Giáo trình Hóa hữu cơ
GIÁO TRÌNH
HÓA HỮU CƠ
CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ HOÁ HỮU CƠ
1.1. Đối tượng của hoá học hữu cơ
- Hoá học hữu cơ là môn khoa học nghiên cứu thành phần và tính chất các hợp
chất của cacbon.
- Trong thành phần của các hợp chất hữu cơ, ngoài cacbon còn chứa nhiều nguyên
tố khác như: H, O, N, S, P, halogen… Nhưng cacbon được coi là nguyên tố cơ bản
cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ.
- Hoá học hữu cơ nhanh chóng trở thành một ngành khoa học riêng vì các nguyên
nhân dưới đây:
+ Số lượng các hợp chất hữu cơ tăng lên nhanh chóng và đạt tới con số khổng lồ
khoảng 5 triệu chất, trong đó có những chất đóng vai trò vô cùng quan trọng đối
với sự sống như protein, axit nucleoic, hocmon… và nói chung, nó làm cho hoá
hữu cơ đóng vai trò to lớn và ứng dụng phong phú trong kinh tế, quốc phòng và
đời sống.
+ Nguyên nhân dẫn đến sự tồn tại một số lượng rất lớn các hợp chất hữu cơ là ở
chỗ các nguyên tử cacbon có khả năng đặc biệt là vừa có thể liên kết với các
nguyên tử của các nguyên tố khác và vừa có thể liên kết với nhau thành mạch
cacbon các kiểu khác nhau. Do đó, ở các hợp chất hữu cơ xuất hiện các hiện tượng
đồng đẳng, đồng phân, hỗ biến và những biểu hiện phong phú về hoá lập thể.
+ Các liên kết chủ yếu trong hoá hữu cơ là liên kết cộng hoá trị, nên có tính chất lý
học và hoá học khác các hợp chấy vô cơ. Các hợp chất hữu cơ mẫn cảm với nhiệt
hơn, không bền ở nhiệt độ cao, đa số cháy được, ít tan trong nước, số tan được
thường ít hoặc không phân li thành ion. Các phản ứng thường chậm, thuận nghịch
và theo nhiều hướng.
1.2. Sơ lược lịch sử phát triển của hoá học hữu cơ
- Từ thời xa xưa, người ta đã biết điều chế và sử dụng một số chất hữu cơ trong
đời sống như giấm, một số chất màu hữu cơ, rượu etylic,… Thời kỳ giả kim thuật,
các nhà hoá học đã biết điều chế một số chất hữu cơ như ete etylic, urê…
- Vào cuối thế kỷ XVIII, đầu thế kỷ XIX, các nhà hoá học đã chiết tách được từ
động, thực vật nhiều axit hữu cơ như axit oxalic, axit xitric, axit lactic… và một số
bazơ hữu cơ. Năm 1806, lần đầu tiên Berzelius đã dùng danh từ hoá học hữu cơ để
chỉ ngành hoá học nghiên cứu các hợp chất có nguồn gốc động, thực vật. Thời
điểm này có thể xem như điểm mốc đánh dấu sự ra đời của môn hoá học hữu cơ.
- Năm 1815, Berzelius đã đưa ra thuyết “lực sống”, một luận thuyết duy tâm, cho
rằng các hợp chất hữu cơ chỉ có thể tạo ra trong cơ thế động, thực vật nhờ một
“lực sống” đặc biệt mà bàn tay con người không thể điều chế được chúng trong
các bình, lọ, ống nghiệm như đối với các chất vô cơ.
- Thuyết “lực sống” đã thống trị hoá học hữu cơ trong nhiều năm. Sau đó thuyết
này dần dần bị đánh đổ nhờ các công trình tổng hợp các chất hữu cơ từ các chất vô
cơ.
1
- Năm 1824, Wohler đã tổng hợp được axit oxalic, một axit hữu cơ điển hình
(bằng cách thuỷ phân dixian là một chất vô cơ). Năm 1828, cũng chính Wohler đã
tổng hợp được ure (vốn có trong nước tiểu động vật) từ amoni xyanat, cũng là một
chất vô cơ:
NH4CNO ꢀ H2N – CO – NH2
Chính phát minh này đã làm sụp đổ bức tường ngăn cách trước đó giữa hoá
học vô cơ và hoá học hữu cơ, làm cho các nhà hóa học tin rằng có thể tự tổng hợp
được các chất hữu cơ trong phòng thí nghiệm mà không cần có sự tham gia của
một “lực sống” nào cả.
- Tiếp theo đó, Bectôlê đã tổng hợp được chất béo (1854) và Bulerôp đã tổng hợp
được đường glucoza từ formalin (1861).
- Cho đến nay, hàng triệu chất hữu cơ đã được tổng hợp trong các phòng thí
nghiệm và trong công nghiệp. Không những con người đã bắt chước được thiên
nhiên trong nhiều lĩnh vực mà con người còn sáng tạo ra được nhiều vật liệu hữu
cơ, nhiều chất hữu cơ cực kỳ quan trọng, quí giá không có trong tự nhiên.
- Tuy nhiên, tên gọi “hợp chất hữu cơ” vẫn được duy trì, nhưng không phải với
nghĩa như trước đây là các chất có nguồn gốc động, thực vật mà nó đã mang một
nội dung mới, đó là các hợp chất của cacbon.
1.3. Những quan điểm về cấu tạo của hợp chất hữu cơ
Cấu tạo của hợp chất hữu cơ là sự phân bố của các nguyên tử hoặc nhóm
nguyên tử trong không gian của một phân tử.
1.3.1. Thuyết gốc (Radial, ký hiệu R)
Thuyết cấu tạo hoá học của các hợp chất hữu cơ được phát triển mạnh ở
đầu thế kỷ XIX. Từ những công trình hoá học của Lavoisier, Berzelius, Wohler,
Liebig cho thấy trong những phản ứng hữu cơ có những phần chất có cấu trúc
không thay đổi chuyển từ chất đầu sang chất cuối gọi là gốc. Quan niệm này đã
cho ra đời thuyết cấu tạo hoá học đầu tiên là thuyết gốc. Thuyết gốc cho rằng,
phân tử hữu cơ gồm 2 phần:
- Gốc là phần không biến đổi trong các quá trình chuyển hóa hóa học.
Ví dụ: Gốc axetyl: CH3CO-
Gốc benzoyl: C6H5CO-
- Phần kết hợp với gốc đó là các nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau.
*Ưu điểm: Phân loại được một số các hợp chất hóa học hữu cơ theo gốc cấu
tạo. Từ đó có thể dự đoán được tính chất của các nhóm hữu cơ.
*Nhược điểm: Chỉ phân biệt được những hợp chất đơn giản, không có ý
nghĩa đối với các hợp chất phức tạp. Do đó phạm vi ứng dụng bé.
1.3.2. Thuyết kiểu
Thuyết “kiểu” của Dumas ra đời chia ra làm hai dạng:
- Dạng hoá học gồm những chất có tính chất hoá học giống nhau như axit axetic
và axit cloaxetic.
