Bài giảng Hóa học hữu cơ - Chương 4: Alkane

Hóa Học Hữ u Cơ

TS Phan Thanh Sơn Nam

Bộ môn Kỹ Thuật Hữu Cơ

Khoa Kỹ Thuật Hóa Học

Trường Đại Học Bách Khoa TP. HCM

Điện thoại: 8647256 ext. 5681

Email: [email protected]

1

Chương 4: Alkane

I. Giới thiệu chung

• Alkane Æ hydrocarbon no mạch hở, nguyên tử

carbon Æ lai hóa sp³

• Công thức tổng quát: C_nH_2n+2

methane

• Góc hóa trị 109^o5’, liên kết C-H: 1.09Å, C-C: 1.53Å

2

• Đồng phân: cấu tạo, cấu dạng (quay)

II. Danh pháp IUPAC

II.1. Alkane không phân nhánh:

• 4 alkane đầu: gọi theo tên thông thường

methane, ethane, n-propane, n-butane

• Các alkane từ C5: dựa theo cách đếm số của Hy

Lạp hoặc Latin.

Ví dụ: pentane, hexane, heptane, octane…(tự đọc)

3

II. 2. Alkane phân nhánh

• Chọn mạch dài nhất làm mạch chính

• Đánh số sao cho mạch nhánh có chỉ số nhỏ nhất

• Dùng chữ số & gạch (-) để chỉ vị trí nhánh, nhóm

cuối cùng phải viết liền với tên mạch chính

• Nếu có nhiều nhánh tương đương: dùng tiếp đầu

ngữ di-, tri-, tetra- để chỉ số lượng nhóm tương

đương

4

•Nếu có nhiều nhóm thế khác nhau: sắp xếp theo

thứ tự alphabetical. Lưu ý: 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 hoặc methyl sẽ đi sau ethyl hay

diethyl

•isopropyl đi trước methyl

•tert-butyl đi trước isobutyl

•sec-butyl đi trước tert-butyl

5

• Ví dụ (H viết tắt):

C

C C

C C C C C C

C

C C C C C C C C

C

C C

4-Ethyl-2,2-dimethylhexane

3,3-Diethyl-5-isopropyl-4-methyloctane

C

C C C C C C C

C

C C C C C C C C

C

5-Ethyl-2,3,5-trimethylheptane

C C C

C

2-methyl-5-(1,2-dimethylpropyl)nonane

6

II.3. Tên gốc alkyl

• Được lấy 1 H từ alkane, gọi theo tên alkane nhưng

đổi ane Æ yl

• CH₃-: methyl

• CH₃-CH₂-: ethyl

• CH₃-CH₂-CH₂-: n-propyl

CH₃CHCH₃

: isopropyl

CH₃CH₂CHCH₃

: sec-butyl

• (CH₃)₂CHCH₂-: isobutyl

7

• (CH₃)₃C-: tert-butyl

III. Các phương pháp điều chế alkane

III.1. Khử các dẫn xuất của halogen, alcohol,

carbonyl:

a. Khử bằng HI 80%, 180^oC:

P ñoû

CH₃-CH₃+ I₂+ H₂O

CH₃-CH₂-OH + HI

P ñoû

CH₄+ I₂

CH₃I + HI

(Khử Clemmensen)

b. Khử bằng Zn/HCl

Zn(Hg)/HCl

R-CH₂-R'

R C R'

O

8

III.2. Hydro hóa alkene

Ni, Pd, Pt

R-CH=CH₂+ H₂

R-CH₂-CH₃

alkene có thể điều chế từ alcohol (H₂SO₄/t^oC)

III.3. Thủy phân hợp chất cơ kim

(CH₃)₂Zn + H₂O Æ CH₄+ Zn(OH)₂

C₂H₅-MgBr + H₂O Æ C₂H₆+ Mg(OH)Br

Điều chế hợp chất cơ magnesium (Grignard):

C₂H₅-Br + Mg/ether khan Æ C₂H₅-MgBr

9

III.4. Phản ứng Wurtz

CH₃CH₂Br + Na Æ CH₃CH₂CH₂CH₃+ NaBr

• Chỉ có hiệu quả khi điều chế alkane đối xứng:

CH₃CH₂Br + CH₃Br Æ CH₃CH₂CH₃+ CH₃CH₃+

CH₃CH₂CH₂CH₃

Æ không có tính chọn lọc Æ ít sử dụng

• Chỉ hiệu quả cho R-Br & R-I

•Hiệu suất: bậc 1 (60%) > bậc 2 (40%) > bậc 3 (10%)

10

III.5. Điện phân muối của carboxylic acid

.

