Bài giảng hóa hữu cơ chương 4: alkane

1
Hóa

HọcHữuCơ
TS Phan

Thanh

SơnNam
Bộ

môn

Kỹ

ThuậtHữuCơ
Khoa

Kỹ

ThuậtHóaHọc
Trường

ĐạiHọc

Bách

Khoa

TP. HCM
Điệnthoại: 8647256 ext. 5681

Email:

2
Chương 4:

Alkane
I. Giớithiệu

chung
•

Alkane Æ hydrocarbon no mạch hở, nguyên tử
carbon Æ lai hóa sp
3
• Công

thứctổng

quát: C
n

H
2n+2
• Góc

hóa

trị

109

o
5’, liên

kết

C-H: 1.09Å, C-C: 1.53Å
• Đồng

phân: cấutạo, cấudạng

(quay)
methane

3
II. Danh

pháp

IUPAC
II.1. Alkane

không

phân

nhánh:
• 4 alkane

đầu:

gọitheotênthôngthường
methane, ethane, n-propane, n-butane
• Các

alkane

từ

C5:

dựa

theo

cách

đếmsố

củaHy

LạphoặcLatin.
Ví

dụ: pentane, hexane, heptane, octane…(tựđọc)

4
II. 2. Alkane

phân

nhánh
• Chọnmạch

dài

nhấtlàmmạch

chính
• Đánh

số

sao

cho

mạch

nhánh

có

chỉ

số

nhỏ

nhất
• Dùng

chữ

số

& gạch

(-) để

chỉ

vị

trí

nhánh, nhóm

cuối

cùng

phảiviếtliềnvớitênmạch

chính
• Nếu

có

nhiều

nhánh

tương

đương:

dùng

tiếp

đầu

ngữ

di-, tri-, tetra-

để

chỉ

số

lượng

nhóm

tương

đương

5
•Nếu

có

nhiều

nhóm

thế

khác

nhau:

sắpxếptheo

thứ

tự

alphabetical.

Lưuý: bỏ

qua các

tiếp

đầu

ngữ

di-, tri-, tetra-…

khi

xét

thứ

tự

alphabetical.
•Tuy

nhiên

không

bỏ

qua iso!!!

sec-& tert-

được

bỏ

qua khi

xét

thứ

tự

với

các

nhóm

khác, nhưng

vẫn

dùng

để

so sánh

giữa

chúng

với

nhau.
• Ví

dụ: dimethyl

hoặcmethyl sẽđi

sau

ethyl hay
diethyl
•isopropyl đitrướcmethy
l
•tert-butyl đitrước

isobutyl
•sec-butyl đitrước

tert-butyl

6
• Ví

dụ

(H viếttắt):
CCC C C C
C
C
C

C
4-Ethyl-2,2-dimethylhexane
CCC C C C C C
C
CC
C C
C
C
C
3,3-Diethyl-5-isopropyl-4-methyloctane
CCCCCCC
C
C
C
C
C
5-Ethyl-2,3,5-trimethylheptane
CCC C C C C C
C
C C C
C
C
C
2-methyl-5-(1,2-dimethylpropyl)nonane

7
II.3. Tên

gốc

alkyl
• Đượclấy1 H từ

alkane, gọi

theo

tên

alkane

nhưng

đổianeÆ yl
• CH
3

-: methyl
• CH
3

-CH
2

-: ethyl
• CH
3

-CH
2

-CH
2

-: n-propyl
CH
3
CHCH
3
: isopropyl
CH
3
CH
2
CHCH
3
: sec-butyl
• (CH
3

)
2

CHCH
2

-: isobutyl
• (CH
3

)
3

C-: tert-butyl

8
III. Các

phương

pháp

điềuchế

alkane
III.1. Khử

các

dẫnxuấtcủa

halogen, alcohol,
carbonyl:
a. Khử

bằng

HI 80%, 180
o
C:

CH
3
I + HI
P
ñ
oû
CH
4
+ I
2
CH
3
-CH
2
-OH + HI
Pño
û
CH
3
-CH
3
+ I
2
+ H
2
O
b. Khử

bằng

Zn/HCl
RCR'
O
Zn(Hg)/HCl
R-CH
2
-R'
(Khử

Clemmensen)

