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

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



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



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

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

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)


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


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

;

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


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


- 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.



1.4. 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.


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).

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





- Độ bền: Sự có mặt c a liên kết hidro nội phân tử làm cho phân tử bền vững hơn.
1.4.3. Lực hút Vanderwaals

20


Giữa các phân tử cộng hoá trị luôn luôn có lực tương tác, ngay c đối với phân tử
không phân cực, lo i tương tác này là lực hút Vanderwaals.
Những lực Vanderwaals đó xuất hiện do sự chuyển động không ngừng c a các electron
và sự dao động c a các h t nhân gây nên những lưỡng cực nhất th i.
- Lực hút Vanderwaals tăng theo độ lớn c a phân tử (tăng theo phân tử khối M).Trong
1 dãy đồng đẳng, ví dụ ankan, nhiệt độ sôi tăng dần khi số nguyên tử C trong phân tử tăng.
- Lực hút Vanderwaals còn phụ thuộc hình d ng không gian 3 chiều c a phân tử
Ví dụ: Độ phân nhánh càng cao, phân tử càng cồng kềnh và càng gần với d ng cầu nên
m c tiếp giáp nhau gi m nên lực hút giữa các phân tử yếu đi.
1.5. Hi u ng c u trúc
Nh có thuyết cấu t o hóa học, ngư i ta thấy rằng giữa các nguyên tử trong phân tử có
nh hư ng qua l i với nhau, ta phân biệt 2 lo i nh hư ng: trực tiếp và gián tiếp
-

nh hư ng trực tiếp: Do độ âm điện c a các nguyên tử, đó là kh năng hút electron

c a các nguyên tử trong phân tử về phía mình.
-

nh hư ng gián tiếp: Độ âm điện c a nguyên tử không chỉ gây nên sự phân cực c a

nó với nguyên tử bên c nh mà còn gây nên sự phân cực c a các liên kết

xa nó. Đó là nh

gốc hiđrocacbon no đều có hiệu ng +I, hiệu ng này tăng theo bậc c a gốc đó.
-CH3 < -CH2-CH3 < -CH(CH3)2 < -C(CH3)3
- Các nhóm mang điện (-) có hiệu ng +I.
- Các nhóm có hiệu ng -I sẽ làm tăng lực axit, ngược l i các nhóm có hiệu ng +I sẽ
làm gi m lực axit.
Ví dụ:

H–COOH

CH3-COOH C2H5COOH

Ka (250C) 1,72.10-4

1,76.10-5

1,34.10-5

(CH3)3C-COOH
9,4.10-6

Đặc điểm c a hiệu ng c m ng: gi m rất nhanh khi m ch cacbon truyền hiệu ng đó
kéo dài.
Ví dụ: CH2ClCH2CH2COOH < CH3CHClCH2COOH
Ka

2,96

8,9

1.5.2. Hi u ng liên h p (C)


ng +C nói chung đều có cặp eletron tự do trong hệ p- 

tham gia chuyển dịch eletron về phía liên kết  . Các nhóm gây hiệu ng +C thư ng có c I.
Ví dụ:

O,S,  OH,  OR,  SH,  SR,  N H 2 , NH  CO  CH 3
F,Cl,Br, I

- Qui luật:
+ Hiệu ng +C gi m khi độ âm điện tăng: -NH2 > -OH > -F và gi m khi kích thước
nguyên tử tăng: -F > -Cl > -Br > -I.
+ Nguyên tử mang điện tích âm có hiệu ng +C lớn hơn chính nguyên tử đó.
b. Hiệu ng liên hợp âm (-C)
Các nhóm chưa no Z có hiệu ng –C.
Ví dụ: Z: -NO2, -CN, -CHO, -COOH, …
- Quy luật: Hiệu ng -C tăng:
+ Khi độ âm điện tăng: -C=O > -C=NH2>-C=CH2
+ Khi Z mang điện tích dương
+ Khi Z tham gia liên kết bội tăng: -NO2 > -C  N > -C = O > -COOR
ng dụng c a hiệu ng C và I:
- So sánh gi i thích tính axit, bazơ.
- Gi i thích cơ chế ph n ng cộng Markonhicop.
- Định hướng ph n ng thế trên nhân benzen.
1.5.3. Hi u ng siêu liên h p
- Hiệu ng electron do tương tác giữa electron c a liên kết  với electron c a liên kết
 (c a nối đôi hoặc nối 3).

23


- Có thể ghi được kết qu nh các thiết bị tự động hóa, ...
Sau đây là một số nhóm phương pháp vật lí:

24