2
- Dạng cơ học gồm những chất có cùng số nguyên tử như nhau nhưng tính chất
khác nhau như axit axetic và rượu etylic.
Theo thuyết “kiểu” này, người ta đã thiết lập được nhiều “kiểu” hợp chất hữu cơ
như:
- Kiểu nước của Williamson:
H
CH3
H
CH3
CH3
O
O
O
H
- Kiểu amin của Wurtz và Hofmanm:
H
H
H
N
- Kiểu clorua hiđro của Gerhardt:
C2H5
Cl
H
C2H3O
Cl
CH3
Cl
Cl
hy®r«clorua
mª tylclorua ª tylclorua axª tylclorua
Trong đó quan trọng nhất là kiểu metan của Kêkulê:
H
H
C
H
H
Người ta xác định được rằng, các hợp chất hữu cơ được đặc trưng bằng
những phản ứng “kiểu” xác định.
* Ưu điểm:
+ Thuyết “kiểu” đã có đóng góp to lớn vào việc phân loại các hợp
chất hữu cơ, thuận lợi cho việc tìm kiếm.
+ Nghiên cứu những phần không thay đổi trong các chuyển hoá hoá
học và cũng giải thích được phần nào sự thay đổi đó.
* Nhược điểm:
+ Do số kiểu nhiều nên rất phức tạp trong vấn đề phân loại, hạn chế
trong việc sử dụng.
+ Có những hợp chất hữu cơ không thể sắp xếp theo một kiểu nào
cả.
1.3.3. Thuyết Butlerop (Ông tổ của hoá học hữu cơ)
Nội dung của thuyết cấu tạo hoá học của Butlerop bao gồm các luận điểm:
- Tất cả các nguyên tử trong hợp chất hữu cơ kết hợp với nhau theo một trật
tự xác định. Trong việc kết hợp đó, các nguyên tử đã tiêu phí một phần ái lực hoá
học của mình. Trật tự kết hợp của các nguyên tử và đặc tính của các liên kết trong
phân tử là cấu tạo hoá học.
3
- Nguyên tử của các nguyên tố tạo nên phân tử liên kết với nhau theo đúng
hoá trị của mình. Trong phân tử chất hữu cơ, cacbon bao giờ cũng có hoá trị 4.
Các nguyên tử cacbon chẳng những có thể liên kết với các nguyên tử của các
nguyên tố khác mà còn có thể liên kết với nhau thành mạch.
- Tính chất của các chất không chỉ phụ thuộc vào thành phần và số lượng
nguyên tử của các nguyên tố mà còn phụ thuộc vào cấu tạo hoá học của hợp chất.
- Cấu tạo hoá học của các chất có thể xác định được khi nghiên cứu tính
chất của chúng. Cấu tạo hoá học của mỗi chất có thể biểu diễn bằng một công thức
xác định là công thức cấu tạo. Công thức cấu tạo vừa phản ánh cấu tạo hoá học
của phân tử vừa thể hiện những tính chất cơ bản của hợp chất.
- Tính chất hoá học của mỗi nguyên tử và nhóm nguyên tử trong phân tử
không phải là bất biến mà thay đổi tuỳ thuộc vào các nguyên tử và nhóm nguyên
tử liên kết trực tiếp với nhau mạnh hơn ảnh hưởng gián tiếp.
Thử thách qua thời gian, thuyết cấu tạo hoá học tỏ ra đúng đắn và sâu sắc.
Từ những luận điểm sơ giản ấy, ngày nay đã phát triển thành những thuyết hiện
đại về cấu tạo và liên kết, về hiệu ứng, về hoá học lập thể,…
1.4. Cách biểu diễn công thức cấu tạo hợp chất hữu cơ
Công thức cấu tạo phẳng biểu diễn cấu trúc của phân tử quy ước trên một
mặt phẳng, thường là mặt phẳng giấy.
1.4.1. Công thức Lewis
Công thức Lewis biểu diễn các liên kết giữa các phân tử hay số electron
hoá trị của mỗi nguyên tử bằng số electron. Số electron là bằng tổng electron của
các nguyên tử đóng góp vào và các nguyên tử có xu hướng tạo trạng thái electron
lớn nhất có thể có để có vòng electron bền vững của khí trơ.
Ví dụ:
H
H
H
C
C
C
H
H
H
O
O
C
H
H
Các công thức có thể mang điện tích, thường gọi là điện tích hình thức hay
quy ước:
H
C
H
N+
H
O
H
H
H
H
Ion amoni
Ion metoxit
Khi những tiểu phân không có đủ vòng bát tử thì thường đó là những tiểu
phân trung gian không bền, có khả năng phản ứng cao và trong phản ứng có xu
hướng nhanh tạo thành cấu trúc electron bát tử:
4
H
C+
H
C
H
H
H
H
Cation metyl
Gốc metyl
* Ưu điểm: Dễ kí hiệu, cho thấy được bản chất của quá trình phân tích.
* Nhược điểm: Phức tạp cho quá trình biểu diễn, dễ gây sai sót. Trong một
số trường hợp không biểu diễn được.
1.4.2. Công thức Kekulê
Để đơn giản trong cách biểu diễn của Lewis, người ta quy ước biểu diễn
các liên kết trong phân tử bằng vạch ngang thay cho cặp electron liên kết.
Ví dụ:
H
H
N
H
H
H
C
H
H
H
O
H
H
H
H
C
C
H
Trong các hợp chất có mang điện tích cũng có thể thay thế kiên kết bằng
mũi tên từ chất cho tới chất nhận:
O
O
O
H
N
O
H
N
Hay
O
O
Để đơn giản trong cách biểu diễn công thức, có thể ẩn các gạch liên kết, ẩn
một phần hay toàn phần tuỳ thuộc vào yêu cầu cách biểu diễn, đồng thời cũng bỏ
qua các cặp electron không liên kết, gọi là công thức rút gọn:
CH3CH2CH3 , CH3 – CH2 – CH3 , CH3CH2CH2 – H
Ngoài ra, một chất có thể biểu diễn dưới nhiều dạng công thức, chẳng hạn:
CH3
CH3
CH2
CH3
CH3
CH2
CH3
CH2
CH3
* Ưu điểm: Khắc phục nhược điểm của công thức Lewis, đơn giản và phản
ánh thật bản chất của liên kết.
* Nhược điểm: Không thấy sự góp chung electron. Trong trường hợp phân
cắt dị ly thì không thấy được hiện tượng.
Chú ý: Trong một số trường hợp đặc biệt các hợp chất hữu cơ mạch vòng,
người ta thường không biểu diễn kí hiệu của các nguyên tử cacbon và hidro.
1.5. Danh pháp hợp chất hữu cơ
Có 4 loại danh pháp chủ yếu:
1.5.1. Danh pháp thông thường
5
Là tên được gọi theo nguồn gốc thu nhận được chất đó, theo tên của người
tìm ra nó hay ý muốn của người tìm ra nó, theo phương pháp thu nhận được chất
đó.
