Đại cương hóa học hữu cơ

Nội dung text: Đại cương hóa học hữu cơ

1. CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG HĨA HỌC HỮU CƠ Bài 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I- CƠNG THỨC HĨA HỌC: Khi nĩi đến cơng thức hĩa học của các hợp chất hữu cơ thì phải nĩi cả cơng thức phân tử (CTPT) và cơng thức cấu tạo (CTCT). 1- Cơng thức phân tử: CTPT của một hợp chất cho biết thành phần định tính ( gồm những nguyên tố nào ) và thành phần định lượng ( mỗi nguyên tố bao nhiêu nguyên tử) của chất đĩ. Ví dụ: Cơng thức phân tử của Mê tan là CH4. Mê tan do 2 nguyên tố là C, H cấu tạo nên; phân tử mêtan cĩ 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử H. 2- Cơng thức cấu tạo: CT CT cho biết thành phần định tính, định lượng và trật tự sắp xếp các nguyên tử trong phan tử các hợp chất hữu cơ Ví dụ: Rượu êtylic cĩ cơng thức phân tử là C2H6O CTCT của rượu etylic là: HH H C C O H Hoặc thu gọn: CH3–CH2–OH HH II-MẠCH CACBON: Các nguyên tử cacbon khơng những liên kết được với các nguyên tử của nguyên tố khác mà cịn cĩ thể liên kết nhau tạo thành mạch cacbon. 1) Mạch khơng nhánh: (cịn gọi là mạch thẳng) ví dụ : CH3–CH2–CH2–CH3 n-Butan 2) Mạch nhánh: Ví dụ: CH3–CH–CH3 izo-Butan (2-mêtyl propan) CH3 3) Mạch vịng: (mạch kín) CH2 H2C CH2 (Xiclo hexan) H2C CH2 Lưu ý: Các dạng mạch cac bon khơng khép vịng gọi chung là mạch hở. CH2 5
2. III- ĐỒNG ĐẲNG – ĐỒNG PHÂN: 1) Đồng đẳng : Đồng đẳng là hiện tượng các chất hữu cơ cĩ cấu tạo và tính chất tương tự nhau, nhưng thành phần phân tử khác nhau một hoặc nhiều nhĩm –CH2. Tập hợp những chất đồng đẳng với nhau, gọi là dãy đồng đẳng. Ví dụ : Dãy đồng đẳng của Mêtan: CH4; C2H6; C3H8; C4H10 (TQ: CnH2n + 2) 2) Đồng phân : Đồng phân là hiện tượng các chất cĩ cùng CTPT nhưng cấu tạo khác nhau do đĩ tính chất hĩa học cũng khác nhau. Thí dụ:C 3H8 chỉ cĩ một đồng phân CH3 – CH2 – CH3 C4H10 cĩ hai đồng phân do xuất hiện mạch nhánh: CH3–CH2–CH2–CH3 và CH3–CH–CH3 CH3 n-Butan 2-Metyl propan (izo-butan) Chú ý: Thường nghiên cứu 2 dạng đồng phân chính: - Đồng phân cấu tạo: Do sự khác nhau về mạch cacbon (nhánh hoặc khơng nhánh); sự khác nhau về vị trí của liên kết đơi, ba và các nhĩm định chức Ví dụ: –OH; –COOH; –NH2; –CHO - Đồng phân hình học(học ở cấp 3): Khi 2 nhĩm thế ở cùng phía với mặt phẳng của liên kết đơi thì cĩ đồng phân Cis. Khi 2 nhĩm thế ở khác phía với mặt phẳng thì cĩ đồng phân Trans (Phần này chỉ tham khảo cho biết ) Ví dụ : CH3 CH3 CH3 CH3 C C (Cis -buten -2) và C C (Trans-buten-2) HH HH 6
3. Bài 2: NHẬN DẠNG CẤU TẠO CỦA HIĐROCACBON I- HIĐRO CACBON MẠCH HỞ: CnH2n + 2 CnH2n CnH2n - 2 CnH2n - 2 (n 1) (n 2) (n 2) (n 3) Tên gọi An kan An Ken An Kin An Kađien chung Chỉ cĩ liên kết Cĩ 1 liên kết Cĩ 1liên kết Cĩ 2 liên kết đơi: đơn trong mạch: đơi: ba: Cấu tạo C = C = C (hợp chất no) C = C – C  C – H Ví dụ H H (chất đại HCH C C H–CC–H CH2= C= CH2 diện) H H H * Nhận xét: - Một CTCT dạng mạch hở khi chuyển sang CTCT dạng 1 vịng thì giảm 1 liên kết đơi (ngược lại chuyển CTCT từ mạch vịng sang mạch hở thì tăng 1 liên kết đơi). - Tách 2 nguyên tử H khỏi phân tử hiđro cacbon thì CTCT sẽ xuất hiện vịng hoặc thêm 1 liên kết đơi. - Liên kết đơi C=C gồm 1 liên kết bền () và 1 liên kết kém bền ( ), liên kết ba CC gồm 1 liên kết bền () và 2 liên kết kém bền ( ) - Một hiđro cacbon khơng cĩ vịng và khơng cĩ liên kết gọi là bão hồ (no). Nếu cĩ vịng hoặc liên kết thì là bất bão hồ. Độ bất bão hồ: k = số vịng + số liên kết Một hiđro cacbon cĩ độ bất bão hồ k thì cĩ CTTQ là: CnH2n+2 – 2k II- HIĐROCACBON MẠCH VỊNG: 1) Xiclơ ankan: mạch vịng chỉ tồn liên kết đơn CTTQ : C nH2n (n 3) Các nguyên tử C được sắp xếp trên hình đa giác cĩ số cạnh thường bằng chỉ số của cacbon trong phân tử. Ví dụ: H2C CH2 (Xiclơ propan) CH2 2) Aren (Hiđro cacbon thơm): Các nguyên tử cacbon sắp xếp trên hình lục giác đều: 3 liên kết đơi xen kẽ 3 liên kết đơn ( tạo nên một hệ liên hợp) CTTQ: CnH2n –6 (n 6) Ví dụ: 7
4. CH HC CH Ngồi ra cịn cĩ xiclo anken (vịng cĩ 1 liên kết đơi), xiclo ankin (vịng cĩ 1 liên kết ba) HC CH CH § 3- TÊN GỌI CỦA HIĐRO CACBON I- TÊN GỌI CỦA HIĐROCACBON: 1) Tên Ankan: CnH2n + 2 (n 1) n = 1 CH4 Mêtan n= 6 C6H14 Hec xan n= 2 C2H6 ÊTan n= 7 C7H16 Hep tan n= 3 C3H8 Propan n= 8 C8H18 Oc tan n= 4 C4H10 Bu tan n= 9 C9H20 No nan n= 5 C5H12 Pentan n=10 C10H22 Đê can Nếu an kan cĩ nhánh thì đọc theo qui tắc sau: Tên An Kan = vị trí nhánh (số) + tên nhánh + tên an kan mạch chính Ví dụ: Mạch chính là Bu tan; CH3–CH–CH2–CH3 Nhánh là Mêtyl -CH3 ở vị trí cacbon thứ 2 CH3 tên của hợp chất trên là: 2 Mêtyl-Butan (izo-Pen tan) 2) Tên An ken CnH2n (n 2) Tên AnKen = Tên AnKan biến đổi “an” “ilen” hoặc “en ” Ví dụ: C2H4: Êtilen (tên quốc tế là Êten) C3H6: Propilen (tên quốc tế là Propen) * Các đồng phân do cấu tạo khác nhau được đọc theo qui tắc: Tên Anken = vị trí nhánh (số)+ tên nhánh+ tên anken mạch chính + vị trí của nối đơi 1 2 3 4 CH CH CH CH ví dụ: 3 2 (3-Mêtyl Butilen–1) CH3 * Việc đánh số cacbon trong mạch chính sao cho vị trí nối đơi cĩ STT nhỏ nhất. 3) Tên AnKin: C2H2n – 2 ( n 2 ) 8
5. * Tên thơng thường: Tên Ankin = Tên gốc ankyl (2 bên nối ba) + Axetilen Trong đĩ An kyl là gốc hố trị I tạo thành khi AnKan mất đi 1nguyên tử H (–CH3: Mêtyl; –C2H5: Êtyl ) Ví dụ: CH  CH Axetilen CH  C –CH3 Mêtyl Axetilen CH  C – CH2 –CH3 Êtyl Axetilen * Tên quốc tế: Từ an kan tương ứng đổi đuơi “an” thành “in” 4) Tên của Aren : CnH2n –6 ( n 6) Tên Aren = Tên nhánh Ankyl (nếu cĩ) + Benzen Ví dụ: CH3 Mêtyl Benzen ( hoặc Toluen) Trong cấu tạo trên mỗi đỉnh hình lục giác là 1 nhĩm CH (trừ đỉnh cĩ gắn CH 3 chỉ cĩ 1nguyên tử Cacbon) 5) Tên AnKađien ( cịn gọi là đi anken): CnH2n – 2 (n 3) Tên Ankađien = Như tên của Anken ( biến đổi đuơi “ en” thành “ađien” Ví dụ: 2 chất thuộc dãy Ankađien thường gặp là CH2=CH–CH=CH2 Butađien –1,3 CH2=C–CH=CH2 2- Mêtyl Butađien –1,3 (izo pren) CH3 6) Xiclo ankan (Vịng no): CnH2n (n 3) Tên xiclo ankan = Xiclo + tên ankan tương ứng Ví dụ: H2C CH2 (Xiclo Butan) H2C CH2 II- TÊN DẪN XUẤT CỦA HIĐROCACBON: Tên dẫn xuất = tiền tố ( số nhĩm thế ) + tên Hiđro cacbon tương ứng Nếu mạch nối đơn đọc theo ankan; mạch cĩ 1 nối đơi đọc theo anken ; cĩ 1 nối ba đọc theo an kin Ví dụ:C 2H5Cl : Clorua êtan CHBr = CHBr Đi Brom êtilen C6H5Br Brom benzen CHBr2 – CHBr2 Têtrabrom êtan CHƯƠNG 2 HIĐROCACBON 9
6. Bài 4 TÍNH CHẤT CỦA METAN (CH4) VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG I- TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA ANKAN: C1 C4: là chất khí C5 C17: là chất lỏng C18 trở đi: là chất rắn - khơng tan hoặc rất khĩ tan trong nước (chỉ số của Cacbon trong phân tử càng lớn thì hiđro cacbon càng khĩ tan) II- TÍNH CHẤT HĨA HỌC CỦA METAN VÀ CÁC CHẤT ĐỒNG ĐẲNG: Mê tan và các đồng đẳng của nĩ, do cĩ liên kết đơn trong mạch nên cĩ phản ứng đặc trưng là phản ứng thế bởi Cl2 hoặc Br2. 1) Phản ứng thế Cl2, Br2: Thế vào chỗ H của liên kết C –H Mỗi lần thế, cĩ một nguyên tử H bị thay thế bằng một nguyên tử Cl. Các nguyên tử H lần lượt bị thay thay thế hết. a.s.k.t CH4 + Cl2  CH3Cl + HCl Mêtyl clorua(Clo Mêtan) a.s.k.t CH3Cl + Cl2  CH2Cl2 + HCl Điclo mêtan (Metylen clorua) a.s.k.t CH2Cl2 + Cl2  CHCl3 + HCl Triclo Mêtan (hay clorofom) a.s.k.t CHCl3 + Cl2  CCl4 + HCl Têtraclo Cacbon 2) Phản ứng oxi hĩa: a) Oxi hĩa hồn tồn cho lửa màu xanh: t0C CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O + Q 3n 1 o Tổng quát: C H O t nCO (n 1)H O n 2n 2 2 2 2 2 n n CO2 n 1 H2O nAnkan = nH O – nCO ; n = hoặc rút ra n 2 2 n n n ankan CO2 B) Oxi hĩa khơng hồn tồn: o CH –CH + O t CH CHO + H O 3 3 2 xt 3 2 Anđêhit axêtic o Tổng quát: C H O t C H CHO H O n 2n 2 2 xt n 1 2n 1 2 c) Cháy trong khí Clo: 10
7. to CH4 + 2Cl2  C + 4HCl 3) Phản ứng phân huỷ do nhiệt: o 2CH t C H + 3H 4 xt 2 2 2 to CH4  C + 2H2 III- ĐIỀU CHẾ MEETAN: 1) Từ nhơm Cacbua: Al4C3 + 12H2O 3CH4 + 4Al(OH)3 2) Từ than đá: Ni.;6000 C C + 2H2  CH4 3) Phương pháp vơi tơi xút: CaO;t0C CH3COONa + NaOH  CH4  + Na2CO3 IV- DÃY ĐỒNG ĐẲNG CỦA MEETAN: (AnKan hay Parafin) 1) Tính chất hĩa học: Những hợp chất cĩ dạng C nH2n + 2 đều cĩ tính chất tương tự như Mêtan. Mặt khác từ C3 trở đi cĩ thêm phản ứng Crăcking ( bẻ gãy mạch do nhiệt) Crac.king CnH2n + 2  CxH2x + 2 + CyH2y (trong đĩ x + y = n) Cracking Ví dụ: C3H8  CH4 + C2H4 2) Điều chế: a) Từ muối cĩ chứa gốc Ankyl tương ứng: CaO;t0C CnH2n + 1 COONa + NaOH  CnH2n + 2 + Na2CO3 Ví dụ: CaO;t0C C2H5COONa + NaOH  C2H6 + Na2CO3 b) Cộng H2 vào Anken hoặc Ankin tương ứng: Ni;t0C CnH2n + H2  CnH2n +2 Ni;t0C Hoặc:H 2n - 2 + 2H2  CnH2n +2 Ni;t0C Ví dụ:CH 2 = CH2 + H2  CH3 – CH3 Ê tilen Ê tan c) Phương pháp nối mạch Cacbon: (điều chế những Hiđro Cacbon mạch dài) R –X + 2Na + R’–X  R –R’ + 2NaX 11
8. Trong đĩ X là nguyên tố halogen : Cl, Br R, R’ là các gốc Hiđro Cacbon Ví dụ:CH 3 – Cl + 2Na + Cl–C2H5  CH3 – C2H5 + 2NaCl Mêtyl clorua Êtyl clorua Propan Bài 5: ÊTILEN VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG  I- CẤU TẠO CỦA ETILEN: (C2H4) CH 2 CH2 Phân tử Êtilen cĩ 1 liên kết đơi chứa liên kết kém bền ( liên kết ) nên dễ bị bẻ gãy thành liên kết đơn. Do đĩ phản ứng đặc trưng là phản ứng cộng hợp. CH2 = CH2  sau khi bẻ gãy: – CH2 – CH2 – Tác NhÂN tấn cơng (Br2) cộng 2 nguyên tử Br vào đây II- TÍNH CHẤT HĨA HỌC CỦA ETILEN: 1) Phản ứng cháy: cho CO2 và H2O t0 C2H4 + 3O2  2CO2 + 2H2O + Q 3n o Tổng quát: C H O t nCO nH O Q n 2n 2 2 2 2 n 1,5n O2 CO2 2) Phản ứng cộng: (đặc trưng) * Tác chất tham gia phản ứng cộng:Br 2;,Cl2;,H2 một số hợp chất HCl, HBr, HOH dung.dich Ví dụ:CH 2 = CH2 + Br2  CH2Br – CH2Br (1) Đibrom êtan Ni;t0C CH2 = CH2 + H2  CH3 – CH3 (2) Êtan x.t CH2 = CH2 + H – OH  CH3 – CH2OH (3) Rượu Êtylic * Lưu ý: - Phản ứng ( 1) dùng để nhận biết Êtilen do làm mất màu da cam của dung dịch nước Brơm. 12
9. - Dung dịch brom trong phản ứng trên xét cho dung mơi hữu cơ, ví dụ CCl4 Nếu dung mối là nước thì phản ứng rất phức tạp. 3) Làm mất màu dung dịch thuốc tím. Để đơn giản người ta viết gọn thuốc tím thành [O]: KMnO4 CH2 = CH2 + [O] + H2O CH2OH –CH2OH KMnO4 Viết gọn: C2H4 + [O] + H2O  C2H4(OH)2 Êtilen glycol 4) Phản ứng trùng hợp: nCH =CH xt,to (–CH – CH –) 2 2 p  2 2 n Pơly êtilen (PE) * Phản ứng trùng hợp là phản ứng kết hợp nhiều phân tử nhỏ ( monome) thành phân lớn ( polyme). Nĩi chung, những phân tử cĩ liên kết đơi cĩ thể tham gia phản ứng trùng hợp. III- ĐIỀU CHẾ ETILEN: 1) Khử nước từ phân tử rượu tương ứng: 0 H2SO4đđ ; 170 C C2H5OH CH2 = CH2 + H2O 2) Cho Zn tác dụng với các dẫn xuất Halogen: t0 C2H4Br2 + Zn  C2H4 + ZnBr2 3) Từ Ankin tương ứng: Pt CH  CH + H2  CH2 = CH2 t0 4) Dùng nhiệt để tách 1 phân tử H2 khỏi Ankan tương ứng hoặc Crăking. Crac.king C3H8  CH4 + C2H4 IV- DÃY ĐỒNG ĐẲN CỦA ETILEN: Dãy đồng đẳng của Êtilen là tập hợp những Hiđro cacbon mạch hở cĩ cơng thức chung CnH2n . ( Gọi là AnKen hoặc Olefin ) Các đồng đẳng của Êtilen đều cĩ 1 liên kết đơi trong mạch ( khơng no), cĩ tính chất hố học và cách điều chế tương tự như Êtilen. Bài 6: AXETILEN VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG I- CẤU TẠO CỦA AXETILEN: ( C2H2) H– C  C –H 13
10. Liên kết ba cĩ chứa 2 liên kết kém bền nên dễ bị bẻ gãy thành liên kết đơn. Phản ứng đặc trưng là phản ứng cộng hợp. II- TÍNH CHẤT HĨA HỌC CỦA AXETILEN: 1) Phản ứng với Oxi: t0 Oxi hĩa hồn tồn: 2C2H2 + 5O2  4CO2 + 2H2O + Q 3n 1 o C H O t nCO (n 1)H O Q n 2n 2 2 2 2 2 n n n n n H2O CO2 Ankin H2O CO2 nCO n = 2 nAnkin Phản ứng này được ứng dụng trong lĩnh vực hàn cắt kim loại. 2) Phản ứng cộng hợp: H2 ; Br2 ; H2O ; HCl Cơ chế: bẻ gãy liên kết và cộng vào 2 đầu liên kết các nguyên tử hoặc nhĩm nguyên tử hĩa trị I như : -H, -Br, -Cl, - OH * Cộng H2: xảy ra 2 giai đoạn t0 , Ni CH  CH + H2  CH2 = CH2 t0 , Ni CH2= CH2 + H2  CH3 – CH3 Muốn phản ứng dừng lại ở giai đoạn thứ nhất thì phải dùng chất xúc tác là Pd. * Cộng Br2: (làm mất màu dung dịch brơm) CH  CH + Br2  CHBr = CHBr (đi brom êtilen) CHBr = CHBr + Br2  CHBr2 –CHBr2 (tetra brom êtan) * Cộng HCl; x.t CH  CH + HCl CH2 = CHCl Vinyl clorua - Nếu đem trùng hợp Vinyl Clorua thì thu được Poly Vinyl clorua, gọi tắt là PVC. (– CH2 –CHCl –)n * Cộng H2O: o HgSO4 ; 80 C CH  CH + H – OH  CH3 - CHO An đê hit axetic 3) Tác dụng với Ag2O: Cơ chế : thế kim loại vào vị trí của nguyên tử H ở hai đầu liên kết ba dung.dichNH3 CH  CH + Ag2O  Ag – C  C – Ag + H2O Bạc Axetile nua (màu vàng xám) 4) Làm mất màu thuốc tím: CH  CH + 4[O] KMnO4 HOOC – COOH Axit Oxalic 14
11. III- ĐIỀU CHẾ: 1) Từ đá vơi và than đá: 9000 C CaCO3  CaO + CO2 20000 C CaO + 3C  CaC2 + CO Can xi Cacbua Cho CaC2 tác dụng với H2O hoặc một số axit mạnh như : H2SO4, HCl CaC2 + 2H2O C2H2 + Ca(OH)2 CaC2 + H2SO4 C2H2 + CaSO4 2) Từ Mê tan: 1500o C; Làm lạnh nhanh 2CH4  C2H2 + 3H2 3) Từ Axetilen nua kim loại : Ag2C2 ; Cu2C2 Ag2C2 + 2HCl C2H2 + 2AgC1 IV- DÃY ĐỒNG ĐẲNG CỦA AXETILEN: (gọi chung là Ankin) Dãy đồng đẳng của Axetilen gồm những Hiđrocacbon mạch hở cĩ cơng thức chung dạng CnH2n – 2 ( n 2) Vì cĩ liên kết ba trong mạch nên tính chất hĩa học và cách điều chế các đồng đẳng tương tự như Axetilen. - An kin nào cĩ nối ba đầu mạch thì mới tác dụng với Ag2O / dd NH3 15
12. Bài 7 BENZEN VÀ DÃY ĐỒNG ĐẲNG I- CẤU TẠO CỦA BENZEN: (C6H6) Phân tử benzen cĩ mạch vịng 6 cạnh đều nhau, chứa 3 liên kết đơi xen kẽ 3 liên kết đơn (tạo nên một hệ liên hợp). Vì vậy benzen dễ tham gia phản ứng thế và khĩ tham gia phản ứng cộng. CH HC CH Viết gọn: hoặc: HC CH CH Các liên kết là liên kết chung của cả 6 nguyên tử cacbon (Hệ liên hợp) II- TÍNH CHẤT HĨA HỌC CỦA BENZEN: 1) Tác dụng với oxi: Benzen cháy trong khơng khí cho nhiều mụi than (do hàm lượng C trong benzen rất cao) t0C 2C6H6 + 15 O2  12CO2 + 6H2O 2) Tác dụng với Brơm lỏng nguyên chất (Phản ứng thế): bột Fe ;toC C6H6 + Br2  C6H5Br + HBr Brombenzen Hiđrobromua Lưu ý: Benzen khơng làm mất màu da cam của dung dịch Brơm 3) Phản ứng cộng: t0C;Ni * Với H2: C 6H6 + 3H2  C6H12 (xiclohecxan) a.s * Với Cl2:C 6H6 + 3Cl2  C6H6Cl6 (Hecxaclo xiclohecxan) (Thuốc trừ sâu : 666) 4) Phản ứng với HNO3 ( phản ứng Nitro hĩa ): C H –H + HO – NO H2SO4 .đ.đ C H –NO + H O 6 5 2 t0 6 5 2 2 Nitro benzen III- ĐIỀU CHẾ BENZEN: 1) Trùng hợp 3 phân tử axetilen: (tam hợp) xt,6000 C 3C2H2  C6H6 2) Đĩng vịng ankan tương ứng: xt,t0C C6H14  C6H6 + 4H2 (n- hecxan) 16