Bài giảng chuyên đề hóa hữu cơ - chuyên đề hidrocarbon

1
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
2
Chuyên đề 2: HIĐROCACBON
Nội dung
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon
2. Phản ứng thế cơ chế gốc (S
R
):
3. Phản ứng cộng hợp ái điện tử A
E
4. Phản ứng thế ái điện tử S
E
5. Phản ứng ozon phân
6. Các phản ứng khác

3
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon

Hidrocacbon: là hợp chất của cacbon với hidro.

Hidrocacbon no: phân tử hidrocacbon chỉ có liên
kết xích ma.

Hidrocacbon không no: phân tử hidrocacbon có
liên kết pi.


Hidrocacbon thơm: là hidrocacbon có chứa nhân
thơm trong phân tử ví dụ nhân benzen …

Các nhóm hidrocacbon tiêu biểu: ankan,
xicloankan, anken, akin, aren.
4
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon
* Ankan:
- Là hidrocacbon no, mạch hở. Công thức chung C
n
H
2n+2
- Phân tử chỉ gồm các liên kết xích ma bền vững do đó các
hidrocacbon rất kém hoạt động và thường được dùng làm dung môi.
- Phân tử không phân cực, nhiệt độ sôi thấp, không tan trong nước,
- Các ankan là thành phần chính của khí thiên nhiên (chủ yếu là
metan, etan và phần nhỏ propan, butan), chủ yếu dùng làm chất đốt.
Các ankan từ 5 đến 17 cacbon là các chất lỏng, sản phẩm từ chưng
cất dầu mỏ. Được dùng làm dung môi, làm nhiên liệu … Các ankan
rắn được dùng làm nến, làm nhựa đường.
- Tính chất hóa học đặc trưng của ankan là phản ứng thế, đặc biệt là
thế halogen.
5
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon
* Xicloankan:
-
Là hidrocacbon no mạch vòng. Công thức chung C
2
H
2n

(n≥3)
- Trong phân tử chỉ gồm các liên kết xích ma. Tuy nhiên vòng 3
và vòng 4 cạnh có sức căng vòng lớn lên kém bền, dễ bị phá
vỡ vòng khi phản ứng cộng với các tác nhân tạo mạch hở. Các
xiclo ankan mạch lớn (từ 5 cacbon trở lên), bền vững như
ankan tương ứng.
6
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon
* Anken:
-
Là hidrocacbon không no, mạch hở, phân tử có một liên kết đôi
C=C. Công thức chung C
2
H
2n
(n≥2)
- Liên kết đôi C=C gồm có 1 liên kết xích ma và một liên kết pi. Liên
kết pi xen phủ biên, kém bền do đó anken dễ tham gia phản ứng
cộng phá vỡ liên kết pi.
- Anken được điều chế trong phòng thí nghiệm bằng phản ứng tách
H
2
O của ancol no hoặc tách HX của dẫn xuất halogen.
-
Trong công nghiệp anken thu được từ phản ứng cracking.
* Ankadien
- Là hidrocacbon không no mạch hở, có 2 liên kết đôi trong phân tử.
Công thức chung C
n
H

2n-2
.
- Ankadien liên hợp là nhóm hợp chất có ứng dụng rộng rãi và quan
trọng. Đặc biệt là Buta-1,3-dien và isopren.
7
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon
* Ankin:
-
Là hidrocacbon không no, mạch hở, phân tử có một liên kết ba
C≡C. Công thức chung C
2
H
2n-2
(n≥2)
- Liên kết đôi C≡C gồm có 1 liên kết xích ma và hai liên kết pi. Liên
kết pi xen phủ biên, kém bền do đó ankin dễ tham gia phản ứng cộng
phá vỡ từng liên kết pi tạo ra sản phẩm cộng tỉ lệ 1:1 hoặc 1:2.
- Axetylen là ankin đồng dãy đồng đẳng thu được bằng phản ứng của
CaC
2
với H
2
O.
Hoặc từ pu: CH
4
CH≡CH + H
2
1500
o
C

8
1. Giới thiệu chung về hidrocacbon
*Aren:
-
Là hidrocacbon thơm, phân tử có chứa nhân thơm, điển hình là
nhân benzen C
6
H
6
.
- Nhân benzen gồm 1 vòng 6 cacbon liên kết với nhau bằng 3 liên kết
đôi và 3 liên kết đơn xen đều nhau tạo thành hệ liên hợp vòng phẳng
bền vững. Do sự liên hợp bền của nhân benzen nên tính chất của
các hợp chất thơm không giống tính chất của anken.
- Các aren thu được như các sản phẩm phụ của quá trình chưng cất
dầu mỏ.
9
+ Là phản ứng đặc trưng của hidrocacbon no
và các gốc hidrocacbon no.
+ Các phản ứng điển hình: Thế halogen (Clo, brom); thế nitro; …
+Cơ chế: 3 giai đoạn: Khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch.
Các giai đoạn của cơ chế gốc: xét pư R-H + X
2
(X: halogen)

