Lý thuyết Hóa học 11 Bài 16: Hydrocarbon không no

1. Khái niệm và công thức chung của alkene, alkyne

Hydrocarbon không no là những hydrocarbon trong phân tử có chứa liên kết đôi, liên kết ba (gọi chung là liên kết bội) hoặc đồng thời cả liên kết đôi và liên kết ba.

2. Đồng phân

a) Đồng phân cấu tạo

Alkene và alkyne có hai loại đồng phân cấu tạo là đồng phân vị trí liên kết bội (từ C4 trở lên) và đồng phân mạch carbon (từ C4 trở lên với alkene và từ C5 trở lên với alkyne).

Ví dụ: Alkene C₄H₈ có 3 đồng phân cấu tạo:

CH₂ = CH – CH₂ – CH₃

CH₃ – CH = CH – CH₃

b) Đồng phân hình học

Trong phân tử alkene nếu mỗi nguyên tử carbon của liên kết đôi liên kết với hai nguyên tử hoặc hai nhóm nguyên tử khác nhau thì sẽ có đồng phân hình học.

+ Nếu mạch chính nằm ở cùng một phía của liên kết đôi, gọi là đồng phân hình học dạng cis −.

+ Nếu mạch chính nằm ở hai phía khác nhau của liên kết đôi, gọi là đồng phân hình học dạng trans−.

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

3. Danh pháp

Tên theo danh pháp thay thế của alkene và alkyne:

Phần nền - vị trí liên kết bội - ene hoặc yne

Lưu ý:

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

+ Đánh số sao cho nguyên tử carbon có liên kết bội (đôi hoặc ba) có chỉ số nhỏ nhất (đánh số mạch chính từ đầu gần liên kết bội).

+ Dùng chữ số (1, 2, 3,...) và gạch nối (-) để chì vị trí liên kết bội (nếu chỉ có một vị trí duy nhất của liên kết bội thì không cần).

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

1. Ethylene

Phân tử ethylene (C₂H₄) có 2 nguyên tử carbon và 4 nguyên tử hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng. Liên kết đôi C = C gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết π.

2. Acetylene

Phân tử acetylene (C₂H₂) có 2 nguyên tử carbon và 2 nguyên tử hydrogen nằm trên một đường thẳng, góc liên kết $\overset{⏞}{CCH}$ là 180^o. Liên kết ba C ≡ C bao gồm một liên kết liên kết σ và hai liên kết π.

Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng của alkene, alkyne không khác nhiều với alkane tương ứng. Các alkene, alkyne là những hợp chất không có mùi và đều nhẹ hơn nước.

Ở nhiệt độ thường, phần lớn các alkene và alkyne từ C2 đến C4 ở trạng thái khí, từ C5 trở lên ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái rắn. Chúng không tan hoặc rất ít tan trong nước, tan trong một số dung môi hữu cơ.

Tính chất vật lí của một số alkene, alkyne được thể hiện trong bảng sau:

Các liên kết ℼ ở liên kết đôi (alkene) và liên kết ba (alkyne) kém bền vững, dễ bị đứt ra để tạo thành các liên kết mới. Vì vậy, các liên kết bội là trung tâm gây ra các phản ứng đặc trưng của hydrocarbon không no: phản ứng cộng, phản ứng trùng hợp, phản ứng oxi hoá.

1. Phản ứng cộng

a) Phản ứng cộng hydrogen

Hydrogen hoá alkene thu được alkane tương ứng. Phản ứng thường được thực hiện dưới áp suất cao, nhiệt độ cao và có mặt các chất xúc tác kim loại như platinum, nickel và palladium.

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + H₂ $\overset{Ni , t^{o} , P}{\to}$ CH₃ – CH₃

Hydrogen hoá alkyne, tuỳ vào điều kiện áp suất, nhiệt độ và xúc tác, có thể nhận được sản phẩm là alkene, alkane.

Ví dụ:

CH ≡ CH + H₂ $\overset{Pd , PbCO_{3} , t^{o} , P}{\to}$ CH₂ = CH₂

CH ≡ CH + 2H₂ $\overset{Ni , t^{o} , P}{\to}$ CH₃ – CH₃

b) Phản ứng cộng halogen

Khi cho alkene hoặc alkyne phản ứng với dung dịch bromine, dung dịch sẽ bị mất màu.

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + Br₂ → BrCH₂ – CH₂Br

CH ≡ CH + 2Br₂ → Br₂HC – CHBr₂

c) Phản ứng cộng hydrogen halide

Phản ứng cộng hydrogen halide vào alkene và alkyne tạo thành halogenoalkane tương ứng.

