Chương 1 ` CƠ SỞ LY THUYET CUA ĐỀ TÀI Ll. CƠ SỞ LÝ THUYET CHUYEN NGANH HIDROCACBON NO (Ankan) I. DAY DONG DANG - DONG PHAN L1. Dãy đổng ding: Day đồng đẳng gồm các chất hữu cơ có cấu tạo tương tự nhau, do đó hóa tính cũng tương tự, nhưng thành phần phân tử khác nhau một hay nhiều nhóm metilen CH).
Công thức chung: C,H>,,2 1. Đồng phân mạch cacbon: (đồng phân cấu trúc) Trong dãy đổng đẳng trên bất đầu từ propan có hai loại hidrocacbon không đồng nhất: 6H ở hai nhóm CH;, 2H ở nhóm CH; s* Nếu thế H của nhóm CH; thu được n-butan. % Nếu thế H của nhóm CH), thu được butan mạch nhánh, gọi là isobutan. Isobutan được gọi là đồng phân của n-butan.
Số déng phân tăng nhanh khi số nguyên tử cacbon tăng. CH, -CH; - CH, CH; L1. Đồng phân cấu trạng: Định nghĩa: Đồng phân cấu trạng là những đồng phân không gian (lập thể) do sự quay xung quanh liên kết đơn, các đồng phân này khác nhau về nội năng, ở trạng thái cân bằng động và không thể tách riêng ra được. Trang 3 Khi quay các nhóm metyl trong etan một góc 360 thi phân tử nhận ba lần dạng A và ba lần dạng B.
® Dang A; Các nguyên tử ở cách xa nhau hơn, giảm tương tác nên năng lượng thấp hơn, bén hơn gọi là cấu trang xen kẽ ® Dạng B; Các nguyên tử hidro ở kể nhau tương tác đẩy lớn hơn, nội năng lớn hơn nên kém bền gọi là cấu trạng che khuất. Bậc của nguyên tử cacbon: Trong phân tử chất hữu cơ, người ta phân biệt nguyên tử cacbon bậc |, 2, 3 và 4 tùy theo nó liên kết với bao nhiêu nguyên tử cacbon khác. H-CH; - CH; HạC CH; Cacbon bậc | : Liên kết với 1 cacbon khác. Cacbon bậc 2 : Liên kết với 2 cacbon khác.
Cacbon bậc 3 : Liên kết với 3 cacbon khác. Cacbon bậc 4 : Liên kết với 4 cacbon khác. Tên thông thường: L. Ankan: Có số nguyên tử cacbon là e n=] ->4:Tên mang tính lịch sử.
e n>=5: én ankan= chữ số Hy Lap +A Các tiếp đầu ngữ : n- ; iso ; neo được dùng dé phân biệt các Ankan 4, 5 hay 6 cacbon. + Tiếp đầu ngữ n- dùng chung cho các Ankan mạch thẳng liên tục không phân nhánh. CHạ -CH;- CH;-CHy CH;-CH;- CH) - CH; - CH; - CH; n-butan n-hexan + Iso; Thường dùng cho các Ankan < 6 cacbon có nhóm CH;- gắn trên dây thứ nhì của dây thẳng. CH; DA -CH,-CH,; CH, T - CH; - CH, - CH; Hy Hy Isopentan Isohexan + Tiếp đầu ngữ neo dùng cho Ankan < 5 cacbon có hai nhóm CH; - gắn trên cacbon thứ nhì của dây thẳng Trang 4 Tên của ANKAN FG 7 O yt ctradecan CHỊ, |Heptan |CpHạ|Nonandeean ` CgH„ |Octan |CạmHạ|Eieosan | CaHạ |Nonan |CạHạ | Triacontan | I.
Ankyl: Là nhóm hidrocacbon no, hóa trị I xuất phát từ phân tử Ankan, bớt di một nguyên tử hidro. Do đó nhóm Ankyl có công thức tổng quát là C„H; „. s% C;H; có 2 dạng : CH; -CH; = CH, = CH; 7 lo n-propyl H isopropyl % C,Hycé 4 dang: CH, - CH; - CH; - CH; - CH; sca CH; -CH; - CH - ct. 3 -butyi CH; s-butyl CH CH eno =! isobutyl : ` 11.2, TênIUPAC: Theo dạnh pháp IUPAC : Đối với các ankan mạch thẳng hay phân nhánh đơn giản, tên thông thường với các tiếp đầu ngữ vẫn được chấp nhận :đối với các ankan phân nhánh phức tạp, tên gọi được qui định như sau : 1.
