dạng mà còn liên kết với các nguyên tử khác 3) Tính chất của các chất không chỉ phụ thuộc vào thành phần mà còn vào cấu tạo hoá học, nghĩa là vào cách sắp xếp các nguyên

tử trong phân tử và ảnh hưởng tương hỗ của chúng

Hiện tượng đồng đẳng, đồng phân

Đồng đẳng? Đồng phân?

Dãy đồng đẳng là một dãy các hợp chất hữu cơ với cùng một công

thức tổng quát, với các tính chất hóa học tương tự do sự hiện diện của cùng một nhóm chức, và thể hiện các tính chất vật lý biến đổi dần dần

do kết quả của việc tăng kích thước và khối lượng phân tử

Các đồng phân là các phân tử với cùng công thức hóa học tổng quát

và thông thường với cùng loại liên kết hóa học giữa các nguyên tử,

nhưng trong đó các nguyên tử được sắp xếp khác nhau hay có công thức cấu trúc khác nhau Các chất đồng phân không nhất thiết có cùng tính chất hóa học trừ khi chúng có cùng nhóm chức

Đồng phân cấu tạo/cấu trúc Đồng phân lập thể

Ví dụ: Đồng phân cấu tạo/mặt phẳng

1 Đồng phân mạch cacbon: C5H12, C6H12

2 Đồng phân nhóm chức: C6H12, C4H6, C2H6O, C3H6O2

3 Đồng phân vị trí nhóm chức

Đồng phân lập thể/không gian: có công thức cấu tạo, sắp xếp liên kết giống nhau nhưng khác nhau trong không gian làm cho chúng không thể chống khít lên nhau được

Đồng phân hình học: nếu sự phân bố khác nhau đối với một mặt phẳng, mặt phẳng pi hay mặt phẳng vòng gọi là đồng phân hình học

Sự phân bố trong không gian khác nhau dẫn đến tính chất vật lý và hóa học cũng khác nhau.

Trong trường hợp không dùng được danh pháp Cis-trans thì dùng danh pháp chung là E-Z.

Danh pháp E-Z dựa trên tính hơn cấp của nguyên tố đính với Carbon Nếu nhóm thế có số thứ tự nguyên tố cao hơn thì có tính hơn cấp cao hơn.

Khi hai nhóm thế có tính hơn cấp cao hơn hai C ở cùng phía của mặt phẳng thì gọi là đồng phân Z, khác phía là đồng phân E.

Ví dụ: BrCH3C=CHNO2

Đồng phân quang học: Những hợp chất có cấu trúc và tính chất vật lý

và hóa học giống nhau nhưng khác nhau về khả năng quay mặt ánh sáng phân cực gọi là đồng phân quang học

Liên kết hidro liên phân tử:

- Làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi làm giảm độ điện ly của axit;

- Gây biến đổi độ tan nếu chất tan tạo được liên kết hidro với

dung môi thì chất tan tan tốt trong dung môi đó

Ví dụ : rượu etilic tan vô hạn trong nước, amoniac tan rất tốt

trong nước

Liên kết hydro nội phân tử Liên kết hydro ngoại phân tử

Phần 5 Sự chuyển dịch mật độ electron trong

phân tử HCHC

- Sự phân cực: nếu hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau thì

cặp điện tử dung chung sẽ bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn Ví dụ: phân tử H2O, NH3, HF

- Sự phân cực làm thay đổi độ bền của liên kết Liên kết càng

phân cực thì phân tử càng kém bền và dễ dàng bị đứt ra đề

tham gia phản ứng hóa học

- Độ âm điện của nguyên tử không chỉ gây nên sự phân cực của liên kết trực tiếp giữa nó với nguyên tử bên cạnh mà còn gây

nên sự phân cực của liên kết ở xa nó, gây ra sự chuyên dịch

mật độ electron trong phân tử gọi là hiệu ứng

Sự dịch chuyển mật đô electron trong phân tử HCHC được phân thành hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp và hiệu ứng siêu liên hợp

1 Hiệu ứng cảm ứng (kí hiệu I)

Tại sao có sự khác nhau giữa Ka?

Sự dịch chuyển mật độ

electron dọc theo mạch liên

kết trong phân tử gây ra bởi

sự chênh lệch độ âm điện

gọi là Hiệu ứng cảm ứng

Hiệu ứng cảm ứng âm (-I)

-Các nguyên tử hút electron về

phía mình làm cho nó mang điện

tích âm, ví dụ các nhóm nguyên tố

có độ âm điện lớn như Cl, N, O, S…

- Hiệu ứng cảm ứng âm tăng theo

độ âm điện của nguyên tử hay

nhóm nguyên tử đó

Hiệu ứng cảm ứng dương (+I)

-Các nguyên tử đẩy electron

ra xa mình làm cho nó mang điện tích dương, ví dụ các nhóm alkyl: CH3-, C2H5…

- Độ mạnh đẩy electron của các nhóm alkyl tăng theo độ phân nhánh của chúng

-Các nhóm không no đều là các nhóm hút electron

2 Hiệu ứng liên hợp (kí hiệu C)

- Hệ liên hợp: là hệ thống mà trong phân tử chứa các nối đơn và nối đôi luân phiên (hệ liên hợp ᴨ- ᴨ) hoặc trong phân tử chứa nguyên tử có cặp điện tử không chia (tự do) nằm cách liên kết

ᴨ bằng một liên kết ᵟ (hệ liên hợp p- ᴨ)

