Bài giảng Hóa học hữu cơ 1 - ĐH Phạm Văn Đồng

tử chỉ cấu thành chỉ b i hai nguyên tố C và H) và các dẫn xuất c a hiđrocacbon (một hay nhiều nguyên tử H trong phân tử hiđrocacbon được thay thế bằng một hay nhiều nguyên tử hoặc nhóm[r]

Y BAN NHÂN DÂN T NH QU NG NGẩI

TR NG Đ I H C PH M VĂN Đ NG

-00 -

BẨI GI NG HịA H C H U C 1

Qu ng Ngãi, 11/2013

L I M Đ U

Bài giảng Hóa học hữu cơ 1 được biên soạn theo chương trình chi tiết Hóa học hữu cơ 1 của ngành sư phạm, bậc cao đẳng (gọi tắt là CĐSP); chương trình chi tiết của môn học này đã được Bộ môn Hóa học thuộc khoa

Cơ bản Trường Đại học Phạm Văn Đồng phát hành Nội dung cô đọng của bài giảng được chọn lọc từ nhiều giáo trình, tài liệu tham khảo và phù hợp với đối tượng sinh viên CĐSP

Để tạo điều kiện cho sinh viên CĐSP tăng cường việc tự học, tự nghiên cứu, trong mỗi chương của bài giảng có những bài tập và câu hỏi ôn tập Tuy nhiên, ở mức độ là một bài giảng với những nội dung chính nên không thể có đủ các phần đọc thêm, mở rộng kiến thức Vì vậy, khi nghiên cứu, tự học sinh viên nên kết hợp với các giáo trình khác để mở rộng kiến

viên Hóa học các trường THCS

Rất mong được sự góp ý của đồng nghiệp để bài giảng được hoàn thiện hơn nhằm phục vụ hữu hiệu việc học tập, nghiên cứu của sinh viên

tạo điều kiện bài giảng này được lên website của trường

Tác giả

Ch ng 1 Đ I C NG 1.1 H p ch t h u c vƠ hóa h c h u c

1.1.1 Đ nh nghĩa vƠ đ i t ng nghiên c u c a hóa h c h u c

Trong số gần 110 nguyên tố hóa học đã có tên chính th c trong b ng tuần hoàn, cacbon

là một nguyên tố rất đặc biệt chỗ: các nguyên tử cacbon có thể kết hợp với nhau và với nguyên tử c a các nguyên tố khác t o nên kho ng hơn hai mươi triệu hợp chất khác nhau, đấy là những hợp chất c a cacbon Trong khi đó, tất c nguyên tố còn l i chỉ có thể t o nên được hơn một triệu hợp chất không ch a cacbon

Các hợp chất c a cacbon được gọi là hợp chất hữu cơ, trừ một số ít hợp chất đơn gi n như các oxit c a cacbon, các muối cacbonat và cacbua kim lo i

Ngành hóa học chuyên nghiên c u các hợp chất hữu cơ, t c là các hợp chất c a cacbon, được gọi là Hóa học hữu cơ

Vì các hợp chất hữu cơ gồm hai lo i chính là hiđrocacbon và các dẫn xuất c a chúng, nên cũng có thể coi Hóa học hữu cơ là ngành hóa học chuyên nghiên c u hiđrocacbon và các dẫn xuất c a hiđrocacbon

Vậy đối tượng nghiên c u c a Hóa học hữu cơ là các hợp chất c a cacbon, bao gồm hiđrocacbon và các dẫn xuất c a chúng

1.1.2 Đặc điểm chung c a các h p ch t h u c

1.1.2.1 Cấu t o

- Ch a C, ngoài ra còn H, O, N, halogen, S, P và các nguyên tố khác

- Liên kết: thư ng là liên kết cộng hoá trị, ít có liên kết ion

- Nguyên tử C liên kết với nhau và liên kết với các nguyên tố khác nên t o thành m ch

h hoặc m ch vòng

1.1.2.2 Tính chất vật lý

- Dễ nóng ch y và dễ bay hơi

- Thư ng không tan hoặc tan rất ít trong nước nhưng dễ tan trong các dung môi hữu cơ 1.1.2.3 Tính chất hoá học

- Kém bền nhiệt nên dễ bị phân huỷ b i nhiệt, đa số cháy khi bị đốt

- Ph n ng: thư ng diễn ra chậm, không hoàn toàn, và không theo một hướng nhất định do đó t o nhiều s n phẩm phụ