Chọn mạch chính :là mach cacbon dài nhất (nếu 2 mach dai như nhau thì ưu tiên cho mạch có nhiều nhóm thế hơn). Tên mạch chính là tên ankan tương ứng. Đánh số từ 1 đầu mạch chính gần nhánh nhất, để được một bộ các chỉ số là nhỏ nhất, 2. Nhánh: Gọi chung là nhóm ankyl hay nhóm thế (như Halogen, Nitro.
Tên nhánh phải kèm chỉ số trước tên gọi. Trang 5 e Nếu có nhiều nhánh giống nhau, ta dùng các tiếp đầu ngữ: Đi(2), Tri(3), Tetra(4),. để chỉ số lượng nhánh giống nhau đó. e Nếu có nhiều nhánh khác nhau thứ tự sắp xếp thường theo thứ tự mẫu tự.
Tên ankyl: Gồm các nhánh gọi trước, cuối cùng là tên mạch chính. #ˆ Khi viết li ý: e© Dấu phẩy (,) dùng để phân cách giữa các chỉ số. e Dấu nối (-) dùng để phân cách giữa chỉ số và tên nhánh. e Tên nhánh cuối cùng viết liền với tên mạch chính.
Trường hợp các nhánh phức tạp, có nhánh phụ: Tên nhánh phức tạp này cũng dựa trên quy ước như đối với tên mạch chính e Chi gấn vào nguyên tử cacbon gắn vào mạch chính. e Tên nhánh phức tạp đặt trong ngoặc đơn. e© Nếu có nhiều nhánh phức tạp giống nhau người ta dùng các tién tố: Bis (2), Tris (3), Tetrakis (4). CẤU TRÚC LI.
Cô thức n phẳn g g: Trong phân tử ankan, Các cacbon đều lai hóa sp” nên phân tử được biểu diễn bằng đường ziczac và để đơn giản, người ta chỉ biểu diễn mạch cacbon bằng đường ziczac, các nguyên tử cacbon ở các góc, còn hiđro không biểu diễn: n-heptan Các ankan có mạch nhánh cũng biểu diễn tương tự: XCớU uấu 2,2-dimetylheptan 3-etylhexan chi có các nhóm thế khác ngoài hiđrocacbon thì phải ghi rõ, chẳng hạn : A r 3 8 > 2-clo -3-metylbutan 2,2-điclopentan Trang 6 L1. Công thức không gian Những công thức trên được biểu diễn trong một mặt phẳng gọi là công thức phẳng. Cấu trúc không gian của ankan gây ra bởi cấu trúc tứ diện của cacbon (van't Hoff LeBel), được biểu diễn theo hình tứ diện: Hình tứ diện đều nếu 4 nhóm thế giống hệt nhau, lệch nếu các nhóm thế khác nhau. Nguyên tử đỉnh với 4 nhóm thế khác nhau gọi là cacbon bất đối xứng hay là trung tâm không trùng ảnh vật hay trung tâm chiral.
Trung tâm này gây ra tính bất đối xứng hay tính không trùng ảnh vật của phân tử gây ra tính hoạt động quang học của phân tử. Chẳng hạn: H Hạ H ` H ATH H H metan metylmetan 4 trục đối xứng 1 trục đối xứng 6 mặt phẳng đối xứng 3 mặt phẳng đối xứng s.P - H và C- C - H tạo thành do sự xen phủ của orbitan sp” của kếtên © Li C với orbian 1s của H với năng lượng liên kết là 104 kcal/mol: so Cy53 His MQ, Chẳng han sự tạo thành phân tử metan: Trang 7 + “ 4@ - t e— N 8 e s orbitan liên kết C - H của metan e Liên kết C - C tạo thành do sự xen phủ của 2 orbitan lai hóa sp’ của C với năng lượng liên kết là 298 kcal/mol: orbitan sp” độ xen phủ MO, %.Cc Chẳng han, sự tao thành phân tử etan: Sự tạo thành liên kết C - C trong phân tử ctan có thể hình dung bằng sự tương tác của 2 orbitan chứa | electron của 2 gốc etyl để thành MO ơ trong phân tử etan: 1. Các phương pháp giữ nguyên mach cacbon 1.1, Khử các ankyihalogennur R-X: e Dùng HI đặc (80%) với xúc tác P đỏ (pp BERTHELOT.1863) thường khử dẫn xuất iot R-I 8°a§Ạ9 180-200 trong ống kín: E:IE+f:1<EN:H‡E Cách này có thể khử được alcol thành ankan -HạO Pđỏ/t © Dùng hidro dang sinh: (H] có thể được điểu chế từ bột Mg hay bột kẽm Hidracid (như HCl) 2R-X + Zn +2H* —>2R-H + Zn?' +2X © Khử gián tiếp bằng thủy phân hợp chất cơ Ma-nhê RMgX (hợp chất GRINARD) N RX + page te RMgX RMgX + H-OH —> R-H + Mg Phương pháp này hữu hiệu để điều chế ankan khí trong phòng thí nghiệm Trang 8 L. Hidro hóa alken hoặc alkin: Tác nhân là Hạ phân tử với xúc tác bột Ni, Pt hay Pd đun nóng ở 200’ C.