Ví dụ: Axit fomic: HCOOH (Fomica: Kiến)
Axit axetic: CH3COOH (Acetus: Giấm)
Mentol: C10H20O (Mentha piperita: Bạc hà)
1.5.2. Danh pháp hợp lý (Thuần chủng)
Lấy tên của một hợp chất hữu cơ làm tên gọi đầu sau đó gọi tên của các hợp
chất hữu cơ khác tương tự theo tên của các chất hữu cơ đầu.
Ví dụ:
H
H
H
H
OH
H
OH
C
C
C6H5
OH
C
H
CH3
CH3
Cacbinol
Metyl Cacbinol
Metyl Phenyl Cacbinol
Nhược điểm: Đối với các hợp chất phức tạp thì không thể gọi tên được.
1.5.3. Danh pháp thương mại
Là tên của các hợp chất hoá học hữu cơ được sử dụng trên thị trường do các
hãng sản xuất đặt tên.
Ví dụ: Các loại thuốc nhộm: Rongalit C (NaHSO2.CH2O.2H2O): dùng để in hoa
Rongal P ( Dẫn xuất của axit sunfonic): dùng để
nhuộm huyền phù.
1.5.4. Danh pháp IUPAC (Hiệp hội hoá học quốc tế: International Union Pine
And Applycation Chemistry)
1.5.4.1. Tên gốc - chức
TÊN PHẦN GỐC
TÊN PHẦN ĐỊNH CHỨC
Ví dụ:
CH3CH2 – Cl
Etyl clorua
CH3CH2 – O – COCH3
Etyl axetat
CH3CH2 – O – CH3
Etyl metyl ete
1.5.4.2. Tên thay thế
ꢀ Tên không đầy đủ:
TÊN PHẦN THẾ
(có thể không có)
TÊN MẠCH CACBON CHÍNH
(bắt buộc phải có)
TÊN PHẦN ĐỊNH CHỨC
(bắt buộc phải có)
Ví dụ:
H3C – CH3
Etan
H3C – CH2Cl
Cloetan
H2C = CH2
Etan
6
* Tên nhóm thế:
Các nguyên tử của các nguyên tố thì gọi tên theo từng nguyên tố
OH
OR
: Hiđrôxyl
: Ancoxyl
: Mêtoxyl
: Phenolxyl
: Axetyl
CH3O
C6H5O
CH3CO
C6H5
: Phenyl
: Benzyl
: Nitro
C6H5CH2
NO2
NH2
: Amino
CN: Nitryl
SH : Mêcaptan
SO3H
: Sunfonic
R - : Ankyl
* Chọn mạch chính: Chọn mạch cacbon dài nhất chứa các nguyên tử
cacbon liên kết cacbon làm mạch chính. Chọn một nhóm chức có độ ưu tiên nhất
làm nhóm chức chính, các chức còn lại là phần thế.
Độ ưu tiên nhóm chức chính: -COOH > -COO- > -CHO > -CO- >-OH >-
NH2 > -O-
* Đánh số thứ tự:
Ta đánh số thứ tự từ bên phải sang bên trái hoặc trái qua sao cho tổng các
chỉ số của các nhóm thế là nhỏ nhất. Trường hợp khi đánh số từ đầu này đến đầu
kia mà thu được một số dãy chỉ số của các nhóm mạch nhánh khác nhau thì phải
sắp xếp chúng lại theo thứ tự tăng dần. Dãy có tổng các chỉ số nhỏ nhất được xem
là dãy có chỉ số đầu nhỏ nhất.
Ví dụ:
CH
CH
CH
CH
3
CH
CH
3
CH
CH
CH
CH
CH
CH
2
3
2
3
2
2
3
3
2-Metyl pentan
3-Metyl pentan
* Tên phần định chức:An, en, in, ol, al, on, oic…
ꢀ Tên đầy đủ: Cấu hình + dấu quang hoạt + tên gọi không đầy đủ
Để gọi tên hợp chất hữu cơ, cần thuộc tên các số đếm và tên mạch cacbon như sau:
7
SỐ ĐẾM
1: mono
2: đi
MẠCH CACBON CHÍNH
C
met
et
C – C
3: tri
C – C – C
prop
but
4: tetra
5: penta
6: hexa
7: hepta
8: octa
9: nona
10: deca
C – C – C – C
C – C – C – C – C
pent
hex
hep
oct
C – C –C – C – C – C
C – C – C – C – C – C – C
C – C – C – C – C – C – C – C
C – C – C – C – C – C – C – C – C
C – C – C – C – C – C – C – C – C – C
non
dek
1.6. Phân loại các hợp chất hữu cơ
Hợp chất hữu cơ được phân thành hidrocacbon và dẫn xuất của hidrocacbon.
ꢁ Hidrocacbon là những hợp chất được tạo thành từ hai nguyên tố C và H. Gồm 3
loại:
ꢂ Hidrocabon no (Ankan): CH4, C2H6
ꢂ Hidrocacbon không no gồm anken: C2H4 và ankin: C2H2
ꢂ Hidrocacbon thơm (Aren): C6H6
ꢁ Dẫn xuất của hidrocacbon là những hợp chất mà trong phân tử ngoài C, H ra
còn có một hay nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác như O, N, S,
halogen…bao gồm: dẫn xuất halogen như CH3Cl, ancol như: CH3OH, axit như:
CH3COOH,…
8
CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC KHÔNG GIAN PHÂN TỬ HỢP
CHẤT HỮU CƠ
2.1. Chiết tách và tinh chế hợp chất hữu cơ
Các hợp chất hữu cơ khi mới điều chế được hoặc tách từ động thực vật,
thường ở dạng hỗn hợp không tinh khiết. Vì vậy muốn nghiên cứu chúng, muốn
phân tích định tính hay định lượng chúng thì nhiệm vụ trước tiên là phải tách
chúng thành từng chất riêng biệt, ở dạng tương đối nguyên chất.
2.1.1. Tinh chế chất rắn
2.1.1.1. Phương pháp kết tinh
a. Khái niệm
Kết tinh là một quá trình biến đổi pha của một chất từ rắn sang lỏng khi hoà
tan chất rắn trong một dung dịch bão hoà, sau đó làm lạnh dung dịch bão hoà đó
thu được chất rắn kết tinh
Chú ý: Chất rắn kết tinh khác kết tủa:
+ Chắt rắn kết tinh: Có sự sắp xếp lại các phân tử và có cấu trúc mạng tinh
thể.
+ Kết tủa: Kết tủa tinh thể và kết tủa vô định hình.
b. Cơ sở lý thuyết
Phương pháp kết tinh được dùng để tách và tinh chế các chất hữu cơ rắn,
dựa trên nguyên tắc là các chất khác nhau có độ hoà tan khác nhau trong cùng một
dung môi.
