Giáo trình Hóa hữu cơ - Trường Cao đẳng Y tế Ninh Bình

Mục tiêu của giáo trình là giúp các bạn có thể trình bày được bản chất các kiểu liên kết, các trạng thái lai hoá, sự hình thành các liên kết giữa các nguyên tử carbon. Trình bày được cấu tạo, danh pháp, đồng phân, phương pháp điều chế, hóa tính của các hydrocarbon mạch hở và mạch kín, của dẫn chất halogen và các hợp chất cơ kim. Trình bày được cấu tạo, danh pháp, tính chất hoá học, phương pháp điều chế của alcol, phenol, ether oxyd, aldehyd, ceton.

GIỚI THIỆU HỌC PHẦN HÓA HỮU CƠ

Đối tượng : Cao Đẳng Dược chính quy, liên thông

+ Lý thuyết: 30 tiết + Thực hành: 30 tiết

- Thời điểm thực hiện:

3 Trình bày được cấu tạo, danh pháp, tính chất hoá học, phương pháp điều chế của alcol, phenol, ether oxyd, aldehyd, ceton

4 Trình bày được định nghĩa, phân loại, gọi tên, cấu tạo và hoá tính chính

acid carboxylic và các dẫn xuất của acid carboxylic cấu tạo và danh pháp, hoá tính 4

loại acid hỗn chức: hydroxy acid, phenol acid, aldehyd acid và ceton acid

5 Trình bày được định nghĩa, phân loại, danh pháp, cấu trúc và hoá tính ý nghĩa và ứng dụng chung của các hợp chất dị vòng

6 Thực hiện được những thao tác và kỹ thuật, cách sử dụng dụng cụ cơ bản trong phòng thí nghiệm thực hành hóa hữu cơ

7 Thực hiện được phương pháp phân tích định tính các nguyên tố trong hợp chất hữu cơ

8 Thực hiện được các phản ứng hóa học điển hình nhất của các hợp chất hữu

3 Chương 3: Dẫn xuất Halogen và các hợp chất cơ kim 2 51

2 Chương 6: Acid Carboxylic và các dẫn chất Acid

Carboxylic hỗn chức 6 70

THỰC HÀNH

1 Bài 1: Những quy tắc làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa

2 Bài 2: Những kỹ năng thí nghiệm cần thiết 4 125

3 Bài 3: Phân tích định tính các nguyên tố trong hợp chất hữu

4 Bài 4: Hyđrocacbon no, không no, thơm 4 137

5 Bài 5: Dẫn xuất halogen của hiđrocacbon 2 144

8 Bài 8: Axit cacboxylic và dẫn xuất của nó 2 159

ĐÁNH GIÁ:

- Điểm chuyên cần : 1 điểm

- Điểm thi kết thúc học phần : 1 điểm

- Cách tính điểm học phần: 15% điểm chuyên cần + 85% điểm kết thúc học phần

Chương I ĐẠI CƯƠNG

MỤC TIÊU:

1 Trình bày được cấu tạo các hợp chất hữu cơ

2 Trình bày được các hiệu ứng điện tử trong hóa hữ cơ

3 Trình bày được các loại đồng phân trong hóa hữu cơ

NỘI DUNG

1.1 CẤU TẠO CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Hoá học hữu cơ là ngành học chuyên nghiên cứu về các hợp chất của carbon Khác với một số hợp chất vô cơ đơn giản của carbon như CO, CO2, muối carbonat, các hợp chất hữu cơ là các hydrocarbon (có cấu tạo thành mạch) và các dẫn xuất của chúng (có chứa các nguyên tố khác: oxy, nitơ, lưu huỳnh, halogen và một số kim loại)

Sự hình thành các hợp chất hữu cơ là do các liên kết hoá học tạo nên

1.1.1 Các kiểu liên kết trong hoá học hữu cơ

Các liên kết hoá học được tạo thành do tương tác của các điện tử lớp ngoài cùng của các nguyên tử, phân tử hay các tiểu phân khác( gốc, ion, ion gốc) kèm theo

sự phân bố lại mật độ điện tử, thiết lập lại và xuất hiện các orbital mới

1.1.1.1 Liên kết dị cực hay liên kết điện hoá trị

Đó là liên kết hình thành do tương tác tĩnh điện giữa hai tiểu phân (hai nguyên

tử hay hai nhóm nguyên tử) Điển hình trong loại liên kết này là liên kết ion Liên kết ion sinh ra do lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu nhau

Liên kết cộng hoá trị hình thành giữa hai nguyên tử có độ âm điện giống nhau hoặc ít khác nhau do sự góp chung điện tử giữa chúng Sự góp chung điện tử tuân theo quy tắc “bộ tám” nghĩa là sự đóng góp tạo ra lớp vỏ điện tử bền vững giống khí trơ

HHH

H C

H C H H

H

H C Cl H

H

H H Cl Cl

Liên kết cộng hoá trị được phân làm hai loại

a Liên kết cộng hoá trị thuần tuý

Liên kết này được hình thành trong hai trường hợp:

- Khi hai nguyên tử tương tác thuộc cùng một nguyên tố (có độ âm điện như nhau)

Ví dụ: H : H Cl : Cl H3C : CH3

- Khi hai nguyên tử tương tác khác nhau có độ âm điện gần như nhau hoặc phân

tử có cấu tạo đối xứng, có trọng tâm điện tích dương và âm trùng nhau

HHH

b Liên kết cộng hoá trị phân cực

Liên kết được hình thành khi các nguyên tử tương tác thuộc những nguyên tố

có độ âm điện khác nhau nhưng chưa đủ trở thành liên kết ion (sự phân bố điện tử trong phân tử bất đối xứng, mật độ điện tử chuyển dịch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn)

H3CCl H3CNH2 H3CNa

Methyl clorid Methyl amin Methyl natri

Đặc tính và mức độ phân cực trong phân tử đóng vai trò quan trọng trong khả năng phản ứng của phân tử

1.1.1.3 Liên kết cho - nhận ( hay liên kết phối trí)

Đây là dạng đặc biệt của liên kết cộng hoá trị, được tạo nên bởi một cặp điện tử không phân chia của một nguyên tử (chất cho) và orbital còn trống của một nguyên tử khác (chất nhận)- được gọi là liên kết cho nhận

VD:

N H H

+ Dùng mũi tên từ nguyên tử cho đến nguyên tử nhận

R3NO; F3BO(C2O5)2

+ Ghi dấu trên nguyên tử cho, dấu trên nguyên tử nhận

BF3 O(C2H5)2

1.1.1.4 Liên kết hydro (cầu hydro)

Đây là liên kết yếu, được hình thành do lực tĩnh điện giữa hydro (đã tham gia liên kết) với một nguyên tử có độ âm điện mạnh có kích thước bé (oxy, nitơ, Fluor) ở một phân tử khác hay cùng phân tử

Liên kết hydro được biểu diễn bằng dấu ba chấm ( ) Liên kết hydro có thể hình thành giữa các phân tử hay nội phân tử

O

(CH3)3N H O

H

Liên kết giữa hai phân tử Liên kết liên phân tử của cùng một chất của hai chất khác nhau

O H C

O

C C

CH3

C

H3

H O

H

C

O

H

Aldehyd salicylic Acetyl aceton

Liên kết hydro nội phân tử Liên kết hydro liên quan đến nhiều tính chất vật lý của hợp chất như điểm sôi,

độ tan

1.1.1.5 Sự tạo chuỗi carbon Cấu trúc không gian của khung carbon Gốc và nhóm chức Khái niệm về hiệu ứng điện tử trong hoá học hữu cơ

1.1.1.5.1 Sự tạo chuỗi carbon

Những hợp chất hữu cơ đơn giản chỉ chứa một nguyên tử carbon, việc biểu diễn cấu tạo phân tử của nó đơn giản chỉ dựa trên hoá trị của các nguyên tử thành phần và thoả mãn thuyết “bộ tám” mà thôi

Ví dụ:Methan- CH4, Methylclorid - CH3Cl, Methyl amin- CH3NH2

Mỗi cặp điện tử liên kết được thay bằng một vạch () Khi phân tử có từ hai carbon trở lên như ethan, propan…(C2H6, C3H8…) ta coi như phân tử methan chứa các nhóm thế CH3, CH2CH3…

