›
›

Giáo trình Hóa học hữu cơ - Chương 4: Alkane - Phan Thanh Sơn Nam

pdf 24 trang huongle 2900
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hóa học hữu cơ - Chương 4: Alkane - Phan Thanh Sơn Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_hoa_hoc_huu_co_chuong_4_alkane_phan_thanh_son_nam.pdf

Nội dung text: Giáo trình Hóa học hữu cơ - Chương 4: Alkane - Phan Thanh Sơn Nam

  1. Hóa HọcHữuCơ TS Phan Thanh SơnNam Bộ môn Kỹ ThuậtHữ uCơ Khoa Kỹ Thu ậ tHóaHọc Trường ĐạiHọc Bách Khoa TP. HCM Điệntho ại: 8647256 ext. 5681 Email: ptsnam@hcmut.edu.vn 1
  2. Chương 4: Alkane I. Giớithiệu chung • Alkane Æ hydrocarbon no mạch hở, nguyên tử carbon Æ lai hóa sp3 • Công thứctổng quát: CnH2n+2 methane • Góc hóa trị 109o5’, liên kết C-H: 1.09Å, C-C: 1.53Å 2 • Đồng phân: cấ utạo, c ng (quay)
  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 L ạpho ặcLatin. Ví dụ: pentane, hexane, heptane, octane (tựđọc) 3
  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 phả iviếtliề nvớitênm ạch chính • Nếu có nhiều nhánh tương đương: dùng tiếp đầu ngữ di -, tri -, tetra - để ch ỉ số lượ ng nhóm tươ ng đươ ng 4
  5. •Nếu có nhiều nhóm thế khác nhau: sắpxếptheo thứ tự alphabetical . Lư uý: 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 t ự v ới các nhóm khác, như ng vẫ n dùng để so sánh gi ữa chúng vớ i nhau. • Ví dụ: dimethyl hoặcmethyl sẽđi sau ethyl hay diethyl •isopropyl đitrướcmethyl •tert-butyl đitrước isobutyl •sec-butyl đitrước tert-butyl 5
  6. • Ví dụ (H viếttắt): C C C C CCC C C C C C C CCC C C C C C C C 4-Ethyl-2,2-dimethylhexane C C C 3,3-Diethyl-5-isopropyl-4-methyloctane C C CCCCCCC C C C C CCC 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
  7. II.3. Tên gốc alkyl • Đượclấy1 H từ alkane, gọi theo tên alkane nhưng đổianeÆ yl • CH3-: methyl • CH -CH -: ethyl 3 2 • CH -CH -CH -: n-propyl 3 2 2 CH3CHCH3 : isopropyl CH3CH2CHCH3 : sec-butyl • (CH3)2CHCH2-: isobutyl 7 • (CH ) C-: tert-butyl 3 3
  8. III. Các phương pháp điềuchế alkane III.1. Khử các dẫnxu ấtcủ a halogen, alcohol, carbonyl: a. Khử bằng HI 80%, 180oC: Pñoû CH3-CH2-OH + HI CH3-CH3 + I2 + H2O P ñoû CH + I CH3I + HI 4 2 b. Khử bằng Zn/HCl (Khử Clemmensen) Zn(Hg)/HCl RCR' R-CH2-R' O 8
  9. III.2. Hydro hóa alkene Ni, Pd, Pt R-CH=CH2 + H2 R-CH2-CH3 o alkene có thể điềuchế từ alcohol (H2SO4/t C) III.3. Thủy phân hợpchấtcơ kim (CH3)2Zn + H2O Æ CH4 + Zn(OH)2 C2H5-MgBr + H2O Æ C2H6 + Mg(OH)Br Điềuchế hợpchấtcơ magnesium (Grignard): Æ C 9 C2H5-Br + Mg/ether khan 2H5-MgBr
  10. III.4. Phản ứng Wurtz CH3CH2Br + Na Æ CH3CH2CH2CH3 + NaBr • Chỉ có hiệuquả khi điềuchế alkane đốixứng: CH3CH2Br + CH3Br Æ CH3CH2CH3 + CH3CH3 + CH 3CH2CH2CH3 Æ khôngcótínhchọnlọc Æ ít sử dụng • Chỉ hiệuquả cho R-Br & R-I •Hiệusuất: bậc 1 (60%) > bậc 2 (40%) > bậc 3 (10%) 10
  11. III.5. Điện phân muốicủa carboxylic acid . . CH3COONa Æ CH3COO Æ CH3 Æ CH3-CH3 III.6. Nhiệt phân muốn natri của carboxylic acid CH3COONa + NaOH Æ CH4 + Na2CO3 IV. Tính chấtvậtlý(tựđọc) • Alkane không phân cực Æ chỉ tan trong dung môi không phân cực to sôi của alkane nhánh < thẳng 11
