Bài giảng Chuyên đề Hóa hữu cơ - Chuyên đề 1: Một số vấn đề đại cương hóa hữu cơ - Nguyễn Thị Hiển

BÀI GIẢNG CHUYÊN ĐỀ HÓA HỮU CƠ  Dùng cho các lớp học hè Giảng viên : Nguyễn Thị Hiển Bộ môn Hóa học, khoa Môi trường 1 Chuyên đề 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ ĐẠI CƯƠNG HÓA HỮU CƠ CÁC NỘI DUNG 1 . Đặc điểm của nguyên tử cacbon 2. Liên kết xich ma, liên kết pi 3. Quy tắc gọi tên hợp chất hữu cơ IUPAC 4. Đồng phân trong hóa hữu cơ 5. Các hiệu ứng 2 1. Đặc điểm của nguyên tử cacbon 1.1 Nguyên tử C có hóa trị IV trong các hợp chất hữu cơ Ở trạng thái cơ bản: C 6 1s 2 2s 2 2p 2 có 2 e độc thân Ở trạng thái kích thích: có 4 e độc thân Hóa trị IV: có 4 liên kết được tạo thành giữa nguyên tử C với các nguyên tử khác (C, H, O, N ) + 4 liên kết đơn + Một liên kết đôi, 2 liên kết đơn + Một lk ba, 1 lk đơn + Hai liên kết đôi (hợp chất không bền) 3 Hóa trị của một số nguyên tố trong các hợp chất hữu cơ Hóa trị : 1 4 3 2 Số liên kết Đôi e độc thân 4 1.2 Bậc của nguyên tử Cacbon - Là số liên kết trực tiếp của nguyên tử cacbon với các nguyên tử cacbon khác. - Do vậy: có nguyên tử C bậc 1; 2; 3 và 4. ? Xác định bậc của các nguyên tử C trong hợp chất sau: Bậc 1 3 3 2 2 Quy ước: Nguyên tử C là nhóm chức không cần xác định bậc Hợp chất có 1 nguyên tử C, là bậc 1. Chú ý: Liên kết bội cacbon-cacbon 5 1.3 Nguyên tử cacbon có 3 trạng thái lai hóa: sp, sp 2 , sp 3 * Lai hóa sp 3 (lai hóa tứ diện): + 1AOs + 3AOp = 4AOsp 3 Nguyên tử Csp 3 không còn obitan hóa trị thuần. Hình dạng liên kết: tứ diện Góc liên kết : 109,5 o Ví dụ điển hình: metan 6 1.3 Nguyên tử cacbon có 3 trạng thái lai hóa: sp, sp 2 , sp 3 * Lai hóa sp 2 (lai hóa tam giác): + 1AOs + 2AOp = 3AOsp 2 Nguyên tử Csp 2 còn 1 AOp thuần, nó sẽ xen phủ với 1 AOp khác để tạo liên kết pi Hình dạng liên kết: tam giác đều Góc liên kết : 120 o Ví dụ: phân tử etilen 7 1.3 Nguyên tử cacbon có 3 trạng thái lai hóa: sp, sp 2 , sp 3 * Lai hóa sp (lai hóa đường thẳng): + 1AOs + 1AOp = 2AOsp Nguyên tử Csp 2 còn 2 AOp thuần, nó sẽ xen phủ với 2 AOp khác để tạo 2 liên kết pi Hình dạng liên kết: đường thẳng Góc liên kết : 180 o Ví dụ: axetylen 8 Đặc điểm của obitan lai hóa - Obitan lai hóa chỉ xen phủ để tạo liên kết xích ma. - AO lai hóa có thể xen phủ với nhau, với AOs, AOp.  Dựa vào số liên kết xích ma của C để biết trạng thái lai hóa của C. Csp 3 : C no; Csp 2 ; Csp: C không no. 9 1.4 Nguyên tử có thể liên kết với nhau thành mạch dài, mạch nhánh, mạch vòng Đây là tính chất quan trọng nhất của cacbon, không nguyên tố nào có Vì vậy, hóa hữu cơ là một ngành khoa học chỉ nghiên cứu về các hợp chất của cacbon. 