Trong chuỗi carbon người ta phân biệt:

+ Carbon gắn với 1 carbon khác là carbon bậc nhất

+ Carbon gắn với 2 carbon khác là carbon bậc hai

+ Carbon gắn với 3 (hoặc 4) carbon khác là carbon bậc ba (hoặc 4)

Propan isobutan neopentan

(2- methyl propan) (2, 2- dimethyl propan) Ngoài những chuỗi carbon mạch hở còn có những chuỗi carbon mạch vòng Sự đóng vòng được thực hiện bằng cách loại hai nguyên tử hydro không gần nhau trong một phân tử

N H

1.1.1.5.2 Cấu trúc không gian của bộ khung carbon

Công thức khai triển phẳng không phản ánh đầy đủ cấu trúc thực của chuỗi carbon Cấu trúc thực của chuỗi carbon gắn liền với hai yếu tố:

- Tính định hướng đặc trưng của các orbital Các góc hoá trị 109028’ đối với các hợp chất no, 1200 đối với các hợp chất ethylenic, 1800 đối với các hợp chất acetylenic

- Khả năng quay của các nhóm thế xung quanh liên kết đơn Các nhóm thế có thể ở bất kỳ vị trí nào trong không gian quanh trục liên kết CC Hình dạng khác nhau khi các nhóm thế quay xung quanh trục liên kết CC gọi là cấu dạng Tình trạng quay

tự do không xảy ra trong trường hợp liên kết bội ethylenic và acetylenic

Xét phân tử ethan CH3CH3 Vì có sự quay tự do của nhóm methyl xung quanh liên kết đơn CC nên phân tử ethan có vô số cấu dạng khác nhau ứng với thế năng khác nhau, trong đó có hai cấu dạng đáng chú ý

H H HH

H H

Cấu dạng che khuất

H H H H

H H

Cấu dạng xen kẽ Cấu dạng che khuất không bền vì hai nguyên tử hydro của hai nhóm methyl ở rất gần nhau, đẩy nhau

Cấu dạng xen kẽ bền nhất vì các nguyên tử hydro của hai nhóm methyl ở xa nhau, thuận lợi về mặt năng lượng

Sự bền vững của cấu dạng xen kẽ giải thích được hình dạng không gian của các mạch hydrocarbon bão hoà Mạch hydrocarbon bão hoà tồn tại trong không gian theo một đường gãy khúc, trong đó các liên kết CH của các nhóm CH2 kề cận luôn ở cấu dạng xen kẽ

Các nhóm chưa no có cách bố trí hoàn toàn khác vì các nguyên tử chung quanh liên kết bội đều nằm trong mặt phẳng, có sự cản quay Các nhóm chưa no này làm thay đổi cấu dạng của chuỗi carbon

1.1.1.5.3 Gốc hữu cơ

Trong hoá hữu cơ thuật ngữ “gốc” được dùng với hai quan niệm:

Gốc hydrocarbon và gốc tự do

a) Gốc hydrocarbon: Đó là một nhóm nguyên tử (xuất phát từ hydrocarbon) có

một hay nhiều hoá trị còn trống

b) Gốc tự do: Là nguyên tử hay nhóm nguyên tử có điện tử độc thân Gốc tự do

được hình thành trong quá trình phân cắt đồng ly liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử

Thời gian tồn tại của gốc rất ngắn (8.10-3giây) Gốc tự do có năng lượng lớn và khả năng phản ứng cao

1.1.1.5.4 Nhóm chức

Nhóm chức là nhóm nguyên tử (hay nguyên tử) quyết định tính chất hoá học của hợp chất hữu cơ và là yếu tố đặc trưng nhất của phân tử hữu cơ

Một số nhóm chức thường gặp trong hoá hữu cơ

OH Hydroxy (alcol, phenol)

C OH O

Carboxyl

Alkoxy carbonyl Amid

Nitril Imin

Carbonyl Formyl

1.2 CÁC HIỆU ỨNG ĐIỆN TỬ TRONG HÓA HỮU CƠ

Trong hợp chất hữu cơ có nhiều trường hợp tồn tại các nguyên tử không liên kết trực tiếp với nhau, nhưng lại có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau làm thay đổi tính chất hoá học, khả năng phản ứng, chiều hướng phản ứng, cơ chế phản ứng…và đặc biệt là ảnh hưởng đến tính chất acid- base của nhiều hợp chất hữu cơ ảnh hưởng như vậy gọi

là hiệu ứng

Có hai loại hiệu ứng thường gặp là hiệu ứng không gian và hiệu ứng điện tử Ta xét kỹ hiệu ứng điện tử

Trong phân tử do bản chất của các nguyên tử tham gia liên kết mà sự phân bố điện tử trong phân tử không đều Do độ âm điện của các nguyên tử khác nhau làm cho liên kết bị phân cực, do đó phân tử bị ảnh hưởng phân cực theo Sự chênh lệch về độ

âm điện càng lớn thì độ phân cực càng lớn

Sự phân cực của liên kết trong phân tử còn phụ thuộc vào các nguyên tử hay nhóm nguyên tử không liên kết trực tiếp ảnh hưởng này truyền qua hiệu ứng điện tử

Dựa vào cơ chế chuyển dịch điện tử người ta chia hiệu ứng điện tử thành ba loại: Hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp và hiệu ứng siêu liên hợp

H

H

H H

H

H không phân cực Phân tử n- propyl clorid

C3H7Cl

Trong phân tử n- propyl clorid, nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn carbon, hút cặp điện tử về phía nó nên mang điện tích âm phần (-) Nguyên tử C1 sẽ tích điện dương phần 1+, đến lượt nguyên tử C2 cũng tích điện dương phần 2+ nhưng mức độ thấp hơn ảnh hưởng này chuyển tới nguyên tử C3 tích điện dương phần 3+ nhưng mức độ thấp hơn nữa

Sự chuyển dịch điện tử (của liên kết ) theo mạch liên kết đơn, theo cơ chế cảm ứng tĩnh điện gọi là hiệu ứng cảm ứng Sự chuyển dịch đó được ký hiệu bằng mũi tên ()

Hiệu ứng cảm ứng được ký hiệu bằng chữ I

1.2.1.1 Phân loại

Hiệu ứng cảm ứng được phân làm hai loại có hướng ngược nhau Nếu quy ước lấy nguyên tử hydro trong liên kết CH của hydrocarbon no có hiệu ứng cảm ứng bằng không (I= 0) làm chuẩn thì các nguyên tử hay nhóm nguyên tử hút điện tử mạnh hơn hydro được xem có hiệu ứng cảm ứng âm (-I), còn các nguyên tử hay nhóm nguyên tử đẩy điện tử mạnh hơn hydro sẽ có hiệu ứng cảm ứng dương (+I)

Từ sơ đồ trên ta thấy, khi trong phân tử chứa nhóm thế (nguyên tử hay nhóm nguyên tử) làm phát sinh hiệu ứng cảm ứng thì nguyên tử carbon liên kết với nhóm thế

sẽ trở thành cực dương hay cực âm của lưỡng cực

Độ lớn của hiệu ứng cảm ứng phụ thuộc vào bản chất của nhóm thế gây ảnh hưởng cảm ứng (độ lớn của điện tích, độ âm điện, cấu tạo của nhóm thế…)

Hiệu ứng cảm ứng của một số nhóm thế thường gặp được xếp theo thứ tự sau: Hiệu ứng -I: O+R2 > N+R3 > F > Cl > Br > I > OH > NH2

Hiệu ứng +I: H < CH3 < C2H5 < CH(CH3)2 < O- < N-R < C-R2

Ảnh hưởng của hiệu ứng cảm ứng giảm dần theo mạch carbon, sau nguyên tử

C3 hiệu ứng tắt

1.2.1.2 Ảnh hưởng của hiệu ứng cảm ứng

- Hiệu ứng cảm ứng ảnh hưởng đến tính acid- base của các chất hữu cơ

Các nhóm có hiệu ứng -I làm tăng lực acid còn hiệu ứng +I làm giảm lực acid Lực acid của ClCH2COOH > của CH3COOH