2. Phản ứng thế cơ chế gốc (S
R
):
10
cơ chế thế gốc (S

R
):
X X
.
.
2 X
.
.
C H
+
X
C
.
+ HX
+ X
.
+
X
2
C
.
C X
Khơi mào

+
C
.
C
.
C

.
C
C
+ X
.
C X
.
C
2 X
.
X
2
Tắt mạch

Phát triển mạch

11
Phản ứng thế halogen cơ chế gốc

Điều kiện phản ứng:
- Dung môi: không phân cực (thường dùng CCl
4
).
- Chiếu sáng (với clo) và đun nóng (với brom)
- Quy luất thế chính: thế vào nguyên tử H liên kết với nguyên tử
C bậc cao nhất.
Ví dụ: Xét phản ứng của 2-metylpropan với clo.
CH
3
-CH -CH

3
+ Cl
2
CH
3
-C -CH
3
+ HCl
áskt
CH
3
CH
3
Cl
Sản phẩm chính
12
Cơ chế phản ứng 2-metylpropan với clo
Khơi mào: Cl–Cl 2Cl
.
→
as
Phát triển mạch:
CH
3
-CH -CH
3
+ Cl CH
3
-C -CH
3

+ Cl
2
CH
3
CH
3
.
.
CH
3
-C -CH
3
+ Cl
2
CH
3
-C -CH
3
+ Cl
CH
3
CH
3
Cl
.
.
………………….
Tắt mạch: 2Cl
.
→

Cl
2
CH
3
-C -CH
3
+ Cl CH
3
-C -CH
3

CH
3
CH
3
Cl
.
.
CH
3
-C -CH
3
+ CH
3
-C -CH
3
CH
3
-C C -CH

3
.
.
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
CH
3
13
Bài tập áp dụng 1: Cho biết sản phẩm chính và viết cơ
chế của phản ứng khi cho các chất sau phản ứng với khí
clo khi chiếu sáng:
a. 2-metyl butan
b. isopropyl benzen
c. toluen
Cho biết tất cả các sản phẩm phụ có thể có của mỗi
phản ứng.
Các sản phẩm phụ: là sản phẩm thế clo vào nguyên tử H
của cacbon bậc thấp và một lượng nhỏ 2,2,3,3-
tetrametylbutan.
14
Key: Bài tập áp dụng 1:
a. 2-metyl butan

CH
3
-CH-CH
2
-CH
3
CH
3
CH
3
-C-CH
2
-CH
3
CH
3
+
HCl
+Cl
2
/askt
Cl
S¶n phÈm chÝnh
CH
3
-CH-CH-CH
3
CH
3
-CH-CH

2
-CH
2
Cl
CH
3
CH
3
Cl
ClCH
2
-CH-CH
2
-CH
3
CH
3
2-clo-2-metylbutan
1-clo-2-metylbutan
1-clo-3-metylbutan2-clo-3-metylbutan
Các sản phẩm phụ là:
15
Key: Bài tập áp dụng 1:

b. isopropyl benzen
CH
3
-
+
HCl

+Cl
2
/askt
S¶n phÈm chÝnh
CH-CH
3
CH
3
-
CCl-CH
3
Sản phẩm phụ là:
CH
3
-
CH-CH
2
Cl
2-clo-2-phenylpropan
1-clo-2-phenylpropan
16
Key: Bài tập áp dụng 1:
c. toluen
+
HCl
+Cl
2
/askt
CH
3

CH
2
Cl
Sản phẩm phụ có thể có là các dẫn xuất thế hai lần
hoặc ba lần.
17
+ Là phản ứng đặc trưng của hợp chất có liên kết pi
(anken, ankin, ankadien).
+ Điều kiện dung môi: dung môi phân cực.
+ Các phản ứng đặc trưng: cộng H
2
O, Hal
2
, HX (X là
Cl và Br)
+ Cơ chế pư 2 giai đoạn.
Ví dụ xét phản ứng:
3. Phản ứng cộng hợp ái điện tử (A
E
):
18
+ A
+
B
-
δ+
C C
δ−
C C
A

B
Giai đoạn 1: Tác nhân A
+
tấn công vào liên kết pi
Chất pư A
+
B
-
là chất phân cực, hoặc bị phân cực hóa trong dung môi
phân cực
+ A
+
δ+
C C
δ−
C C
A
+
Đặc điểm: giai đoạn này chậm và thuận nghịch.
Giai đoạn 2: cacbocation kết hợp với B
-
Cacbocation
+ B
-
C C
A
C C
A
+
B

