Hiđrocacbon và dẫn xuất

Phản ứng của ankin và anken

Ankin là hiđrocacbon không no có một liên kết ba C≡C trong phân tử, còn anken có một liên kết đôi C=C. Liên kết π của liên kết bội dễ bị bẻ gãy nên hai loại chất này chủ yếu tham gia phản ứng cộng.

1. Phản ứng cộng vào liên kết bội

• Ankin và anken làm mất màu dung dịch brom. Ankin cộng brom theo tỉ lệ 1 : 1 hoặc 1 : 2, anken cộng theo tỉ lệ 1 : 1. Ví dụ: \mathrm{C_2H_2 + 2Br_2 \to C_2H_2Br_4}. Ankan không làm mất màu dung dịch brom ở điều kiện thường, nên đây là cách nhận biết ankan với ankin hoặc anken.
• Anken cộng nước (hiđrat hóa) có xúc tác \mathrm{H_3PO_4} và nhiệt độ cao, ví dụ \mathrm{C_2H_4 + H_2O \to C_2H_5OH}. Hiđrat hóa là cộng H₂O, khác với hiđro hóa là cộng H₂, với trùng ngưng (kết hợp nhiều monome, thường giải phóng phân tử nhỏ) và với este hóa (giữa axit và ancol).
• Khi hiđro hóa không hoàn toàn ankin hoặc anken (xúc tác Ni, đun nóng), số mol khí giảm bằng số mol H₂ đã phản ứng. Số mol Br₂ tối đa phản ứng với hỗn hợp sau phản ứng bằng tổng số mol liên kết π còn lại (ankin có 2 liên kết π, anken có 1, ankan có 0).

2. Phản ứng thế của ankin đầu mạch

• Ankin có liên kết ba ở đầu mạch (dạng R–C≡CH) có nguyên tử H linh động, được thay thế bằng ion Ag⁺ khi tác dụng với dung dịch AgNO₃ trong NH₃. Sản phẩm là kết tủa vàng nhạt, ví dụ \mathrm{CAg{\equiv}C{-}CH_3} từ propin. Anken, ankan và benzen không có phản ứng này nên đây là dấu hiệu nhận biết ankin đầu mạch.

Đồng phân và công thức phân tử hữu cơ

Công thức phân tử và công thức cấu tạo

• Công thức phân tử cho biết số nguyên tử mỗi nguyên tố trong một phân tử. Công thức cấu tạo cho biết thứ tự liên kết giữa các nguyên tử. Công thức cấu tạo thu gọn viết theo nhóm nguyên tử, ví dụ nhóm –CHO.
• Anđehit fomic có công thức phân tử \mathrm{CH_2O} và công thức cấu tạo thu gọn \mathrm{HCHO}, trong đó nguyên tử C gắn một nguyên tử H và một nhóm –CHO. Cần phân biệt với glioxal \mathrm{OHC{-}CHO} (hai nhóm –CHO), anđehit axetic \mathrm{CH_3CHO} và acrolein \mathrm{CH_2{=}CH{-}CHO} (có liên kết đôi C=C).
• Metan \mathrm{CH_4} là ankan đơn giản nhất, mạch hở, là thành phần chính của khí thiên nhiên. Cần phân biệt với các chất có công thức gần giống: \mathrm{CO_2} là hợp chất vô cơ, \mathrm{C_2H_4} là etilen và \mathrm{C_2H_2} là axetilen (đều là hiđrocacbon không no).

Tính phần trăm khối lượng nguyên tố

• Phần trăm khối lượng của nguyên tố X trong hợp chất là \%X = \dfrac{n \cdot A_X}{M} \times 100\%, với n là số nguyên tử X, A_X là nguyên tử khối và M là phân tử khối. Ví dụ, etanol \mathrm{C_2H_6O} có \%C = \dfrac{24}{46} \times 100\% \approx 52{,}2\%.