1.1.3 Phơn lo i các h p ch t h u c

1.1.3.1 Phân lo i theo nhóm ch c

Các hợp chất hữu cơ có thể được phân chia thành hai lo i chính là hiđrocacbon (phân

tử chỉ cấu thành chỉ b i hai nguyên tố C và H) và các dẫn xuất c a hiđrocacbon (một hay nhiều nguyên tử H trong phân tử hiđrocacbon được thay thế bằng một hay nhiều nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác)

Các dẫn xuất c a hiđrocacbon là những hợp chất có nhóm đặc trưng hay nhóm ch c; hiđrocacbon cũng có thể có nhóm ch c Nhóm ch c là nhóm nguyên tử hoặc nguyên tử quyết định đặc tính hóa học c a phân tử hữu cơ Sau đây là một số nhóm ch c chính:

- Nằm trong m ch C: anken (C = C); ankin (C ≡ C)

- Ch a oxi: ancol (-OH); ete (C-O-C); andehit (-CH = O); axit (- COOH)

- Ch a nitơ: amin (-NH2) ; nitrin (-C ≡ N)

- Ch a c oxi và nitơ: amit (-CO-NH2); nitro (-NO2)

- Ch a lưu huỳnh: thiol (-SH); thioete (-S-)

- Ch a nguyên tử halogen: dẫn xuất clo (-Cl); dẫn xuất brom (-Br)

1.1.3.2 Phân lo i theo m ch cacbon

Hợp chất hữu cơ

Hợp chất không vòng Hợp chất vòng

HC no HC không no HC đồng vòng HC dị vòng

không thơm thơm thơm Không

thơm

no không no

1.2 C u t o phơn t h p ch t h u c

1.2.1 ThƠnh ph n nguyên t vƠ công th c phơn t

Thành phần nguyên tố c a hợp chất hữu cơ được biểu thị bằng các công th c sau:

- Công th c tổng quát: Cho biết thành phần định tính các nguyên tố

Ví dụ: CxHyOzNt (x, y, z, t là những số nguyên dương) cho biết phân tử có 4 nguyên tố: C, H, O và N

- Công th c đơn gi n: Cho biết tỉ lệ số lượng các nguyên tố trong phân tử

Ví dụ: CH2O cho biết tỉ lệ các nguyên tử C : H : O là 1 : 2 : 1

- Công th c phân tử: Cho biết rõ số lượng nguyên tử c a mỗi nguyên tố trong phân tử

Ví dụ: C2H6: etan

Để xác định thành phần nguyên tố dùng phương pháp phân tích định tính và định lượng

1.2.1.1 Phân tích định tính các nguyên tố

Xác định các lo i nguyên tố có trong hợp chất hữu cơ dựa trên nguyên tắc chuyển các nguyên tố cần xác định thành chất vô cơ đơn gi n rồi nhận ra các chất vô cơ này bằng ph n

ng đặc trưng

a Phân tích C và H

Nung hợp chất hữu cơ với CuO (chất oxi hoá) để chuyển C thành CO2 và H thành H2O rồi nhận ra CO2 bằng nước vôi trong (khi đó sinh ra kết t a trắng CaCO3) và nhận ra H2O bằng CuSO4 khan (bột CuSO4màu trắng chuyển thành CuSO4.5H2O màu xanh):

[C] + 2CuO → CO2 + 2Cu

hợp chất hữu cơ (h.c.h.c)

[2H] + CuO → H2O + Cu

h.c.h.c

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

5H2O + CuSO4 → CuSO4.5H2O

b Phân tích N

Nung hợp chất hữu cơ với Na sinh ra NaCN Để nhận ra ion CN- (ch a nitơ) ta thêm

Fe2+ và Fe3+ rồi axit hoá nhẹ, ion CN- sẽ cho kết t a màu xanh đậm đặc trưng (gọi là xanh Bec-lanh hay xanh phổ) c a Fe4[Fe(CN)6]3:

Na + [C] + [N] → NaCN

h.c.h.c

Fe2+ + 6CN(-) → [Fe(CN)6]4-

4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- → Fe4[Fe(CN)6]

c Phân tích halogen

Đốt cháy một băng giấy lọc đầu có tẩm ancol etylic (dùng làm nhiên liệu) và một ít chất hữu cơ ch a halogen (X) sẽ sinh ra hiđro halogenua, s n phẩm này được nhận ra nh dung dịch AgNO3(t o kết t a AgX tan được trong amoniac):