Lực acid của CH3CH2COOH > của CH3COOH

Các nhóm có hiệu ứng +I làm tăng lực base, -I làm giảm lực base

(CH3)2NH > CH3CH2NH2 > CH3NH2 > NH3

- Hiệu ứng cảm ứng ảnh hưởng đến khả năng và chiều hướng của phản ứng

Ví dụ: Khả năng phản ứng cộng vào nhóm carbonyl

1.2.2.1 Tính không định chỗ của các điện tử và sự liên hợp

Các hợp chất không no, đặc biệt các hệ thống liên hợp liên kết đôi và đơn luân phiên, các liên kết  dễ phân cực, sự chuyển động của các điện tử này không giới hạn trong vùng giữa hai nguyên tử như liên kết  đơn thuần Các điện tử  và p có thể chuyển động trong orbital phân tử của toàn hệ thống, đó là tính không định chỗ

Ingold (Anh) đã dùng mũi tên cong để chỉ hướng chuyển dịch điện tử  của liên kết  và cặp điện tử p của nguyên tử oxy

Nhờ hiện tượng mesome (hoặc resonance) mà phân tử trở nên bền vững và dễ xuất hiện những vùng phân cực mới làm tăng khả năng phản ứng của phân tử

Sự chuyển dịch của các điện tử , p trong các hệ thống liên hợp gây ra sự phân

bố lại mật độ điện tử trong phân tử gọi là hiệu ứng liên hợp- ký hiệu bằng chữ M (Mesomer) hay C (Conjugative effect)

Các nhóm không no chứa các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn như: >C=O,

>C=NH, CN và các nhóm không chứa carbon như NO2, SO3H

-NO2 > - C  N > - C  C-

1.2.2.3.2 Hiệu ứng liên hợp có những đặc điểm khác hẳn hiệu ứng cảm ứng

- Hiệu ứng liên hợp chỉ có ở các hợp chất không no, hoặc các hệ liên hợp

- Hiệu ứng liên hợp không bị tắt nhanh theo mạch carbon như hiệu ứng cảm ứng, nó được truyền đi trong toàn bộ hệ liên hợp

1.2.2.3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp

So với hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp gây ảnh hưởng lớn hơn đến tính chất lý học và hoá học của các hợp chất hữu cơ

+ Hiệu ứng liên hợp ảnh hưởng đến tính acid- base của các hợp chất hữu cơ + Hiệu ứng liên hợp ảnh hưởng đến khả năng và chiều hướng của phản ứng Trên nhân thơm chứa nhóm thế toả hiệu ứng +M làm phản ứng thế xảy ra dễ dàng và phản ứng thế xảy ra ở các vị trí ortho và para Nếu nhóm thế toả hiệu ứng -M thì phản ứng thế xảy ra khó khăn và phản ứng thế xảy ra ở vị trí meta

1.2.3 Khái niệm về acid- base trong hợp chất hữu cơ

Khái niệm acid- base liên quan đến tính chất và phản ứng của các hợp chất hữu

cơ

- Trước kia, quan niệm acid là những chất khi tan trong nước cho ion H+, còn base là những chất khi tan trong nước cho ion OH- (Arhenius) Sau này khái niệm mở rộng hơn: acid là những chất có khả năng cho proton, còn base là những chất có khả năng kết hợp với proton (Bronsted-Lowry)

VD: CH3COOH  H + + CH3COO

-Hiệu ứng liên hợp ảnh hưởng đến tính chất acid- base của hợp chất hữu cơ: Hiệu ứng +M làm tăng tính acid và giảm tính base

Amin thơm có tính base yếu hơn NH3 và các amin mạch hở;

Hiệu ứng liên hợp ảnh hưởng tới khả năng và chiều hướng của phản ứng:

Trên nhân thơm chứa nhóm thế toả hiệu ứng +M làm phản ứng thế xẩy ra dễ dàng và phản ứng thế xảy ra ở các vị trí ortho và para Nếu nhóm thế toả hiệu ứng -M thì phản ứng xảy ra khó khăn và phản ứng thế xảy ra ở vị trí meta

- Sau này một quan niệm tổng quát về acid- base được đề nghị:

Lewis đã đưa ra một khái niệm tổng quát hơn về acid - base dựa vào cấu tạo điện tử của chúng

Theo Lewis, Acid là các ion hoặc phân tử trung hoà có khả năng tạo liên kết với đôi điện tử tự do của base, còn base là các ion hay phân tử trung hoà có đôi điện tử tự

do có khả năng tạo liên kết

Phản ứng acid- base là quá trình chuyển điện tử từ base sang acid

BF3 + NH3 F3B:NH3

Các acid Lewis gồm:

- Các cation: H+, X+, Li+, +NO2…

- Các hợp chất có nguyên tử còn orbital trống: AlCl3, FeCl3, SnCl2, BF3…

- Các liên kết đôi phân cực; >C=O, N=O, NO2

Các base Lewis gồm:

- Các anion: RCOO-, OH-, NC-, Cl-…

- Các hợp chất chứa nguyên tử có đôi nguyên tử tự do: :NH3, :NR3…

- Các hợp chất thơm

* Các yếu tố ảnh hưởng đến tính acid- base của hợp chất hữu cơ:

- Cấu trúc điện tử của phân tử

- Phân tử hữu cơ có chứa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử có hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp, hiệu ứng siêu liên hợp

1.3 ĐỒNG PHÂN TRONG HOÁ HỮU CƠ

Đồng phân là những hợp chất khác nhau có cùng công thức phân tử

Có 2 loại đồng phân:

+ Đồng phân cấu tạo (đồng phân mặt phẳng)

+ Đồng phân lập thể

1.3.1 Đồng phân cấu tạo

Đây là những đồng phân có công thức phẳng bao gồm đồng phân vị trí và đồng phân nhóm chức

Các hợp chất cresol : o- cresol, p- cresol, m- cresol là những đồng phân vị trí

CH3OH

CH3 = CH CH2OH Alcol ethylenic (alcol alyic)

CH3 OCH = CH2 Ether oxyd ethylenic

C

H3 CH2 C O

H Aldehyd C

H3 C

O

CH3

Ceton Các đồng phân nhóm chức do có hoá chức khác nhau nên thể hiện tính chất vật

lý và hoá học khác nhau

1.3.1.3 Hỗ biến (Tautomerism)

Là hiện tượng một chất có thành phần nguyên tử, khối lượng phân tử xác định nhưng tồn tại dưới dạng hỗn hợp cân bằng của các đồng phân dễ dàng chuyển hoá sang nhau

Ví dụ: Hỗ biến ceton  enol

Cân bằng này dễ chuyển dịch khi thay đổi dung môi hay nhiệt độ, hoặc có một thuốc thử phản ứng với một trong hai dạng

Ngoài ra còn có hỗ biến lactam lactim

C O

OH

NH

Lactim Lactam

1.3.2 Đồng phân lập thể

Các hợp chất hữu cơ có cùng số lượng, bản chất, thứ tự liên kết trong phân tử nhưng có các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có sự phân bố khác nhau trong không gian gọi là đồng phân lập thể

Có 3 loại đồng phân lập thể:

+ Đồng phân hình học

+ Đồng phân cấu dạng

+ Đồng phân quang học

1.3.2.1 Đồng phân hình học (đồng phân cis- trans)

Đồng phân hình học xuất hiện ở những hợp chất có liên kết đôi hoặc những hợp chất vòng no (do sự quay xung quanh trục liên kết không có hoặc bị cản trở)

a Đồng phân cis- trans (E/Z) ở hợp chất ethylenic

Đồng phân cis- trans là sự phân bố khác nhau trong không gian của các nhóm thế so với liên kết đôi

Khi ta dùng nhiệt để loại nước từ acid malic sẽ tạo ra một hỗn hợp của 2 diacid ethylenic đồng phân: acid maleic và acid fumaric

C C

Vì hai nhóm carboxyl của acid này ở cùng phía với liên kết đôi nên dễ bị loại nước

Những hợp chất có cấu hình như acid maleic (các nhóm thế giống nhau ở cùng một phía với liên kết đôi) gọi là đồng phân cis (hay Z) Những hợp chất có cấu hình như acid fumaric gọi là đồng phân trans (hay E)

