BÀI TẬP CHỌN LỌC VỀ DANH PHÁP VÀ LẬP THỂ CỦA HIĐROCACBON VÒNG NO Đặng Công Anh Tuấn Trường THPT Chuyên Lê Quý Đôn I. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Chúng tôi chọn đề tài “Bài tập chọn lọc về danh pháp và lập thể của hiđrocacbon vòng no” với những lí do và mục đích sau đây: Một là cần có giáo trình để dạy học sinh chuyên hóa, đồng thời thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu các chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi mà nhà trường đề ra trong năm học này. Hai là, mảng kiến thức này vừa là trọng tâm vừa là cơ sở để nghiên cứu những chuyên đề khác, như hợp chất tự nhiên, polime … Ba là, đề thi học sinh giỏi quốc gia hiện nay có nhiều bài toán liên đến cấu dạng và danh pháp của các hợp chất hữu cơ. 2. Nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế, chọn lọc các bài tập có hệ thống về danh pháp, cấu hình và cấu dạng của hiđrocacbon vòng no. 3. Phương pháp tiến hành Tập hợp các tài liệu tham khảo có liên quan đến đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết có liên quan. Lập sơ đồ nghiên cứu: Thiết lập, chọn lọc các bài tập phù hợp với mục tiêu đề ra. II. NỘI DUNG Bài 1. Xicloankan là gì? Thế nào là monoxicloankan? Thế nào là polixicloankan ? Công thức chung của monoxicloankan là gì ?  Bài giải Xicloankan là hiđrocacbon no mạch vòng. Xicloankan có một vòng (vòng đơn) gọi là monoxicloankan. Ví dụ: Monoxicloankan Monoxicloankan Polixicloankan Polixicloankan Công thức cấu tạo Công thức cấu tạo Danh pháp Danh pháp Cấu hình Cấu hình Cấu dạng Cấu dạng Hiđrocacbon vòng no Hiđrocacbon vòng no Xicloankan có nhiều vòng (đa vòng) gọi là polixicloankan. Ví dụ: nobonan là một bixicloankan. bixiclo[2.2.1]heptan Monoxicloankan có công thức chung là C n H 2n (n ≥ 3). Lưu ý: Trong chương trình hóa học phổ thông, xicloankan được hiểu là monoxicloankan. Bài 2. Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f)  Bài giải Qui tắc đọc tên: Xiclo + tên mạch chính + an (a) (b) (c) (d) (e) (f) xiclopropan xiclobutan xiclopentan xiclohexan xicloheptan xiclooctan Bài 3. Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h)  Bài giải Qui tắc đọc tên: số chỉ vị trí + tên nhánh + xiclo + tên mạch chính + an (a) (b) (c) (d) (e) (f) metylxiclopropan 1,2-dimetylxiclobutan 1,1-dimetylxiclopentan 1,2,4-trimetylxiclohexan 1-isopropyl-2-metylxicloheptan 1-sec-butyl-2-etylxiclooctan (g) (h) metylenxiclohexan 1-metyl-3-metylencyclopentan Bài 4. Cho biết công thức chung của hiđrocacbon có hai vòng no, phân loại. Cho biết nguyên tắc đọc tên của các loại này.  