Tài liệu Bài giảng hoá học hữu cơ 1

Y BAN NHÂN DÂN T NH QU NG NGẩI TR NG Đ I H C PH M VĂN Đ NG ---------00--------V NG C M H NG BẨI GI NG HịA H C H U C Qu ng Ngãi, 11/2013 0 1 L IM Đ U Bài giảng Hóa học hữu cơ 1 được biên soạn theo chương trình chi tiết Hóa học hữu cơ 1 của ngành sư phạm, bậc cao đẳng (gọi tắt là CĐSP); chương trình chi tiết của môn học này đã được Bộ môn Hóa học thuộc khoa Cơ bản Trường Đại học Phạm Văn Đồng phát hành. Nội dung cô đọng của bài giảng được chọn lọc từ nhiều giáo trình, tài liệu tham khảo và phù hợp với đối tượng sinh viên CĐSP. Để tạo điều kiện cho sinh viên CĐSP tăng cường việc tự học, tự nghiên cứu, trong mỗi chương của bài giảng có những bài tập và câu hỏi ôn tập. Tuy nhiên, ở mức độ là một bài giảng với những nội dung chính nên không thể có đủ các phần đọc thêm, mở rộng kiến thức. Vì vậy, khi nghiên cứu, tự học sinh viên nên kết hợp với các giáo trình khác để mở rộng kiến thức. Bài giảng dung cho sinh viên các ngành Hóa, Hóa - Sinh, Hóa - Lí, Hóa - Địa các trường CĐSP đồng thời cũng là tài liệu tham khảo cho giáo viên Hóa học các trường THCS. Rất mong được sự góp ý của đồng nghiệp để bài giảng được hoàn thiện hơn nhằm phục vụ hữu hiệu việc học tập, nghiên cứu của sinh viên. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạoTrường, Khoa, Bộ môn Hóa học đã tạo điều kiện bài giảng này được lên website của trường. Tác giả 1 Ch ng 1. Đ I C NG 1.1. H p ch t h u c vƠ hóa h c h u c 1.1.1. Đ nh nghĩa vƠ đ i t ng nghiên c u c a hóa h c h u c Trong số gần 110 nguyên tố hóa học đã có tên chính th c trong b ng tuần hoàn, cacbon là một nguyên tố rất đặc biệt chỗ: các nguyên tử cacbon có thể kết hợp với nhau và với nguyên tử c a các nguyên tố khác t o nên kho ng hơn hai mươi triệu hợp chất khác nhau, đấy là những hợp chất c a cacbon. Trong khi đó, tất c nguyên tố còn l i chỉ có thể t o nên được hơn một triệu hợp chất không ch a cacbon. Các hợp chất c a cacbon được gọi là hợp chất hữu cơ, trừ một số ít hợp chất đơn gi n như các oxit c a cacbon, các muối cacbonat và cacbua kim lo i. Ngành hóa học chuyên nghiên c u các hợp chất hữu cơ, t c là các hợp chất c a cacbon, được gọi là Hóa học hữu cơ. Vì các hợp chất hữu cơ gồm hai lo i chính là hiđrocacbon và các dẫn xuất c a chúng, nên cũng có thể coi Hóa học hữu cơ là ngành hóa học chuyên nghiên c u hiđrocacbon và các dẫn xuất c a hiđrocacbon. Vậy đối tượng nghiên c u c a Hóa học hữu cơ là các hợp chất c a cacbon, bao gồm hiđrocacbon và các dẫn xuất c a chúng. 