Dung môi thích hợp được lựa chọn thường là dung môi trong đó độ hoà tan
của chất cần tinh chế tăng khá nhanh theo nhiệt độ, tan kém ở nhiệt độ thường.
Dung môi không tan trong tạp chất, dung môi không có lực tương tác về mặt hoá
học đối với chất kết tinh. Dung môi sau khi kết tinh lại phải dễ bay hơi. Dung môi
lựa chọn phải dễ kiếm, rẻ tiền.
Bằng cách tạo dung dịch bão hoà ở nhiệt độ cao (thường là nhiệt độ sôi của
dung môi), sau đó để nguội dung dịch thu được, chất cần tinh chế sẽ lắng xuống
đáy bình (hay đáy cốc), các tạp chất sẽ ở lại trong dung dịch. Bằng cách kết tinh
lại một số lần trong cùng một dung môi, hoặc trong các dung môi khác nhau,
người ta có thể thu được tinh thể chất cần tinh chế ở dạng khá tinh khiết.
Cũng có khi người ta dùng một dung môi có độ hoà tan với tạp chất nhiều
hơn để loại tạp chất khỏi chất rắn cần tinh chế.
Dung môi thường dùng là nước, alcol etylic, ancol metylic hay một alcol
thích hợp khác, axeton, axit axetic, ete, benzen, cloroform, etyl axetat....hoặc đôi
khi hỗn hợp giữa chúng.
Khi cần tách hai hay nhiều chất có chứa trong hỗn hợp với những lượng
tương đương nhau, người ta dùng phương pháp kết tinh phân đoạn.
Chất kết tinh lại có hạt đều và trắng.
9
Khi đã có chất rắn kết tinh, ta cần xác định nhiệt độ nóng chảy của nó bằng
ống mao quản gắn với nhiệt kế nhúng trong một dung môi có nhiệ độ sôi cao, hoặc
cách không khí, hoặc nhờ một máy chuyên dùng rồi đối chiếu với hằng số vật lý
của chất đã cho, để biết được chất đó tinh khiết hoàn toàn chưa.
2.1.1.2. Phương pháp thăng hoa
a. Khái niệm
Thăng hoa là một quá trình biến đổi pha của một chất từ trạng thái rắn sang
trạng thái hơi mà không thông qua trạng thái lỏng.
b. Cơ sở lý thuyết
Một số chất như iốt, long não, naphtalen, menton, clorua sắt (II),... có khả
năng thăng hoa, vì vậy người ta có thể dùng phương pháp thăng hoa ở áp suất
thường hoặc áp suất thấp để tinh chế chúng.
Phương pháp tiến hành: Gia nhiệt một chất rắn để bay hơi, làm lạnh hơi của
chất rắn đó thì ta sẽ thu được chất rắn kết tinh có độ tinh khiết cao, còn tạp chất
không thăng hoa thì nằm lại ở đáy bình.
* Ưu điểm: Công nghệ đơn giản, thời gian ngắn, độ tinh khiết cao, giá
thành rẻ.
* Nhược điểm: Trong thực tế không có nhiều chất thăng hoa.
2.1.2. Tinh chế chất lỏng
2.1.2.1. Phương pháp chưng cất
a. Khái niệm
Chưng cất là quá trình làm bay hơi chất lỏng, sau đó là lạnh và thu chất
lỏng có độ tinh khiết cao hơn.
b. Các phương pháp chưng cất
- Chưng cất đơn giản
Trong trường hợp cần tinh chế một chất lỏng, tách nó ra khỏi tạp chất rắn
không bay hơi, ta chỉ cần tiến hành chưng cất đơn giản, nghĩa là chuyển nó sang
pha hơi trong một bình cất có nhánh rồi ngưng tụ hơi của nó bằng ống sinh hàn
vào một bình hứng khác.
- Chưng cất phân đoạn
Phương pháp chưng cất phân đoạn dùng để tách hai hay nhiều chất lỏng có
nhiệt độ sôi khác nhau tan lẫn hoàn toàn trong nhau dựa trên nguyên tắc có sự
phân bố khác nhau về thành phần các cấu tử giữa pha lỏng và pha hơi ở trạng thái
cân bằng (ở cùng nhiệt độ)
Nếu hai chất lỏng không tương tác với nhau, có thể biểu diễn sự phụ thuộc
của nhiệt độ sôi của chất lỏng và nhiệt độ ngưng tụ của hơi phụ thuộc vào thành
phần hỗn hợp hai chất đó (hình 2.1)
10
T0
T2
T0
T1
TA
Thành phần
Hình 2.1
B
’
’
A
X2
X1
X1
Qua hình 2.1 nhận thấy rằng, bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình
bay hơi - ngưng tụ, bay hơi - ngưng tụ lại,... ta dần dần có thể thu được cấu tử A
có nhiệt độ sôi thấp hơn ở dạng gần như tinh khiết. Vì vậy, người ta dùng phương
pháp tinh luyện bằng cách lắp trên bình ngưng một cột cao có nhiều đĩa giúp cho
việc tái tạo quá trình bay hơi - ngưng tụ trên. Nhờ vậy, chất lỏng A dễ bay hơi dần
dần thoát lên trên ở trạng thái ngày càng tinh khiết, còn chất lỏng B có nhiệt độ sôi
cao hơn, ngưng tụ trở lại bình cất. Có thể dùng loại cột lắp đầy các ống thuỷ tinh
hay sứ thay cho cột đã nói trên và hiệu quả của cột được tính bằng “số đĩa lý
thuyết”.
Trong trường hợp có tương tác yếu giữa hai chất lỏng (solvat hoá hay tổ
hợp) thì thu được hai dạng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ sôi và ngưng tụ
vào thành phần hỗn hợp: một dạng với nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí cựctiểu
(hình 2.2a) và một dạng với nhiệt độ sôi cực đại (hình 2.2b).
C
t
tB
t
tB
tA
tA
A
C
A
X0
Thành phần
Hình 2.2a
B
X0
B
Thành phần
Hình 2.2b
11
Trong trường hợp hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu (thấp hơn hai
cấu tử ban đầu), càng lên phía trên của cột cất, hỗn hợp hơi và lỏng càng gần thành
phần của hỗn hợp đẳng phí, trong bình cất sẽ còn lại chất A hay B nguyên chất tuỳ
theo ta xuất phát từ hỗn hợp có thành phần phía bên trái hay bên phải hình 2.2a.
Trong hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực đại, càng lên phía trên của cột cất thì
càng giàu cấu tử A hoặc B, còn lại trong bình sẽ là hỗn hợp càng gần với thang
phần của hỗn hợp đẳng phí (hình 2.2b).