Quy luật của pư: Sản phẩm chính của phản ứng tuân theo quy tắc Maccopnhicop

Xét cơ chế A
E
19
Một số ví dụ:
Ví dụ 1: pư của propen với nước
+ H
+
OH
-
δ+
C CH
2
δ−
H C
H
H
Giai đoạn 1: Tác nhân H
+
tấn công vào liên kết pi
Đặc điểm: giai đoạn này chậm và thuận nghịch.
Giai đoạn 2: cacbocation kết hợp với HO
-
+H
+
δ+
CH CH
2
δ−

H C
H
H
CH
3
CH CH
3
+
H
2
SO
4
+HO
-
CH
3
CH CH
3
OH
CH
3
CH CH
3
+
Sản phẩm phụ là sản phẩm trái quy tắc Maccopnhicop CH
2
-CH
2
-CH
2

-OH
Cacbocation
Sản phẩm chính
20
Một số ví dụ:
Ví dụ 2: pư của axetilen với nước
+ H
+
OH
-
CH CH
HgSO
4
80
o
C
CH
3
-CHO
Giai đoạn 1: Tác nhân H
+
tấn công vào liên kết pi
Đặc điểm: giai đoạn này chậm và thuận nghịch.
Giai đoạn 2: cacbocation kết hợp với HO
-
Cacbocation kém bền
+ H
+
CH CH
HgSO

4
80
o
C
CH
2
CH
+
+ ho
-
CH
2
CH
+
CH
2
CH
oh
CH
3
-CHO
chuyÓn vÞ
enol kém bền
21
Note: phản ứng ankin + H
2
O
+ riêng axetylen phản ứng với nước tạo andehit.
C
2

H
2
+ H
2
O → CH
3
CH=O
+ Các ankin khác phản ứng với nước đều cho xeton.
Ví dụ: CH
3
-C≡CH + H
2
O

→ CH
3
-CO-CH
3
Ankin phản ứng với HX, X
2
(X: Cl; Br): có thể cộng với tỉ lệ 1:1
hoặc 1:2
R
1
-C≡C-R
2
+ HCl → R
1
CH=CCl-R
2

(tỉ lệ 1:1)
R
1
-C≡C-R
2
+ 2HCl → R
1
CH
2
-CCl
2
-R
2
(tỉ lệ 1:2)
22
Một số ví dụ:
CH
2
=CH-CH=CH
2
+ H
2
O
CH
2
=CH-CH=CH
2
+
H
+

CH
3
-CH-CH=CH
2
+
CH
3
-CH-CH-CH
2
+
Ví dụ 3: pư của buta-1,3-dien với nước
Giai đoạn 1: Tác nhân H
+
tấn công vào liên kết pi
Giai đoạn 2: cacbocation kết hợp với HO
-
CH
3
-CH-CH-CH
2
+
+ OH
-
CH
3
-CH-CH=CH
2
OH
+ CH
3

-CH=CH-CH
2
OH
Cacbocation
liên hợp
23
Bài tập áp dụng 2: Cho biết sản phẩm chính và viết cơ
chế của phản ứng sau:
a. 2-metyl buten + HCl →
b. isopropen + Br
2
→
c. isopren + Br
2
→
d. isopren + HCl → (tỉ lệ 1:1)
Cho biết tất cả các sản phẩm phụ có thể có của mỗi phản
ứng.
24
Key:Bài tập áp dụng 2:

a. 2-metyl buten + HCl →
S¶n phÈm chÝnh
CH
2
=CH-CH
2
-CH
3
CH

3
+ HCl
CH
3
-CCl-CH-CH
3
CH
3
ClCH
2
-CH-CH
2
-CH
3
CH
3
S¶n phÈm phô
CH
2
=C-CH
3
CH
3
CH
3
+ Br
2
CH
2
Br-CBr-CH

3
b. isopropen + Br
2
→
25
Key: Bài tập áp dụng 2:
c. isopren + Br
2
→
CH
2
=C-CH=CH
2
CH
3
CH
3
+ Br
2
CH
2
Br-CBr-CH=CH
2
CH
2
=C-CH=CH
2
CH
3
CH

3
+ Br
2
CH
2
Br-C=CH-CH
2
Br
1:1
1:1
Céng 1,2
Céng 1,4
CH
2
=C-CH=CH
2
CH
3
CH
3
+ 2Br
2
CH
2
Br-CBr-CHBr-CH
2
Br
1:2
CH
2

=C-CHBr-CH
2
Br
CH
3
Sản phẩm phụ