1.1.2. Đặc điểm chung c a các h p ch t h u c 1.1.2.1. Cấu t o - Ch a C, ngoài ra còn H, O, N, halogen, S, P và các nguyên tố khác. - Liên kết: thư ng là liên kết cộng hoá trị, ít có liên kết ion. - Nguyên tử C liên kết với nhau và liên kết với các nguyên tố khác nên t o thành m ch h hoặc m ch vòng. 1.1.2.2. Tính chất vật lý - Dễ nóng ch y và dễ bay hơi. - Thư ng không tan hoặc tan rất ít trong nước nhưng dễ tan trong các dung môi hữu cơ. 1.1.2.3. Tính chất hoá học - Kém bền nhiệt nên dễ bị phân huỷ b i nhiệt, đa số cháy khi bị đốt. - Ph n ng: thư ng diễn ra chậm, không hoàn toàn, và không theo một hướng nhất định do đó t o nhiều s n phẩm phụ. 2 1.1.3. Phơn lo i các h p ch t h u c 1.1.3.1. Phân lo i theo nhóm ch c Các hợp chất hữu cơ có thể được phân chia thành hai lo i chính là hiđrocacbon (phân tử chỉ cấu thành chỉ b i hai nguyên tố C và H) và các dẫn xuất c a hiđrocacbon (một hay nhiều nguyên tử H trong phân tử hiđrocacbon được thay thế bằng một hay nhiều nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác). Các dẫn xuất c a hiđrocacbon là những hợp chất có nhóm đặc trưng hay nhóm ch c; hiđrocacbon cũng có thể có nhóm ch c. Nhóm ch c là nhóm nguyên tử hoặc nguyên tử quyết định đặc tính hóa học c a phân tử hữu cơ. Sau đây là một số nhóm ch c chính: - Nằm trong m ch C: anken (C = C); ankin (C ≡ C) - Ch a oxi: ancol (-OH); ete (C-O-C); andehit (-CH = O); axit (- COOH) - Ch a nitơ: amin (-NH2) ; nitrin (-C ≡ N) - Ch a c oxi và nitơ: amit (-CO-NH2); nitro (-NO2) - Ch a lưu huỳnh: thiol (-SH); thioete (-S-) - Ch a nguyên tử halogen: dẫn xuất clo (-Cl); dẫn xuất brom (-Br) 1.1.3.2. Phân lo i theo m ch cacbon Hợp chất hữu cơ Hợp chất không vòng HC no Hợp chất vòng HC không no HC đồng vòng không thơm no không no 3 thơm HC dị vòng thơm Không thơm 1.2. C u t o phơn t h p ch t h u c 1.2.1. ThƠnh ph n nguyên t vƠ công th c phơn t Thành phần nguyên tố c a hợp chất hữu cơ được biểu thị bằng các công th c sau: - Công th c tổng quát: Cho biết thành phần định tính các nguyên tố. Ví dụ: CxHyOzNt (x, y, z, t là những số nguyên dương) cho biết phân tử có 4 nguyên tố: C, H, O và N - Công th c đơn gi n: Cho biết tỉ lệ số lượng các nguyên tố trong phân tử. Ví dụ: CH2O cho biết tỉ lệ các nguyên tử C : H : O là 1 : 2 : 1 - Công th c phân tử: Cho biết rõ số lượng nguyên tử c a mỗi nguyên tố trong phân tử. Ví dụ: C2H6: etan Để xác định thành phần nguyên tố dùng phương pháp phân tích định tính và định lượng 1.2.1.1. Phân tích định tính các nguyên tố Xác định các lo i nguyên tố có trong hợp chất hữu cơ dựa trên nguyên tắc chuyển các nguyên tố cần xác định thành chất vô cơ đơn gi n rồi nhận ra các chất vô cơ này bằng ph n ng đặc trưng a. Phân tích C và H Nung hợp chất hữu cơ với CuO (chất oxi hoá) để chuyển C thành CO2 và H thành H2O rồi nhận ra CO2 bằng nước vôi trong (khi đó sinh ra kết t a trắng CaCO3) và nhận ra H2O bằng CuSO4 khan (bột CuSO4 màu trắng chuyển thành CuSO4.5H2O màu xanh): [C] + 2CuO → CO2 + 2Cu hợp chất hữu cơ (h.c.h.c) [2H] + CuO → H2O + Cu h.c.h.c CO2 5H2O + Ca(OH)2 → + CuSO4 → CaCO3 + H2O CuSO4.5H2O b. Phân tích N Nung hợp chất hữu cơ với Na sinh ra NaCN. Để nhận ra ion CN- (ch a nitơ) ta thêm Fe2+ và Fe3+ rồi axit hoá nhẹ, ion CN- sẽ cho kết t a màu xanh đậm đặc trưng (gọi là xanh