Hóa 11 chương trình mới: Hydrocarbon không no

1. Hydrocarbon không no: Khái niệm, đồng phân và danh pháp 

1.1 Khái niệm 

Hydrocarbon không no là hydrocarbon mà trong phân tử có chứa liên kết đôi (C = C) hoặc chứa liên kết ba (C ≡ C) (còn được gọi chung là liên kết bội) hoặc phân tử có chứa cả hai loại liên kết đó.

Ví dụ: Những alkene, alkadiene, alkyne,...

Alkene là những hydrocarbon không no, mạch hở và trong phân tử có chứa một liên kết đôi (C = C), những chất này có công thức chung là C_nH_2n (n ≥ 2).

Ví dụ: C₂H₄, C₄H₈, C₆H₁₂,...

Alkyne là những hydrocarbon không no, mạch hở và trong phân tử có chứa một liên kết ba (C ≡ C), những chất này có công thức chung là C_nH_2n-2 (n ≥ 2).

Ví dụ: C₂H₂, C₄H₆, C₆H₁₀,...

Ethene (CH₂=CH₂) và ethyne (HC≡CH) là những alkene và alkyne với cấu trúc đơn giản nhất.

+ Phân tử ethene (C₂H₄) chứa 2 nguyên tử carbon cùng với 4 nguyên tử hydrogen đều nằm nằm trên một mặt phẳng. Liên kết đôi C=C bao gồm một liên kết Ϭ cùng với một liên kết π. 

+ Phân tử ethyne (C₂H₂) chứa 2 nguyên tử carbon cùng với 2 nguyên tử hydrogen đều nằm trên một đường thẳng, góc liên kết của CCH là 180°. Liên kết ba C≡C có chứa một liên kết Ϭ cùng với hai liên kết π.

Mô hình phân tử của 2 chất ethene (CH₂ = CH₂) và ethyne (HC ≡ CH) được biểu diễn như dưới đây:  

1.2. Đồng phân

Trong những phân tử alkene và alkyne, mạch chính được quy ước là mạch dài nhất có chứa liên kết đôi hoặc liên kết ba. Có 2 loại đồng phân của alkene và alkyne là đồng phân cấu tạo và đồng phân hình học.

a) Đồng phân cấu tạo

Alkene và alkyne có tới hai loại đồng phân cấu tạo bao gồm đồng phân vị trí liên kết bội (khi xuất hiện từ C4 trở lên) và đồng phân mạch carbon (khi xuất hiện C4 trở lên với alkene và tính từ từ C5 trở lên đối với alkyne).

Ví dụ: Alkene C₄H₈ có tất cả 3 đồng phân cấu tạo được biểu diễn dưới đây:

CH₂ = CH – CH₂ – CH₃

CH₃ – CH = CH – CH₃

Cam kết điểm 9+ cùng khóa học DUO 11 của vuihoc nhé! 

b) Đồng phân hình học

Trong phân tử alkene nếu từng nguyên tử carbon của liên kết đôi được liên kết với hai nguyên tử hoặc hai nhóm nguyên tử khác nhau thì sẽ cho ra đồng phân hình học.

+ Nếu mạch chính nằm ở vị trí cùng một phía với liên kết đôi, trường hợp đó gọi là đồng phân hình học dạng cis−

+ Nếu mạch chính nằm có vị trí ở hai phía khác nhau khi so với liên kết đôi, trường hợp đó gọi là đồng phân hình học dạng trans−

Ví dụ: Phân tử alkene but – 2 − ene có cả hai đồng phân hình học bao gồm dạng cis− và dạng trans−.

1.3 Danh pháp 

Tên thay thế của các alkene và alkyne bao gồm 2 phần: Phần tiền tố cho biết số lượng các nguyên tử carbon có mặt trong mạch carbon (eth-, prop-, but-,...), phần hậu tố (tương tự như -ane ở trong alkane) là -ene (đối với những hợp chất alkene) hoặc -yne (đối với những hợp chất alkyne)

Ví dụ:

CH₃ – CH₃: ethane

CH₂ = CH₂: ethene

CH ≡ CH: ethyne

- Tên của những hợp chất alkene và alkyne có mạch không phân nhánh được gọi theo công thức như sau:

Tiền tiền tố - số chỉ vị trí liên kết bội - tên hậu tố

- Tên của những hợp chất alkene và alkyne có chứa mạch không phân nhánh được gọi theo công thức như sau:

Số chỉ vị trí của mạch nhánh - tên mạch nhánh tên tiền tố (mạch chính) - số chỉ vị trí liên kết bội - tên hậu tố

- Một số hợp chất alkene và alkyne có tên gọi riêng. 