H

H

C C

hệ biệt lập thì số đồng phân hình học có thể tăng lên

Ví dụ: Đối với dien liên hợp kiểu RCH= CHCH=CHR’ có thể có 4 đồng phân hình học

(Z= Zusammen= cùng= cis= cùng phía, E= Entgegen= ngược lại= trans= khác phía)

Nếu R= R’ thì số đồng phân chỉ còn 3 vì các đồng phân cis- trans và trans- cis

là tương đương

b Đồng phân hình học ở các hợp chất có liên kết >C= N và N= N

Những hợp chất có liên kết C= N và N= N cũng có đồng phân hình học tương

tự như ở các hợp chất ethylenic đã xét ở trên

Ví dụ: Các aldoxim, các cetoxim không đối xứng, các hydrazon, các hợp chất azo… có thể tồn tại dưới dạng đồng phân hình học mà người ta thường gọi là đồng phân syn, anti ở đồng phân syn của aldoxim, nhóm OH ở cùng phía với nguyên tử hydro của phần aldehyd

N N

6 H5

N N

H5C6

C6H5Syn- azobenzen anti- azobenzen

c Đồng phân hình học ở các cycloalkan

Các cycloalkan (hợp chất vòng no) chứa 2 nhóm thế có thể tồn tại dưới 2 dạng đồng phân cis- trans tuỳ thuộc vào sự sắp xếp của các nhóm thế ở cùng phía hay khác phía so với mặt phẳng vòng

1.3.3 Đồng phân cấu dạng

Các nguyên tử trong phân tử quay xung quanh liên kết đơn tạo ra vô số sự phân

bố tức thời khác nhau trong không gian của các cấu dạng Những cấu dạng có năng lượng cực tiểu được gọi là đồng phân cấu dạng Đồng phân cấu dạng xuất hiện ở rất nhiều hợp chất khi sự quay xung quanh trục liên kết đơn không hoàn toàn tự do

Một phân tử có thể tồn tại ở vô số cấu dạng với các mức năng lượng khác nhau Mức năng lượng của một cấu dạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Bản chất của nguyên

tử tham gia liên kết cộng hoá trị, tương tác giữa các nguyên tử trong phân tử Trong các cách sắp xếp của phân tử có một hoặc nhiều trường hợp phân tử có mức năng lượng cực tiểu, đó là trường hợp của các đồng phân cấu dạng

Ví dụ: Phân tử ethan Hai nhóm methyl trong phân tử ethan có thể quay xung quanh trục liên kết CC Như vậy ethan có vô số cấu dạng, trong đó đáng chú ý nhất là cấu dạng che khuất và cấu dạng xen kẽ được biểu diễn như sau

Trong hai cấu dạng trên thì cấu dạng che khuất có mức năng lượng cao hơn, do

đó kém bền hơn Các dạng xen kẽ có mức năng lượng thấp hơn và do đó bền hơn, là cấu dạng chiếm ưu thế Phân tử ethan bình thường có cấu dạng xen kẽ, cấu dạng che khuất nằm ở mức năng lượng cực đại (do tương tác giữa các nguyên tử hydro trong phân tử) nên chỉ là trạng thái chuyển tiếp khi ethan quay từ cấu dạng xen kẽ này sang cấu dạng xen kẽ khác

Cấu dạng che khuất Cấu dạng xen kẽ Biểu diễn theo công thức Newman

H H HH

H H

H H H H

H H

Cấu dạng che khuất Cấu dạng xen kẽ

Góc nhị diện () tạo thành giữa hai mặt phẳng: mặt phẳng chứa liên kết C1- C2

và C1H, mặt phẳng kia chứa liên kết C1- C2 và C2H (H được lựa chọn cho hợp lý)

Các đồng phân cấu dạng dễ dàng chuyển hoá sang nhau do rào cản năng lượng quay xung quanh trục liên kết đơn là tương đối thấp Do vậy các đồng phân cấu dạng không thể phân lập được

a Ánh sáng phân cực, chất hoạt quang

Nếu cho ánh sáng thường đi qua lăng kính Nicol (chế tạo từ calcit- tinh thể CaCO3) thì ánh sáng thường chuyển thành ánh sáng phân cực, đó là ánh sáng dao động theo một phương nhất định trong một mặt phẳng Mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng dao động ánh sáng phân cực gọi là mặt phẳng phân cực

Chất hoạt quang là chất có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực một góc  nào đó Góc  đó được đo bằng phân cực kế

L¨ ng kÝnh Nicol ph©n tÝch

Nếu chất làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều kim đồng hồ khi người quan sát nhìn về phía tia sáng thì đó là chất quay phải (hữu tuyền), và góc  mang dấu (+)

Ví dụ: (+)- glucose, (+)- penicilin, (+)- camphor…

Nếu chất làm quay mặt phẳng phân cực theo chiều ngược kim đồng hồ đó là chất quay trái (tả tuyền), và góc  mang dấu (-) Ví dụ: (-)- menthol, (-)- ephedrin

Nếu chất không làm quay mặt phẳng phân cực là chất không hoạt quang

Góc quay  của mặt phẳng ánh sáng phân cực phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Số lượng và bản chất phân tử nghiên cứu

+ Nồng độ dung dịch chất nghiên cứu (hoặc tỷ trọng chất nghiên cứu)

+ Khoảng cách ánh sáng truyền qua môi trường đó

+ Độ dài sóng của ánh sáng tới (thường dùng vạch D của natri= 5893 A0) + Nhiệt độ và bản chất dung môi

Độ quay cực riêng  của chất nghiên cứu được tính bằng công thức

 

c L

b Cấu hình tương đối, cấu hình tuyệt đối

Cấu hình tuyệt đối là sự phân bố vị trí thật của nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong không gian ở nguyên tử carbon bất đối của phân tử (tức nguyên tử carbon liên kết với 4 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau)

* Cấu hình tương đối- cấu hình D và L

Người ta chọn cấu hình được nghiên cứu đầu tiên là glyceraldehyd làm cấu hình chuẩn và gán cho nó qui ước

D(+)- Glyceraldehyd L(-)- Glyceraldehyd Cấu hình này dùng để so sánh các hợp chất khác như - amino acid, steroid và nhiều hợp chất quan trọng khác về mặt hoá sinh

Trên đây các dấu (+), (-) để chỉ chiều góc quay

D, L chỉ cấu hình tương đối

Cấu hình D là cấu hình có nhóm thế dặc trưng ở liên kết hướng ra phía phải của carbon bất đối, cấu hình L có nhóm thế đó ở phía trái

* Cấu hình tuyệt đối- cấu hình R và S (Qui tắc Cahn, Ingold, Prelog, 1955)

Nguyên tử carbon liên kết với 4 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau gọi

là carbon bất đối xứng, ký hiệu C*

abcd ở carbon bất đối xứng, để xét chiều quay của các nhóm thế người ta thiết lập trình tự ưu tiên của các nhóm thế: a > b > c > d Người

ta quan sát trục C- d từ phía ngược với d Nếu từ abc theo chiều kim đồng hồ thì cấu hình là R (Rectus: phải), trường hợp ngược chiều kim đồng hồ thì cấu hình là S (Sinister: trái)

C b c

a

C*

b c

a

C*

c b

- Nếu 4 nguyên tử liên kết với trung tâm bất đối là khác nhau thì mức độ ưu tiên được xác định dựa vào nguyên tử số:

I > Br > Cl > S > F > O > N > H

Trường hợp 2 nguyên tử giống nhau (ví dụ nguyên tử C trong các nhóm CH3

và CH OH) thì phải xét tiếp nguyên tử thứ 2, thứ 3…

H H

H

C

OH H H

Do oxy ưu tiên hơn hydro nên CH2OH ưu tiên hơn CH3

- Liên kết đôi, liên kết ba được tính bằng từng ấy liên kết đơn

Để chỉ rõ một nguyên tử bất đối, cần trình bày cấu hình tuyệt đối (R hoặc S) và

bổ sung thêm dấu của góc quay cực (+ hoặc -) Hai số liệu này không liên quan với nhau: một số hợp chất R là hữu tuyền, một số khác là tả tuyền

c Các chất hoạt quang có nguyên tử carbon bất đối

* Hợp chất có 1 nguyên tử carbon bất đối

Sự bất đối gây ra tính hoạt quang của phân tử Điều kiện bắt buộc cho tính hoạt quang là: cấu trúc hình học của phân tử phải đảm bảo phân tử không trùng khít với ảnh của nó trong gương tương tự như bàn tay phải và bàn tay trái