Bec-lanh hay xanh phổ) c a Fe4[Fe(CN)6]3: 4 Na + [C] + [N] → NaCN h.c.h.c Fe2+ + 6CN(-) → [Fe(CN)6]4- 4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4- → Fe4[Fe(CN)6] c. Phân tích halogen Đốt cháy một băng giấy lọc đầu có tẩm ancol etylic (dùng làm nhiên liệu) và một ít chất hữu cơ ch a halogen (X) sẽ sinh ra hiđro halogenua, s n phẩm này được nhận ra nh dung dịch AgNO3 (t o kết t a AgX tan được trong amoniac): [X] + → [H] HX h.c.h.c hoặc ancol h.c.h.c HX + AgNO3 → AgX + HNO3 AgX + 3NH3 + H2O → [Ag(NH3)2]OH + NH4X (tan) d. Phân tích lưu huỳnh Nung hợp chất hữu cơ với Na sẽ sinh ra Na2S; s n phẩm này được nhận ra b i Pb2+ (t o kết t a đen): [S] + 2Na → Na2S h.c.h.c Pb2+ + S2- → PbS 1.2.1.2. Phân tích định lượng các nguyên tố Phân tích định lượng nhằm xác định thành phần phần trăm về mặt khối lượng c a các nguyên tố trong phân tử hợp chất hữu cơ. Nguyên tắc chung là chuyển hoàn toàn các nguyên tố trong một lượng cân nhất định c a chất hữu cơ thành các chất vô cơ đơn gi n, sau đó xác định khối lượng (hoặc thể tích khí) c a các s n phẩm đó rồi tính thành % các nguyên tố. a. Phân tích C và H Nung nóng một lượng cân chính xác a (mg) hợp chất hữu cơ với bột CuO (lấy dư) trong dòng khí oxi. Khí CO2 và hơi nước sinh ra được hấp thụ hoàn toàn và riêng rẽ b i bình ch a các chất hấp thụ thích hợp được cân trước và sau thí nghiệm. Ví dụ dùng Mg(ClO4)2 để hấp thụ nước, dùng amiăng tẩm NaOH để hấp thụ CO2. Gi sử trong thí nghiệm sinh ra m (mg) CO2 và m' (mg) H2O, ta tính được: 5 mC  12mCO2 44 2m'H2O mH  18  %C   %H  12mCO2 .100 44a 2m'H2O .100 18a b. Phân tích N Nung nóng 1 lượng cân chính xác a (mg) hợp chất hữu cơ với bột CuO (lấy dư) trong dòng khí CO2 để chuyển hết nitơ trong hợp chất hữu cơ thành khí nitơ. Dẫn khí sinh ra vào dụng cụ đo khí gọi là “nitơ kế” có ch a dung dịch KOH đậm đặc để hấp thụ hết CO2 và H2O. Gi sử thu được V (ml) khí nitơ, đo nhiệt độ t, áp suất khí quyển là p, áp suất hơi nước là f, ta tính được: mN2  %N  28 p f 1 .V. . 22.400 760 1  t 273 mN2 .100 a Việc xác định N, C, H hiện nay đã được tự động hoá bằng cách dẫn khí t o thành vào máy sắc kí khí, máy cho biết ngay hàm lượng N, C, H c. Phân tích halogen Nung nóng chất hữu cơ với axit nitric bốc khói có mặt AgX, đem phân tích bằng phương pháp cân. d. Phân tích lưu huỳnh Nung nóng chất hữu cơ với axit nitric bốc khói, lưu huỳnh trong phân tử hữu cơ được chuyển thành SO42- t o ra kết t a BaSO4 được phân tích bằng cách cân. e. Phân tích oxi Thông thư ng hàm lượng oxi trong hợp chất hữu cơ đợc xác định gián tiếp bằng cách lấy 100% trừ cho tổng số % c a các nguyên tố khác trong hợp chất. Tuy vậy, khi cần thiết cũng có thể xác định trực tiếp bằng cách chuyển oxi trong hợp chất hữu cơ thành CO rồi định lượng CO dựa theo ph n ng: 5CO + I2O5 → 5CO2 + I2 1.2.1.3. Thiết lập công th c phân tử (CTPT) 6 Sau khi phân tích nguyên tố và xác định phân tử