Ví dụ: propylene (tên riêng của propene), ethylene (tên riêng của ethene), acetylene (tên riêng của ethyne)…

- Lưu ý:

+ Chọn mạch carbon dài nhất, có nhiều nhánh và chứa liên kết bội làm mạch chính.

+ Đánh số sao cho nguyên tử carbon có liên kết bội có chỉ số nhỏ nhất.

+ Dùng các chữ số (1, 2, 3,... và dấu gạch nối (-) để chỉ ra vị trí của liên kết bội (với trường hợp chỉ có duy nhất một vị trí của liên kết bội thì không cần)

+ Nếu alkene hoặc alkyne có nhánh thì cần phải thêm vị trí nhánh và tên nhánh phía trước tên của alkene và alkyne tương ứng với mạch chính.

Sổ tay kiến thức chính là bí kíp học tập hiệu quả mà vuihoc muốn gửi đến các em học sinh. Nhanh tay đăng ký để nhận ưu đãi trước thềm năm học mới bạn nhé! 

2. Tính chất vật lý của Hydrocarbon không no 

- Alkene và alkyne có rất nhiều tính chất vật lí bao gồm: nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, tỉ khối, tính tan,…) gần giống như alkane có chứa cùng số nguyên tử carbon. Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của alkene và alkyne đều tăng dần theo chiều tăng của số nguyên tử carbon do sự tăng khối lượng của phân tử và lực tương tác giữa những phân tử (chính là tương tác van der Waals). Tuy nhiên, nhiệt độ sôi của các hợp chất alkene và alkyne đều được đánh giá là thấp hơn so với nhiệt độ sôi của các alkane có cùng mạch carbon. 

- Ở điều kiện thường, những hợp chất alkene và alkyne có số lượng nguyên tử carbon nhỏ hơn 5 sẽ tồn tại ở thể khí (trừ but-2-yne); những alkene và alkyne có mạch carbon dài hơn 5 sẽ tồn tại ở dạng lỏng hoặc rắn và có khối lượng riêng rơi vào khoảng 0,6 – 0,8 g mL-1.

- Alkene và alkyne là những chất kém phân cực, vì thế chúng hầu như sẽ không tan ở trong nước nhưng lại tan tốt trong những dung môi hữu cơ như acetone, methanol, chloroform, diethyl ether,….

3. Tính chất hóa học của Hydrocarbon không no 

Liên kết đôi bao gồm một liên kết Ϭ cùng với một liên kết π còn liên kết ba bao gồm một liên kết Ϭ cùng với hai liên kết π. Liên kết π kém bền hơn so với liên kết Ϭ nên dễ dàng bị phân cắt hơn. Đây là lý do alkene và alkyne dễ tham gia vào những phản ứng hoá học hơn so với alkane. Liên kết π được xem là trung tâm phản ứng của những hydrocarbon không no.

Trong đó, phản ứng tiêu biểu của các alkene và alkyne là phản ứng cộng, phản ứng oxi hoá – khử và phản ứng trùng hợp.

3.1 Phản ứng cộng 

a) Cộng hydrogen (hay còn gọi là hydrogen hóa)

- Alkene cộng hydrogen hình thành nên alkane. Phản ứng sẽ xảy ra thuận lợi với sự có mặt của các yếu tố xúc tác như palladium, platinum hay nickel và ở trong điều kiện được đun nóng với áp suất cao. Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + H₂ → CH₃ – CH₃ (xúc tác Ni, t^o, p)

- Phản ứng cộng hydrogen của alkyne với sự có mặt của xúc tác palladium, platinum hay nickel chủ yếu sẽ hình thành alkane mà không dừng lại ở giai đoạn tạo ra alkene.

Ví dụ:

CH≡CH + 2H₂  CH₃ - CH₃​​​​​

- Tuy nhiên, tuỳ vào điều kiện về nhiệt độ, áp suất và xúc tác, cũng có thể tạo ra được sản phẩm là alkene. Ngoài ra, để có thể hydrogen hóa được alkyne trở thành alkene, cần sử dụng đến xúc tác Lindlar. 

Ví dụ:

CH≡CH + H₂  CH₂ = CH₂

b) Cộng halogen (hay còn gọi là halogen hóa)

- Alkene bị halogen hóa tạo thành sản phẩm dihalogenoalkane. 

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + Br₂ → CH₂Br – CH₂Br (1,2 - dibromoethane)

- Alkyne sẽ cộng halogen theo thứ tự các bước sau đây: trước tiên sẽ hình thành dihalogenoalkane, sau đó sẽ tiếp tục cộng halogen để hình thành tetrahalogenoalkane. 

Ví dụ:

CH ≡ CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2 - dibromoethene)

CHBr=CHBr + Br₂ → CHBr₂ – CHBr₂ (1,1,2,2 - tetrabromoethane)

- Alkene và alkyne là những chất có khả năng làm mất màu vàng nâu của dung dịch bromine. Vì vậy, nước bromine có thể sử dụng nhằm nhận biết các hydrocarbon không no.

c) Cộng hydrogen halide (hay còn gọi là hydrohalogen hóa)

- Alkene tham gia phản ứng cộng hydrogen halide (HX trong đó X là Br, Cl, I) tạo ra sản phẩm là monohalogenoalkane. 

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + HCl → CH₃ – CH₂Cl

- Hydrogen halide cộng vào với alkene không đối xứng (alkene có chứa các nhóm thế khác nhau ở hai phía đầu của liên kết đôi) sẽ hình thành nên một hỗn hợp sản phẩm. 

Ví dụ:

Phản ứng trên sẽ được thực hiện với quy mô công nghiệp nhằm sản xuất isopropanol.

Quy tắc Markovnikov: Trong phản ứng cộng HX vào các hydrocarbon không no, nguyên tử H sẽ ưu tiên cộng vào nguyên tử carbon chứa liên kết đôi có nhiều hydrogen hơn (hay bậc thấp hơn) còn nguyên tử X sẽ cộng vào nguyên tử carbon chứa liên kết đôi có ít hydrogen hơn (hay bậc cao hơn).

Phản ứng cộng HX vào alkyne có thể xảy ra lần lượt với từng liên kết π và đều tuân theo quy tắc Markovnikov.

Ví dụ:

CH₃ – C ≡ CH + HBr → CH₃ – CBr = CH₂

CH₃ – CBr = CH₂ + HBr → CH₃ – CBr₂ – CH₂

d) Cộng nước (hay còn gọi là hydrate hóa)

- Phản ứng hydrate hóa hợp chất alkene cần phải sử dụng đến acid mạnh (H+) làm chất xúc tác và tạo ra sản phẩm là alcohol. Phản ứng này thường dùng các chất xúc tác như phosphoric acid hoặc sulfuric acid.

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + H₂O  CH₃ - CH₂OH

- Phản ứng hydrate hóa hợp chất alkene cũng dựa trên quy tắc Markovnikov.

- Hydrate hóa acetylene (có xúc tác của HgSO4) sẽ tạo ra ethanal (hay còn gọi là acetaldehyde). Phản ứng xảy ra một cách thuận lợi khi có mặt của chất xúc tác là muối thuỷ ngân. Phản ứng hình thành nên sản phẩm trung gian là vinyl alcohol, một chất kém bền.

Hydrat hóa alkyne khác sẽ tạo ra sản phẩm chính là ketone. Ví dụ:

3.2 Phản ứng trùng hợp alkene 

Phản ứng trùng hợp alkene là một quá trình cộng hợp liên tiếp giữa nhiều phân tử alkene giống nhau hoặc những alkene tương tự nhau (được gọi là monomer) hình thành nên phân tử có khối lượng lớn (được gọi là polymer)

Ví dụ: Phản ứng trùng hợp của các ethylene và các propylene hình thành nên polyethylene (PE) và polypropylene (PP)

Trong đó: n chính là hệ số trùng hợp

Phản ứng trùng hợp của alkene có ứng dụng vô cùng quan trọng nhằm sản xuất vật liệu polymer.

3.3 Phản ứng của alk-1-yne với dung dịch silver nitrate trong ammonia

- Các alk-1-yne hay các alkyne có sự xuất hiện liên kết ba ở đầu mạch như ethyne, propyne,… có phản ứng tạo kết tủa vàng nhạt khi phản ứng với dung dịch silver nitrate (AgNO₃) trong ammonia (thuốc thử Tollens).

