1

Hóa Học Hữu Cơ

TS Phan

Thanh

Sơn NamBộ

môn

Kỹ

Thuật Hữu Cơ

Khoa

Kỹ

Thuật Hóa HọcTrường

Đại Học

Bách

Khoa

TP. HCM

Điện thoại: 8647256 ext. 5681Email: ptsnam@hcmut.edu.vn

2

Tài

liệu tham khảo[1] Paula Y. Bruice, ‘Organic chemistry’,

fifth edition, Pearson Prentice Hall, 2007

[2] Graham T.W. Solomons, Craig B. Fryhle, ‘Organic chemistry’,

eighth edition, John Wiley & Sons, 2004

[3] Francis A. Carey, ‘Organic chemistry’, fifth edition, McGraw-

Hill, 2003

[4] Robert T. Morrison, Robert N. Boyd, ‘Oragnic

chemistry’,

sixth edition, Prentice Hall, 1992

[5] Trần Thị

Việt

Hoa, Phan

Thanh

Sơn Nam, ‘Hóa

hữu cơ’,

NXB Đại Học Quốc

Gia

–

HCM, 2007[6] Trần Thị

Việt Hoa, Trần Văn Thạnh, ‘Bài

tập hoá hữu cơ’, NXB Đại Học Quốc

Gia

–

HCM, 2004[8] Thái

Doãn

Tĩnh, ‘Cơ

sở

lý

thuyết

hoá

hữu cơ’,

NXB Khoa

Học

Kỹ

Thuật, 2000[9] Trần Quốc Sơn, ‘Cơ

sở

lý

thuyết hóa hữu cơ’,

NXB Giáo

Dục, 1979

3

NỘI DUNG CHÍNH• Đồng

phân

của hợp chất hữu cơ

• Hiệu

ứng

trong

hợp chất hữu cơ

• Cơ

chế

các

phản

ứng

của hợp chất hữu cơ

• Alkane

• Alkene

• Alkyne

• Alkadiene

• Hợp chất

hydrocarbon thơm

• Dẫn xuất halogen

• Alcohol –

Phenol

• Aldehyde –

Ketone

• Carboxylic acid

• Amine

–

Hợp chất diazonium

4

Chương 1: ĐỒNG PHÂN

• Đồng

phân: những

hợp chất hữu cơ

có công

thức

phân

tử

giống

nhau, công

thức

cấu tạo khác nhau tính chất hóa học, vậtlý, sinh học khác nhau

• Phân

loại:

+ Đồng

phân

cấu tạo (phẳng)+ Đồng

phân

lập thể: đồng

phân

hình

học

(cis, trans), đồng

phân

quay (cấu dạng), đồng

phân

quang

học

5

I. Đồng

phân

cấu tạo

Do có

sự

sắp xếp

khác

nhau

của

các

nguyên

tử trong

mạch

C

I.1. Đồng

phân

mạch

C

C6H12

n-butane

iso-butane

methyl cyclopentane

cyclohexane

6

I.2. Đồng

phân

do vị

trí

các

liên

kết bội, nhóm

chức

OHOH

OH

OH

OH

OH

C4H8butene-1 butene-2

1,2- 1,3- 1,4-

dihydroxy benzene

7

I.3. Đồng

phân

có

nhóm

định

chức

khác

nhau

O

CHO

C3H6Odimethyl ketonepropan-2-oneacetone

propionaldehydepropanalpropionic aldehyde

C3H6O2 COOH

O

O

Propionic acid

methyl acetate

8

I.4. Đồng

phân

có

nhóm

thế

khác nhau liên kết với nhóm

định

chức

O

O

C4H10O diethyl ether

methyl propyl ether

9

II. Đồng

phân

lập thể

II.1. Đồng

phân

hình

học

II.1.1. Điều kiện xuất hiện

đồng

phân

hình

học

• Xuất hiện

khi

phân

tử

có

1 bộ

phận cứng

nhắccản trở sự quay tự do của các nguyên tử ở

đó

• 2 nguyên

tử

liên

kết với

cùng

1 nguyên

tử

của bộ

phận cứng

nhắc phải

khác

nhau

10

H

Cl Cl

H

• Thường

xuất hiện

ở

các

hợp chất có chứa: C=C, C=N, N=N, hệ

liên

hợp, vòng

phẳng

3

hay 4 cạnh

abC=Ccd: a ≠

b, c ≠

d

11

II.1.2. Danh

pháp

của

đồng

phân

hình

học

a. Hệ

cis-trans: abC=Cab

• Nhóm

thế

tương

đương

nằm

cùng

phía mặt phẳng

liên

kết

π cis

• Khác

phía trans

H

H3C CH3

H H

H3C H

CH3

cis-butene-2 trans-butene-2

12

b. Hệ

Z-E: abC=Ccd a>b

c>d

Quy

tắc

Kahn-Ingold-Prelog: dựa theo thứ tự ưu tiên trong bảng

HTTH của

nhóm

thế

a, c cùng

phía

so với mặt phẳng

nối

đôi:

Z (zusammen)

a, c khác

phía

so với mặt phẳng

nối

đôi: E (entgegen)

13

I

Br Cl

F

I

Br F

Cl

(E)-1-Bromo-2-chloro-2-fluoro-1-iodoethene

35

53

17

9

(Z)-1-Bromo-2-chloro-2-fluoro-1-iodoethene

•Lưu

ý: Khi

dùng

Z-E, chú

ý Z, E

không phải

luôn

trùng

với

cis, trans

H

Cl Cl

Br

E-, cis-

F

Cl Cl

HZ-, cis-

14

II.1.3. Đồng

phân

hình

học của abC=Nd và aN=Nb

a.

abC=Nd

• Trước

đây, dùng

hệ

syn-, anti-,

nhưng không

chính

xác

nên

hiện

nay dùng

hệ

Z-E

• a>b: a, d khác

phía

so với mặt phẳng

nối đôi E, cùng phía Z

• Đối với

aldoxime

C NH

H3C OHC N

H

H3C

OH

anti-acetaldoxime(Z)-acetaldoxime

syn-acetaldoxime(E)-acetaldoxime

15

• Đối với

ketoxime: Cùng

1 chất, có

thể

gọi là syn-

hay anti-

!!!

C NOH

H3C

C NOH

anti-phenyl-p-tolylketoximesyn-p-tolyl-phenylketoxime

syn-phenyl-p-tolylketoximeanti-p-tolyl-phenylketoxime

H3C

hệ syn-anti không chính xácchuyển sang hệ Z-E

16

b. aN=Nb

N NC6H5

C6H5

N NC6H5 C6H5

anti-azobenzene syn-azobenzene

17

II.1.4. Đồng

phân

hình

học của hợp chất chứa C=C

liên

hợp

a(HC=CH)n

bH

H

C6H5

C6H5

H

H

H

C6H5

H

H

C6H5

H

H

C6H5

H

C6H5

H

H

trans,trans-1,4-diphenyl-1,3-butadiene

cis,cis-1,4-diphenyl-1,3-butadiene

cis,trans-1,4-diphenyl-1,3-butadiene

* Số đp hình học của hệ

liên

hợp C=CN = 2n-1

+ 2p-1

n: số

nối

đôi

liên

hợpp = n/2 nếu n chẵn

p = (n + 1)/2 nếu n lẻ

18

II.1.5. Đồng

phân

hình

học của

vòng

no 3, 4 cạnh

• Được bố

trí

trên

1 mặt phẳng các nhóm thếkhông thể quay tự do xuất hiện đồng phân

hình học

* Các

nhóm

thế

tương

đương

cùng

phía

mặt phẳngcis, khác phía trans

HOOC

H

COOH

H

HOOC

H

H

COOH

cis-cyclopropane-1,2-dicarboxylic acid trans-cyclopropane-1,2-dicarboxylic acid

19

II.1.6. Cách

xác

định

và

so sánh

các

đồng

phân hình

học

a. xác

định

khoảng

cách

giữa

các

nhóm

thế

Khoảng

cách

giữa

2 nhóm

thế

tương

đương trong

đồng

phân

cis

< trans

Cl

H H

Cl Cl

H Cl

H

3.7 Å4.7 Å

20

b. Moment lưỡng

cực• 2 nhóm

thế

giống

nhau

aHC=CHa

Cl

H H

Cl Cl

H Cl

H

μcis

(1.89D) > μtrans

(0D)

• 2 nhóm

thế

khác

nhau

aHC=CHb

(a ≠

b)

•2 nhóm

thế

cùng

hút

hay cùng

đẩy

điện tử: μcis

> μtrans

•2 nhóm

thế

có

tính

chất

điện tử

ngược

nhau: μcis

< μtrans

21

c. Nhiệt

độ

nóng

chảy

• Đồng

phân

trans-: đối xứng mạng lướitinh thể chặt chẽ tonc cis < tonc trans

• Lưu ý: mối liên hệ

giữa to

sôi

và

đồng

phân hình học

không

chặt chẽVí

dụ:

CHCl=CHCl

tosôi

của

cis-: 60.3 oC, tosôi của

trans-: 48.4 oC

CH3

CH=CHCl

tosôi

của

cis-: 32.8 oC, tosôi của

trans-: 37.4 oC

22

II.2. Đồng

phân

cấu dạng

(đồng

phân

quay)

• Là

những

cấu

trúc

không

gian

sinh

ra

do 1 nhóm thế

quay xung

quanh

trục

C-C (không

làm

đứt C-C)

so với

1 nhóm

nguyên

tử

khác

• Thường

cần năng

lượng

3-4 Kcal/mol

• Chỉ

tồn tại những

cấu dạng

tương

đối bền

• Không

thể

tách

thành

những

đồng

phân

riêng

rẽ!!!