khối ta có công th c phân tử dựa vào 1 trong 3 phương pháp phổ biến sau: a. Lập công th c đơn gi n nhất (công th c nguyên) từ đó lập CTPT Phân tích định lượng: mH, mC, mO, mN, ...Chia các đ i lượng này cho các khối lượng mol nguyên tử tương ng, rồi chia cho ước số chung lớn nhất ta thu được tỉ lệ về số lượng nguyên tử c a các nguyên tố trong phân tử. Từ đó lập công th c đơn gi n nhất. Ví dụ: Đốt hoàn toàn 0,09g X cho 0,13g CO2 và 0,054g H2O. Tỉ khối hơi c a X so với hidro là 30. Hãy thiết lập CTPT c a X? 12.0,13  0,036(g) 44 2.0,054  0,006(g) mH  18 m O  0,09  (0,036  0,006)  0,048(g) mC  0,036 0,006 0,048  1: 2 :1 : : 12 1 16 C: H : O  Công th c đơn gi n nhất: CH2O PTK : MX = 2.30 = 60 Hay (12.1+1.2+16.1)n = 60 → n = 2 Vậy CTPT c a X là (CH2O)2 hay C2H4O2 b. Dựa vào khối lượng các s n phẩm đốt cháy và Mx mà không qua công th c đơn gi n nhất Đặt CT c a hợp chất X là CxHyOz Theo sơ đồ Cx H y OZ  xCO2  y H 2O 2 y 44x 2  MX  mCO2 mH2O a 18 x M X .mCO2 44a ,y  M X .mH2O 9a z được tính từ x, y và Mx dựa theo CxHyOz Theo ví dụ trên: ta tính được x = 2, y = 4, z = 2. c. Dựa vào thành phần % các nguyên tố và Mx Thành phần % các nguyên tố tỉ lệ với khối lượng mỗi nguyên tố trong phân tử: 7 12x 1y 16z 12x  y  16z M X     %C %H %O 100 100 M .%C M .%H M .%O ;y  X ;z  X x X 12.100 100 16.100 1.2.2. Công th c c u t o, thuyết c u t o hóa h c 1.2.2.1. Công th c cấu t o Nếu như CTPT chỉ cho biết số lượng nguyên tử trong phân tử thì CTCT còn cho biết trật tự kết hợp và cách liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử, t c thể hiện cấu t o hóa học c a phân tử hữu cơ Khi biểu diễn CTCT cần tuân theo 1 số qui định: - Mỗi liên kết đơn được biểu thị bằng 1 v ch nối, nguyên tố có bao nhiêu hóa trị được biểu thị bằng bấy nhiêu v ch xung quanh kí hiệu đó. - H có hóa trị 1, có 1 v ch: -H. - O có hóa trị 2, có 2 v ch: =O hoặc -O- CTCT: Tuy nhiên để cho gọn trong CTCT ngư i ta có thể bỏ qua không biểu diễn v ch liên kết. Ví dụ: CH3CH2OH hoặc CH2=CH-CH=CH2 Trong nhiều công th c d ng vòng có thể không ghi kí hiệu nguyên tử cacbon, hoặc nhóm metylen (-CH2-), metin (-C  ), mà hiểu ngầm sự có mặt c a các nhóm đó qua các v ch hóa trị c a chúng đỉnh đa giác. Ví dụ: Để thiết lập CTCT c a 1 hợp chất hữu , ngư i ta áp dụng các phương pháp thực nghiệm (phương pháp hóa học và phương pháp vật lí) kết hợp với thuyết cấu t o hóa học. 1.2.2.2. Thuyết cấu t o hóa học 8 Ngày 11/9/1861 t i hội nghị hóa học Speyer (Đ c) Butlerop đã đọc b n báo cáo khoa học về cấu t o hóa học c a các chất. Nội dung chính gồm những luận điểm sau: - Các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ kết hợp với nhau theo 1 trật tự xác định và theo đúng hoá trị c a chúng; sự thay đổi trật đó sẽ có chất mới. - C trong phân tử hợp chất hữu cơ luôn luôn có hoá trị 4. Các nguyên tử C không những liên kết với các nguyên tố khác mà còn liên kết với nhau để t o m ch C có d ng khác nhau (m ch không nhánh, m ch có nhánh, m ch vòng..). - Tính chất c a hợp chất hữu cơ phụ thuộc vào thành phần phân tử (b n chất và số lượng các nguyên tử ) và cấu tao hoá học (th tự kết hợp các nguyên tử). Các nguyên tử trong phân tử có nh hư ng lẫn nhau (thư ng các nguyên tử liên kết trực tiếp với nhau m nh hơn gián tiếp). 