10 2. Liên kết xích ma, liên kết pi Liên kết xích ma,  Liên kết pi,  Tên khác Liên kết trục Liên kết biên Tạo thành Xen phủ giữa AO lai hóa với nhau, với AOs, với AOp; AOs với AOs, AOp; AOp với AOp. Xen phủ giữa AOp thuần với nhau hoặc AOp với AOd. Đặc điểm -Là sự xen phủ trục -Liên kết bền vững -Năng lượng liên kết  C-C khoảng 347Kj/mol -Là sự xen phủ biên -Kém bền hơn liên kết  -Năng lượng liên kết  C-C khoảng 259Kj/mol 11 Hình ảnh cho liên kết xích ma và liên kết pi 12 Tính chất của liên kết  và  Sigma bond (): + axis overlap + stable + single bonds are sigma bonds. Pi bonds ( ) : + boundary overlap + unstable + pi bonds create multiple bonds a double bond: a sigma bond and a pi bond a triple bond: a sigma bond and two pi bonds. The organic compounds containing pi bonds are more active than those only sigma bonds. 13 Tính chất của liên kết  và  Liên kết xích ma (): + xen phủ trục + bền + liên kết đơn là liên kết  Liên kết pi ( ) : + Xen phủ biên + kém bền + Liên kết pi tạo thành các liên kết bội 1 liên kết đôi gồm : 1 lk  và 1 lk  1 liên kết ba gồm : 1 lk  và 2 lk  Hợp chất hữu cơ có liên kết pi hoạt động hơn những hợp chất chỉ có liên kết xích ma, có phản ứng đặc trưng là cộng vào liên kết pi. 14 Bước 1: chọn mạch cacbon : Ưu tiên chọn mạch dài nhất chứa nhóm chức  chứa liên kết bội  chứa nhiều nhóm thế nhất Bước 2: đánh số mạch cacbon : Ưu tiên đánh số từ đầu gần nhóm chức  liên kết bội  nhóm thế nhất Bước 3: Gọi tên hợp chất : tiền tố + tên mạch chính + hậu tố Tiền tố gồm : ( tên cấu hình ) + số chỉ + tên nhánh ( tên gốc hidrocacbon tương ứng) và nhóm thế. Hậu tố gồm : ( số chỉ ) + tên nhóm chức tương ứng 3. Quy tắc gọi tên hợp chất hữu cơ IUPAC 15 BẢNG TÊN MẠCH CHÍNH CỦA HỢP CHẤT CÓ TỪ 1 ĐẾN 10 CACBON VÀ TÊN 1 SỐ NHÓM CHỨC Số Cacbon 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tên mạch chính met et prop but pent hex hept oct non dec Nhóm chức OH CHO C=O COOH -COOR NH 2 Tên nhóm chức ol al on oic oat amin - Hợp chất no : + an ngay sau tên mạch chính. - Hợp chất có lk đôi : +số chỉ C và en ngay sau tên mạch chính. - Hợp chất có lk ba : +số chỉ C và in ngay sau tên mạch chính. 16 Ví dụ : gọi tên hợp chất sau : Bước 1: chọn mạch nằm ngang Bước 2: đánh số mạch cacbon Ưu tiên nhóm chức trước liên kết đôi Bước 3: Gọi tên 5-metylhex-4-en-2-ol 17 BT áp dụng 1: Gọi tên quốc tế của các hợp chất có công thức dưới đây : 18 Đáp án BT áp dụng 1: 19 BT áp dụng 2: cho biết công thức cấu tạo các hợp chất có tên dưới đây : 2-metylbut-2-en 2-brom-3-metylbutan Axit-2-hiđroxipropanoic 1-clo-3-metylbut-2- en 1-clo-2-metylbut-2-en 2-amino-3-metylbutanoic 2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal 20 Đáp án BT áp dụng 2: 2,3,4,5,6-pentahidroxihexanal 2-metylbut-2-en 2-brom-3-metylbutan Axit-2-hiđroxipropanoic 1-clo-3-metylbut-2- en 1-clo-2-metylbut-2-en 2-amino-3-metylbutanoic 21 ( Đối với các hợp chất hữu cơ có tên thông thường phải học thuộc càng nhiều càng tốt ) 22 4. ĐỒNG PHÂN 4.1 Đồng phân cấu tạo : Bao gồm 4 loại đồng phân sau : + Đồng