Có nhiều yếu tố cấu trúc làm phân tử trở nên bất đối và không đồng nhất với ảnh của nó trong gương Yếu tố thường gặp và quan trọng nhất là nguyên tử carbon thế bất đối xứng, tức carbon liên kết với 4 nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau Nếu phân tử chứa nguyên tử carbon bất đối như vậy thì phân tử không đồng nhất với ảnh của nó trong gương và thể hiện tính quang hoạt

Ví dụ: Alcol sec- butylic có chứa carbon bất đối carbinolic liên kết với 4 nhóm khác nhau: hydro, hydroxyl, methyl, ehtyl là chất hoạt quang

Nó là hỗn hợp của 2 đồng phân (II) và (III), chúng như vật và ảnh trong gương Tính chất vật lý và hoá học của chúng giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ chúng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo những góc bằng nhau về trị số tuyệt đối nhưng khác dấu

Hai dạng của một hợp chất giống nhau như vật và ảnh của nó trong gương, tương tự như (II) và (III), được gọi là các đối quang (enantiomers) hay các đồng phân đối quang

C

H3

C

C2H5H

C H

H5C2

CH3

Sở dĩ alcol sec- butylic vừa điều chế ra ở trên không hoạt quang vì nó là hỗn hợp của một số phân tử bằng nhau của mỗi dạng đối quang, độ quay cực tổng cộng do

đó bằng không Hỗn hợp đó gọi là hỗn hợp racemic

Sự tách các đối quang ra khỏi hỗn hợp racemic gọi là sự phân đối (tách biệt) Ngược lại sự chuyển các phân tử của một đối quang thành hỗn hợp racemic của hai dạng đối quang được gọi là sự racemic hoá

Tính chất lý học của các dạng đối quang (ngoài tính hoạt quang) là giống nhau

và khác với hỗn hợp racemic Hỗn hợp racemic có cấu trúc tinh thể khác với các đối quang tinh khiết, vì thế khác nhau về tỷ trọng, về nhiệt độ nóng chảy và độ tan

Tóm lại: Một hợp chất hữu cơ có một carbon bất đối có thể tồn tại dưới các dạng-

- Đồng phân hữu tuyền, ký hiệu (+)

- Đồng phân tả tuyền, ký hiệu (-)

- Hỗn hợp racemic ký hiệu ()

VD: Acid lactic có một carbon bất đối, có công thức phẳng là

CH3- CH(OH)- COOH tồn tại dưới các dạng

Acid (-)- Lactic Acid (+)- Lactic Acid (+)- lactic (có trong cơ hoạt động)

Acid (-)- lactic (tạo ra trong quá trình lên men đường)

Acid()- lactic (có trong sữa chua)

* Hợp chất có nhiều carbon bất đối

Thông thường một hợp chất có n nguyên tử carbon bất đối sẽ có 2n đồng phân quang học (trừ trường hợp phân tử có mặt phẳng đối xứng nội phân tử- tức đồng phân meso)

* Xét hợp chất có 2 nguyên tử carbon bất đối giống nhau: Acid tatric

HOOC*CH(OH)*CH(OH)COOH

O

COOH C C COOH

COOH C C COOH

O

O

(I) và (II) là 2 đối quang vì chúng đối xứng với nhau như ảnh của nhau trong gương và không chồng khít lên nhau được (I) và (II) là hỗn hợp racemic

Ngược lại (III) và (IV) là đối xứng nhau nhưng chúng chồng khít lên nhau được khi quay một trong hai dạng đó 1800 trong mặt phẳng Hai dạng này đồng nhất với nhau (dạng meso) và không hoạt quang Dạng meso không thể phân thành các đối

quang được Acid meso tartric là đồng phân không đối quang của acid (-)- tartric và acid (+)- tartric

* Hợp chất có 2 nguyên tử carbon bất đối khác nhau

Xét phân tử 2, 3, 4- trihydroxybutanal, người ta thường gọi là erythrose và threose

Hai đối quang erythrose Hai đối quang threose

2, 3, 4- trihydroxybutanal có 2nguyên tử carbon bất đối khác nhau (I) và (II) là những erythrose (một chất là tả tuyền, chất kia là hữu tuyền) (I) và (II) là hỗn hợp racemic

(III) và (IV) là những threose (một chất là hữu tuyền, chất kia là tả tuyền), (III)

và (IV) là hỗn hợp racemic

Quan hệ giữa (I) và (III), (I) và (IV), (II) và (III), (II) và (IV) là những đồng phân quang học không đối quang, chúng không phải là cặp đối quang

Các thuật ngữ erythrose và threose không đoán trước cấu hình tuyệt đối của C*

được khảo sát Erythrose: Hai nhóm thế giống nhau ở cùng bên liên kết giữa 2 trung tâm bất đối Threose: Hai nhóm thế đó ở khác bên liên kết giữa 2 trung tâm bất đối

c Các chất hoạt quang không chứa nguyên tử carbon bất đối

Nhiều hợp chất không chứa carbon bất đối xứng nhưng vẫn có hiện tượng đồng phân quang học Điều kiện để có đồng phân loại này là do sự cản quay

* Các dẫn xuất alen và vòng xoắn (spiran)

Alen có công thức H2C= C= CH2, 2 nhóm CH2 ở hai đầu nằm trên hai mặt phẳng vuông góc với nhau do sự cứng nhắc và vị trí cố định trong không gian của hệ liên kết đôi tụ tập

VD:1,5- diamino spiroheptan hydroclorid đã được tách ra thành các đối quang có

Các nhóm thế NH2 nằm ở 2 mặt phẳng khác nhau nên phân tử có cấu tạo bất đối

và tồn tại dưới 2 dạng đối quang

* Các diphenyl hoạt quang

Nhờ đo mômen lưỡng cực và phân tích nhiễu xạ tia X, người ta biết các vòng benzen của diphenyl có trục chung Vì vậy acid o, o’- dinitrodiphenic có thể tồn tại dưới các dạng đồng phân quang học bền vững Các vòng benzen nằm trên 2 mặt phẳng khác nhau, các nhóm thế có kích thước lớn làm cản trở sự quay tự do xung quanh liên kết C- C nối 2 vòng, phân tử trở nên bất đối xứng bền vững và không chồng khít với ảnh của nó trong gương Vì vậy chúng thể hiện tính quang hoạt

d Tách các đối quang từ hỗn hợp racemic

Vì các tính chất vật lý của các đối quang là giống nhau, việc tách chúng bằng các phương pháp vật lý như kết tinh hoặc cất phân đoạn là không được Các đối quang chỉ được phân biệt khi có mặt một chất hoạt quang khác Đây là cơ sở để tách các đối quang

* Tách các đối quang bằng phương pháp kết tinh (ít dùng)

Khi tiến hành kết tinh chậm một hỗn hợp racemic thì các đối quang (+) và (-) có thể tách ra dưới dạng tinh thể

Pasteur đã dùng kính lúp và cái kẹp để gắp riêng các đối quang của hỗn hợp () amino natri tartrat Hai loại tinh thể này giống nhau như vật và ảnh trong gương, sau

đó dùng acid mạnh để chuyển thành các đối quang của acid tatric Phương pháp này chỉ áp dụng trong một số ít trường hợp

* Tách đối quang bằng phương pháp sinh học

Một số vi sinh vật có thể đồng hoá một trong hai đối quang của hõn hợp racemic và để lai đối quang kia

Ví dụ: Khi cấy nấm Penicilinum glaucum vào acid tartric racemic, đối quang (+) sẽ được tiêu thụ và để lại (-)- tartric hầu như nguyên chất

Ví dụ khác: Men bia tác dụng lên fructose racemic và đồng phân hoá đối quang

tả tuyền, còn đối quang hữu tuyền được phân lập

* Tách đối quang bằng phương pháp sắc ký

Người ta cho dung dịch hỗn hợp racemic đi qua chất hấp phụ hoạt quang thì một trong hai đối quang có thể bị hấp phụ mạnh hơn đối quang kia Nếu xảy ra sự hấp phụ chọn lọc như vậy, ta tiến hành phản hấp phụ và phân lập được một trong hai đối quang ra khỏi hỗn hợp racemic Phương pháp này được áp dụng trong một số trường hợp