1.2.3. Khái ni m về đ ng đẳng vƠ đ ng phơn c u t o 1.2.3.1. Đồng đẳng Là hiện tượng các chất hữu cơ có cấu t o và tính chất tương tự nhau, nhưng thành phần phân tử sai khác nhau 1 hoặc nhiều nhóm metylen (-CH2-) 1.2.3.2. Đồng phân Là hiện tượng ng với 1 công th c phân tử có 2 hoặc nhiều hợp chất khác nhau. Nguyên nhân c a hiện tượng đồng phân là do nhiều chất có cùng một CTPT song cấu trúc l i khác nhau, cấu trúc gồm cấu t o hóa học lẫn cấu trúc không gian nên có 2 lo i đồng phân: đồng phân cấu t o và đồng phân không gian Đồng phân cấu t o (đồng phân phẳng): là những chất có cùng một CTPT nhưng có cấu t o khác nhau và do đó tính chất khác nhau.Ví dụ: - Đồng phân cấu t o về m ch cacbon: do sự sắp xếp m ch cacbon khác nhau. CH3-CH-CH3 CH3-CH2-CH2-CH3 CH3 Butan Isobutan - Đồng phân cấu t o về nhóm ch c: do sự khác nhau về lo i nhóm ch c CH3-CH2-OH ; CH3-O-CH3 - Đồng phân cấu t o về vị trí: các đồng phân khác nhau về vị trí nhóm ch c, vị trí nhóm thế, vị trí liên kết bội. C3H8O: CH3CH2CH2OH ; CH3CHOHCH3 9 C4H8: CH3-CH=CH-CH3 ; CH2=CH-CH2-CH3 1.3. C u trúc không gian vƠ đ ng phơn l p thể 1.3.1. Khái ni m về c u trúc không gian vƠ công th c mô t c u trúc không gian 1.3.1.1. Thuyết cacbon t diện Được ch ng minh nh hoá học lượng tử và thí nghiệm lí-hoá học. Năm 1874, Lebel và Vant’Hoff đã đưa ra thuyết cấu t o t diện c a cacbon. Thuyết này cho rằng nguyên tử C a, b, c, d được phân bố trong 1 t diện đều, nguyên tử C nằm t i tâm t diện, bốn nhóm a, b, c, d nằm t i 4 đỉnh c a t diện, thuyết này hoàn toàn phù hợp với thuyết lai hóa C ( tr ng thái lai hóa sp3 ). 1.3.1.2. Công th c mô t cấu trúc không gian Công th c mô t cấu trúc không gian gồm có 3 lo i: a. Công th c phối c nh Cách 1: Trong công th c phối c nh, các nét g ch liền bình thư ng (-) biểu diễn liên kết cộng hóa trị có trục nằm trên mặt phẳng giấy, các nét g ch gián đo n mô t liên kết hướng phía sau t giấy, còn nét đậm chỉ liên kết về phía trước t giấy. Ca, Cb: nối trên mặt phẳng giấy Cc: nối trước mặt phẳng giấy Cd: nối sau mặt phẳng giấy Cách 2: Công th c phối c nh thư ng chỉ dùng cho các phân tử có liên kết đơn C-C trung tâm. Theo cách biểu diễn này liên kết C-C được biểu diễn bằng đư ng chéo từ trái qua ph i và xa dần ngư i quan sát. b. Công th c Newman 10 Trong công th c Newman, ngư i ta qui ước quan sát việc nhìn thẳng trục liên kết C-C trung tâm, nguyên tử C th nhất gần ngư i quan sát được biểu diễn bằng 1 chấm t i vòng 0 tròn, 3 liên kết t o góc 120 . Nguyên tử C th 2 bị che khuất. Ví dụ: D ng meso c a axit tactric