Bài giải Công thức chung của hiđrocacbon hai vòng no là C n H 2n-2 n ≥ 4. Nó có 3 loại, đó là: - Hai vòng rời Lấy vòng lớn làm mạch chính, còn vòng nhỏ làm nhóm thế. Ví dụ: xiclopentylxiclohexan - Hai vòng có chung một nguyên tử mắt vòng, kiểu spiro. Mạch cacbon được đánh số hết vòng nhỏ đến vòng lớn, bắt đầu từ một nguyên tử ở kề nguyên tử chung. Tên của hiđro kiểu spiro gồm các bộ phận hợp thành theo trình tự sau đây: spiro + [các số nguyên tử cacbon riêng (từ số lớn đến số nhỏ)] + tên hiđrocacbon mạch hở tương ứng. Ví dụ: 1 2 3 4 5 6 6 8 9 10 spiro[4.5]decan - Hai vòng có chung cầu nối, kiểu bixiclo Mạch cacbon được đánh số bắt đầu từ một nguyên tử chung (ở một đỉnh), đến các nguyên tử của cầu nối dài nhất, tiếp đến các cầu nối ngắn hơn. Tên của hiđrocacbon kiểu gồm các bộ phận hợp thành theo thứ tự sau: bixiclo + [số nguyên tử C ở các cầu nối (ghi từ số lớn đến số nhỏ)] + tên của hiđrocacbon mạch hở tương ứng. Ví dụ: bixiclo[4.3.0]nonan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bài 5. Hãy gọi tên cho các hợp chất sau. (a) (b) (c) (d)  Bài giải (a) (b) (c) (d) xiclopropylxiclopentan xiclobutylxiclobutan 1-xiclopentyl-4-metylcyclohexan (3-metylcyclopentyl)xiclohexan Bài 6. Hãy gọi tên các chất sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f)  Bài giải (a) (b) (c) (d) (e) (f) bixiclo[1.1.1]pentan bixiclo[2.1.1]hexan bixiclo[2.2.1]heptan bixiclo[2.2.2]octan bixiclo[3.1.1]heptan bixiclo[4.1.1]octan Bài 7. Gọi tên các hợp chất sau: (a) (b) (c) (d) (e) (f)  Bài giải: (a) (b) spiro[2.3]hexan spiro[2.2]pentan (c) (d) spiro[2.4]heptan spiro[3.4]octan (e) (f) spiro[4.5]decan spiro[2.5]octan Bài 8. Cho biết công thức cấu tạo của các chất có tên sau: (a) spiro[2,3]hexan (b) 1-metylspiro[2.3]hexan (c) spiro[3.4]octan (d) 5-etylspiro[3.4]octan (e) spiro[4.5]decan (f) 8-ipropylspiro[4.5]decan  Bài giải (a) spiro[2,3]hexan (b) 1-metylspiro[2.3]hexan spiro[2.3]hexan 1-metylspiro[2.3]hexane 1 2 3 4 5 6 (c) spiro[3.4]octan (d) 5-etylspiro[3.4]octan spiro[3.4]octan 5-etylspiro[3.4]octan (e) spiro[4.5]decan (f) 8-ipropylspiro[4.5]decan spiro[4.5]decan 8-ipropylspiro[4.5]decan 1 2 3 4 5 67 8 9 10 Bài 9. Vẽ công thức cấu tạo của các hiđrocacbon hai vòng no sau: (a) Bixiclo[2.2.1]heptan (b) Bixiclo[5.2.0]nonan (c) Bixiclo[3.1.1]heptan (d) Bixiclo[3.3.0]octan  Bài giải bixiclo[2.2.1]heptan (a) bixiclo[5.2.0]nonan (b) bixiclo[3.1.1]heptan (c) (d) bixiclo[3,3,0]octan Bài 10. Cho biết công thức cấu tạo của các chất có công thức sau: (a) bixiclobutan (b) 2-metylbixiclobutan (c) bixiclo[3.2.1]octan (d) 8-metylbixiclo[3.2.1]octan  Bài giải (a) Bixiclobutan (b) 2-metylbixiclobutan bixiclo[1.1.0]butan 2-metylbixiclo[1.1.0]butan 1 2 3 4 (c) bixiclo[3.2.1]octan (d) 8-metylbixiclo[3.2.1]octan bixiclo[3.2.1]octan 8-metylbixiclo[3.2.1]octan 1 2 3 4 5 6 7 8 Bài 11. Đọc tên các chất sau: (a) (b) (c) (d)  Bài giải Chú ý: Hai nhóm thế cùng phía là đồng phân cis, còn khác phía là đồng phân trans. cis-1,2-dimetylxiclohexan cis-1,3-dimetylxiclohexan trans-1,4-dimethylcyclohexan trans-1-etyl-3-mehylxiclopentae Bài 12. Xicloankan nào có đồng phân cis – trans ? Nếu có vẽ cả hai đồng phân đó. (a) 1,3-dimetylxiclopantan (b) Etylxiclopantan (c) 1-etyl-2-metylxiclobutan  