Đồng phân

• Đồng phân là các chất có cùng công thức phân tử nhưng khác công thức cấu tạo, tức khác mạch cacbon, khác vị trí liên kết bội hoặc nhóm chức.
• Gốc hiđrocacbon no \mathrm{C_4H_9{-}} có 4 đồng phân: n-butyl, sec-butyl, isobutyl và tert-butyl. Vì vậy anđehit có công thức \mathrm{C_5H_{10}O} (gồm gốc \mathrm{C_4H_9{-}} gắn với nhóm –CHO) có 4 công thức cấu tạo.

Ancol etylic

Etanol có công thức cấu tạo \mathrm{C_2H_5OH} và công thức phân tử \mathrm{C_2H_6O}. Đây là ancol no, đơn chức, mạch hở. Cần phân biệt với các chất khác cùng số nguyên tử C: axit axetic và metyl formiat có công thức \mathrm{C_2H_4O_2}, anđehit axetic có công thức \mathrm{C_2H_4O}, còn etan \mathrm{C_2H_6} không chứa oxi.

Nhận biết nhóm –OH

• Etanol có nhóm hiđroxyl –OH gắn trực tiếp với nguyên tử C no nên là ancol. Các chất không có nhóm –OH gồm metan (hiđrocacbon), metyl axetat (có nhóm –COO– của este) và anđehit axetic (có nhóm –CHO).
• Ancol etylic có thể điều chế bằng cách hiđrat hóa etilen, và phản ứng với Na giải phóng khí H₂.

Phản ứng đốt cháy hiđrocacbon

Phương trình tổng quát

• Đốt cháy hoàn toàn hiđrocacbon \mathrm{C_xH_y} cho \mathrm{CO_2} và \mathrm{H_2O}: \mathrm{C_xH_y + \left(x + \dfrac{y}{4}\right)O_2 \to xCO_2 + \dfrac{y}{2}H_2O}. Số mol O₂ cần đốt 1 mol chất là x + \dfrac{y}{4}.
• Với hỗn hợp, số mol O₂ tiêu thụ là tổng của từng chất. Nếu biết khối lượng mol trung bình (từ tỉ khối), có thể tính tỉ lệ mol các chất bằng quy tắc đường chéo, rồi suy ra số mol và số liên kết π.

Liên kết π và phản ứng với brom

• Hiđrocacbon no không phản ứng với brom trong dung dịch ở điều kiện thường, còn chất có liên kết bội cộng brom. Số mol Br₂ tối đa phản ứng bằng tổng số mol liên kết π (mỗi liên kết π cộng một phân tử Br₂). Như vậy, từ số mol chất đã đốt cháy và số liên kết π của từng chất có thể tìm được số mol Br₂ tác dụng.

Phenol và axit picric

Phenol \mathrm{C_6H_5OH} có nhóm –OH gắn trực tiếp vào nguyên tử C của vòng benzen. Nhóm –OH làm vòng hoạt hóa, nên phenol tham gia phản ứng thế vào vòng dễ hơn benzen, ưu tiên vị trí ortho và para. Phenol có tính axit yếu hơn axit cacbonic.

Axit picric

• Axit picric là 2,4,6-trinitrophenol, có công thức \mathrm{C_6H_2(OH)(NO_2)_3} và khối lượng mol 229 g/mol. Được điều chế từ phenol và \mathrm{HNO_3} đặc với xúc tác \mathrm{H_2SO_4} đặc: \mathrm{C_6H_5OH + 3HNO_3 \to C_6H_2(OH)(NO_2)_3 + 3H_2O}. Tỉ lệ mol phenol : axit picric là 1 : 1.
• Khi tính khối lượng sản phẩm thực tế: m_{\text{thực tế}} = m_{\text{lí thuyết}} \times H\%, trong đó m_{\text{lí thuyết}} tính theo số mol phenol theo phương trình.