[X] + [H] → HX

h.c.h.c h.c.h.c hoặc ancol

HX + AgNO3 → AgX + HNO3

AgX + 3NH3 + H2O → [Ag(NH3)2]OH + NH4X

(tan)

d Phân tích lưu huỳnh

Nung hợp chất hữu cơ với Na sẽ sinh ra Na2S; s n phẩm này được nhận ra b i Pb2+

(t o kết t a đen):

[S] + 2Na → Na2S

h.c.h.c

Pb2+ + S2- → PbS

1.2.1.2 Phân tích định lượng các nguyên tố

Phân tích định lượng nhằm xác định thành phần phần trăm về mặt khối lượng c a các nguyên tố trong phân tử hợp chất hữu cơ Nguyên tắc chung là chuyển hoàn toàn các nguyên

tố trong một lượng cân nhất định c a chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn gi n, sau đó xác định khối lượng (hoặc thể tích khí) c a các s n phẩm đó rồi tính thành % các nguyên tố

a Phân tích C và H

Nung nóng một lượng cân chính xác a (mg) hợp chất hữu cơ với bột CuO (lấy dư)

trong dòng khí oxi Khí CO2 và hơi nước sinh ra được hấp thụ hoàn toàn và riêng rẽ b i bình

ch a các chất hấp thụ thích hợp được cân trước và sau thí nghiệm Ví dụ dùng Mg(ClO4)2 để hấp thụ nước, dùng amiăng tẩm NaOH để hấp thụ CO2

Gi sử trong thí nghiệm sinh ra m (mg) CO2 và m' (mg) H2O, ta tính được:

b Phân tích N

Nung nóng 1 lượng cân chính xác a (mg) hợp chất hữu cơ với bột CuO (lấy dư) trong

dòng khí CO2 để chuyển hết nitơ trong hợp chất hữu cơ thành khí nitơ Dẫn khí sinh ra vào dụng cụ đo khí gọi là “nitơ kế” có ch a dung dịch KOH đậm đặc để hấp thụ hết CO2 và

H2O Gi sử thu được V (ml) khí nitơ, đo nhiệt độ t, áp suất khí quyển là p, áp suất hơi nước là f, ta tính được:

Việc xác định N, C, H hiện nay đã được tự động hoá bằng cách dẫn khí t o thành vào máy sắc kí khí, máy cho biết ngay hàm lượng N, C, H

c Phân tích halogen

Nung nóng chất hữu cơ với axit nitric bốc khói có mặt AgX, đem phân tích bằng phương pháp cân

d Phân tích lưu huỳnh

Nung nóng chất hữu cơ với axit nitric bốc khói, lưu huỳnh trong phân tử hữu cơ được chuyển thành SO4

2-t o ra kết t a BaSO4 được phân tích bằng cách cân

e Phân tích oxi

Thông thư ng hàm lượng oxi trong hợp chất hữu cơ đợc xác định gián tiếp bằng cách lấy 100% trừ cho tổng số % c a các nguyên tố khác trong hợp chất Tuy vậy, khi cần thiết cũng có thể xác định trực tiếp bằng cách chuyển oxi trong hợp chất hữu cơ thành CO rồi định lượng CO dựa theo ph n ng:

5CO + I2O5 → 5CO2 + I2

1.2.1.3 Thiết lập công th c phân tử (CTPT)

C

H









2

2

N

N

28 p f 1

t 22.400 760 1

273

m 100

%N

a

Sau khi phân tích nguyên tố và xác định phân tử khối ta có công th c phân tử dựa vào

1 trong 3 phương pháp phổ biến sau:

a Lập công th c đơn gi n nhất (công th c nguyên) từ đó lập CTPT

Phân tích định lượng: mH, mC, mO, mN, Chia các đ i lượng này cho các khối lượng mol nguyên tử tương ng, rồi chia cho ước số chung lớn nhất ta thu được tỉ lệ về số lượng nguyên tử c a các nguyên tố trong phân tử Từ đó lập công th c đơn gi n nhất

Ví dụ: Đốt hoàn toàn 0,09g X cho 0,13g CO2 và 0,054g H2O Tỉ khối hơi c a X so với hidro là 30 Hãy thiết lập CTPT c a X?