có thể biểu diễn bằng công th c Newman như sau: c. Công th c Fisher Trong công th c chiếu này, ngư i ta qui ước nguyên tử cacbon t diện như 1 dấu chữ thập. - 2 nối nằm ngang được qui ước là 2 nối trước mặt phẳng. - 2 nối thẳng đ ng sau mặt phẳng. Ví dụ: axit lactic CH3CHOHCOOH Chú ý: Nhóm có m c oxh cao hơn thì được viết phía trên 11 COOH > -CHO > -CH2OH > -CH3 1.3.2. Đ ng phơn hình h c Đồng phân hình học (đồng phân cis/trans ) là 1 lo i đồng phân không gian (hay đồng phân lập thể), đồng phân này xuất hiện nhiều lo i hợp chất đặc biệt là các hợp chất có nối đôi C=C, C=N, N=N hoặc vòng no (vòng nhỏ) và mỗi nguyên tử C c a nối đôi hay mắc vòng ph i có 2 nhóm thế khác nhau. - a khác b và c khác d. - Chất có nhóm thế giống nhau hay gần giống nhau cùng 1 phía gọi là đồng phân cis, khác phía gọi là đồng phân trans. Thư ng đồng phân trans bền hơn cis và có nhiệt độ nóng ch y cao hơn nhưng nhiệt độ sôi và mô men lưỡng cực thấp hơn. Đối với các hợp chất hữu cơ có nhiều nối đôi liên hợp số đồng phân cis-trans như: 1.3.3. M đ u về đ ng phơn quang h c 12 Đồng phân quang học là những hợp chất có cùng công th c khai triển trong mặt phẳng nhưng công th c lập thể khác nhau, do đó đưa đến kết qu là hiệu ng c a chúng trên ánh sáng phân cực phẳng khác nhau. 1.3.3.1. Khái niệm về tính quang ho t và tính không trùng vật nh Tính chất làm quay mặt phẳng c a ánh sáng phân cực sang bên ph i hoặc sang bên trái một góc  được gọi là tính quang ho t, còn các chất có ho t động quang học gọi là chất quang ho t. Điều kiện xuất hiện tính quang ho t một chất: là ph i có yếu tố không trùng vật- nh. Ví dụ như 2 bàn tay đối x ng nhau qua gương phẳng nhưng không chồng khít lên nhau. Đồng phân quang học có ch a C bất đối, kí hiệu C* là C mang bốn nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau. C*a,b,c,d với a khác b khác c khác d. Ví dụ: Vậy đối với chất hữu cơ hiện tượng đồng phân quang học đặc trưng cho những phân tử không trùng với hình nh c a chúng trong gương. Khi có 1 C* thì có 2 đồng phân quang học, có 2 cấu hình đối x ng nhau qua mặt phẳng gương, tương tự ngư i và nh qua gương. Ví dụ: Glixerandehit CH2OH-CHOH-CHO có 1C* vì nối với 1 nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau –H, -OH, -CH2OH, -CHO. - Hai d ng (+, -) glixerandehit là những đồng phân quang học c a nhau, chúng chỉ khác nhau về dấu c a độ quay cực riêng nên được gọi là 2 chất đối quang hoặc enantiome. 13 - Hai chất đối quang có cấu t o hóa học giống nhau, kho ng cách giữa các nguyên tử trong phân tử giống nhau, chúng chỉ khác nhau về sự phân bố các nguyên tử và nhóm nguyên tử chung quanh C* nên còn gọi là đồng phân cấu hình (vì sự khác nhau về cấu hình) hay đồng phân không gian. - Hỗn hợp 2 chất đối quang c a nhau với số mol bằng nhau gọi là biến thể raxemic. Ví dụ: (+, -) glixerandehit. Trong công th c Fischer, nhóm OH t i C * đánh số lớn nhất