- Chưng cất chân không (hay giảm áp)
Khi cần chưng cất một chất lỏng dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao, người ta
phải dùng phương pháp cất chân không, tức là dùng bơm hút để giảm áp suất trên
bề mặt chất lỏng. Vì chất lỏng sẽ sôi khi áp suất hơi riêng phần đạt đến áp suất khí
quyển, nên bằng phương pháp này, người ta có thể giảm được nhiệt độ sôi của nó
một cách đáng kể, tránh hiện tượng phân huỷ hay cháy nổ. Nhờ phương trình
Clapayron - clausius, người ta có thể tính được sự phụ thuộc của áp suất hơi một
chất vào nhiệt độ. Tuy nhiên, có thể áp dụng qui luật thực nghiệm gần đúng như
sau: Khi áp suất khí quyển trên bề mặt một chất lỏng giảm đi một nửa, nhiệt độ sôi
của nó bọ hạ thấp đi khoảng 150C.
- Cất lôi cuốn hơi nước
Ta cũng có thể tinh chế một chất lỏng không hoà tan trong nước, bằng
phương pháp cất lôi cuốn theo hơi nước để hạ điểm sôi của nó.
Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: Khi hai hay nhiều chất lỏng không
trộn lẫn với nhau nằm trong một hỗn hợp, áp suất chung p của chúng bằng tổng áp
suất riêng phần p1+p2, nghĩa là nó luôn luôn lớn hơn áp suất hơi riêng phần của
từng cấu tử bất kỳ nào. Do đó, nhiệt độ sôi của hỗn hợp sẽ thấp hơn nhiệt hơn
nhiệt độ sôi của cấu tử sôi thấp nhất. Tỷ lệ hơi cất sang bình ngưng (về số mol) sẽ
bằng tỷ lệ áp suất hơi riêng phần của chúng ở nhiệt độ sôi của hỗn hợp. Nhờ vậy ta
có thể tính toán được lượng nước cần thiết để lôi cuốn hết chất cần tinh chế.
Sau khi đã dùng phương pháp cất lôi cuốn theo hơi nước, thường ta phải
chiết tách các chất cần tinh chế ra khỏi nước bằng một dung môi thích hợp, rồi lại
tiến hành cất phân đoạn để tách dung môi. Cuối cùng chưng lấy chất tinh khiết
bằng bình cất có gắn nhiệt kế dưới áp suất thường hay giảm áp, với sự kiểm tra
nhiệt độ của chất cần tinh chế.
- Phương pháp chiết
Chiết là dùng một dung môi thích hợp có khả năng hoà tan chất đang cần
tách và tinh chế để tách chất đó ra khỏi môi trường rắn hoặc lỏng khác. Thường
người ta dùng một dung môi sôi thấp và ít tan trong nước như ete, cloroform để
chiết tách chất hữu cơ từ môi trường nước (các chất hữu cơ cần tinh chế này
thường tan ít trong nước hoặc ở dạng nhũ tương lẫn với nước). Sau khi lắc dung
môi với hỗn hợp chất cần tinh chế và nước, chất đó sẽ chuyển phần lớn lên dung
môi và ta có thể dùng phễu chiết để tách riêng dung dịch thu được khỏi nước.
Bằng cách lặp lại việc chiết một số lần, ta có thể tách được hoàn toàn chất
cần tinh chế vào dung môi đã chọn, sau đó cất loại dung môi và cất lấy chất tinh
khiết ở nhiệt độ và áp suất thích hợp.
12
Người ta cũng thường chiết một chất từ hỗn hợp rắn bằng một dung môi
hoặc hỗn hợp dung môi với một dụng cụ chuyên dùng đặc biệt gọi là bình chứa
Soxhlet. Dung môi được đun nóng, cho bay hơi liên tục chảy vào bình chứa hỗn
hợp cần chiết tách (thường được gói bằng giấy lọc), nó sẽ hoà tan chất rắn cần tinh
chế và nhờ một ống xiphông, dung dịch chảy xuống bình cầu bên dưới, dung môi
nguyên chất lại tiếp tục được cất lên. Quá trình được tiếp tục cho đến khi sự chiết
tách được hoàn toàn.
Phương pháp này tiết kiệm được dung môi và đạt hiệu quả tương đối cao.
2.1.3. Phương pháp sắc ký
2.1.3.1. Khái niệm
Phương pháp sắc ký được Xvét phát minh ra để tách các chất bằng hấp phụ
từ đầu thế kỷ này (1903), đến nay đã trở thành một phương pháp tinh chế, định
tính, định lượng rất quan trọng trong hoá học hữu cơ, được phát triển rất mạnh và
được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các phòng thí nghiệm hiện đại.
Nguyên tắc chung của phương pháp sắc ký như sau: hỗn hợp chất nghiên
cứu ở pha lỏng (dung dịch) hay pha khí được cho đi qua bề mặt chất hấp phụ ở
pha rắn hay pha lỏng khó bay hơi. Do khả năng tương tác với pha tính khác nhau
nên các chất khác nhau trong hỗn hợp nghiên cứu chuyển động với vận tốc khác
nhauvà dần được phân tách ra tưng cấu tử riêng biệt. Người ta phân chia ra thành
các loại sắc ký khác nhau.
2.1.3.2. Sắc ký cột (sắc ký hấp phụ)
Trong phương pháp sắc ký cột, người ta dùng các cột thuỷ tinh hay đôi khi
bằng kim loại, có kích thước thông thưòng là 15x1; 25x2; 40x3 hoặc 60x4 cm;
dùng các chất hấp phụ ở dạng bột , thường là nhôm oxyt, silicagel, tinh bột, bari
sunfat... hoặc một chất bất kỳ khác không tương tác với chất nghiên cứu và dung
môi. Hỗn hợp chất nghiên cứu được hoà tan trong một dung môi trơ thích hợp và
cho chảy qua cột. Các chất trong hỗn hợp nghiên cứu dần dần tách khỏi nhau và
chúng chiếm các vị trí khác nhau trên cột hấp phụ. Vì lúc đầu người ta tiến hành
trên cột thí nghiệm với các chất màu, khi chúng ta tách ra tạo thành các khoanh
màu khác nhau trên ống hấp phụ nên phương pháp này được gọi là phương pháp
sắc ký. Sau đó người ta tách riêng từng chất hoặc bằng cách cắt cột hấp phụ thành
tưng đoạn ứng với từng chất, hoặc liên tục đổ thêm dung môi, các chất sẽ lần lượt
được rửa trôi và thoát ra bình hứng ở các thời điểm khác nhau.
Có thể dùng phương pháp này để tách các chất không có màu, nhưng phải
dùng các chất chỉ thị hay thuốc thử thích hợp để nhận biết khi nào chúng bắt đầu
thoát ra bình hứng.
2.1.3.3. Sắc ký giấy
Sắc ký giấy là một dạng đặc biệt của sắc ký phân bố do Consden, Gordon
và Martin phát minh năm 1944. Pha tĩnh ở đây là nước thấm trên giấy lọc đặc biệt
(xenlulôza tinh khiết). Dung dịch chất nghiên cứu được chấm trên một đầu của dải
giấy (cách mép giấy chừng 2,5cm) và mỗi giọt cách nhau chừng 2cm. Người ta
thường nhỏ đồng thời cả dung dịch mẫu đã biết để so sánh. Sau đó đầu giấy lọc
13
được nhúng trong một dung môi hay hỗn hợp dung môi thích hợp đã bão hoà
nước.
Do lực mao dẫn, dung môi sẽ thấm dần lên giấy sắc ký, kéo theo chất
nghiên cứu chuyển động lên phía trên và tạo vết trên giấy mà người ta có thể nhận
biết được bằng mắt thường hoặc bằng chất chỉ thị. Tỷ số Rt giữa độ dịch chuyển
của chất nghiên cứu và dung môi được gọi là hằng số sắc ký, hằng số này là đại
lượng quan trọng đặc trung cho từng chất.
Để thu được kết quả tách tốt hơn, người ta có thể lặp lại thao tác trên với
một dung môi khác và theo chiều thẳng góc với chiều chạy lần trước (sắc ký phân
bố hai chiều).
Sắc ký giấy thường dùng để định tích các chất, nhưng cũng có thể dùng để
định lượng sơ bộ dựa vào độ đậm và tiết diện của vết chất nghiên cứu.
2.1.3.4. Sắc ký lớp mỏng
Phương pháp này được Izmailop và Schreiber đề nghị từ năm 1938, được
Stan phát triển và hoàn thiện (1955), khiến nó có ứng dụng rất rộng rãi.
Người ta tráng một lớp mỏng chất hấp phụ (Al2O3, silicagen) lên một tấm
kính kích thước khoảng 10x12 cm hoặc 20x20 cm, chấm một giọt chất nghiên cứu
lên một đầu bản (cách mép khoảng 2cm) rồi cho dung môi chạy như sắc ký giấy.
Phương pháp sắc ký lớp mỏng thường cho hiệu quả tách cao, thời gian
ngắn, lượng chất ít, thường được dùng để định tính và tách các hợp chất thiên
nhiên. Nó cũng được các nhà hoá học tổng hợp sử dụng thường xuyên để nhanh
chóng phân tách các chất thu được trong phản ứng.
2.1.3.5. Sắc ký khí lỏng
Những năm gần đây sắc ký khí lỏng (sắc ký khí) được phát triển mạnh mẽ,
mở ra khả năng lớn trong phân tích và tách các hợp chất dễ bay hơi. Phương pháp
thông thường là cho vài microlit chất lỏng phân tích vào thiết bị bay hơi rồi dùng
dòng khí mang (thường là He) lôi cuốn hơi của chúng qua một ống dài nung nóng
nạp đầy một chất rắn xốp (gạch chịu lửa tán nhỏ, nhôm oxyt, silicagel, than hoạt
tính...) được tẩm bằng chất lỏng khó bay hơi như dầu silicon, polyetylen glycol,
các este sôi cao...Khi đó xảy ra sự phân bố các chất giữa pha lỏng và pha khí, đồng
thời chỉ cần có sự khác nhau nhỏ trong sự phân bố này giữa các cấu tử trong hỗn
hợp cũng đủ để phân tách hoàn toàn các chất lỏng trong hỗn hợp, vì nó được lặp đi
lặp lại nhiều lần trong ống dài. Người ta thường nhận biết từng chất thoát ra ở cuối
ống bằng cách đo sự thay đổi độ dẫn nhiệt của khí thoát ra. Tuy nhiên việc phát
hiện một pic trong sơ đồ sắc ký khí mới là điều kiện cần, nhưng chưa đủ về độ tinh
khiết của một chất, phương pháp sắc ký khí vẫn rất hữu ích khi phân tích một
lượng nhỏ hỗn hợp cũng như để tách và tinh chế các chất.
Cần nhấn mạnh rằng, trong phương pháp sắc ký, nói chung cấu trúc phân tử
của các hợp chất có ảnh hưởng lớn đến cân bằng hấp phụ, cũng như hệ số phân bố
của chúng giữa các pha, do đó liên quan chặt chẽ đến hằng số Rt. Vì vậy kết quả
phân tích sắc ký cũng cho ta thấy những thông tin bổ ích về cấu trúc của hợp chất.
14
Sau quá trình tinh chế, ta cần kiểm tra độ tinh khiết của hợp chất thu được
bằng cách đo nhiệt độ nóng chảy (đối với chất rắn) hoặc nhiệt độ sôi (đối với chất
lỏng) hoặc đo tỷ khối, chỉ số khúc xạ, chụp phổ...
Một chất được coi là tinh khiết nếu qua nhiều lần tinh chế, các hằng số vật
lý của nó không thay đổi.
2.2. Công thức phân tử hợp chất hữu cơ
Để xác định được công thức phân tử các chất hữu cơ, người ta tiến hành
xác định các thành phần nguyên tố và khối lượng phân tử của chúng.
2.2.1. Phân tích nguyên tố
Các chất hữu cơ ngoài cacbon còn thường có hydro, oxy, nitơ, halogen, lưu
huỳnh,... Để xác định sự có mặt và hàm lượng của chúng, người ta sử dụng các
phương pháp định tính và định lượng riêng.
2.2.1.1. Xác định cacbon và hydro
Sự có mặt của cacbon và hydro trong một hợp chất thường được xác định
bằng cách đốt cháy hợp chất đó trong oxi, với xúc tác là CuO:
CxHyOz + (x + y/4 - z/2) O2 ꢀ x CO2 + y/2 H2O
CO2 thoát ra được nhận biết bằng phản ứng làm đục nước vôi trong:
Ca(OH)2 + CO2 ꢀ CaCO3 + H2O
H2O được nhận biết bằng cách ngưng tụ trên phần lạnh của ống đốt hay bằng
CuSO4 khan.
Để định lượng cacbon và hydro, người ta đốt cháy một lượng cân chính xác
chất nghiên cứu bằng dòng oxy có mặt CuO trong ống thạch anh, rồi hấp thụ hơi
nước thoát ra bằng perclorat magie (MgClO4); CO2 hấp thụ bằng tẩm sút (NaOH).
Các chất hấp thụ này đựng trong ống chữ U và khối lượng của chúng được cân
chính xác trước và sau khi thí nghiệm kết thúc. Hiệu số khối lượng giữa hai lần
cân cho ta biết khối lượng H2O và CO2 bị hấp thụ.
Nếu trong thành phần chất nghiên cứu có halogen, lưu huỳnh, nitơ, chúng
có thể tạo ra các oxit của nitơ, của lưu huỳnh, halogen và các oxit halogen hydric
và chúng có thêr ảnh hưởng đến kết quả cân các ống hấp thụ. Để loại trừ chúng,
trong ống nung ở phần cuối, người ta dùng các sợi bạc để giữ halogen và oxit lưu
huỳnh, dùng P2O5 để phân huỷ oxit nitơ.