CH₃COONa Æ CH₃COO^.Æ CH₃Æ CH₃-CH₃

III.6. Nhiệt phân muốn natri của carboxylic acid

CH₃COONa + NaOH Æ CH₄+ Na₂CO₃

IV. Tính chất vật lý (tự đọc)

• Alkane không phân cực Æ chỉ tan trong dung môi

không phân cực

t^osôi của alkane nhánh < thẳng

11

V. Tính chất hóa học

• Alkane trơ Æ không có phản ứng cộng, đặc trưng

là phản ứng thế H

V.1. Phản ứng thế H bằng halogen

• Chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao hoặc khi có ánh sáng

t^o

+

R-X

HX

R-H

+ X₂

hν

12

a. Cơ chế phản ứng (gốc tự do S_R)

• Khơi mào:

t^o

2X

X-X

hν

R-H

+ X

R + HX

RX + X

•Truyền mạch:

R + X₂

Phản ứng có thể tiếp tục để tạo sản phẩm di-, tri-,

tetra-

• Ví dụ chlor hóa CH₄có thể thu được CH₃Cl,

CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄

CH₄+ Cl₂Æ CH₃Cl + HCl ΔH = -25Kcal/mol

13

• Ngắt mạch:

+

X

X-X

R-R

R-X

X

+

R

+

R

X

14

.

• Giai đoạn tạo CH₃khó hơn giai đoạn tạo CH₃Cl Æ

giai đoạn tạo CH₃(hay R^.nói chung) sẽ quyết định

.

tốc độ phản ứng chung

15

b. So sánh khả năng thay thế H

•H bậc 1 & bậc 2:

25 ^oC

CH₃-CH₂-CH₃+ Cl₂

CH₃-CH₂-CH₂-Cl

45%

+ CH₃-CHCl-CH₃

55%

hν

Vận tốc tương đối khi thay thế H bậc 1: 45 / 6 = 7.5

Thay thế H bậc 2: 55 / 2 =27.5

Æ tỷ lệ vận tốc tương đối H bậc 1/ H bậc 2 = 7.5/27.5 ~

¼

16

• H bậc 1 & bậc 3:

CH₃

25 ^oC

CH₃

H₃C C CH₃

H

+ H₃C C CH₃

+ Cl₂

H₃C C CH₂Cl

H

Cl

36%

hν

64%

• Vận tốc tương đối khi thay thế H bậc 1: 64 / 9 ~7

•Thay thế H bậc 2: 36 / 1 ~ 36

Æ tỷ lệ vận tốc tương đối H bậc 1/ H bậc 3 = 7/36 ~ 1/5

Æ Tỷ lệ vận tốc tương đối bậc 1/bậc 2/bậc 3 = 1/4/5

Æ Ở nhiệt độ thường, khả năng thay thế H ở C bậc 3

cao nhất

•Lưu ý: ở 600^oC: tỷ lệ này là 1/1/1

17

c. Khả năng phản ứng của dãy halogen

F₂> Cl₂> Br₂> I₂

F hóa: mãnh liệt, đứt liên kết Æ ít dùng

I hóa: rất khó xảy ra (ΔH = + 13 Kcal/mol), chỉ xảy

ra khi loại HI trong quá trình

18

d. Tính chọn lọc của phản ứng

• Phản ứng Br hóa có tốc độ chậm hơn Cl hóa

nhưng có độ chọn lọc cao

•Tỷ lệ vận tốc tương đối ở 127 ^oC của Br hóa: bậc

1/bậc 2/bậc 3 = 1/82/1000

CH₃

25 ^oC

CH₃

H₃C C CH₃

H

+ H₃C C CH₃

+ Cl₂

H₃C C CH₂Cl

H

Cl

36%

hν

64%

CH₃

127 ^oC

CH₃

H₃C C CH₃

H

+ H₃C C CH₃

+ Br₂

H₃C C CH₂Br

H

Br

99%

hν

1%

127 ^oC

CH₃-CH₂-CH₃+ Br₂

CH₃-CH₂-CH₂-Br

3%

+ CH₃-CHBr-CH₃

19

hν

97%

V.2. Phản ứng nitro hóa alkane

R-H + HNO₃Æ R-NO₂+ H₂O

• Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao,cơ chế gốc tự do

• Thường xảy ra phản ứng đứt mạch carbon

CH₃-CH₂-CH₃+ HNO₃Æ CH₃-CH₂-CH₂-NO₂(25%) +

CH₃-CHNO₂-CH₃(40%) + CH₃-CH₂-NO₂(25%) +

CH₃-NO₂(10%)

20

Bài giảng Hóa học hữu cơ - Chương 4: Alkane - Phan Thanh Sơn Nam