Bài giải (a) 1,3-dimetylxiclopantan. Có đồng phân cis – trans CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C cis-1,3-dimetylxiclopentan CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C trans-1,3-dimetylxyclopentan (b) Etylxiclopantan. Không có đồng phân cis-trans. C 2 H 5 C 2 H 5 Hai chất trên là một. (c) 1-etyl-2-metylxiclobutan: Có đồng phân cis-trans C 2 H 5 H CH 3 H H 3 C C 2 H 5 cis-1-etyl-2-metylxiclobutan H C 2 H 5 CH 3 H H 3 C C 2 H 5 trans-1-etyl-2-metylxiclobutan Bài 13. Hai hợp chất hữu cơ A và B đều có công thức phân tử C 5 H 10 . Cả hai đều không phản ứng với Cl 2 trong tối và lạnh. A phản ứng với Cl 2 có ánh sáng, nhưng cho một sản phẩm duy nhất là C 5 H 9 Cl. Còn hợp chất B cũng tác dụng với Cl 2 trong cùng điều kiện nhưng cho 6 đồng phân C 5 H 9 Cl khác nhau, có thể phân biệt bằng phương pháp vật lý. Hãy xác định cấu trúc của A, B và các sản phẩm monoclo đó.  Bài giải: A và B có công thức C 5 H 10 nên chúng có thể là anken hoặc xicloankan. Theo đều bài, các chất này không tác dụng với Cl 2 tối và lạnh nên A và B là các xicloankan. A tác dụng với Cl 2 cho một monoclo duy nhất nên A là xiclopentan + Cl 2 as Cl + HCl B tác dụng với Cl 2 (ánh sáng) tao ra 6 dẫn xuất monoclo, nên B phải là metylxiclobutan. Cl 2 -HCl CH 3 CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl CH 2 Cl Bài 14. Sức căng Baeyer là gì?  Bài giải Xuất phát từ hai tiên đề là các vòng no có cấu trúc phẳng và góc bình thường của hiđrocacbon no là 109 0 28’, năm 1885, Baeyer cho rằng sự éo nhỏ hay trương rộng các góc của vòng no đều dẫn đến một sức căng là cho tính bền của vòng giảm đi. Người ta gọi đó là sức căng Baeyer. Sức căng càng lớn, vòng tương ứng càng ít bền. Độ mạnh của sức căng được đánh giá bằng θ. θ được tính theo công thức ( )       ×− −=θ n 1802n '28109 2 1 0 ví dụ: n 3 4 5 6 7 8 9 θ 24 0 44’ 9 0 44’ 0 0 44’ -5 0 44’ 9 0 33’ 12 0 46’ -15 0 06’ Bài 15. Vì sao nói liên kết C-C trong xilopropan được gọi là “liên kết quả chuối” ?  Bài giải Xiclopropan là hợp chất vòng no duy nhất có cấu tạo phẳng. Theo quan niệm hiện đại, phần xen phủ cực đại của các đám mây electron không nằm trên đường thẳng nối liên hai nguyên tử cacbon mà có sự uốn cong. Sự uốn cong này làm cho phần xen phủ đám mây electron có giảm đi, nhưng sắp xếp như thế có lợi về mặt năng lượng. Các liên kết C-C này được gọi là “liên kết quả chuối”, nó mang tính chất trung gian giữa liên kết σ và π bình thường. Do sự uốn cong như vậy, thực tế góc liên kết của vòng chỉ bằng 106 0 chứ không phải 109 0 28’ và lớn hơn nhiều so với góc cấu tạo phẳng của tam giác đều (60 0 ). Xiclopropan rất dễ bị mở vòng dưới tác dụng của hiđrohalogenua, Br 2 và bị hiđro hoá có chất xúc tác. Bài 16. Thế nào là lực đẩy Pitze?  