Công th c đơn gi n nhất: CH2O

PTK : MX = 2.30 = 60

Hay (12.1+1.2+16.1)n = 60 → n = 2

Vậy CTPT c a X là (CH2O)2 hay C2H4O2

b Dựa vào khối lượng các s n phẩm đốt cháy và Mx mà không qua công th c đơn gi n nhất Đặt CT c a hợp chất X là CxHyOz

Theo sơ đồ

z được tính từ x, y và Mx dựa theo CxHyOz

Theo ví dụ trên: ta tính được x = 2, y = 4, z = 2

c Dựa vào thành phần % các nguyên tố và Mx

Thành phần % các nguyên tố tỉ lệ với khối lượng mỗi nguyên tố trong phân tử:

C

H O

12.0,13

m 0,036(g)

44 2.0,054

m 0,006(g)

18

m 0,09 (0,036 0,006) 0,048(g)

0,036 0,006 0,048 C: H : O : : 1: 2:1

12 1 16

 

 

X

y

C H O xCO H O

2 y

18 M

44x 2

M m M m

44a 9a

1.2.2 Công th c c u t o, thuyết c u t o hóa h c

1.2.2.1 Công th c cấu t o

Nếu như CTPT chỉ cho biết số lượng nguyên tử trong phân tử thì CTCT còn cho biết trật tự kết hợp và cách liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử, t c thể hiện cấu t o hóa học c a phân tử hữu cơ

Khi biểu diễn CTCT cần tuân theo 1 số qui định:

- Mỗi liên kết đơn được biểu thị bằng 1 v ch nối, nguyên tố có bao nhiêu hóa trị được biểu thị bằng bấy nhiêu v ch xung quanh kí hiệu đó

- H có hóa trị 1, có 1 v ch: -H

- O có hóa trị 2, có 2 v ch: =O hoặc -O-

- CTCT:

Tuy nhiên để cho gọn trong CTCT ngư i ta có thể bỏ qua không biểu diễn v ch liên kết

Ví dụ: CH3CH2OH hoặc CH2=CH-CH=CH2

Trong nhiều công th c d ng vòng có thể không ghi kí hiệu nguyên tử cacbon, hoặc nhóm metylen (-CH2-), metin (-C), mà hiểu ngầm sự có mặt c a các nhóm đó qua các

v ch hóa trị c a chúng đỉnh đa giác

Ví dụ:

Để thiết lập CTCT c a 1 hợp chất hữu , ngư i ta áp dụng các phương pháp thực nghiệm (phương pháp hóa học và phương pháp vật lí) kết hợp với thuyết cấu t o hóa học 1.2.2.2 Thuyết cấu t o hóa học

 

X

M

Ngày 11/9/1861 t i hội nghị hóa học Speyer (Đ c) Butlerop đã đọc b n báo cáo khoa học về cấu t o hóa học c a các chất Nội dung chính gồm những luận điểm sau:

- Các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ kết hợp với nhau theo 1 trật tự xác định và theo đúng hoá trị c a chúng; sự thay đổi trật đó sẽ có chất mới

- C trong phân tử hợp chất hữu cơ luôn luôn có hoá trị 4 Các nguyên tử C không những liên kết với các nguyên tố khác mà còn liên kết với nhau để t o m ch C có d ng khác nhau (m ch không nhánh, m ch có nhánh, m ch vòng )

- Tính chất c a hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào thành phần phân tử (b n chất và số lượng các nguyên tử ) và cấu tao hoá học (th tự kết hợp các nguyên tử) Các nguyên tử trong phân tử có nh hư ng lẫn nhau (thư ng các nguyên tử liên kết trực tiếp với nhau m nh hơn gián tiếp)

1.2.3 Khái ni m về đ ng đẳng vƠ đ ng phơn c u t o

1.2.3.1 Đồng đẳng

Là hiện tượng các chất hữu cơ có cấu t o và tính chất tương tự nhau, nhưng thành phần phân tử sai khác nhau 1 hoặc nhiều nhóm metylen (-CH2-)

1.2.3.2 Đồng phân

Là hiện tượng ng với 1 công th c phân tử có 2 hoặc nhiều hợp chất khác nhau

Nguyên nhân c a hiện tượng đồng phân là do nhiều chất có cùng một CTPT song cấu trúc l i khác nhau, cấu trúc gồm cấu t o hóa học lẫn cấu trúc không gian nên có 2 lo i đồng phân: đồng phân cấu t o và đồng phân không gian