* Tách đối quang từ hốn hợp racemic bằng cách tác dụng với một tác nhân hoạt quang

Phương pháp này dùng để chuyển hỗn hợp racemic thành một hỗn hợp của 2 đồng phân quang học không đôi quang có tính chất vật lý khác nhau để phân lập

Ví dụ: Để tách các đối quang của một base racemic () B, người ta cho tác dụng với một acid hữu tuyền (+) A sẽ tạo ra muối dưới 2 dạng đồng phân quang học không đối quang

Hai dạng muối này không phải đối quang nên tính chất vật lý khác nhau, có thể tách được bằng phương pháp vật lý như kết tinh phân đoạn Sau đó giải phóng base hoạt quang tinh khiết từ muối của chúng bằng cách cho tác dụng với kiềm

Để tách riêng các đối quang từ base racemic, người ta dùng các acid hoạt quang, ví dụ: Acid (+)- tartric, acid (-)- malic, acid (-)- mandelic và acid (+)- campho-10-sulfonic

Ví dụ: Muốn tách đối quang từ adrenalin racemic (tổng hợp) người ta tiến hành như sau: cho adrenalin racemic tác dụng với acid (+)- tartric tạo ra (+)- tartrat(-)- adrenalin ít tan và kết tinh trước tiên, còn (+)- tartrat(-)- adrenalin còn lại trong dung dịch

e Ý nghĩa thực tế của đồng phân quang học

Các phản ứng sinh học thường có khả năng phân huỷ hoặc tạo nên một đối quang này nhiều hơn đối quang kia Một số lớn các chất hoạt quang có nguồn gốc sinh vật: Các vitamin (acid ascorbic), các hormon (adrenalin), hoặc các chất trung gian trong quá trình chuyển hoá (các amin, các ose) Nhiều hợp chất trong số này có thể thu được bằng con đường tổng hợp nhưng dưới dạng racemic, sau đó phải phân đôi (tách biệt)

Tính chất cảm quan của các đối quang có thể rất khác nhau Ví dụ: asparagin hữu tuyền có vị ngọt, asparagin tả tuyền có vị đắng, trong khi asparagin racemic không

vị

Về mặt dược lý sự khác nhau về hoạt tính giữa các đồng phân rất rõ Ví dụ: adrenalin thiên nhiên (tả tuyền) tác dụng lên thành mạch máu mạnh gấp 15 lần so với adrenalin hữu tuyền

Hyoscyamin thiên nhiên (tả tuyền) có hoạt tính mạnh hơn atropin (racemic) Tuy nhiên long não racemic (tổng hợp) và long não hữu tuyền (thiên nhiên) có tác dụng gần giống nhau lên tim

3 Thế nào là ánh sáng phân cực, mặt phẳng phân cực?

4 Chất hoạt quang là gì? Góc quay mặt phẳng phân cực phụ thuộc vào các yếu

tố nào?

5 Thế nào là cấu hình tương đối, cấu hình tuyệt đối? Ưu điểm của cấu hình tuyệt đối so với cấu hình tương đối?

Chương II HYDROCARBON

MỤC TIÊU

1 Trình bày được cấu tạo, danh pháp, đồng phân, phương pháp điều chế, hóa tính của các hydrocarbon mạch hở

2 Trình bày được danh pháp, đồng phân cyclanic và khái niệm về steroid

3 Trình bày được định nghĩa, phân loại, cấu trúc, hoá tính của các terpen

4 Trình bày được định nghĩa, phân loại, cấu trúc, hoá tính của các hydrocarbon thơm

NỘI DUNG

I HYDROCARBON MẠCH HỞ

- Hidrocarbon là những hợp chất hữu cơ mà phân tử được cấu tạo bởi hai nguyên tố Cacbon và Hydro

- Hidrocarbon có mạch hở được chia làm hai loại

- Hidrocarbon no ( alkan ) chỉ có liên kết đơn trong phân tử

- Hidrocarbon không no có chứa liên kết đôi ( alken ) hoặc liên kết ba ( alkyn )

o

A Dãy đồng đẳng của methan: CH4, C2H6, C3H8,…

2.1.2 Danh pháp

Có 3 cách gọi tên: - Danh pháp thông thường (tên riêng)

- Danh pháp hợp lý

- Danh pháp quốc tế (IUPAC)

2.1.2.1 Danh pháp thông thường

Thường xuất phát từ nguồn gốc của chất

CH3

Tên hợp lý sử dụng thuận lợi với các chất có cấu trúc đơn giản, nhưng không thích hợp với các chất phức tạp

2.1.2.3 Danh pháp quốc tế (IUPAC)

Quy tắc cơ bản của danh pháp IUPAC để gọi tên hydrocarbon no mạch hở (alkan)

a) Tên các alkan không phân nhánh và gốc hoá trị một

Tên chữ số HyLạp tương ứng số carbon trong phân tử [pent -(5), hex-(6), (7) ] + thêm đuôi “an”

b) Tên các alkan phân nhánh được tạo ra như sau:

- Mạch chính là mạch có nhiều mạch nhánh nhất và dài nhất, số 1 dành cho C ở đầu mạch nhánh nhất

- Khi mạch chính chứa 2 nhánh ở vị trí cân đối thì số 1 ở đầu gần nhánh đơn giản hơn

- Khi mạch chính có nhiều mạch nhánh thì các số được đánh theo quy tắc số nhỏ nhất, tức là số được đánh sao cho tổng của chúng trong tên gọi là nhỏ nhất

Số đồng phân alkan tăng nhanh theo số nguyên tử carbon trong phân tử

Alkan có từ 2C trở lên có những cấu dạng khác nhau do sự quay của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử xung quanh liên kết đơn C-C

Nếu phân tử alkan bất đối xứng (có carbon bất đối) thì có đồng phân quang học

2.1.4 Phương pháp điều chế

2.1.4.1 Nguồn gốc thiên nhiên

Nguồn gốc chủ yếu của alkan là khí thiên nhiên và dầu mỏ

Dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp của các hợp chất hữu cơ Trong dầu mỏ, alkan có thể chiếm từ 30% đến 90% Bằng cách cất phân đoạn có thể tách riêng từng phần:

Tiến hành ở nhiệt độ cao, áp suất, và xúc tác Ni, Pt hay Pd:

d) Từ muối của acid carboxylic:

Nung khan muối kiềm của acid carboxylic với NaOH rắn (ở dạng vôi tôi xút):

CH3Cl     Cl2

CH2Cl2     Cl2

CHCl3     Cl2

CCl4 + HCl (Methyl clorid) (Methylen clorid) (Cloroform) (Carbon tetraclorrid)

Khả năng phản ứng của các halogen với alkan giảm từ flo đến Iod, flo phản ứng rất mạnh với alkan, bẻ gãy các liên kết C - C và C - H, gây ra nổ Vì thế không thể tiến hành phản ứng trực tiếp giữa alkan với flo Clo phản ứng với alkan dễ dàng nhất Brom phản ứng tương tự Clo nhưng khó hơn Còn Iod không phản ứng với alkan Khi halogen hóa các alkan có từ 3 nguyên tử cacbon trở lên có thể sinh ra một hỗn hợp dẫn xuất monohalogen đồng phân của nhau

` 106

0 C Br + HBr+Br2

VD:

Tuy nhiên Cyclopropan, Cyclobutan lại tham gia phản ứng cộng mở vòng

VD: + Br2 CCl   4 Br ─ CH2 ─ CH2 ─ CH2 ─ Br Ngoài phản ứng cộng Br2: Cyclopropan, Cyclobutan còn dễ dàng cộng H2, HBr, HCl,

b Thế nitro

Ở nhiệt độ cao (400 - 5000C) alkan phản ứng với acid nitric ở tướng khí tạo thành nitro alkan

RH + HNO3 4250C R-NO2 + H2O Phản ứng thường tạo ra hỗn hợp sản phẩm

Khi đun nóng alkan có mạch ngắn với chất xúc tác (Cr2O3, Cu, Pt, ), ở nhiệt

độ cao (400-5000C) xảy ra phản ứng tách hydro tạo thành hydrocarbon không no

- Cracking xúc tác xảy ra ở nhiệt độ 450 - 5200C và có sự tham gia của chất xúc tác (alumonosilicat chứa 10-15% Al2O3)