• Đồng

phân

cấu dạng

là

các

dạng

khác

nhau

trong không

gian

của cùng 1 cấu

hình!!!

23

II.2.1. Cách

biểu diễna. Công

thức phối cảnh

(không

gian

3 chiều)

c

bc

a

ba

a

bc

a

bc

cb

a

che

khuất

xen

kẽ

• Liên

kết

C-C: đường

chéo

trái

qua phải, xa dần người

quan

sát

24

b. Công

thức Newman

•

Quan

sát

dọc theo C-C 2 nguyên tử C ởdạng che khuất, biểu diễn bằng vòng tròn

chiếu các nhóm thế lên mặt phẳng vuônggóc vớiC-C

a

a

bc

aa

bb

cc

cb

che

khuất

xen

kẽ

25

II.2.2. Cấu dạng

của

các

hợp chất mạch

hởa. Ethane

• Quay 1 nhóm

CH3

& cố định

nhóm

còn

lại2 đồng phân cấu dạng tới hạn

• Che

khuất: khoảng

cách

giữa

các

H gần nhau năng lượng cao nhất kém bền

nhất

26

•Xen

kẻ: khoảng

cách

giữa

các

H xa

nhau nănglượng thấp nhất bền nhất

27

b. n-Butane•

Quay các

nhóm

thế

quanh

trục C2-C3 2 dạng

có năng lượng cao: che khuất toàn phần & che 1 phần

CH3CH3

HH

HH

CH3

HCH3

HH

H

• 2 dạng

có

năng

lượng

thấp: anti

(đối) & syn

(lệch)

HH

HHCH3

CH3

HH

HCH3

H

CH3

28

29

II.2.3. Cấu dạng

của hợp chất

vòng

no

•Vòng

no 3,4 cạnh

không

có

đồng

phân

cấu dạng

• Sức căng

bayer: do sự

khác

biệt của

góc

liên

kết so với

góc

hóa

trị

bình

thường

(109o28’)

α

= ½

(109o28’

–

góc

liên

kết của

vòng)

30

a. Cyclohexane•

Các

C không

cùng

nằm

trong

1 mặt phẳng

để

bảo

đảm

góc

liên

kêt

~ 109o28’•

Các

nhóm

thế

có

thể

quay quanh

C-C đồng

phân cấu dạng• Có

2 dạng

đặc trưng: ghế

(bền) & thuyền

* Ghế:

1

234

5 6

2.5 Å

2.49 Å

• Xem

như

1 tổ

hợp của 6 hệ

thống

n-butane• Tất cả

6 hệ

thống

đều

ở

dạng

xen

kẻ

(syn

ở

butane)

24

3

6

31

* Thuyền:1

23

45

6

2.27Å

1.84Å

2.49Å35

14

•

4 hệ

thống

ở

dạng

xen

kẽ: C1-C2, C3-C4, C4- C5, C6-C1

•

2 hệ

thống

ở

dạng

che

khuất

hoàn

toàn: C2- C3, C5-C6

•

Khoảng

cách

H ở

C1 & C4 rất nhỏ lực đẩykém bền hơn dạng ghế

*** Ngoài

dạng

ghế

& thuyền, cyclohexane

còn

có

dạng xoắn, dạng

nửa ghế

kém

bền (tự đọc)

32

33

b.Sự

bố

trí

các

liên

kết C-H

• 6 C phân

bố

trên

2 mặt phẳng

song song

(1-3-5 & 2-4-6), cách

nhau

0.5Å

• Liên

kết C-H gồm

2 nhóm: liên

kết trục

a (axial) & liên

kết biên e (equatorial)

a e

a

e

a

a

e

e

a

e

a

e

109o28'