2.2.1.2. Xác định nitơ
Để xác định sự có mặt của nitơ trong hợp chất nghiên cứu, ta có thể đốt
nóng mẫu thử với natri kim loại, nitơ cùng cacbon trong mẫu thử sẽ chuyển thành
NaCN, hoà tan sản phẩm tạo thành trong nước cất, lọc lấy dung dịch; thêm lần
lượt các ion Fe2+, Fe3+, axit hoá sẽ tạo thành kết tủa màu xanh:
6CN- + Fe2+ ꢀ[Fe(CN)6 ]4-
4Fe3+ + 3[Fe(CN)6 ]4-ꢀ Fe4 [Fe(CN)6 ]3 ꢁ
màu xanh
Để định lượng nitơ, người ta dùng phương pháp Dumas hoặc Kjeldahl.
Nguyên lý của phương pháp Dumus là oxy hoá hợp chất hữu cơ bằng CuO
rồi lôi cuốn sản phẩm bằng một dòng CO2 tinh khiết. Nitơ trong chất hữu cơ sẽ
chuyển thành N2 tự do. Ta có thể thu N2 thoát ra bằng một buret úp ngược trong
15
chậu chứa dunh dịch KOH đậm đặc. H2O sẽ ngưng tụ trong dunh dịch; CO2 hoàn
toàn bị hấp thụ bởi KOH; N2 thoát lên được và ta có thể đo đươch thể tích của nó
một cách dễ dàng.
Phương pháp Kjeldahl tuy không phổ biến bằng phương pháp Dumus song
trong nhiều trường hợp cũng rất thuận tiện, nó cho phép xác định nhanh hàm
lượng nitơ trong mẫu thử. Bằng cách vô cơ hoá hợp chất nghiên cứu khi nung
nóng trong H2SO4 đậm đặc có xúc tác selen (khi cần có thể thêm chất oxy hoá) ta
chuyển nitơ thành muối amon sunfat, sau đó kiềm hoá dung dịch thu được rồi lôi
cuốn NH3 theo hơi nước sang một bình khác và chuẩn độ lượng NH3 tạo thành.
2.2.1.3. Xác định halogen
Sự có mặt của halogen trong hợp chất hưu cơ được xác định bằng cách tẩm
mẫu giấy vào sợi dây đồng rồi đốt, nếu hợp chất có chứa halogen sẽ tạo ra ngọn
lửa màu xanh lục.
Người ta định lượng halogen bằng cách oxy hoá mẫu chất trong bình chứa
oxy nguyên chất, có xúc tác Pt, khi đó sẽ tạo halogen hydric, hấp thụ bằng dung
dịch HNO3 và sau đó xác định bằng phản ứng nitrat bạc:
AgNO3 + HX ꢀAgXꢁ + HNO3
Bằng cách so độ đục hoặc chuẩn độ lượng Ag+ dư, người ta tính được hàm
lượng halogen trong mẫu chất nghiên cứu.
2.2.1.4. Xác định lưu huỳnh
Khi đun chảy hợp chất hưu cơ với kim loại, lưu huỳnh sẽ chuyển thành
Na2S, sau đó ta có thể dễ dàng nhận biết được bằng cách phản ứng tạo kết tủa PbS
hay Ag2S:
Pb(NO3)2+ Na2S ꢀ PbSꢁ + 2NaNO3
Để định lượng lưu huỳnh, người ta oxy hoá mẫu chất hưu cơ bằng HNO3
bốc khói trong ống hàn kín ở 200 ÷ 300oC, sau vài giờ lưu huỳnh trong mẫu chất
sẽ chuyển hoá thành H2SO4, ta có thể định bằng phản ứng vớiBaCl2, rồi xác định
lượng BaSO4ꢁ bằng phương pháp trọng lượng:
H2SO4 + BaCl2 = BaSO4ꢁ + 2HCl
2.2.1.5. Xác định các nguyên tố khác
Ngoài các nguyên tố kể trên, trong một số trường hợp chấy hữu cơ có thể
còn chứa P, Si, một số kim loại khác...
Ta cũng oxy hoá hợp chất hữu cơ bằng HNO3 bốc khói trong ống hàn kín
hoặc nung chảy nó với hỗn hợp NaNO3 và Na2CO3. Các nguyên tố nói trên sẽ
chuyển hoá thành các hợp chất vô cơ tương ứng (thường với hoá trị dương cao
nhất), sau đó ta định lượng chúng bằng các phương pháp vô cơ thông thường.
2.2.1.6. Xác định oxy
Hàm lượng oxy trong các hợp chất thường được xác định một cách gián
tiếp, tức là ta lấy khối lượng mẫu đem đốt trừ đi khối lượng tổng các nguyên tố
vừa xác định theo các phương pháp trên, hoặc lấy 100% trừ đi hợp phần của các
nguyên tố khác.
16
Ta cũng có thể xác định một cách trực tiếp bằng cách chuyển oxy trong hợp
chất hữu cơ thành CO rồi oxy hoá bằng I2O5:
5CO +I2O5 ꢀ 5CO2 + I2
Chuẩn độ lượng I2, CO2 được giải phóng ra hoặc chuẩn độ lượng I2O5 dư,
ta tính được lượng CO hình thành.
Tóm lại, nhờ những phân tích chế tạo cực kỳ chính xác, nhờ những thiết bị
phân tích ngày càng hoàn thiện, người ta có thể tiến hành phân tích vi lượng hoặc
bán vi lượng, với những chất nhỏ (vài mg) cũng đủ cho ta kết quả đáng tin cậy. Từ
những năm 60, người ta đã phát hiện và sử dụng các phướng pháp siêu vi lượng,
chỉ cần cân mẫu chất (trên cân điện tử tự động) còn các sản phẩm đốt cháy được
xác định bằng những thiết bị tinh vi trên cơ sở đo độ dẫn nhiệt của các chất khí
nhờ bộ phát điện Đetectơ. Với phương pháp này, người ta có thể xác định đồng
thời C, H, N hoàn toàn tự động trong vòng 10 phút, lượng mẫu chỉ cần khoảng 1
mg.
2.2.2. Thiết lập công thức tổng quát của hợp chất
Sau khi xác định thành phần khối lượng (hoặc thành phần trăm khối lượng)
của từng nguyên tố trong chất nghiên cứu, bằng cách chia cho nguyên tử lượng
của các nguyên tố tương ứng, ta sẽ được tỷ lệ giữa số nguyên tử từng nguyên tố
trong phân tử, từ đó thiết lập được công thức tổng quát của các chất đã cho dưới
dạng (CxHyOzNt)n
Ví dụ: Đốt cháy 1,5 mg một chất A tạo thành 0,9 mg H2O; 1,76 mg CO2 và
0,224 ml N2 (đktc). Ta tính khối lượng từng nguyên tố trong mẫu chất như sau:
0,9 mg H2O ≈ 0,0009/ 18 ptg ≈ (0,0009/18) x 2 = 0,0001g H = 0,1 mg H
1.76 mg CO2 ≈ 0,00176/44 ptg ≈ (0,00176/44) x 12 = 0,00048 g C = 0,48 mg C
0,224 ml N2 ≈ 0,224/22,4 ptg ≈ (0,224/22,4) x 28 = 0,28 mg N
Lượng oxy: mO = 1,5 -(0,48+0,1+0,28) = 0,64 mg
Ta có:
CxHyOzNt + (x+y/4-z/2) O2 ꢀ xCO2 +y/2 H2O + t/2 N2
Và x : y : z : t = 0,48/12 : 0,1/1 : 0,64/16 : 0,28/14 = 2 : 5 : 2 : 1
Vậy công thức tổng quát của chất nghiên cứu là (C2H5O2N)n.