9
III.2. Hydro hóa

alkene
R-CH
2
-CH
3
R-CH=CH
2
+ H
2
Ni, Pd, Pt
alkene

có

thể

điềuchế

từ

alcohol (H
2

SO
4

/t
o
C)
III.3. Thủy

phân

hợpchấtcơ

kim
(CH
3

)
2

Zn + H
2

O Æ CH

4
+ Zn(OH)
2
C
2

H
5

-MgBr + H
2

O Æ C
2
H
6
+ Mg(OH)Br
Điềuchế

hợpchấtcơ

magnesium (Grignard):
C
2

H
5

-Br + Mg/ether khan Æ C
2

H
5
-MgBr

10
III.4. Phản

ứng

Wurtz
CH
3

CH
2

Br + Na Æ CH
3
CH
2
CH
2
CH
3
+ NaBr
• Chỉ

có

hiệuquả

khi

điềuchế

alkane

đốixứng:
CH
3

CH
2

Br + CH
3

Br Æ CH
3
CH
2
CH
3
+ CH
3
CH
3
+
CH
3

CH
2
CH
2
CH
3
Æ khôngcótínhchọnlọc Æ ít sử dụng
• Chỉ

hiệuquả

cho

R-Br & R-I
•Hiệusuất: bậc

1 (60%) > bậc

2 (40%) > bậc

3 (10%)

11
III.5. Điện

phân

muốicủa

carboxylic acid

CH
3

COONa Æ CH
3
COO
.
Æ CH
3
.
Æ CH
3
-CH
3
III.6. Nhiệt

phân

muốn

natri

của

carboxylic acid
CH
3

COONa + NaOH Æ CH
4

+ Na
2
CO
3
IV. Tính

chấtvậtlý(tựđọc)
• Alkane

không

phân

cực Æ chỉ tan trong dung môi
không phân cực
t
o
sôi

của

alkane

nhánh

< thẳng

12
V. Tính

chất

hóa

học
• Alkane

trơ Æ khôngcóphản ứng cộng, đặctrưng
là phản ứng thế H
V.1. Phản

ứng

thế

H bằng

halogen
• Chỉ

xảyraở

nhiệt

độ

cao

hoặc

khi

có

ánh

sáng
R-H
R-X HX
+ X
2
t
o
hν
+

13
a. Cơ

chế

phản

ứng

(gốctự

do S
R

)
• Khơimào:
X-X
2X
t
o
hν
•Truyềnmạch:
RX
R-H + X R + HX
R + X
2
+ X
Phản

ứng

có

thể

tiếptục

để

tạosảnphẩm

di-, tri-,
tetra-
• Ví

dụ

chlor

hóa

CH
4

có

thể

thu

đượcCH
3

Cl,
CH
2

Cl
2

, CHCl
3

, CCl

4
CH
4

+ Cl
2
Æ CH
3
Cl + HCl ΔH = -25Kcal/mol

14
X
X
R
R
R
X
R-R
R-X
X-X
+
+
+
• Ngắtmạch:

15
• Giai

đoạntạoCH
3

.
khó

hơngiaiđoạntạoCH
3

Cl Æ
giai đoạntạoCH
3
.
(hay R
.
nói chung) sẽ quyết định
tốc độ phản ứng chung

16
b. So sánh

khả

năng

thay

thế

H
•H bậc1 & bậc2:
CH
3

-CH
2
-CH
3
CH
3
-CH
2
-CH
2
-Cl + CH
3
-CHCl-CH
3
+ Cl
2
25
o
C
hν
45% 55%
Vậntốctương

đối

khi

thay

thế

H bậc

1: 45 / 6 = 7.5
Thay

thế

H bậc

2: 55 / 2 =27.5
Æ tỷ lệ vậntốctương đối H bậc1/ H bậc 2 = 7.5/27.5 ~
¼

17
• H bậc1 & bậc3:
H
3
CCCH
3
CH
3
H
H
3
CC
H
CH
2
Cl

CH
3
H
3
CCCH
3
CH
3
Cl
+ Cl
2
25
o
C
hν
+
64%
36%
• Vậntốctương

đối

khi

thay

thế

H bậc

1: 64 / 9 ~7
•Thay

thế

H bậc

2: 36 / 1 ~ 36
Æ tỷ lệ vậntốctương đối H bậc1/ H bậc 3 = 7/36 ~ 1/5
Æ
Tỷ lệ vậntốctương đốibậc1/bậc 2/bậc 3 = 1/4/5
Æ Ở nhiệt độ thường, khả năng thay thế H ở C bậc3
cao nhất
•Lưuý: ở