R-CH=CH-R' + Hyp R-CTM CR + _ Tông R-CH;-CH;-R' 1. Khử hợp chất cacbonyl: e© Phương CLEMENSEN: pháp Dun ceton với dung dich HCI vá hỗn hống Zn-Hg trong dung môi benzen, nhóm cacbonyl bị khử hành nhóm metilen, ‘cio o e Phương WOLF-KISHNER: pháp Dun ceton vơi Hdrazin để chuyển thành Hidrazon, rồi đun tiếp với bar mạnh ở 180” C trong nồi hấp. R-X +2Na +X-R eee i + 2NaX Phương pháp này dùng để điểu chế ankan đối xứng có số nguyên tử cacbon tăng gấp đôi so với chất ban đầu “ Hạn chế: pp WURTZ không dùng nếu R-X có thêm nhóm chức khác có nguyên tử Hidro linh động như -OH, -COOH,. vì chúng sẽ nhanh chóng tác dụng với Na.
% Cơ chế của phản ứng WURTZ phức tạp: Đầu tiên có sự tạo thành hợp chất cơ natri, sau đó chất này phản ứng với phân tử R- X thứ nhì tạo thành ankan. “ Khả năng phản ứng của R-X R: bậc 1"> bậc 2°> bậc 3” X:] >Br >Cl I. Tổng hợp KOLBE (1849:Đức) Trang 9 Điện phân dung dịch muối natri Carboxylat sẽ được ankan ở anod. RR + 2co} +2NaOH +H; 1.3, lương n giả x : Nung khan muối natri taerotri với hỗn hợp vôi —XÚt, sẽ được ankan có mạch kém một nguyên tử cacbon so với axit ban đầu.
Phương pháp này thuận lợi để điều chế metan trong phòng thí nghiệm. LY TÍNH Hằng số vật lý của ankan Dẫn điện (20°C) Mean |CH, | 183 | 160 | | [Bian |CH+CH | -172 | 88s | — Prpan |CHr-CHzCH | 187 | 42 | ` nho n-Octan__| [CiiHxEi| 905 [oe | ae ( CH;CH3)-CH | | 126 _|_- 0,570 7_ 3 n-Nonan_| CH3(CHz)-CH; | -54 | 151 | 0,718 _n-Decan |CH;(CH;)CH;| -30 | 174 | 0.730 Trong phân tử ankan các liên kết C-C và C-H là liên kết cộng hóa trị không phân cực, do đó phân tử ankan không hữu cực, các lực tương tác giữ các phân tử không hữu cực với nhau là lực Van Der Waals rất yếu. d của ankan thẳng tăng theo số nguyên tử cacbon. Ở điều kiện thường (25°C, 760 mmHg), các ankan: © C¡—>C, :Chất khí © Cs => C,;:Chất lỏng © Cys: Chất rắn 11.
Điểm sôi (Đ,: Nói chung khi phân tử M tăng, Ð, tăng (do lực Van Der Waals tăng) nhưng hiệu số Ð, giữa hai n-ankan đầu day dé tách khỏi nhau bằng chưng cất phân đoạn hơn các ankan cao.Ngoai trừ các ankan quá thấp, Ð, ankan tăng 20-30” C cho mỗi cacbon tăng thêm vào mạch cacbon. Ankan có độ phân nhánh càng cao. Điểm nóng chảy @,.): ~ Đối với các n-ankan: Có số nguyên tử cacbon chan sẽ có Є. hơi cao hơn n-ankan có số nguyên tử cacbon lẻ.
- Đối với ankan phân nhánh, Ð,. có thấp đi nhưng không thành qui luật Các pack có d theo phân tử lượng M, và biến thiên trong khoảng d=0, 626 (C;H;) đến 0, 769 (C, 5H 2) đều nhỏ <1, Ankan nhẹ hơn nước. Độ tan (S): Trang 11 - Ankan dễ tan trong dung môi không hữu cực như Benzen, Eten, Cloroform. - Ankan không tan trong nước cũng như các dung môi hữu cực khác.