Hiđrocacbon – Nguồn hiđrocacbon thiên nhiên
I. Phân loại, khái niệm và công thức.
1. Phân loại và khái niệm
Hợp chất hữu cơ mà phân tử chỉ chứa Cacbon và Hidro gọi là hiđrocacbon.
a) Hiđrocacbon no: là hiđrocacbon trong phân tử chỉ chứa liên kết xichma (σ).
• Ankan: Là hiđrocacbon mạch hở, trong phân tử chỉ có liên kết xichma. Hoặc là
hiđrocacbon no mạch hở.
• Xicloankan: là hiđrocacbon no mạch vòng.
Xicloankan có một vòng (đơn vòng) gọi là mỗnicoankan, có nhiều vòng gọi là polixicloankan.
Trong chương trình chủ yếu chỉ xét loại đơn vòng.
b) Hiđrocacbon không no: Hiđrocacbon không no (hay hiđrocacbon không bão hòa) là
hiđrocacbon trong phân tử có chứa liên kết bội ( C = C, C ≡ C ). Mạch cacbon cũng có thể hở
hoặc vòng. Tuy nhiên trong chương trình chủ yếu xét loại mạch cacbon hở (chưa no mạch hở).
• Hiđrocacbon không no, mạch hở có một liên kết C = C gọi là anken.
• Hiđrocacbon không no, mạch hở có 2 hai liên kết C = C gọi là ankadien.
• Hiđrocacbon không no, mạch hở có một liên kết C ≡ C gọi là ankin.
c) Hiđrocacbon trong phân tử có chứa vòng benzen được gọi là hiđrocacbon thơm hoặc aren.
Có loại chứa một vòng benzene, có loại chứa nhiều vòng benzen.
2. Công thức chung
a) Các hiđrocacbon có thể biểu diễn bằng công thức chung C
n
H
2n+2-2k
( trong đó k được gọi là độ
không no của phân tử; k : tổng số liên kết П và số vòng đơn).
b) Ankan có k = 0 → công thức chung của ankan là C
n
H
2n+2
(n ≥ 1).
c) Monoxicloankan co k = 1 → công thức chung là C
n
H
2n
(n ≥ 3).
d) Anken có k = 1 → công thức chung là C
n
H
2n
(n ≥ 2).
e) Ankadien có k = 2 → công thức chung là C
n
H
2n-2
(n ≥ 3).
f) Ankin có k = 2 → công thức chung là C
n
H
2n-2
(n ≥ 2).
g) Benzen và ankylbebzen có k = 4 → công thức chung là C
n
H
2n-6
(n ≥ 6).
3. Bậc của một nguyên tử Cacbon no (toàn liên kết σ)
Bằng số liên tử C liên kết trực tiếp với nó.
II. Danh pháp
1. Tên thay thế của các hiđrocacbon
a) Tên của 10 ankan không phân nhánh đầu tiên: Tên mạch chính + an
Công thức Tên Công thức Tên
CH
4
CH
3
CH
3
CH
3
CH
2
CH
3
CH
3
[CH
2
]
2
CH
3
CH
3
[CH
2
]
3
CH
3
met
an
metan
propan
butan
pentan
CH
3
[CH
2
]
4
CH
3
CH
3
[CH
2
]
5
CH
3
CH
3
[CH
2
]
6
CH
3
CH
3
[CH
2
]
7
CH
3
CH
3
[CH
2
]
8
CH
3
hex
an
heptan
octan
nonan
đecan
b) Tên ankan phân nhánh:
• Số chỉ vị trí – tên nhánh !tên mạch chính + tên mạch chính! an
• Mạch chính là mạch vòng.
Đánh số trên mạch chính sao cho tổng số chỉ của các nhánh là nhỏ nhất (từ đầu C gần nhánh
nhất).
Gọi tên nhánh theo thứ tự vần chữ cái.
• (Lấy thí dụ).
c) Monoxicloankan
• Số chỉ vị trí – tên mạch nhánh ! xiclo + tên mạch chính ! an
• Mạch chính là mạch vòng.
Đánh số trên mạch chính sao cho tổng số chỉ của các nhánh là nhỏ nhất.
• (Lấy thí dụ).
d) Anken:
• Số chỉ vị trí – tên nhánh ! tên mạch chính – số chỉ vị trí đôi - en
• Mạch chính là mạch chứa liên kết đôi, dài nhất, nhiều nhánh nhất.