Đồng phân cấu t o (đồng phân phẳng): là những chất có cùng một CTPT nhưng có cấu

t o khác nhau và do đó tính chất khác nhau.Ví dụ:

- Đồng phân cấu t o về m ch cacbon: do sự sắp xếp m ch cacbon khác nhau

Butan Isobutan

CH3-CH2-CH2-CH3 CH3-CH-CH3

CH3

- Đồng phân cấu t o về nhóm ch c: do sự khác nhau về lo i nhóm ch c

CH3-CH2-OH ; CH3-O-CH3

- Đồng phân cấu t o về vị trí: các đồng phân khác nhau về vị trí nhóm ch c, vị trí nhóm thế, vị trí liên kết bội

C3H8O: CH3CH2CH2OH ; CH3CHOHCH3

C4H8: CH3-CH=CH-CH3 ; CH2=CH-CH2-CH3

1.3 C u trúc không gian vƠ đ ng phơn l p thể

1.3.1 Khái ni m về c u trúc không gian vƠ công th c mô t c u trúc không gian

1.3.1.1 Thuyết cacbon t diện

Được ch ng minh nh hoá học lượng tử và thí nghiệm lí-hoá học Năm 1874, Lebel và Vant’Hoff đã đưa ra thuyết cấu t o t diện c a cacbon Thuyết này cho rằng nguyên tử C a,

b, c, d được phân bố trong 1 t diện đều, nguyên tử C nằm t i tâm t diện, bốn nhóm a, b, c,

d nằm t i 4 đỉnh c a t diện, thuyết này hoàn toàn phù hợp với thuyết lai hóa C ( tr ng thái lai hóa sp3 )

1.3.1.2 Công th c mô t cấu trúc không gian

Công th c mô t cấu trúc không gian gồm có 3 lo i:

a Công th c phối c nh

Cách 1: Trong công th c phối c nh, các nét g ch liền bình thư ng (-) biểu diễn liên kết cộng hóa trị có trục nằm trên mặt phẳng giấy, các nét g ch gián đo n mô t liên kết hướng phía sau t giấy, còn nét đậm chỉ liên kết về phía trước t giấy

Ca, Cb: nối trên mặt phẳng giấy Cc: nối trước mặt phẳng giấy Cd: nối sau mặt phẳng giấy Cách 2: Công th c phối c nh thư ng chỉ dùng cho các phân tử có liên kết đơn C-C trung tâm Theo cách biểu diễn này liên kết C-C được biểu diễn bằng đư ng chéo từ trái qua

ph i và xa dần ngư i quan sát

b Công th c Newman

Trong công th c Newman, ngư i ta qui ước quan sát việc nhìn thẳng trục liên kết C-C trung tâm, nguyên tử C th nhất gần ngư i quan sát được biểu diễn bằng 1 chấm t i vòng tròn, 3 liên kết t o góc 1200

Nguyên tử C th 2 bị che khuất

Ví dụ: D ng meso c a axit tactric có thể biểu diễn bằng công th c Newman như sau:

c Công th c Fisher

Trong công th c chiếu này, ngư i ta qui ước nguyên tử cacbon t diện như 1 dấu chữ thập

- 2 nối nằm ngang được qui ước là 2 nối trước mặt phẳng

- 2 nối thẳng đ ng sau mặt phẳng

Ví dụ: axit lactic CH3CHOHCOOH

Chú ý: Nhóm có m c oxh cao hơn thì được viết phía trên

COOH > -CHO > -CH2OH > -CH3

1.3.2 Đ ng phơn hình h c

Đồng phân hình học (đồng phân cis/trans ) là 1 lo i đồng phân không gian (hay đồng

phân lập thể), đồng phân này xuất hiện nhiều lo i hợp chất đặc biệt là các hợp chất có nối đôi C=C, C=N, N=N hoặc vòng no (vòng nhỏ) và mỗi nguyên tử C c a nối đôi hay mắc vòng ph i có 2 nhóm thế khác nhau

- a khác b và c khác d

- Chất có nhóm thế giống nhau hay gần giống nhau cùng 1 phía gọi là đồng phân cis, khác phía gọi là đồng phân trans

Thư ng đồng phân trans bền hơn cis và có nhiệt độ nóng ch y cao hơn nhưng nhiệt độ

sôi và mô men lưỡng cực thấp hơn

Đối với các hợp chất hữu cơ có nhiều nối đôi liên hợp số đồng phân cis-trans như:

1.3.3 M đ u về đ ng phơn quang h c