Để xác định n ta phải xác định khối lượng phân tử chất đã cho hoặc đôi khi
không thực hiện được trong điều kiện đó thì phải biện luận.
2.2.3. Xác định khối lượng phân tử của một chất
Để tìm được công thức nguyên (công thức phân tử) của một hợp chất, ta
phải xác định khối lượng phân tử, hay nói chính xác hơn là xác định phân tử gam
của chất nghiên cứu. Có nhiều phương pháp xác định phân tử lượng.
a. Nếu mẫu chất nghiên cứu là chất lỏng dễ bay hơi, ta cho bay hơi ở nhiệt
độ thích hợp, đo thể tích hơi ở điều kiện đó rồi tính phân tử lượng của nó theo
phương trình:
pV = nRT = (m/M)RT
ptg: M = mRT/pV
Trong đó :
p - áp suất;
17
V - thể tích hơi chất nghiên cứu;
m - khối lượng chất bay hơi;
T - nhiệt độ tuyệt đối;
R - hằng số khí.
b. Nếu đo được tỷ khối hơi của chất đã cho đối với một chất khí nào đó, ta
có thể tính được phân tử gam của nó một cách dễ dàng.
Ví dụ, hơi chất A nặng gấp 25 lần H2 thì phân tử lượng của nó phải là
M = 25 x 2 = 50.
c. Dựa vào định luật Raoult
Dung dịch một chất khó bay hơi trong một dung môi nào đó có luôn có
nhiệt độ sôi cao hơn, nhiệt độ đông đặc thấp hơn so với dung môi nguyên chất và
độ tăng điểm sôi hay độ hạ điểm kết tinh luôn tỷ lệ với nồng độ chất tan.
ꢂt = KC
K - hệ số tỷ lệ, đươc gọi là hằng số nghiệm sôi hay nghiệm lạnh, đặc trưng
cho từng loai dung môi;
C - nồng độ mol/l hay ptg/1000 g dung môi
Bằng cách đo mức tăng nhiệt độ sôi (phương pháp nghiệm sôi) hoặc mức
hạ điểm kết tinh (phương pháp nghiệm lạnh) của dung dịch chất nghiên cứu trong
dung môi chất thích hợp, ta dễ dàng xác định được nồng độ chất tan và do đó xác
định được phân tử gam của chúng.
Người ta hay dùng campho làm dung môi, vì hằng số nghiệm lạnh của nó
khá cao (khi hoà tan một phân tử gam chất tan trong 1000 g campho, điểm đông
đặc hạ đi ꢂt =37,7oC.
d. Các phương pháp khác
Bằng cách tương tự, người ta cũng có thể đo áp suất thẩm thấu của dung
dịch chất tan, đo độ nhớt của dung dịch hoặc bằng phương pháp khối phổ, từ đó
xác định được khối lượng phân tử chất đã cho. Nếu biết rõ số nhóm chức trong
một phân tử chất nghiên cứu, bằng cách xác định số nhóm chức cũng cho phép xá
định phân tử lượng của chúng.
Ví dụ, 0,92 g một alcol đơn chức tác dụng với một lượng dư Na cho 0,224 l
H2 (đktc) thì phân tử lượng của alcol phải là:
0,92/ (0,224 x 2)/22,4 = 46
2.2.4. Thiết lập công thức nguyên của một hợp chất
Sau khi xác định được công thức tổng quát của chất nghiên cứu khối lượng
phân tử của nó, ta dễ dàng tìm ra được trị số của n và do đó thiết lập công thức
nguyên của hợp chất.
Ví dụ, đã lập được công thức tổng quát của chất A dưới dạng (C2H5O2N)n
như ví dụ ở trên, đồng thời bằng một trong các phương pháp vừa nêu ta xác định
được phân tử lượng của chất A là 75, ta tính được:
(2 x 12+5 x 1+2 x 16+1 x 14)n = 75
75n = 75 ꢀ n = 1
Vậy công thức nguyên của A phải là C2H5O2N.
18
Tuy vậy, nhiều khi trong điều kiện thực nghiệm không cho phép ta thực
hiện tất cả các bước trên, có nghĩa là phải giải bài toán tìm công thức nguyên khi
số phương trình toán học lập được it hơn số ẩn số, trong khi trường hợp này ta
phải biện luận. Phương pháp biện luận phải dựa vào đặc điểm của hợp chất đã cho
để xác định trị số n trong công thức tổng quát, hoặc dựa vào các bất phương trình
phản ánh mối tương quan giữa số nguyeen tử của các nguyên tố cơ bản.
Ví dụ, một hydrocacbon có tỷ khối đối với hydro là 21. Hãy tìm công thức
của nó.
Ta có khối lượng phân tử là 21x2 = 42. Nếu gọi công thức của hydrocacbon
đó là CxHy, ta có:
12x + y = 42
Suy ra:
Hay :
12x < 42
x < 3,5
Mặt khác CxHy là hydrocacbon nên số nguyên tử H trong phân tử không
vượt quá 2x + 2, nghĩa là:
y ≤ 2x + 2
42-12x ≤ 2x + 2
40 ≤ 14x
2,8 ≤ x
Kết hợp với lập luận trên, ta có 2,8 ≤ x <3,5 mà x chỉ tiếp nhận giá trị
nguyên, vậy x = 3, suy ra y = 6.
Chất đã cho công thức C3H6
2.3. Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ
2.3.1. Đồng phân
2.3.1.1. Khái niệm: là một khái niệm biểu thị sự phân bố khác nhau của các
nguyên tử hoặc là nhóm nguyên tử của một phân tử ở trong không gian. Là những
hợp chất hữu cơ có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cấu trúc, do đó
tính chất vật lý và hoá học khác nhau.
2.3.1.2. Phân loại: có 3 loại
- Đồng phân cấu tạo
- Đồng phân hình học
- Đồng phân không gian
a. Đồng phân cấu tạo (đồng phân phẳng)
* Khái niệm: Nếu các chất đồng phân khác nhau về cấu trúc phẳng (Sự phân bố
các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau trong mặt phẳng) gọi là đồng phân
phẳng.
* Phân loại: Loại đồng phân này thường gặp các dạng sau:
- Đồng phân về mạch cacbon, nghĩa là chỉ khác nhau về cách sắp xếp mạch
cacbon:
CH3CHCH2OH
CH3CH2CH2CH2OH
CH3
ancol n - butylic
ancol isobutylic
19
Tải về để xem bản đầy đủ
123 trang
28320
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hóa hữu cơ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_hoa_huu_co.pdf
