Bài giảng Hóa hữu cơ Chương I: Ankan

HÓA HỮU CƠ Organic chemistry 1 Giảng viên: ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu trúc phân tử CHƯƠNG I: ANKAN 2 1.3 Danh pháp, đồng phân 1.4 Tính chất vật lý 1.5 Điều chế 1.6 Tính chất hoá học ThS. NguyễnThị Hoài 1.1 Khái niệm
Là hợp chất hidrocacbon no mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết đơn xigma, còn gọi là parafin 3
Công thức tổng quát CnH2n+2 ( n≥1)
Chất đầu tiên và đơn giản nhất là metan ThS. Nguyễn Thị Hoài
Các nguyên tử cacbon trong ankan ở trạng thái lai hoá sp3
Các liên kết định hướng theo kiểu tứ diện 1.2 Cấu trúc phân tử 4
Các góc hoá trị chuẩn là 109o28’
Độ dài liên kết C-C là 1,54 Ao và C-H là 1,09Ao ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3 Danh pháp, đồng phân Bậc cacbon và tên gọi của gốc hidrocacbon
Bậc cabon là số nguyên tử cacbon mà nó liên kết.
Nếu loại 1 H ra khỏi ankan thì ta được gốc ankyl.
Gốc ankyl mạch thẳng như tên ankan tương ứng, thay an = yl Công thức Tên CH3 – metyl CH3CH2 – CH3CH2CH2 – CH3[CH2]2CH2 – CH3[CH2]3CH2 – CH3[CH2]4CH2 – CH3[CH2]5CH2 – CH3[CH2]6CH2 – CH3[CH2]7CH2 – CH3[CH2]8CH2 – etyl propyl butyl pentyl hexyl heptyl octyl nonyl đecyl5 1.3 Danh pháp, đồng phân Bậc cacbon và tên gọi của gốc hidrocacbon
Gốc ankyl mạch nhánh: Nếu loại nguyên tử H ở cacbon bậc 1, 2, 3 thì ta có gốc ankyl bậc 1, 2 và 3 tương ứng. Gốc bậc 2 gọi là sec-, bậc 3 là tert- CH CH CH CH CH CH CH3 CH CH C CH3 6 3 2 3 sec-Butyl Isobutyl tert-Butyl ( sec-Bu) (t-butyl hoaëc t-Bu) 3 2 3 CH3 CH3 CH CH3 CH2 CH2 Isopentyl Neopentyl tert-Pentyl Isoamyl (i-amyl) hoaëc tert-amyl (t-amyl) CH3 C CH3 CH3 CH2 CH3CH2 C CH3 CH3 ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3 Danh pháp, đồng phân 1.3.1 Danh pháp a. Danh pháp thông thường
4 chất đầu mang tên lịch sử
Từ C5 trở lên gọi theo tên hệ thống gồm tiếp đầu ngữ bằng 7 chữ số hylạp + chỉ số nguyên tử cacbon trong phân tử + tiếp vị là an Nếu hợp chất mạch thẳng có thêm tiếp đầu ngữ là n- Nếu có 2 nhóm metyl cuối mạch thêm tiếp đầu ngữ là iso Nếu có 3 nhóm metyl là neo ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3 Danh pháp, đồng phân 1.3.1 Danh pháp a. Danh pháp thông thường CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 n-pentan 8 H3C CH2 CH CH3 CH3 H3C C CH3 CH3 CH3 iso-pentan neo-pentan ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3 Danh pháp, đồng phân b. Danh pháp IUPAC Tên IUPAC = Chỉ số nhóm thế + tên nhóm thế + tên mạch chính + an Chọn mạch chính là mạch cacbon dài nhất, trong trường hợp có hai mạch cabon có cùng số lượng carbon thì chọn mạch 9 chính có nhiều nhóm thế nhất. Đánh số mạch chính để tổng chỉ số của nhóm thế là nhỏ nhất Trong tên gọi, mỗi nhóm thế có một chỉ số chỉ vị trí, nếu các nhóm thế giống nhau thì có thể gộp lại thành đi, tri, tetra… (gọi theo thứ tự a, b, c). ThS. NguyễnThị Hoài CH2 CH CH CH2 CH3 CH3CH3 1 2 3 1.3 Danh pháp, đồng phân CH2 CH CH CH2 CH3 CH34 5 CH3 2,3-dimetylpentan 10 ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3 Danh pháp, đồng phân Ví dụ: CH3 CH CH3 CH CH2CH3 CH2CH2CH3 Teân nhö laø hexan vôùi 2 nhoùm theá Khoâng goïi nhö laø hexan vôùi 1 nhoùm theá CH3 CH CH3 CH CH2CH3 CH2CH2CH3 3-etyl-2-metylhexan 11 CH3 CH CH2 CH3 CH CH2CH2CH3 CH2CH3 1 2 3 4 5 6 7 khoâng ñaùnh soá CH3 CH CH2 CH3 CH CH2CH2CH3 CH2CH3 6 5 4 3 2 1 7 4-etyl-3-metylheptan ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3 Danh pháp, đồng phân