34

• Cân

bằng

(không

thể

tách):a

e

CH3

CH3

•

Dẫn xuất 1 lần thế: e-methyl cyclohexane

bền hơn a-methyl cyclohexane

• Khi

có

2 nhóm

thế

khác

nhau: nhóm

lớn

ở

vị

trí

e

35

II.3. Đồng

phân

quang

học

II.3.1. Ánh

sáng

phân

cực

• Ánh

sáng

tự

nhiên: sóng

điện từ, dao

động

mọi hướng

vuông

góc

với phương

truyền

• Ánh sáng phân cực: chỉ

dao

động

trong

1 mặt phẳng

nhất

định mặt phẳng phân cực

•ASTN qua lăng

kính

Nicol

sẽ

trở

thành

ASPC

36

II.3.2. chất hoạt

động

quang

học

• ASPC đi qua 1 số

hợp chất hữu cơ

làm

mặt phẳng phân

cực

quay 1 góc chất hoạt động quang học

• Góc

quay được

xác

định

bằng

phân

cực kế

37

Độ

quay cực

riêng:

[α]t0λ

= α/(l.d)α: góc

quay cực

quan

sát

được (độ)

l (dm): bề

dày

dung dịch

chất

quang

học

d (g/ml): nồng

độ

dung dịch

chất

quang

họcto: nhiệt

độ

đo

λ: bước

sóng

ánh

sáng

38

II.3.3. Điều kiện xuất hiện

đồng

phân

quang

học

•Vật & ảnh

trong

gương

không

chồng

khít có 2 đồng phân không chồng khít nhưng đối xứng nhau

•2 đồng

phân

này

quay mặt phẳng

phân

cực những góc

như

nhau

nhưng

ngược chiều 1 đôi đối

quang•Đồng

phân

quang

học thường

xuất hiện khi có C

bất

đối xứng

(C*)

* C bất

đối xứng:Cabcd

a ≠

b ≠

c ≠

d không có tính đối xứng

trong không gian

39

•Ví

dụ

phân

tử

lactic acid 2 đồng phân quang học

COOH

H OH

CH3

C*

COOH

H

CH3

C*HO

(+) (-)

40

41

• Các

nhóm

thế

khác

nhau

về

đồng

phân

cấu tạođồng phân quang học

n-C3H7 C*H

COOH

iso-C3H7

• Các

nhóm

thế

khác

về

đồng

vịđồng phân quang học

D C*CH3

HC6H5

42

Đồng

phân

quang

học

không

chứa C*

•

Phân

tử

bố

trí

chặt chẽ

trong

không

gian, có

cấu tạo bất

đối xứng

trên

toàn

phân

tử

• Đồng

phân

alleneC C C

C10H7 C10H7

C6H5 C6H5

• Đồng

phân

cản quay

HOOC COOH

Cl Cl

43

II.3.4. Công

thức biểu diễn

đồng

phân

quang

học

a. Công

thức tứ

diện

(3 chiều)

COOH

H CH3 OH

không thuận lợi cho phân tử phức tạp

44

b. Công

thức chiếu Fisher (2 chiều)

• Chiếu

công

thức tứ

diện lên mặt phẳng•

Cạnh

nằm ngang gần người

quan

sát, nằm dọc

xa

người

quan

sát

H OH

COOH

CH3

• Có

thể

có

nhiều

công

thức

Fisher khác

nhau

c. Công

thức phối cảnh

& Newman

45

II.3.5. Danh

pháp

và

cách

xác

định

cấu hình

của

đồng

phân

quang

học

• Cấu

hình: sự

phân

bố

trong

không

gian

của các

nhóm

thế

xung

quanh

C* (khái

niệm mô tả

đồng

phân

quang

học)

• Cấu dạng: các

dạng

khác

nhau

trong

không gian

của

cùng

1 cấu

hình!!!

46

a. Hệ

danh

pháp

D-L: cấu hình tương

đối•Phải

so sánh

với 1 chất chuẩn

H OH

CHO

CH2OH

HO H

CHO

CH2OHD-glyceraldehyde L-glyceraldehyde

•Quy

ước: các

đồng

phân

chứa dị

tố

(O, N, S…) liên

kết trực tiếp với C*, nằm bên phải của

công

thức Fisher D,

bên trái L•Ví

dụ

lactic acid có

2 đồng

phân

khi

so với

glyceraldehyde

H OH

COOH

CH3

HO H

COOH

CH3

D-lactic acid L-lactic acid

•Rất khó xác định

khi

phân

tử

có

nhiều C*!