600
o
C: tỷ

lệ

này

là

1/1/1

18
c. Khả

năng

phản

ứng

của

dãy

halogen
F
2

> Cl
2

> Br
2

> I
2
F hóa: mãnh

liệt, đứtliênkết Æ ít dùng
I hóa: rấtkhóxảyra(ΔH = + 13 Kcal/mol), chỉ

xảy

ra

khi

loại

HI trong

quá

trình

19
d. Tính

chọnlọccủaphản

ứng
• Phản

ứng

Br hóa

có

tốc

độ

chậmhơnClhóa

nhưng

có

độ

chọnlọc

cao
•Tỷ

lệ

vậntốctương

đối

ở

127
o
Ccủa

Br hóa: bậc

1/bậc 2/bậc 3 = 1/82/1000
H
3
CCCH

3
CH
3
H
H
3
CC
H
CH
2
Cl
CH
3
H
3
CCCH
3
CH
3
Cl
+ Cl
2
25
o
C
hν
+
64%
36%
H

3
CCCH
3
CH
3
H
H
3
CC
H
CH
2
Br
CH
3
H
3
CCCH
3
CH
3
Br
+ Br
2
127
o
C
hν
+
1%

99%
CH
3
-CH
2
-CH
3
CH
3
-CH
2
-CH
2
-Br + CH
3
-CHBr-CH
3
+ Br
2
127
o
C
hν
3% 97%

20
V.2. Phản

ứng

nitro hóa

alkane
R-H + HNO
3
Æ R-NO
2
+ H
2
O
• Phản

ứng

xảyraở

nhiệt

độ

cao,cơ

chế

gốctự

do
• Thường

xảyraphản

ứng

đứtmạch

carbon
CH
3

-CH
2

-CH
3

+ HNO
3
Æ CH
3
-CH
2
-CH
2
-NO
2
(25%) +
CH
3
-CHNO
2

-CH
3
(40%) + CH
3
-CH
2
-NO
2
(25%) +
CH
3
-NO
2
(10%)

21
V.3. Phản

ứng

đồng

phân

hóa
• Chuyển

các

alkane

mạch

thẳng

thành

alkane

mạch

nhánh

dướitácdụng

củaxúctácở

nhiệt

độ

cao
• Xúc

tác

thường

dùng: acid Lewis như

AlCl
3

, xúc

tác

acid trên

cơ

sở

zeolite
• Ví

dụ:
CH
3
-CH
2
-CH
2
-CH
3
AlCl
3
H
3
CCCH

3
CH
3
H
t
o

22
Cơ

chế:
CH
3
-CH-CH
2
-CH
3
H
AlCl
3
HAlCl
3
H
3
CCCH
3
CH
3
H
CH

3
-C-CH
2
-CH
3
H
CC
+
C
C
H
H
HH
H
H
H
HH
t
o
+
+ AlCl
3
-HAlCl
3
• Xu

hướng: tạo

carbocation

bềnhơn Æ chuyểnvị

23
V.4. Phản

ứng

cracking
•Tạoalkanecómạch

carbon ngắnhơndướitác

dụng

của

xúc

tác

& nhiệt

độ
• Kèm

theo

phản

ứng

tách

loại

hydrogen & phản

ứng

đóng

vòng
• Cracking nhiệt: 800
o
C –

1000
o
C,

cracking xúc

tác

(thường

là

zeolite): 500
o

C -600
o
C
•Sử

dụng

trong

sảnxuất

nhiên

liệu

(không

dùng

để

điềuchế

alkane

hay alkene

vì

không

chọnlọc)

24
V.5. Phản

ứng

oxy hóa

alkane
• Alkane

bềnvới

tác

nhân

oxy hóa

ở

nhiệt

độ

thường
• Ở

nhiệt

độ

cao

hoặccómặtxúctácÆ có thể
phản ứng với oxygen, KMnO
4
, K
2
Cr
2
O
7
…
Æphản ứng đứtmạch Æ tạo alcohol (ROH),
aldehyde (RCHO), ketone (RCOR’), carboxylic
acid (RCOOH)…
• Phản

ứng

quan

trọng:
2C
n

H

2n+2

+ (3n + 1)O
2
Æ 2nCO
2
+ (2n+2) H
2
O
tỏa nhiệt mạnh, -341 kcal/mol Æ alkane được dùng
làm nhiên liệu