được phân bố gọi là D-, còn bên ph i bên trái gọi là L-. D viết tắt từ Dextrorotatory: quay ph i, L viết tắt từ Levorotatory: quay trái. Khi số nguyên tử C* tăng lên, số đồng phân quang học tăng lên nếu có nC* (không giống nhau) thì có 2n đồng phân quang học. 1.3.4. S l c về đ ng phơn c u d ng Là lo i đồng phân sinh ra do sự quay quanh 1 hay nhiều liên kết đơn (trục liên kết) t o ra nhiều d ng hình học khác nhau, với thế năng khác nhau. Các cấu d ng này có độ bền khác nhau về mặt năng lượng, cấu d ng bền có m c năng lượng thấp nhất. Đồng phân cấu d ng được biểu diễn bằng công th c phối c nh hay Newman. 1.3.4.1. Cấu d ng c a hợp chất m ch h Đặc trưng cấu d ng c a hợp chất m ch h là cấu d ng che khuất và cấu d ng xen kẽ. Thông thư ng d ng che khuất kém bền hơn d ng xen kẽ vì các nguyên tử H 2 C gần nhau đẩy nhau. Ví dụ: với 1,2-dibromoetan - Cấu d ng xen kẽ (cấu d ng lệch): bao gồm đối lệch (lệch 180o) và bán lệch (lệch 60o). Công th c phối c nh: 14 Công th c Newman: - Cấu d ng che khuất: gồm che khuất toàn phần và bán phần. Công th c phối c nh: Công th c Newman: 1.3.4.2. Cấu d ng c a hợp chất m ch vòng Xét cấu d ng c a xiclohexan : gồm cấu d ng bền và cấu d ng không bền - D ng bền: là d ng ghế (hình gấp khúc như hình ghế) - D ng không bền: là d ng thuyền và d ng xoắn 15 1.4. C u trúc electron. Liên kết cộng hóa tr vƠ các liên kết yếu 1.4.1. B n ch t vƠ đặc điểm c a liên kết cộng hóa tr Trong hoá học vô cơ liên kết ch yếu là liên kết ion, thì trong hoá học hữu cơ liên kết ch yếu là liên kết cộng hoá trị. Thuyết cổ điển: Cho rằng khi 2 nguyên tử liên kết với nhau thì mỗi nguyên tử góp 1 electron c a mình, các electron ch y trên 1 quĩ đ o với electron cũ làm nên lớp vỏ khí trơ. Thuyết hiện đ i: Liên kết cộng hoá trị được t o ra do sự xen ph cực đ i các obitan nguyên tử (AO) t o nên obitan phân tử (MO). 1.4.1.1. Sự xen ph obitan Có 2 kiểu xen ph chính: - Xen ph trục: t o thành liên kết  (liên kết đơn). Liên kết  được hình thành do sự xen ph trục nằm trên trục nối 2 h t nhân c a 2 nguyên tử đó. - Xen ph bên: t o liên kết  (liên kết đôi, liên kết ba). Liên kết  được hình thành nh sự xen ph bên c a 2 obitan p c nh nhau và có trục song song với nhau (thư ng là 2AOpx hoặc 2AOpy). Liên kết  kém bền hơn liên kết  nên dễ bị đ t ra trong các ph n ng hóa học. 1.4.1.2. Sự lai hóa obitan Để gi i thích hóa trị 4 c a cacbon, ngư i ta cho rằng tr ng thái kích thích 1electron 2s chuyển sang obitan trống 2p. Tr ng thái cơ b n C có cấu hình: 1s22s22p2 Tr ng thái kích thích: 1s22s22p3 Khi ấy x y ra sự tổ hợp 1 obitan 2s với 1 số obitan 2p gọi là sự lai hóa obitan. 