Điều chế axit benzoic từ toluene

Phản ứng điều chế

• Nhóm metyl –CH₃ của toluene gắn với vòng benzen bị oxi hóa bởi \mathrm{KMnO_4} trong dung dịch, đun nóng, tạo muối kali benzoat \mathrm{C_6H_5COOK}. Sau đó dùng HCl để axit hóa muối này và thu được axit benzoic \mathrm{C_6H_5COOH}.
• Trong giai đoạn oxi hóa, toluene là chất khử và \mathrm{KMnO_4} là chất oxi hóa.
• Trong giai đoạn axit hóa, anion \mathrm{C_6H_5COO^-} nhận proton H⁺ từ HCl nên là base theo thuyết Brønsted–Lowry.

Hiệu suất và phổ hồng ngoại

• Hiệu suất H\% = \dfrac{m_{\text{thực tế}}}{m_{\text{lí thuyết}}} \times 100\%. Khối lượng lí thuyết tính theo số mol chất ban đầu, theo tỉ lệ mol trong phương trình. Nếu tác nhân dư thì chất ban đầu là chất hạn chế.
• Trên phổ hồng ngoại, liên kết C=O của axit cacboxylic hấp thụ ở vùng 1650–1780 cm⁻¹, còn O–H của axit hấp thụ rộng ở vùng 2500–3300 cm⁻¹. Không nhầm lẫn hai vùng này khi nhận dạng nhóm –COOH.

Khái niệm ancol

Ancol là hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có nhóm hiđroxyl –OH liên kết với nguyên tử cacbon no (chỉ có liên kết đơn, lai hóa sp³). Tùy số nhóm –OH mà có ancol đơn chức (như \mathrm{CH_3OH}) hoặc đa chức (như etylen glicol có hai nhóm –OH).

Phân biệt với các hợp chất có nhóm –OH

• Phenol có nhóm –OH gắn trực tiếp vào vòng benzen, không phải C no, nên không phải ancol.
• Axit cacboxylic có nhóm –COOH, anđehit có nhóm –CHO và xeton có nhóm C=O không chứa nhóm –OH, nên cũng không phải ancol.
• Điều kiện để một chất là ancol là phải có –OH gắn với C no.

Cơ chế phản ứng hữu cơ

Tiểu phân trung gian Phản ứng hữu cơ thường đi qua các tiểu phân trung gian có thời gian sống ngắn:

• Gốc tự do: tiểu phân có electron độc thân trên nguyên tử C.
• Carbocation: ion có nguyên tử C mang điện tích dương (+), thiếu electron, có obitan trống.
• Carbanion: ion có nguyên tử C mang điện tích âm (–), có cặp electron riêng.

Nhận dạng

• Dựa vào dấu điện tích đặt trên nguyên tử C để phân loại. Ví dụ \mathrm{(CH_3)_3C^+}, \mathrm{^+CH_3} và \mathrm{(CH_3)_2{}^+CH} đều là carbocation, còn \mathrm{(CH_3)_2C^-H} là carbanion vì C mang điện tích âm.
• Carbocation bậc càng cao càng bền, vì nhóm alkyl đẩy electron về phía C mang điện tích dương.

Công thức cấu tạo hiđrocacbon

Butan \mathrm{C_4H_{10}} là ankan mạch hở, có công thức chung \mathrm{C_nH_{2n+2}} với n = 4. Mạch thẳng có công thức cấu tạo thu gọn \mathrm{CH_3{-}CH_2{-}CH_2{-}CH_3}.

Phân biệt với các chất có 4 nguyên tử C

• But-1-en \mathrm{CH_2{=}CH{-}CH_2{-}CH_3} có liên kết đôi nên là anken, công thức chung \mathrm{C_nH_{2n}}.
• Butanal \mathrm{C_3H_7CHO} có nhóm –CHO nên là anđehit.
• Propan \mathrm{C_3H_8} chỉ có 3 nguyên tử C.
• Isobutan \mathrm{(CH_3)_3CH} là đồng phân mạch nhánh của butan, cũng có công thức phân tử \mathrm{C_4H_{10}}.