H-C≡C-H + 2[Ag(NH₃)₂]OH  Ag-C≡C-Ag + 4NH₃ + 2H₂O

                diamminesilver(I) hydroxide     Silver acetylide

                                                                 (Kết tủa màu vàng nhạt)

Người ta sử dụng phản ứng này nhằm nhận biết các alk -1- yne (các alkyne có liên kết ba ở đầu mạch).

3.4 Phản ứng oxi hóa 

a) Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn. 

- Các alkene và alkyne đều có thể làm mất màu của dung dịch potassium permanganate (hay còn gọi là thuốc tím, công thức KMnO4). Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn này giúp nhận biết được các alkene và alkyne.

Ví dụ:

3C₂H₄ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3C₂H₄(OH)₂ + 2KOH + 2MnO₂

3C₂H₂ + 2KMnO₄ → KOOC-COOK + 2KOH + 8MnO₂ + 2H₂O

Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn các chất alkene được ứng dụng rất nhiều để sản xuất những dẫn chất có chứa oxygen của hydrocarbon trong công nghiệp

b) Phản ứng cháy

Sản phẩm của các phản ứng đốt cháy hoàn toàn hợp chất hydrocarbon không no bao gồm carbon dioxide và nước.

Giống như các alkane thì alkene, alkyne bị đốt cháy đều sẽ tỏa nhiều nhiệt.

Ví dụ:

C_nH_2n + O₂  nCO₂ + nH₂O

C_nH_2n-2 + O₂  nCO₂ + (n - 1)H₂O

4. Ứng dụng và điều chế Hydrocarbon không no

4.1 Ứng dụng

- Alkene được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ như polypropylenePP, polyethylene (PE), ethylene glycol, acetone,... Những polymer này có thể sử dụng làm bao bì hoặc các đồ dùng như cốc, tủ đựng đồ,...

- Acetylene được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là những vật liệu polymer như là poly(vinyl acetate), poly(vinyl alcohol),... sử dụng làm keo dán, màng đệm,...

- Ethylene là hormon sinh trưởng ở thực vật, có tác dụng giúp cây mau già và quả mau chín.  Acetylene cũng có vai trò tương tự như thế. Trong thực tế, hai chất này được sử dụng để làm chín trái cây nhanh chóng, điều khiển quá trình sinh mủ ở cây cao su,...

- Acetylene cháy tỏa ra nhiều nhiệt nên được sử dụng trong đèn xì acetylene nhằm hàn và cắt kim loại.

4.2. Điều chế 

- Trong công nghiệp, alkene thường được điều chế dựa vào phản ứng cracking alkane chứa trong dầu mỏ.

- Alkene còn được điều chế bằng phản ứng tách nước (hay còn gọi là phản ứng dehydrate) từ những alcohol với nhiệt độ cao cùng xúc tác sulfuric acid đặc, dung dịch phosphoric acid đặc (sử dụng ở phòng thí nghiệm) hoặc aluminium oxide (sử dụng trong công nghiệp). 

Ví dụ:

CH₃ - CH₂OH  CH₂ = CH₂ + H₂O

- Acetylene được điều chế dựa vào phản ứng calcium carbide tác dụng với nước

CaC₂ + 2H₂O  C₂H₂ + Ca(OH)₂

- Trong công nghiệp, chủ yếu acetylene được sản xuất từ methane

2CH₄  C₂H₂ + 3H₂

- Acetylene còn được sử dụng nhằm tổng hợp những alkyne mà mạch có chứa nhiều hơn 2 nguyên tử carbon. 

Hydrocarbon không no là một hợp chất hữu cơ được ứng dụng vô cùng phổ biến không chỉ trong các ngành công nghiệp mà còn áp dụng được vào cuộc sống. Bởi vậy, nắm chắc được kiến thức về hợp chất hữu cơ này có thể giúp các em giải quyết được các bài tập hoá 11 một cách nhanh chóng và có thể ứng dụng những kiến thức ấy vào đời sống thường ngày.

Nếu cảm thấy bài viết có ích và dễ hiểu, đừng ngần ngại chia sẻ bài viết của VUIHOC đến mọi người xung quanh. Để có thể học được thêm những kiến thức Hoá học bổ ích, nhanh tay truy cập vào địa chỉ website vuihoc.vn và đăng ký các khoá học cùng thầy cô VUIHOC ngay hôm nay nhé!

>> Mời bạn tham khảo thêm: 

• Cấu tạo hoá học hợp chất hữu cơ
• Công thức phân tử hợp chất hữu cơ