47

b. Hệ

danh

pháp

R-S:

• Cấu hình tuyệt

đối:Là

cấu hình thực sự, nói

lên

sự

phân

bố

các

nhóm

thế

trong

không

gian

xung

quanh

C*

Dùng

quy

tắc

Kahn-Ingold-Prelog

xác

định

độ lớn của

nhóm

thế: dựa theo thứ

tự ưu tiên

trong

bảng

HTTH

48

H C* OC

C

OH

HO HH

H

•Vòng

1: C1 6, C3 6, O 8, H 1•Vòng

2 (khi

vòng

1 không

xác

định

được thứ

tự):

O-C-O > -C-O• -OH > -CHO > -CH2OH > H•Lưu ý:

C A C AA C

C A CA

AAC

C

CCHHC

CC

-C≡CH > -C(CH3)3-CH=CH2 > -CH(CH3

)2

49

• Lưu ý: cách cộng

số

thứ

tự

chỉ

áp

dụng

để so sánh

các

nhóm

thế

có

chứa

các

nguyên

tử

giống

nhau.

Ví

dụ

-CH(CH3

)2

& -CH=CH2

Hoặc

–CHO & -CH2

OH

-CH2OH > -CH=CH2

50

•Cách

xác

định

cấu hình: C*abcd, giả

sử

a>b>c>d

+Theo công

thức tứ

diện / phối cảnh

(không

gian): đặt d xa người

quan

sát:

Đi từ

a b c: cùng chiều kimđồng hồ: đồng phân R

Đi từ

a b c: ngược chiều kimđồng hồ: đồng phân S

51

52

+Theo công

thức Fisher:Đặt d nằm dưới hay trên trong

công

thức

Fisher, sau

đó

xét

thứ

tự

các

nhóm

còn

lại:

Đi từ

a b c: cùng chiều kim đồng hồ: RĐi từ

a b c: ngược chiều kim đồng hồ: S

Quy

ước: đổi vị

trí

2 cặp

nhóm

thế cấu hìnhkhông thay đổiThay

đổi vị

trí

1 cặp

nhóm

thế cấu hình sẽ

thay đổiHay là

Quay công

thức

Fisher 180o cấu hình

không đổi, quay 90o hay 270o cấu hình thayđổi

53

•Ví

dụ

lactic acid:H OH

COOH

CH3

đổi H & CH3 (1 cặp), OH & COOH (1 cặp) CH3 COOH

OH

H

(R)d

a

bc

Nếu chỉ

đổi 1 cặp

H & CH3CH3 OH

COOH

H

(S)d

b

ac

•Lưu

ý: R & S chỉ

là

đại lượng

lý

thuyết!!! thực tế

chỉ đo

được

d(+) & l(-)!!! R & S không

liên

hệ

với

(+) & (-)!!!

54

II.3.6. Các

hợp chất chứa

nhiều C*a. Hợp chất chứa

các

C* không

tương

đương

H C* OHCHO

C*H OHCH2OH

2 C* không tương đương vì CHO ≠ CH2OH 4 đồng phân (2 đôi đối quang):

H C* OHCHO

C*HO HCH2OH

OHCHO

C*H OHCH2OH

H C*HOHO C* H

CHO

C* HCH2OH

HOH

C* HCHO

C* OHCH2OH

threo-aldotetroseerythro-aldotetrose(2R,3R)- (2S,3S)- (2R,3S)- (2S,3R)-

Số

đp quang học: N = 2n

n: số

C*

55

b. Hợp chất có chứa C* tương

đươngTactric

acid:

HOOC C* C* COOHH

OH

H

OH2 C* tương đương 3 đồng phân

H C* OHCOOH

C*HO HCOOH

HOH

C* HCOOH

C* OHCOOH

HOHO C* H

COOH

C* HCOOH

(2R, 3R)-tactric acid (2S, 3S)-tactric acid meso-tactric acid

56

Trong

đồng

phân

meso: độ

quay cực của 2 C* triệt

tiêu

nhau

không còn hoạt tính quang học

Số đồng

phân

quang

học của hợp chất chứa C*

tương

đương

(tính

cả đồng

phân

meso):

N = 2n-1

(n: lẻ)

N = 2n/2-1(2n/2

+1) (n: chẳn)

57

II.3.7. Hỗn hợp

racemic

• Là

hỗn hợp

50% đp

quay trái

+ 50% đp

quay phải hỗn hợp không có tính chất quang

học vì độ quay cực tự bù trừ nhau

• Hỗn hợp

racemic: không

chỉ

các

phân

tử riêng

rẽ

mà

là

1 tập hợp các phân tử

58

Ví

dụ: Xác

định

cấu hình tuyệt

đối của 1 số

chất

(R)-

(R)-

H OHCH2OH

CH3

H CH3

COOH

C6H5

(S)-

OH CH3

CHO

CH2OH

H OHCH2OH

OH HCH2OH

H2N HCOOH

CH3(S)-

H OHCH2OH

H OHCH2OH

H2N HCOOH

CH2OH(S)-

(2S, 3S)- (2S, 3R)-