phân mạch cacbon + Đồng phân nhóm chức + Đồng phân vị trí nhóm chức + Đồng phân liên kết ( ít hỏi ) Ví dụ : C 4 H 10 O có 4 đồng phân ancol và 3 đồng phân ete như sau 23 4.1 Đồng phân cấu tạo : Bao gồm 4 loại đồng phân sau : + Đồng phân mạch cacbon : A và C; B và D; E và G + Đồng phân nhóm chức : A và E; C và G, + Đồng phân vị trí nhóm chức : A và B, C và D, + Đồng phân liên kết ( không có ) 24 4.2 Đồng phân không gian a. Đồng phân hình học Xét độ hơn cấp của nhóm thế: dựa vào số hiệu nguyên tử của nguyên tố liên kết trực tiếp với nguyên tử C. Ví dụ: nhóm –OH và nhóm -CH 3 Nguyên tử O có số hiệu là 8, nguyên tử C có số hiệu là 6, như vậy nhóm –OH là nhóm lớn hơn nhóm CH 3 Tương tự nhóm Br > Cl > -SH > -OH > -NH 2 > -CH 3 > H Nếu các nhóm với các nguyên tử đầu tiên giống nhau, sẽ xét đến các nguyên tử liên kết với nguyên tử đó. Ví dụ: nhóm CH 3 và CH 2 CH 3 Nhóm CH 3 , nguyên tử C liên kết với 3 nguyên thử H Nhóm CH 2 CH 3 , xét nguyên tử đầu tiên là C, liên kết với 1 nguyên tử C và 2 nguyên tử H. Ta nói nhóm C 2 H 5 lớn hơn nhóm CH 3 . Tương tự ta có: -CH 2 Cl > -COOH > -CHO > -CH 2 OH > C 2 H 5 > CH 3 25 a. Đồng phân hình học * Danh pháp Cis- trans + Khi 2 nhãm thÕ lín (hoÆc bÐ) giống nhau ë cïng phÝa của liên kết pi , ®ång ph©n cis; ë kh¸c phÝa của liên kết pi , ®ång ph©n trans Điều kiện có đồng phân hình học : + Phân tử có liên kết đôi , vòng no 3; 4 cạnh + Các nhóm thế a  b và d  e (giả sö a > b, d > e) Cis-but-2-en Trans-but-2-en 26 * Danh pháp E-Z + Khi 2 nhóm thế lớn ở cùng phía của liên kết piz, cấu hình Z ở khác phía của liên kết pi , cấu hình E (Z)-pent-2-en (E)-pent-2-en  Như vậy: đồng phân cis còn gọi là Z, trans còn gọi là E Nhưng đồng phân Z chưa chắc là cis và E chưa chắc là trans 27 Ví dụ: xác định cấu hình cis-trans hoặc Z-E: 28 (Z) (E) (Z) cis-; (Z) Trans-; (E) (Z) Trans-; (E) Key: xác định cấu hình cis-trans hoặc Z-E: 29 b. Đồng phân quang học  Điều kiện có đồng phân quang học : Phân tử có nguyên tử cacbon bất đối : abdeC ( a bd e). Cacbon bất đối: Là nguyên tử C liên kết với 4 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau.  Biểu diễn đồng phân quang học bằng công thức Fisơ . Qui tắc : + Mạch C thẳng đứng + C bất đối là trung tâm của dấu cộng . + C có số oxihoa lớn ở phía trên . 30 Ví dụ: Hợp chất Butan-2-ol có C số 2 là cacbon bất đối . ( liên kết với 4 nhóm nguyên tử H OHCH 3 C 2 H 5 ) Biểu diễn bằng công thức Fisơ : * CH 2 CH 3 -2 CH 3 -3 H OH CH 2 CH 3 -2 CH 3 -3 HO H 31  Danh pháp D-L Quy ước : lấy cấu hình của glyxerandehit làm chuẩn để xác định cấu hình của các hợp chất khác . Nguyên tắc : + Biểu diễn hợp chất quang hoạt bằng công thức chiếu Fisơ + Nếu nhóm thế lớn hơn ở bên phải mạch C thì là đồng phân D + Nếu nhóm thế lớn hơn ở bên trái mạch C thì là đồng phân L D- glyxerandehit L- glyxerandehit 2 đồng phân D và L của một chất quang hoạt được gọi là một cặp đối quang . 32 BT áp dụng 3: Các hợp chất dưới đây , hợp chất nào có đồng phân hình học , đồng phân quang học ? Biểu diễn , xác định cấu hình và gọi tên đầy đủ của chúng ? 33 Đáp án BT áp dụng 3: Các đồng phân của (2) Các đồng phân của ( 3) Các hợp chất (1), (2), (3), (5), (7), (8) có 2 đồng phân hình học . Các đồng phân của ( 1) 34 Các đồng phân của ( 7) Các đồng phân của (5) Các đồng phân của (8) 35 Đáp án BT áp dụng 3: Hợp chất (7) và (9) có 1C *  có 2 đồng phân quang họchợp chất (4) và (10) có 2C *  có 4 đồng phân quang học . 4 đồng phân của (4) 36 Đáp án BT áp dụng 3: Hợp chất (7) và (9) có 1C *  có 2 đồng phân quang họchợp chất (4) và (10) có 2C *  có 4 đồng phân quang học . 2 đồng phân của (7) 2 đồng phân của (9) 37 Đáp án BT áp dụng 3: 4 đồng phân của (10) 38 5. Các hiệu ứng 5.1 Hiệu ứng cảm ứng Kí hiệu là I - Xuất hiện khi trong mạch liên kết xichma có nhóm thế hút hoặc đẩy electron. - Các nhóm hút electron gây hiệu ứng cảm ứng âm (- I ) như : - NO 2 , -F, - Cl , -Br, nhóm không no. Nhóm có độ âm điện càng lớn hút electron càng mạnh. Biểu diễn - Các nhóm đẩy electron gây hiệu ứng cảm ứng dương (+ I ) thường là các gốc hidrocacbon no. Gốc hidrocacbon càng lớn, càng phân nhánh đẩy electron càng mạnh. Biểu diễn: X Y 39 5.1 Hiệu ứng cảm ứng - Đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng: Lực cảm ứng yếu và giảm nhanh theo mạch cacbon. Vd: Xét tính axit của các axit: butanoic, 2-clo butanoic, 3-clo butanoic, 4-clo butanoic pKa 99*pKa 6*pKa 2*pKa - Nhóm thế Clo: hút electron, làm tăng tính axit - Khi nhóm thế Cl càng ở xa nhóm axit COOH thì ảnh hưởng giảm đi rất nhanh 40 5.2 Hiệu ứng liên hợp Kí hiệu là C - Xuất hiện khi phân tử chất chứa hệ liên hợp . ( hệ liên kết có liên kết pi ( hoặc đôi electron riêng ) và xichma xen đều nhau) Ví dụ: - Các nhóm hút electron gây hiệu ứng liên hợp âm (- C) như : -NO 2 , -COOH, -CHO, -COOR, -CH=CH 2 , nhóm không no - Các nhóm đẩy electron gây hiệu ứng liên hợp dương (+C) thường là nhóm no có nguyên tử có đôi electron chưa liên kết như : OH, NH 2 , OR, Halogen, 41 Đặc điểm của hiệu ứng liên hợp - Lực liên hợp mạnh và bền, không thay đổi theo mạch liên hợp. - Có những nhóm vừa gây hiệu ứng +C, vừa gây hiệu ứng –C. Điển hình là nhóm vinyl: CH 2 =CH- và nhóm benzyl: C 6 H 5 - 42 5.3 Hiệu ứng siêu liên hợp (là trường hợp đặc biệt của hiệu ứng liên hợp ) - Xuất hiện khi có liên kết H-C no cách liên kết không no một liên kết xichma. - Liên kết C-H no gây hiệu ứng siêu liên hợp dương, kí hiệu là +H - Hiệu ứng siêu liên hợp mạnh hơn hiệu ứng cảm ứng nhưng yếu hơn hiệu ứng liên hợp. - Một nhóm thế có thể gây nhiều hơn một hiệu ứng, ta xét lần lượt : C > H > I . 