2.2 Alken

2.2.1 Cấu tạo

- Hydrocarbon có một nối đôi là alken hay olefin (CnH2n , n2)

- Phân tử alken có một liên kết đôi đó là tập hợp của 1liên kết  và 1 liên kết 

4 3 5

6

m¹ ch nh¸ nh3-methyl-hex-1,4-dien

- Khi có cả 2 liên kết đôi và ba ở mạch chính thì số 1 ở đầu gần liên kết đôi:

CH1 2 = CH - CH2 3 2 - CH CH4 5pent - 1 - en - 4 - in

VD8:

2.2.3 Đồng phân

2.2.3.1 Đồng phân cấu tạo

Đồng phân cấu tạo của alken bao gồm đồng phân do vị trí liên kết đôi và do mạch carbon

VD: C5H10 có 5 đồng phân sau:

2.2.3.2 Đồng phân hình học (cis - trans)

Các alken có từ 4C trở lên có thể có đồng phân hình học

- Điều kiện để alken cũng như các hợp chất có liên kết C=C khác có đồng phân hình học là mỗi carbon mang nối đôi phải liên kết với 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên

tử khác nhau

- Các đồng phân trans: là đồng phân có 2 nhóm thế lớn hơn khác phía nhau

- Các đồng phân cis: là đồng phân có 2 nhóm thế lớn cùng phía (mặt phẳng ngang)

Tuỳ theo tác nhân phản ứng và nhiệt độ mà một sản phẩm nào đó sẽ chiếm tỷ lệ cao hơn

VD: CHCH + 2[Ag(NH3)2]+OH-  AgCCAg + 4NH3 + 2H2O

2.2.4.5 Phản ứng oxy hoá

a Phản ứng oxy hoá hoàn toàn

Đốt cháy trong oxy không khí tạo ra CO2, H2O và toả ra nhiều nhiệt

b Phản ứng oxy hoá không hoàn toàn: Tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau

Dựa vào sản phẩm phản ứng oxy hoá ta xác định đựơc cấu tạo của alken ban đầu

2.2.5 Phương pháp điều chế

2.2.5.1 Cracking dầu mỏ

Đây là phương pháp công nghiệp để điều chế alken

2.2.5.2 Loại nước từ alcol no

Ở nhiệt độ cao và xúc tác thích hợp, alcol mất một phân tử nước tạo ra alken

II HYDROCARBON CYCLANIC

2.1 Định nghĩa: Hydrocarbon cyclanic (cyclan, cycloalkan) là những hydrocarbon no

2.2 Phân loại và danh pháp

Sự phân loại dựa theo số vòng: Các hợp chất 1 vòng, 2 vòng, 3 vòng…Loại nhiều vòng được phân thành các nhóm khác nhau ở liên kết giữa các vòng

VD:

(CH2)n

2.2.1 Cycloalkan 1 vòng

Tên của cycloalkan 1 vòng gồm tiếp đầu ngữ cyclo + tên của alkan có cùng số

nguyên tử carbon

Cyclohexan Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan

Nếu cycloalkan có mạch nhánh thì vị trí nhóm thế trên vòng được đánh số bắt

đầu từ carbon mang nhóm thế đọc trước và theo quy tắc thế nhỏ nhất

b- Khi 2 vòng có 1 nguyên tử carbon chung: Tên của hợp chất gồm tiếp đầu

ngữ spiro và các con số viết trong ngoặc vuông biểu thị số carbon ở mỗi vòng (không

kể nguyên tử carbon chung) và cuối cùng là tên alkan tương ứng với số carbon ở cả 2

vòng

Ví dụ:

Spiro 3,4 octan

c- Khi 2 vòng có 2 nguyên tử carbon chung: Tên của hợp chất gồm tiếp đầu ngữ

bicyclo và các con số xếp theo thứ tự từ lớn đến nhỏ trong ngoặc vuông, biểu thị số

nguyên tử carbon ở mỗi mạch nối 2 nguyên tử carbon chung và cuối cùng là tên alkan

tương ứng với số carbon của 2 vòng

Ví dụ:

CH2

Bicyclo2,2,1 heptan

Bicyclo 4,3,0 nonan

2.3 Đồng phân và cấu dạng của cycloalkan

2.3.1 Cấu tạo và độ bền của cycloalkan

Khi nghiên cứu tính chất hoá học của các cycloalkan người ta nhận thấy:

cyclopropan, cyclobutan kém bền dễ dàng mở vòng khi tham gia các phản ứng cộng

hợp còn các cycloalkan có từ 5C trở lên thì bền vững

Theo Bayer (1885) cho rằng có tồn tại một sức căng ở các vòng cyclo alkan do cấu tạo phẳng và góc  tạo thành giữa các liên kết C- C- C có trị số khác với góc tứ diện thông thường của nguyên tử carbon là 109028’

Cyclohexan Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan

= 600 = 900 = 1080 = 1200

Thuyết sức căng Bayer chỉ đúng một phần, giải thích được tính không bền của vòng nhỏ (3C, 4C), còn các vòng lớn hơn từ 5C đến 30C đã biết thực tế chúng không phẳng Chúng chấp nhận cấu dạng 3 chiều không phẳng làm cho góc hoá trị gần như góc tứ diện, đảm bảo tính bền của chúng Các cycloalkan có vòng lớn (từ 6C trở lên) tồn tại ở nhiều dạng không phẳng khác nhau

Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của cấu dạng của cyclan là:

- Sức căng góc (tạo bởi sự nén hay mở rộng góc hoá trị)

- Sức căng che khuất (tạo bởi sự che khuất các liên kết kề nhau)

- Sức căng lập thể (tạo bởi tương tác đẩy nhau của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử gần nhau)

Tất cả các yếu tố này cùng tác động, xác định độ bền của cấu dạng

2.3.2 Cấu dạng của cyclohexan

Cyclohexan là cycloalkan quan trọng nhất vì nó có trong phân tử của nhiều hợp chất thiên nhiên và nhiều hợp chất thuốc

Vòng cyclohexan không phẳng, có nhiều cấu dạng không có sức căng góc, đặc biệt cấu dạng ghế và cấu dạng thuyền

1

4

5 6

H

H

HH

HH

HH

HH

Cấu dạng ghế của cyclohexan

1

4 5 6

H H

H

H H

H H H

H HH

H

Cấu dạng thuyền của cyclohexan Cấu dạng ghế có 4 carbon đồng phẳng (C2, C3, C5, C6) còn C1 và C4 nằm ở hai phía của mặt phẳng Cấu dạng ghế là bền nhất vì không có sức căng góc và sức căng che khuất (nhìn dọc theo bất kỳ liên kết CC nào thì các liên kết CH ở vị trí đối nhau) Cấu dạng thuyền có 4 carbon đồng phẳng (C2, C3, C5, C6) nhưng C1 và C4 nằm cùng phía trên mặt phẳng đó Cấu dạng thuyền kém bền hơn cấu dạng ghế vì tuy không có sức căng góc nhưng có sức căng che khuất (của cặp H ở C2 và C3, C5 và C6

ở các vị trí che khuất nhau) và do sức căng lập thể (do 2 nguyên tử H ở C1 và C4 ở gần nhau, đẩy nhau)

Ở nhiệt độ phòng hai dạng thuyền và ghế hỗ biến sang nhau với tốc độ nhanh

H H

H H

H H H

H

H H

Do có độ bền hơn, cấu dạng ghế chiếm ưu thế (99% trong hỗn hợp cân bằng) Hầu hết các dẫn chất của cyclo hexan có cấu dạng ghế

Cấu dạng thuyền kém bền dễ dàng biến dạng tạo ra dạng thuyền uốn gọi là

“thuyền bắt chéo”

HH

H

HHH

HHH

- Liên kết trục (liên kết axial, ký hiệu là a) là liên kết có hướng vuông góc với mặt phẳng trung bình của phân tử (mặt phẳng song song và cách đều 2 mặt phẳng