Hãy gọi tên các ankan sau: CH3 CH2 CH2 CH CH2 CH3 CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH3 4-metyloctan CH3 CH3 CH2 CH CH CH2 CH2 CH2 CH3 CH2 CH3 CH CH3 CH3 CH CH2 CH2 CH3 4-etyl-3-metyloctan 3,4-dimetylheptan 12 ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.3.2 Đồng phân: - Nếu không có nguyên tử C bất đối thì chỉ có đồng phân cấu tạo mạch cacbon 1.3 Danh pháp, đồng phân - Nếu có nguyên tử C bất đối thì có đồng phân quang học 13 1.4 Tính chất vật lý (xem giáo trình) 1.5 Phương pháp điều chế (xem giáo trình) ThS. Nguyễn Thị Hoài C-HC-CPhân tử ankan chỉ có các liên kết  Các ankan tương đối trơ về mặt hoá học. Ở nhiệt độ thường Liên kết bền vữngσ 1.6 Tính chất hoá học chúng không phản ứng với acid, baz và chất oxi hoá mạnh (như KMnO4).  Ankan còn có tên là parafin (nghĩa là ít ái lực hoá học).  Dưới tác dụng của ánh sáng, xúc tác và nhiệt, ankan tham gia các phản ứng thế, phản ứng tách và phản ứng oxi hoá. 14 ThS. NguyễnThị Hoài 1.6 Tính chất hoá học 1.6.1. Phản ứng thế a. Halogen hóa b. Phản ứng niro hóa và sunfo hóa 1.6.2. Phản ứng làm đứt liên kết C-C a. Phản ứng đốt cháy và oxi hoá b. Phản ứng dehidro hóavà crăcking 1.6.3. Phản ứng đehidro hoá 1.6.4. Phản ứng đồng phân hóa và phản ứng vòng hóa a. Halogen hóa
Sơ đồ phản ứng R-H + X2 → R-X + HX (ánh sáng hoặc nhiệt độ) 1.6.1. Phản ứng thế 16  Ví dụ clo hoá metan CH4 + Cl2→ CH3Cl + CH2Cl2+ CHCl3 + CCl4 + HCl ThS. Nguyễn Thị Hoài
Cơ chế: thế gốc tự do (SR), có 3 giai đoạn: 1.6.1. Phản ứng thế 17 ThS. Nguyễn Thị Hoài
Khả năng phản ứng Thế H ở cacbon bậc cao cho sản phẩm chính 1.6.1. Phản ứng thế CH3-CH2-CH2CH3 + Cl2 CH3-CHCl-CH2-CH3 + HCl SPchinh CH -CH -CH -CH Cl (spp) 18 3 2 2 2 Flo cho phản ứng phân huỷ là chủ yếu, iôt khả năng phản ứng kém, thực tế thường clo hoá hoặc brom hoá ThS. Nguyễn Thị Hoài b. Phản ứng niro hóa và sunfo hóa
Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ 110-140 oC và áp suất cao, có sản phẩm là nitro của phản ứng cắt mạch. R-H + HNO3 loãng→ R-NO2 + H2O (nhiệt độ cao) 1.6.1. Phản ứng thế 19
Nếu ở nhiệt độ thường sẽ xảy ra phản ứng R-H + H2SO4 đặc→ R-SO3H + H2O (nhiệt độ thường)
Các phản ứng này xảy ra dễ ở nguyên tử cacbon bậc cao, thế ở carbon bậc cao cho sản phẩm chính. ThS. NguyễnThị Hoài 1.6.2. Phản ứng làm đứt liên kết C-C b. Phản ứng oxi hóa − Oxi hoá hoàn toàn: Dùng làm nhiên liệu CnH2n+2 + (3n+1)/2O2→ nCO2 + (n+1) H2O + Q − Oxi hoá không hoàn toàn: Tuỳ điều kiện phản ứng cho 20 sản phẩm khác nhau. CH4 O2 k.k 200 atm, 3000C, Cu 5000C, Ni HCH=O + H2O CO2 + 2H2 C + 2H2O Thiếu không khíThS. Nguyễn Thị Hoài b. Phản ứng dehidro hóa và crăcking − Dehidro hoá: Xúc tác Cr2O3, Cu, Pt… các ankan mạch ngắn bị dehydro hoá C H → C H + H 1.6.2 Phản ứng làm đứt liên kết C-C 21 2 6 2 4 2 CH3-CH2-CH2CH3 → CH3-CH=CH-CH3 (sp chính) + H2 CH3-CH2-CH2CH3→CH2=CH-CH2-CH3 (sp phụ) + H2 CH4 → C + 2H2 (1000 oC) 2CH4 → C2H2 + 3 H2 (1500 oC) ThS. NguyễnThị Hoài b. Phản ứng dehidro hóa và crăcking − Crackinh: tạo hỗn hợp các hydrocacbon mạch ngắn 1.6.2 Phản ứng làm đứt liên kết C-C 22  Nhiệt phân (≥ 650 oC)  Crăckinh xúc tác (≤ 450 oC-500 oC)  Rifocminh: tạo mạch nhánh, hợp chất vòng ThS. Nguyễn Thị Hoài 1.6.3 Phản ứng đồng phân hóa và phản ứng vòng hóa
Ở nhiệt độ cao và có mặt của xúc tác như AlCl3 các ankan có khả năng đồng phân hóa để tạo thành.
Ankan đồng phân có mạch nhánh, có chỉ số octan cao. Ví dụ: 23 CH3-CH2-CH2-CH3 AlCl3 CH CH3 H3C CH3 • Các hợp chất mạch vòng có chỉ số octan đặc biệt cao. • Ví dụ: n-hexan → xiclohexan → benzen + H2 ThS. Nguyễn Thị Hoài