Bài giải Thực tế, các vòng no (trừ xiclopropan) không phải là những vòng phẳng. Trong một vòng ngoài sức căng góc Baeyer có có một lực đẩy nữa đó là lực đẩy giữa các nguyên tử hiđro ở trạng thái che khuất một phần hay toàn phần gây nên, đo đó một vài nguyên cacbon của vòng bị lệch ra khỏi mặt phẳng vòng. Lực đẩy đó gọi là lực đẩy Pitze Bài 17. Nguyên nhân nào để xiclobutan tồn tại ở dạng không phẳng?  Bài giải Theo quan niệm hiện nay, xiclobutan có cấu tạo không phẳng góc gấp có giá trị khoảng 20-25 0 . Tính không phẳng của xiclobutan được chứng tỏ từ các dữ kiện thực nghiệm của giản đồ Rơnghen, giản đồ electron, momen lưỡng cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và một số phương pháp khác. Nguyên nhân chủ yếu để xiclobutan tồn tại dạng không phẳng là để giảm sức căng Pitz. Bài 18. Xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng: dạng “phong bì” và dạng “nửa ghế”. Hãy vẽ hai cấu dạng này và cho biết dạng nào có tâm đối xứng, dạng nào có trục đối xứng.  Bài giải Nếu giả sử phân tử xiclopentan nằm trên một mặt phẳng thì góc lệch 0 0 44, do đó coi như không có sức căng Baeyer. Nhưng ở đây 5 liên kết C-C ở dạng che khuất nên lại xuất hiện sức căng Pitz. Thực tế xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng là cấu dạng phong bì có mặt phẳng đối xứng nên còn gọi là cấu dạng C s . Cấu dạng nửa ghế có trục đối xứng bậc hai nên còn gọi là cấu dạng C 2 . Lưu ý: Khi thực hiện phép quay phân tử xung quanh trục đối xứng C n một góc n 2 π =ϕ sao cho phân tử trùng với chính nó. Trục quay C n gọi là trục đối xứng cấp n. Bài 19. Dựa vào giản đồ thế năng sau, cho biết cấu dạng nào của xiclohexan bền nhất ? Giải thích ? C 5 C 2  Bài giải Cấu dạng ghế bền hơn cấu dạng thuyền, vì nó có thế năng thấp nhất. Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau về độ bền giữa hai dạng ghế và thuyền là lực đẩy tương tác giữa các nguyên tử hiđro của vòng. Ở dạng ghế tất cả đều được phân bố theo hình thể xen kẽ. Trong khi đó ở dạng thuyền chỉ có 4 hệ thống (C 1 -C 2 , C 3 -C 4 , C 4 -C 5 và C 6 -C 1 ) là phân bố xen kẻ, còn hai hệ thống còn lại C 2 -C 3 và C 5 -C 6 ) thì phân bố che khuất. Hơn nữa nguyên tử H ở C 1 và C 4 chỉ cách nhau 1,84 0 A nên nó có một lực đẩy khoảng 3 kcal/mol. Tổng cộng thế năng của dạng thuyền lớn hơn dạng ghế 6,8 kcal/mol. Công thức Newman dạng ghế Công thức Newman dạng thuyền Bài 20. Trong xiclohexan, xác đinh liên kết trục (axial) và liên kết biên (equatorial). So sánh tính bền của a-metylxiclohexan và e-metylxiclohexan. Giải thích.  Bài giải Trong xiclohexan, sau nguyên tử cacbon ở dạng ghế được phân bố trên hai mặt phẳng song song. Mặt phẳng thứ nhất chứa C 1 , C 3 và C 5 ; mặt phẳng thứ hai chứa C 2 , C 4 và C 6 . Trục đối xứng bậc ba của phân tử thẳng góc với hai mặt phẳng. 12 liên kết C-H được chia làm hai nhóm: nhóm thứ nhất gồm 6 nguyên tử H song song với trục đối xứng bậc ba ( 3 liên kết hướng lên và 3 liên kết hướng xuống). Ta gọi đó là liên kết trục, ký hiệu là a (axial). Nhóm thứ hai gồm 6 liên kết còn lại, chúng hướng ra ngoài biên phân tử (tạo với trục đối xứng một góc 109 0 được gọi là liên kết biên, kí hiệu là e (equatorial). Kết quả khảo sát lý thuyết cũng như thực nghiệm e-metylxiclohexan bền hơn a-metylxiclohexan. Ở nhiệt độ thường e-metylxiclohexan chiếm 95% còn a-metylxiclohexan chiếm 5%. a-metylxiclohexan kém bền vì có đến hai tương tác syn, trong kho đó e-metylxiclohexan không có tương tác syn nào cả. [...]... hỡnh phõn t cho nobonan (bixiclo[2,2,1]heptan) Vũng 6 cnh dng thuyn hay Bi 28 gh? Hp cht monoclo nobonan cú bao nhiờu ng phõn khỏc nhau? Bi gii nobonan Vũng 6 cnh ca nobonan dng thuyn monoclo nobonan cú 4 ng phõn: Cl Cl Cl Cl A B C D A v B cú th cú ng phõn quang hc Nhit t chỏy ca mt s xicloankan nh sau: Bi 29 Xicloankan Xicloankan H (kcal/mol) H (kcal/mol) Xiclopropan 499,83 Xiclonoan 1429,50 Xiclobutan... 37 bi tp v danh phỏp v lp th ca hirocacbon vũng no cú li gii, trong ú: Bi tp v khỏi nim: 9 bi Bi tp v danh phỏp: 9 bi Bi tp v cu hỡnh: 4 bi Bi tp v cu dng: 11 bi Bi tp tng hp: 4 bi 3 Xõy dng c h thng bi tp t d n khú, t n gin n phc tp, giỳp cho cỏc em hc sinh d tip thu ti ny l mt ti liu giỳp cỏc em hc sinh t hc, t nghiờn cu, l ti liu tham kho cho giỏo viờn bi dng hc sinh gii cỏc cp Kin ngh: Danh phỏp... cis-1,4-dimetylxiclohexan Hai cấu dạng này có độ bền nh nhau (a) 2-Isopropyl-5-metylxiclohexanol cú 4 ng phõn cis trans, hóy vit cỏc ng phõn ú (b) V Bi 34 cu dng ca cỏc ng phõn ú Trong s 4 ng phõn ú ng phõn no bn nht? Bi gii (a) Cụng thc ca 4 ng phõn (b) Biu din cỏc cu dng (c) Cu dng bn nht l trans-2-Isopropyl-cis-5-metylxiclohexanol Vỡ tt c cỏc nhúm th u dng e Gii thớch ti sau 1,2-dimetylxiclohexan cú ng phõn... phỏp v lp th ca cỏc hp cht khỏc, nh : hirocacbon khụng no, hirocacbon thm v cỏc dn xut ca hirocacbon s tip tc nghiờn cu sau ny TI LIU THAM KHO ng ỡnh Bch(2001), Nhng vn húa hc hu c, NXB Khoa hc v K thut Trnh ỡnh Chớnh (1995), C s lý thuyt húa lp th, Ti liu BDTX Trn Quc Sn, (1977), C s lớ thuyt húa hu c, NXB Giỏo dc Trn Quc Sn Trn Th Tu (2003), Danh phỏp hp cht hu c Thỏi Doón Tnh (2002) Giỏo trỡnh... gii: Cỏc cu dng bn l: t chỏy hon ton etylxiclopropan v metylxiclobutan, so sỏnh nng lng gii phúng ca mi ng phõn Bi gii Etylxiclopropan v metylxiclobutan l ng phõn (u cú cụng thc phõn t C5H12) ng phõn no bn gii phúng nng lng thp Etylxiclopropan cú sc cng gúc ln v kộm bn hn metylxiclobutan Bi 23 CH3 CH2CH3 Bi 24 metylxiclobutan etylxiclopropan 808,8 kcal/mol 801,2 kcal/mol So sỏnh tớnh bn ca ng phõn... CH3 CH3 CH 3 Cl Cl CH3 CH3 Cl I H H III CH3 II H H CH3 H 3C Cl Cả 2 H ở C bên cạnh đều tách đ ợc CH3 CH3 1,3 - Đimetylxiclohexen H 3C Cl CH3 H CH3 CH3 Không tách đ ợc vì H ở C bên cạnh không đồng phẳng và đều ở vị trí cis đối với clo Cl Chỉ có 1 H là tách đ ợc CH3 CH3 1,3 - Đimetylxiclohexen Sỏu hirocacbon A, B, C, D, E, F u cú cụng thc phõn t C4H8 Cho tng cht vo brom trong CCl4 khi khụng chiu sỏng thỡ