16 Có 3 kiểu lai hóa: - Lai hóa sp3 (lai hóa t diện). Liên kết đơn. 1AO-s + 3AO-p = 4AO-sp3 . Khi 1 obitan s và 3 obitan p tổ hợp với nhau t o thành 4 obitan lai hóa sp 3. Trục các obitan này t o góc 109028' và hướng về 4 đỉnh c a 1 t diện đều mà tâm là nguyên tử cacbon. Trong các phân tử hợp chất hữu cơ các obitan sp3 sẽ xen ph trục với AO các nguyên tử khác t o nên liên kết  . Ví dụ: Xét sự hình thành liên kết  trong phân tử etan. - Lai hóa sp2 (lai hóa tam giác). Liên kết đôi. 1AO-s + 2AO-p = 3AO-sp2 Khi 1 obitan s và 2 obitan p tổ hợp với nhau t o thành 3 obitan lai hóa sp2 có trục nằm trên một mặt phẳng và t o góc 1200 và hướng về 3 đỉnh c a 1 tam giác mà tâm là nguyên tử cacbon. Obitan sp2 sẽ xen ph với AO c a nguyên tử khác t o những liên kết  . Khi ấy mỗi cacbon sp2 còn một AO-2p chưa lai hoá và có trục thẳng góc với mặt phẳng ch a các trục c a 3 obital sp3, AO này sẽ xen ph bên với AO-2p c a nguyên tử C khác t o liên kết  . Tập hợp gồm 1 liên kết  và 1 liên kết  giữa 2 nguyên tử t o thành liên kết đôi. 17 Ví dụ: etylen - Lai hóa sp (lai hóa đư ng thẳng). Liên kết ba. 1AO-s + 1AO-p = 2AO-sp Khi 1 obitan s và 1 obitan p tổ hợp với nhau t o thành 2 obitan lai hóa sp có trục nằm trên 1 đư ng thẳng và t o góc 1800 - 2AO-sp xen ph trục với AO c a 2 nguyên tử khác t o liên kết  với góc hoá trị 1800. Còn 2 AO-2p chưa lai hoá có trục thẳng góc với nhau và cùng thẳng góc với trục đối x ng chung c a 2 AO-sp, sẽ xen ph bên với 2AO chưa lai hoá c a nguyên tử khác t o 2 liên kết  . Tập hợp gồm 2 liên kết  và 1 liên kết  giữa 2 nguyên tử t o thành liên kết ba. Ví dụ: axetilen 1.4.1.3. Một số đặc điểm c a liên kết cộng hóa trị a. Năng lượng liên kết H < 0: To nhiệt : Năng lượng to ra khi hình thành phân tử từ các nguyên tử (t o liên kết). H > 0: Thu nhiệt: Phân tử bị phá vỡ (liên kêt bị đ t). 18 Ta phân biệt năng lượng liên kết là những giá trị trung bình không tính đến phần còn l i c a phân tử sau khi làm đ t 1 liên kết, còn năng lượng phân li liên kết là đ i lượng đặc trưng cho sự phân cắt 1 liên kết nhất định c a một phân tử cụ thể. Ví dụ: Metan   CH 4  4H C , H  1659KJ / mol  Năng lượng liên kết C – H là 1659 : 4 = 415 KJ/mol. Năng lượng phân li liên kết: không bằng nhau CH 3  H  CH 3  H , H  435KJ / mol CH 2  H  CH 2  H , H  433KJ / mol CH  H  C H  H , H  433KJ / mol  C H  C  H  , H  338KJ / mol  b. Độ dài liên kết - dA-B Kho ng cách giữa 2 h t nhân c a 2 nguyên tử liên kết với nhau được gọi là độ dài liên kết. Ví dụ: liên kết d C -C C=C C C 1,54A0 1,34A0 1,20A0 - Một cách gần đúng tính dA-B từ các bán kính cộng hoá trị rA và rB : dA-B = rA + rB - Nhìn chung bậc c a liên kết (đơn, đôi hoặc ba) càng tăng thì liên kết càng ngắn; đối với liên kết đơn giữa C với nguyên tử khác, d gi m khi tăng tỉ lệ s trong AO lai hoá: sp3 > sp2 > sp. 1.4.2. Liên kết hiđro 1.4.2.1. Khái niệm Liên kết hiđro (biểu thị bằng 3 dấu chấm) là một liên kết yếu xuất hiện giữa nguyên tử H và nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có tính âm điện như O, N, F...trong đó có ít nhất một nguyên tử có cặp electron chưa sử dụng (tự do) nh tương tác tĩnh điện yếu kho ng 20-25 KJ/mol    X  H ...Y 19