  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 to R-H + X2 R-X+ HX hν 12
  13. a. Cơ chế phản ứng (gốctự do SR ) • Khơimào: to X-X 2X hν R-H + X R + HX •Truyềnmạch: R + X2 RX + X Phản ứng có thể tiếptục để tạosảnphẩm di-, tri-, tetra- • Ví dụ chlor hóa CH4 có thể thu đượcCH3Cl, CH 2Cl2 , CHCl 3, CCl 4 CH4 + Cl2 Æ CH3Cl + HCl ΔH = -25Kcal/mol 13
  14. • Ngắtmạch: X + X X-X R + R R-R R + X R-X 14
  15. . • Giai đoạntạoCH3 khó hơngiaiđoạntạoCH3Cl Æ giai đoạntạoCH . (hay R. nói chung) sẽ quyết định 3 tốc độ phản ứng chung 15
  16. b. So sánh khả năng thay thế H •H bậc1 & bậc2: 25 oC CH3-CH2-CH3 + Cl2 CH3-CH2-CH2-Cl + CH3-CHCl-CH3 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 16
  17. • H bậc1 & bậc3: o CH CH3 25 C CH3 3 + H CCCH H CCCH + Cl2 H3CCCH2Cl 3 3 3 3 H H hν Cl 64% 36% • Vậntốctương đối khi thay thế H bậc 1: 64 / 9 ~7 •Thay th ế H bậc 2: 36 / 1 ~ 36 Æ tỷ lệ vậntốctương đố i H bậ c1/ 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 o 17 •Lưuý: ở 600 tỷ lệ này là 1/1/1
  18. c. Khả năng phản ứng của dãy halogen F2 > Cl2 > Br2 > I2 F hóa: mãnh liệt, đứtliênkết Æ ít dùng I hóa: rấtkhóxảyra(ΔH = + 13 Kcal/mol), chỉ xảy ra khi loại HI trong quá trình 18
  19. d. Tính chọnlọccủaphản ứng • Phản ứng Br hóa có tốc độ chậmh ơnClhóa như ng có độ ch ọnl ọc cao •Tỷ lệ vậntốctương đố i ở 127 oCcủa Br hóa: bậc 1/bậc 2/bậc 3 = 1/82/1000 o CH CH3 25 C CH3 3 + H CCCH H CCCH + Cl2 H3CCCH2Cl 3 3 3 3 H H hν Cl 64% 36% o CH CH3 127 C CH3 3 + H CCCH H CCCH + Br2 H3CCCH2Br 3 3 3 3 H H hν Br 1% 99% 127 oC CH3-CH2-CH3 + Br2 CH3-CH2-CH2-Br + CH3-CHBr-CH3 19 hν 97%
  20. V.2. Phản ứng nitro hóa alkane R-H + HNO3 Æ R-NO2 + H2O • Phản ứng xảyraở nhiệt độ cao,cơ chế gốctự do • Thường xảyraphản ứng đứtmạch carbon CH3-CH2-CH3 + HNO3 Æ CH3-CH2-CH2-NO2 (25%) + CH3-CHNO 2-CH 3 (40%) + CH3-CH2-NO2 (25%) + CH3-NO2 (10%) 20
  21. V.3. Phản ứng đồng phân hóa • Chuyển các alkane mạch thẳng thành alkane mạch nhánh dư ớitácd ụng củaxúctác ở nhiệ t độ cao • Xúc tác thường dùng: acid Lewis như AlCl3, xúc tác acid trên cơ sở zeolite • Ví dụ: CH3 AlCl3 CH -CH -CH -CH H CCCH 3 2 2 3 to 3 3 H 21
  22. Cơ chế: H HHH C o + t + CH3-CH-CH2-CH3 CH3-C-CH2-CH3 H CC H -HAlCl H HHH C AlCl 3 3 H HAlCl CH3 3 + AlCl H3CCCH3 3 H • Xu hướng: tạo carbocation bềnhơn Æ chuyểnvị 22
  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: 800oC – 1000oC, cracking xúc tác (thường là zeolite): 500oC -600 oC •Sử dụng trong sảnxuất nhiên liệu (không dùng để điềuch ế alkane hay alkene vì không chọnl ọc) 23
  24. V.5. Phản ứng oxy hóa alkane • Alkane bềnvới tác nhân oxy hóa ở nhiệt độ thườ ng • Ở nhiệt độ cao hoặccómặtxúctácÆ có thể ph ản ứng v ới oxygen, KMnO4, K2Cr2O7 Æphản ứng đứtmạch Æ tạo alcohol (ROH), aldehyde (RCHO), ketone (RCOR’), carboxylic acid (RCOOH) • Phản ứng quan trọng: 2CnH2n+2 + (3n + 1)O2 Æ 2nCO 2 + (2n+2) H2O tỏa nhiệt mạnh, -341 kcal/mol Æ alkane được dùng 24 làm nhiên liệu