Đánh số C mạch chính từ phía gần nối đôi hơn.
e) Ankadien:
• Số chỉ của nhánh – tên nhánh ! tên mạch chính (a) – vị trí 2 nối đôi - dien
• (Lấy thí dụ).
f) Ankin:
• Số chỉ vị trí của nhánh – tên nhánh ! tên mạch chính – số chỉ vị trí nối ba – in
• Mạch chính là mạch chứa liên kết ba, dài nhất, nhiều nhánh nhất.
Đánh số C mạch chính từ phía gần nối ba hơn.
• (Lấy thí dụ).
g) Dẫn xuất của benzen:
• Số chỉ vị trí của nhánh – tên nhánh ! benzen.
• (Lấy thí dụ).
2. Tên thường của một số hiđrocacbon:
(CH
3
)
2
CH – CH
3
: isobutan (CH
3
)
3
C – CH
3
: neopentan CH
2
=CH
2
:
elilen
CH
2
=CH – CH=CH
2
: propilen CH
2
=C(CH
3
) – CH
3
: isobutilen
CH
2
=CH – CH=CH
2
: butadien CH
2
=C(CH
3
) – CH=CH
2
: isopren
CH ≡ CH : axetilen CH ≡ C – CH
3
: metylaxetilen
C
6
H
5
– CH
3
: toluen C
6
H
4
(CH
3
)
2
: xilen
C
6
H
5
– CH(CH
3
)
2
: cumen C
6
H
5
– CH=CH
2
: stiren
3. Tên một số gốc hiđrocacbon:
CH
3
- : metyl C
2
H
5
- : etyl
CH
3
– CH
2
– CH
2
- : propyl (CH
3
)
2
CH- : isopropyl
n-C
4
H
9
- : butyl (CH
3
)
2
CH – CH
2
- : isobutyl
CH
3
CH
2
CH(CH
3
)- : sec butyl (CH
3
)
3
C- : tern butyl
CH
2
= CH- : vinyl CH
2
= CH – CH
2
- : alyl
C
6
H
5
- : phenyl C
6
H
4
-CH
2
- : benzyl
(CH
3
)
2
C
6
H
3
- : tolyl
III. Đồng phân
1. Ankan có đồng phân mạch cacbon.
2. Xicloankan có đồng phân về số C trong vòng; đồng phân về nhánh; đồng phân về vị trí
của nhánh.
3. Anken và ankadien
a) Đồng phân cấu tạo: đồng phân mạch C; đồng phân vị trí nối đôi C = C.
b) Đồng phân lập thể: đồng phân hình học.
4. Ankin: đồng phân mạch C; đồng phân vị trí nối ba.
5. Hiđrocacbon thơm: đồng phân mạch nhánh; đồng phân vị trí của nhánh.
IV. Tính chất vật lý:
Các hiđrocacbon rất ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi không phân cực (ví
dụ như CCl
4
).
Những hiđrocacbon có số nguyên tử C ≤ 4; là chất khí ở điều kiện thường.
Các hiđrocacbon đều không màu.
Những hiđrocacbon mạch hở thì không mùi nhưng một số các hiđrocacbon thơm có mùi.
V. Cấu trúc:
• Các liên kết C – C – C , C – H là các liên kết xichma (σ) bền vững, không phân cực.
• Liên kết C = C, C ≡ C có chứa liên kết pi (п ) dễ bị phá vỡ để tạo liên kết σ với các
nguyên tử khác.
• Vòng benzen có hệ liên hợp п chung cho cả vòng với 6 electron p, nhưng cấu trấu của nó
bền cho nên liên kết п ở vòng benzen tương đối bền vững hơn so với liên kết п ở anken
cũng như ở các hiđrocacbon không no khác.
VI. Tính chất hóa học
Do trong phân tử chỉ chứa các liên kết σ (C – C, C – H) bền vững nên các ankan tương
đối trơ về mặt hóa học: ở nhiệt độ thường chúng không phản ứng với axit, bazơ và các chất oxi
hóa mạnh (như KMnO
4
). Chúng hoạt động hơn khi có xúc tác ánh sáng nhiệt độ. Các ankan tham
gia các phản ứng thế, tách, oxi hóa.
Với các hợp chất chưa no, các phản ứng chủ yếu tập trung tại các liên kết bội. Phản ứng
đặc trưng của liên kết bội là: phản ứng cộng, phản ứng trùng hợp, phản ứng oxi hóa.