43 Ý nghĩa của các hiệu ứng: + Các hiệu ứng cùng chiều với chiều phân cực của liên kết, làm tăng tính phân cực liên kết đó. + Các hiệu ứng ngược chiều với chiều phân cực của liên kết, làm giảm tính phân cực liên kết đó. + Các nhóm thế đẩy electron (+I, +C, +H) làm giảm tính axit của axit cacboxylic nhưng làm tăng tính bazơ của các amin. + Các nhóm thế hút electron (-I, -C, -H) làm tăng tính axit của axit cacboxylic nhưng làm giảm tính bazơ của các amin. + Các hiệu ứng giúp xác định chiều phân cực của liên kết từ đó dự đoán hướng phản ứng và khả năng phản ứng của hợp chất hữu cơ. 44 Một số ví dụ: Xét các hiệu ứng trong các phân tử sau: 45 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài 1 : Viết tất cả các đồng phân của các hợp chất có công thức phân tử sau , gọi tên quốc tế của các hợp chất đó : a. C 6 H 12 b. C 4 H 8 O c. C 4 H 8 O 2 d. C 4 H 10 O e. C 4 H 9 Cl g. C 4 H 11 N. 46 Đáp án bài 1: a. C 6 H 12 có 11 đồng phân mạch hở ( trong đó có 3 dp hình học ) và 11 đồng phân vòng . b. C 4 H 8 O có 2 đồng phân andehit , 1 xeton và 6 ancol ( trong đó có 1 dp hình học và 1 đồng phân quang học . c. C 4 H 8 O 2 có 2 đồng phân axit và 4 đồng phân este . d. C 4 H 10 O có 5 đồng phân ancol ( trong đó có 1 dp quang học ) và 3 đồng phân ete . e. C 4 H 9 Cl có 5 đồng phân ancol ( trong đó có 1 dp quang học ) g. C 4 H 11 N. có 9 đồng phân ( trong đó có 5 amin bậc 1, 3 amin bậc 2 và 1 amin bậc 3) ( có 1 dp quang học ). 47 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài 2: Hợp chất hữu cơ X có công thức phân tử là C 5 H 12 O. Biết rằng hợp chất này có khả năng hoạt động quang học. Công thức cấu tạo có thể có của X là gì? Từ công thức cấu tạo hãy biểu diễn hợp chất bằng công thức chiều Fisơ và xác định cấu hình của nguyên tử C bất đối. Đáp án : có 3 công thức cấu tạo phù hợp (2 ancol và 1 ete ). 48 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài 3 : Phân tích các hiệu ứng trong phân tử và so sánh độ linh động của nguyên tử H trong các hợp chất sau: (1): 2-metylpropan-2-ol; (2): phenol; (3): ancol benzylic ; (4): axit benzoic; (5): 2-metylphenol; (6): ancol metanol . 49 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Bài 4: So sánh sự phân cực của liên kết C-O trong các hợp chất sau : (1): CH 3 -OH; (2): CH 3 -CH 2 -OH; (3): CH 3 CH(OH)CH 3 ; (4): (CH 3 ) 3 C-OH 50 Chú ý: Mail: hoahuucorauquatoi@gmail.com Pass: hoahuuco + Lịch học: 7h + Đi học muộn không vào lớp + Bạn nào chưa có điểm thực hành buổi sau đăng kí với cô 51 KIỂM TRA CHUYÊN ĐỀ 1 1. Cho biết công thức cấu tạo của các hợp chất sau : a. But-2-en b. 2-metylbut-2-enoic c. 1,2- ®iclo xiclopropan d. But-2-en®ioic e. Pent- 2-en f. 2- metylbut-2-en g. Vinyl clorua h. Allyl clorua 2. So s¸nh sù ph©n cùc cña liªn kÕt C- Cl giữa c¸c hîp chÊt sau vµ gi¶i thÝch . (1) CH 3 - CH 2 - CH 2 - Cl (2) CH 3 -(CH 3 ) 2 C- Cl (3) CH 3 - CH 2 - Cl (4) C 6 H 5 - Cl (5) CH 3 - (CH 3 )CH- Cl 52