C1C3C5 và C2C4C6) Các liên kết trục đặt luân phiên trên và dưới mặt phẳng đó

- Liên kết vành (liên kết equatorial, ký hiệu là e) là liên kết có hướng gần song song với mặt phẳng trung bình Như thế mỗi nguyên tử carbon có một liên kết trục, một liên kết vành với H (hay nhóm thế)

* Cấu dạng của cyclohexan thế một lần

Methylcyclohexan có thể tồn tại 2 cấu dạng ghế: Một cấu dạng có nhóm methyl hướng trục (a), cấu dạng kia methyl hướng vành (e) Chúng có thể hỗ biến sang nhau

dễ dàng Tuy nhiên cấu dạng CH3(e) bền hơn cấu dạng CH3(a) vì CH3(e) cách xa H3 và

Với những nhóm thế lớn hơn, đặc biệt như nhóm ter butyl thì phân tử chỉ tồn tại

ở dạng có nhóm thế (e)

H3C

H3C

H3 H

Kh«ng hç biÕn

2.3.3 Đồng phân của cyclan

a- Đồng phân cấu tạo

- Đồng phân do thay đổi độ lớn của vòng

Ví dụ: Các đồng phân của cyclan có công thức chung C5H10 là

CH3

CH3

CH3

Methyl cyclobutan

- Đồng phân do thay đổi cấu tạo mạch nhánh và vị trí nhóm thế

Đồng phân cis Đồng phân trans

- Đối với cyclohexan thế 2 lần (xét dạng ghế) phải xét đến hướng trục hay hướng vành của mỗi nhóm thế để xác định phân tử ở dạng cis hay trans

Hãy xét trường hợp sau:

+ Khi thế 1,4- (para) nếu nhóm thế thứ nhất hướng trục (a) nhóm thứ 2 hướng vành (e) hoặc ngược lại thì phân tử ở dạng cis, hai cấu dạng cis (a, e) hay cis (e, a) có thể hỗ biến sang nhau

Nếu 2 nhóm thế đều có hướng trục hoặc đều có hướng vành thì phân tử ở dạng trans

+ Trường hợp thế 1,2 (ortho): Cấu dạng cis hay trans hỗ biến sang nhau được + Trường hợp thế 1,3 (meta): Tương tự cấu dạng cis và trans hỗ biến sang nhau

- Đối với các đồng phân cis 1,2; cis 1,4; trans 1,3 các nhóm thế không đồng nhất (R1 R2) thì ưu thế thuộc về cấu dạng nào có nhóm thế lớn hơn chiếm vị trí hướng vành (e)

a- Đồng phân quang học

Xét trường hợp cyclohexan thế hai lần

- Nếu 2 nhóm thế R1 R2, các dẫn chất thế 1,2; 1,3 đều có 22= 4 đồng phân quang hoạt và 2 hỗn hợp racemic

- Dẫn chất thế 1,4 có mặt phẳng đối xứng đi qua 2 carbon mang 2 nhóm thế nên không hoạt quang

- Nếu 2 nhóm thế giống nhau (R1= R2) các dẫn chất thế 1,2 và 1,3 đều có 2 carbon bất đối nhưng vì 2 nhóm thế giống nhau nên chỉ có dạng trans mới có 2 đồng phân đối quang, còn dạng cis thì không hoạt quang (vì có mặt phẳng đối xứng nội phân tử) Phân tử dạng cis là đồng phân meso

2.4 Khái niệm về steroid

2.4.1 Định nghĩa và cấu tạo

Steroid là dẫn chất của hệ thống 4 vòng ngưng tụ phenantren

cyclopentanopehydro-9 8 10

12 11

7 5

1 2

- Khung steroid được đánh số, các vòng được ký hiệu như hình vẽ

- Các nhóm methyl gắn vào C10 và C13 (18CH3 và 19CH3) gọi là các nhóm methyl

góc và dùng làm điểm qui chiếu cho ký hiệu hoá lập thể

Steroid là một họ chất hữu cơ lớn bao gồm các hợp chất thiên nhiên và bán tổng

hợp chứa khung steroid, thường có hoạt tính sinh học cao

Các steroid được chia thành 5 nhóm nhỏ là: sterol, acid mật, hormon sinh dục,

glycosid trợ tim và saponin

2.4.2 Danh pháp của Steroid

Trong danh pháp hệ thống, bản chất của gốc R ở vị trí 17 xác định tên của

hydrocacbon steroid, đó là tên cơ bản của từng chất steroid

Tên của steroid dựa trên tên của khung hydrocarbon steroid và tuỳ thuộc nhóm

thế có tên tiếp đầu ngữ, tên nhóm chức và tiếp vĩ ngữ

Vị trí nhóm thế được ghi bằng số của nguyên tử carbon mang nhóm thế đó và

có thêm chữ  hay  để chỉ cấu hình

Trường hợp steroid thiếu một nhóm CH3 thì có tiếp đầu ngữ nor-

Ví dụ: nor-steroid là steroid không có nhóm 19CH3

Một số steroid có vòng D là 6 cạnh thì được gọi chung là D-homo-steriod

2.4.3 Các phản ứng hoá học của steroid

Các hợp chất steroid tham gia tất cả các phản ứng của các nhóm chức trong

phân tử như nhóm –OH, nhóm ceton (C=O), liên kết C=C…

Tuy nhiên khả năng phản ứng của các nhóm chức của phân tử steroid phụ thuộc vào tính chất lập thể của phân tử, chịu ảnh hưởng mạnh của sự cản trở không gian ở phía  của phân tử do các nhóm methyl góc Do đó các phản ứng thường ưu tiên khi nhóm chức ở phía  không bị cản trở

* Phản ứng khử hoá

Xét trường hợp dẫn chất của steroid

Nhóm 18CH3 làm giảm khả năng phản ứng của nhóm C=O bên cạnh (C17)

Ví dụ: Khi khử hoá steroid có 2 nhóm C=O ở vị trí 3 và 17, chỉ có nhóm C=O ở vị trí 3 bị khử

17 18

III HYDROCARBON TERPENIC VÀ DẪN CHẤT

2.1 Định nghĩa và phân loại

Hydrocarbon terpenic (terpen) là những hydrocarbon chưa no có công thức chung là (C5H8)n (n= 2, 3, 4, 5, 6 n)

Mặc dù có sự khác nhau bề ngoài về cấu trúc nhưng tất cả các terpen đều có quan hệ họ hàng Theo quy tắc isopren, terpen có thể xem như nảy sinh từ sự “cộng hợp đầu- đuôi” của các đơn vị iso pren (C5H8)

Terpen được phân loại theo số đơn vị isopren có trong phân tử

(C5H8)2= C10H16 Monoterpen (C5H8)3= C15H24 Sesquiterpen

(C5H8)4= C20H32 Diterpen (C5H8)5= C25H40 Sesterpen

Nguồn gốc thiên nhiên: Terpen và terpenoid tồn tại phổ biến trong thiên nhiên, trong tinh dầu tách được từ các bộ phận thực vật (hoa, lá, gỗ )

Để thu được tinh dầu, người ta dùng phương pháp cất kéo với hơi nước hoặc chiết bằng dung môi hữu cơ

2.2 Monoterpen (C 10 H 16 )

Phân tử monoterpen chứa 2 đơn vị isopren, được phân làm 3 loại

- Monoterpen mạch hở

- Monoterpen 1 vòng (với 2 liên kết đôi)

- Monoterpen 2 vòng (với 1 liên kết đôi)

3 3

OH

CH2OH

CHO CHO

Geranial Neral Citronelal

+ Geraniol và nerol là 2 đồng phân hình học Geraniol là dạng trans, có nhiều trong tinh dầu xả, hoa hồng và geranium Nerol là dạng cis, có nhiều trong tinh dầu neroli

+ Citronelol có nguyên tử carbon số 3 bất đối xứng nên có 2 dồng phân quang học Đồng phân hữu tuyền có trong tinh dầu xả, đồng phân tả tuyền có trong tinh dầu hoa hồng, hỗn hợp racemic có trong tinh dầu geranium

+ Linalol là một alcol bậc 3, đồng phân geraniol là nerol Linalol có nguyên tử carbon bất đối xứng nên có 2 đồng phân đối quang Đồng phân tả tuyền có trong tinh dầu mùi, long não còn đồng phân hữu tuyền có trong tinh dầu cam