Đối với nhân benzen: do cấu tạo đặc biệt của nhân benzen nên nó tương đối dễ tham gia
phản ứng thế, khó tham gia phản ứng, khó tham gia phản ứng cộng và bền vững đối với tác nhân
oxi hóa. Tính chất đó được gọi là tính thơm.
1. Phản ứng oxi hóa
a) Phản ứng cháy:
• Các hiđrocacbon đều cháy được và khi cháy đều tỏa nhiệt.
C
n
H
2n+2-2k
→ nCO
2
+ (n+1-k)H
2
O ∆H < 0
• Axetilen khi cháy tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ rất cao nên được dùng trong đèn xì oxi-
axetilen để hàn và cắt kim loại.
• Các aren khi cháy trong không khí thường tạo ra nhiều muội than (vì hàm lượng C trong
các aren cao nên thường cháy không hết).
b) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn:
Các hợp chất chưa no đều dễ bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa mạch.
Các ankan và ankylbenzen có thể bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa mạnh.
Benzen, xicloankan không bị oxi hóa bởi KMnO
4
c) Nhận xét
• Khi đốt cháy ankan, số mol CO
2
thu được nhỏ hơn số mol H
2
O.
Khi đốt cháy một hiđrocacbon mà thu được số mol CO
2
< số mol H
2
O → hiđrocacbon đó là
ankan.
• Khi đốt cháy một hiđrocacbon mà số mol H
2
O = số mol CO
2
→ hiđrocacbon đó có dạng
C
n
H
2n
.
2. Phản ứng thế
a) Phản ứng halogen hóa:
• Cl
2
, Br
2
khi có mặt ánh sáng hoặc nhiệt độ có thể thế cho nguyên tử H liên kết với C chứa
toàn liên kết đơn. Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc. Nếu trong phân tử chất có nhiều vị trí
khác nhau sẽ thu được hỗn hợp các sản phẩm thế.
Lấy thí dụ với: ankan; xicloankan; đồng đẳng của etilen; đồng đẳng của benzen.
• Cl
2
, Br
2
khi có mặt bột Fe (hoặc muối sắt III): phản ứng thế H của vòng thơm.
• CH
2
=CH
2
có thể thế với Cl
2
ở nhiệt độ cao
CH
2
=CH
2
+ Cl
2
→ CH
2
=CHCl + HCl
b) Phản ứng nitro hóa:
Chỉ xảy ra ở vòng thơm.
Thường dùng hỗn hợp HNO
3
đặc và H
2
SO
4
đặc.
Lấy thí dụ.
c) Phản ứng với dung dịch AgNO
3
trong NH
3
([Ag(NH
3
)
2
]
+
)
Phản ứng thế cho nguyên tử H liên kết trực tiếp với C nối ba.
Lấy thí dụ.
3. Phản ứng cộng:
a) Phản ứng hiđro hóa:
• Xảy ra ở liên kết bội hoặc vòng 3,4 cạnh.
• Phản ứng phải có xu thế xt, t
o
C.
Phản ứng thường không hoàn toàn.
• Đối với hợp chất chứa liên kết C ≡ C; khi dùng xúc tác Pd, PbCO
3
, thì thường dừng lại ở
sản phẩm chứa nối đôi.
• Phản ứng cộng vào vòng benzene khó hơn vào liên kết bội khác, nên cũng phải dùng nhiệt
độ cao, áp suất cao.
b) Với dung dịch (Cl
2
, Br
2
); H
2
O (xt); axit: xảy ra phản ứng cộng ở liên kết C = C, C ≡ C (không
phải của vòng thơm) hoặc vòng no 3 cạnh.
c) Riêng với benzen có phản ứng cộng với Cl
2
khi có ánh sáng.
4. Phản ứng trùng hợp
a) Với các hợp chất chứa nối đôi thường trùng hợp rất nhiều phân tử thu được polime.
b) Với hợp chất chứa ba thường thực hiện phản ứng đime hóa hoặc trime hóa.
5. Rifominh và crackinh
6. Một số cơ chế và quy tắc:
a) Quy tắc cộng Maccopnhicop: áp dụng cho phản ứng cộng của tác nhân bất đối xứng vào nối
bội mà 2 nguyên tử C của nối bội vai trò không như nhau.
b) Quy tắc thế vào vòng thơm: khi trong vòng benzene có sẵn một nhóm thế.