ứng dịch chuyển đám mây điện tử ᴨ trong hệ thống liên hợp dưới tác dụng hút hoặc đẩy điện tử của các nhóm thế hoặc các nguyên tử thế

và kí hiệu là C

- Phân làm 2 loại: hiệu ứng liên hợp dương (+C) và hiệu ứng liên hợp âm (-C)

Phần 6 Phản ứng và cơ chế phản ứng

trong Hóa hữu cơ

Đặc điểm của phản ứng hữu cơ:

- Xảy ra chậm

- Cân bằng

- Không hoàn toàn

- Theo nhiều hướng khác nhau

Nhiều phản ứng hữu cơ xảy ra qua nhiều giai đoạn, đi qua các trạng thái chuyển tiếp và hợp chất trung gian để tạo thành sản phẩm

Một quá trình mô tả tiến trình phản ứng diễn ra từ chất ban đầu tới chất cuối đi qua các trạng thái chuyển tiếp và hợp chất trung gian gọi là Cơ chế phản ứng

6.1 Phân loại phản ứng hữu cơ theo sự biến đổi phân tử 3.1 Phản ứng thế (ký hiệu S)

3.2 Phản ứng cộng

3.3 Phản ứng tách …

1 Phản ứng phân cực – dị li 2 Phản ứng không phân cực

: đồng li

Dưới tác dụng của các điều kiện nhất định, các phân tử bị phân

cắt không đồng đều, nguyên tử có độ âm điện cao hơn sẽ chiếm cặp e dùng chung và sẽ mang điện tích âm gọi là sự phân cắt dị li Phần mang điện tích dương gọi là cacbocation kí hiệu R+ và phần tích điện âm gọi là cacbanion, kí hiệu R- Đây chỉ là những tiểu

phân trung gian, không bền vững

1.1 Cacbocation và cacbanion

6.2 Phân loại phản ứng hữu cơ theo tác nhân phản ứng

Sản phẩm của phản ứng dị li phụ thuộc vào thời gian sống của các cacbocation và cacbanion hay độ bền của chúng Các phản ứng hữu cơ sẽ xảy ra theo xu hướng hình thành các cacbocation hay cacbanion bền.

Độ bền của các cacbocation và cacbanion phụ thuộc vào cấu trúc của chúng Những hiệu ứng electron nào làm giải tỏa điện tích

dương hoặc âm ở nguyên tử cacbon thì chúng sẽ bền hơn:

1.2 Tác nhân electrophin và tác nhân nucleophin:

Trong phản ứng Chất hữu cơ với chất vô cơ:

- Chất hữu cơ là chất phản ứng và Chất vô cơ là tác nhân phản

ứng

- Giữa hai chất hữu cơ: chất đơn giản hơn là tác nhân phản ứng

Các cation như cation kim loại, cacbocation …luôn có xu thế hút

electron nên là những chất ưa electron gọi là electrophin Khi các chất này đóng vai trò là tác nhân phản ứng thì chúng được gọi là

tác nhân electrophin (tác nhân ái điện tử)

Các anion như halogenua, cacbanion hay các các phân tử trung hòa chứa liên kết pi như các aren, anken…luôn có ái lực cao với điện

tích dương hay ưa hạt nhân gọi là nucleophin Khi các chất này

đóng vai trò là tác nhân phản ứng thì chúng được gọi là tác nhân nucleophin (tác nhân ái nhân)

2 Phản ứng không phân cực : đồng li

Sự tạo thành gốc tự do: Liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ

có thể được phân cắt đồng đều giữa hai nguyên tử tham gia liên kết, mỗi nguyên tử sẽ chiếm 1 electron từ cặp electron dùng

chung tạo ra các gốc tự do

Gốc tự do là những tiểu phân trung gian không bền

3 Một số cơ chế phản ứng cơ bản trong hóa hữu cơ

Câu hỏi - Bài tập

1 Nêu các cách phân loại hợp chất hữu cơ

2 Nêu các phương cách mô tả hợp chất hữu cơ, cho ví dụ

3 Trình bày các điểm chính trong thuyết cấu tạo hóa học

4 Hiện tượng đồng đẳng, đồng phân là gì? Cho ví dụ Phân biệt đồng phân cis và trans.

5 Liên kết yếu trong hóa hữu cơ là gì? Cho ví dụ cụ thể.

6 Hiêu ứng cảm ứng là gì? Cho ví dụ

7 Hiệu ứng liên hợp là gì? Cho ví dụ

8 Hiệu ứng siêu liên hợp là gì? Cho ví dụ

9 Gốc tự do trong phản ứng hóa học hữu cơ là gì? Đặc điểm của chúng? Cho ví dụ

10.Cacbocation và cacbanion trong phản ứng hóa hữu cơ là gì? Đặc điểm của chúng? Cho ví dụ.

11.Thế nào là tác nhân nucleophin và electrophin trong phản ứng hữu cơ? Cho ví dụ

12 Viết các đồng phân có thể có của C5H10

13 Sắp xếp các axit sau theo độ điện ly axit của chúng, giải thích:

H2O, CH3-OH, CH3-CHCl-COOH, CH2Cl-CH2-COOH, CH3-CHBr-COOH,

CH3COOH, (CH3)2CH-COOH, (CH3)3C-COOH

14 So sánh độ bền của các cacbocation trung gian sau, giải thích cách sắp xếp đó:

CH3+, CH3CH2+, (CH3)3C+, (CH3)2CH+, CH3CH2CH+, CH2=CH-CH2+,

C6H5CH2+