CH₂ = CH₂ + HBr → CH₃ – CH₂Br

CH ≡ CH + HBr → CH₂ = CHBr

CH ≡ CH + 2HBr → CH₃ – CHBr₂

d) Phản ứng cộng nước (hydrate hoá)

- Phản ứng cộng nước vào alkene hay còn gọi là hydrate hoá alkene tạo ra alcohol.

Phản ứng thường sử dụng xúc tác phosphoric acid hoặc sulfuric acid.

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + H₂O $\overset{H_{3}PO_{4} , t^{o}}{\to}$ CH₃ – CH₂OH

Phản ứng này được thực hiện ở quy mô công nghiệp để sản xuất ethanol.

- Phản ứng cộng một phân tử HOH vào alkyne diễn ra khi có mặt của xúc tác là muối Hg(II) trong H₂SO₄, tạo thành aldehyde hoặc ketone.

Ví dụ:

CH ≡ CH + H₂O $\overset{Hg^{2 +} , H_{2}SO_{4} , t^{o}}{\to}$ CH₃ – CH = O

CH₃C = CH + H₂O $\overset{Hg^{2 +} , H_{2}SO_{4} , t^{o}}{\to}$ CH₃ – CO – CH₃

Chú ý:

Phản ứng cộng acid, cộng nước vào alkyne cũng tuân theo quy tắc Markovnikov: Phản ứng cộng một tác nhân không đối xứng HX như HBr, HCl, HI, HOH, … vào liên kết bội, nguyên tử hydrogen sẽ ưu tiên cộng vào nguyên tử carbon có nhiều hydrogen hơn và X sẽ cộng vào nguyên tử carbon có ít hydrogen hơn.

2. Phản ứng trùng hợp của alkene

Phản ứng trùng hợp alkene là quá trình cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử alkene giống nhau hoặc tương tự nhau (gọi là monomer) thành phân tử có phân tử khối lớn (gọi là polymer).

Ví dụ: Phản ứng trùng hợp ethylene tạo thành polyethylene (PE):

n được gọi là hệ số trùng hợp.

Phản ứng trùng hợp alkene có ứng dụng quan trọng để sản xuất vật liệu polymer.

3. Phản ứng của alk – 1 – yne với AgNO₃ trong NH₃

Các alk – 1 – yne có thể phản ứng với AgNO₃/ NH₃ tạo kết tủa.

Ví dụ:

CH ≡ CH + 2AgNO₃ + 2NH₃ → Ag – C ≡ C – Ag↓ + 2NH₄NO₃

Phản ứng này dùng để nhận biết các alkyne có liên kết ba ở đầu mạch.

4. Phản ứng oxi hoá

a) Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn

Các alkene và alkyne có khả năng làm mất màu dung dịch thuốc tím, đây là phản ứng oxi hoá không hoàn toàn.

Ví dụ:

3CH₂ = CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O → 3HO – CH₂ – CH₂ – OH + 2MnO₂ + 2KOH

Phản ứng oxi hoá không hoàn toàn alkene được ứng dụng để sản xuất các dẫn xuất chứa oxygen của hydrocarbon trong công nghiệp.

b) Phản ứng cháy

Alkene và alkyne đều dễ cháy khi có mặt oxygen, phản ứng toả nhiều nhiệt. Tổng quát:

$C_{n}H_{2n} + \frac{3n}{2}O_{2}\overset{t^{o}}{\to}nCO_{2} + nH_{2}OC_{n}H_{2n - 2} + \frac{3n - 1}{2}O_{2}\overset{t^{o}}{\to}nCO_{2} + ( n - 1 ) H_{2}O$

1. Alkene

Trong phòng thí nghiệm, ethylene được điều chế từ phản ứng dehydrate ethanol:

C₂H₅OH $\overset{H_{2}SO_{4} , t^{o}}{\to}$ C₂H₄ + H₂O

Trong công nghiệp, alkene từ C2 đến C4 được điều chế từ quá trình cracking alkane trong các nhà máy lọc dầu.

2. Alkyne

Acetylene được điều chế từ phản ứng giữa calcium carbide với nước:

CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂

Ngoài ra, acetylene còn được điều chế bằng cách nhiệt phân methane ở nhiệt độ 1500 ^oC, làm lạnh nhanh để tách acetylene ra khỏi hỗn hợp với hydrogen:

2CH₄ $\overset{1500^{o}C}{\to}$ C₂H₂ + 3H₂

Một số ứng dụng của alkene và alkyne được thể hiện trong sơ đồ sau: