CẤU TRÚC PHÂN TỬ VÀ TÍNH CHẤT HỢP CHẤT HỮU CƠ

GS – TS Nguyễn Hữu Đĩnh 

Khoa Hóa học – Trường Đại học Sư phạm Hà Nội

Dưới đây chúng tôi nêu ra một số câu hỏi liên quan tơi vấn đề "Cấu trúc phân tử và tính chất hợp chất hữu cơ" và tham gia thảo luận cùng các bạn.

1. Liên kết hóa học, công thức Liuyt, công thức cộng hưởng

A. Câu hỏi

1.0. a) Đề thi tuyển sinh ĐH năm 2009  có hỏi rằng: "Phân tử  nào sau đây có liên kết ion: HCl, NH₄Cl, CH₃COOH, CH₃CH₂OH".

b) Nhiều GV thắc mắc về Đáp án cho Đề thi tuyển sinh ĐH năm 2011 rằng: "Dạng ion lưỡng cực và dạng phân tử của aminoaxit có phải là 2 đồng phân ?"

1.1. Dựa vào giá trị năng lượng liên kết trong các bảng tra cứu hãy tính

a)      DH_o  của phản ứng monoflo hoá metan.

b)      DH_o của phản ứng monoclo hoá metan. 

Nhận xét kết quả tính được.

1.2. Fomon là dung dịch khoảng 40% fomanđehit, trong đó nó tồn tại chủ yếu ở dạng metanđiol.

a) Sử dụng các giá trị năng lượng liên kết dưới đây, hãy giải thích vì sao metanđiol là dạng chủ yếu trong dung dich, vì sao không thể tách được nó ra khỏi dung dịch ?

Liên kết	C-H	=C-H	C-O	C=O	O-H	H…O
E (kJ/mol)	410	435	359	736	431	~30

b) Vì sao fomon thường tạo thành lớp bột trắng ở đáy bình ?

c) Vì sao để bảo quản xác động vật, người ta ngâm chúng vào fomon?

d) Mục tiêu của một số người dùng fomom trong chế biến bánh phở là làm cho bánh phở ngọt hơn, hay trắng hơn, hay dai hơn ? Giải thích? Vì sao người ta đã không phát hiện được hàm lượng fomandehit đáng kể trong bánh phở đã dùng fomon? Tuy vậy nó vẫn có hại cho sức khỏe người tiêu dùng, vì sao ?

 

1.3. Hợp chất A có công thức phân tử CHON, ở thể khí, độ dài liên kết CN bằng 121 pm, CO bằng 117 pm. Ngay ở 0 ^oC chất A tự biến đổi thành chất rắn X tương đối bền, không tan trong các dung môi thông thường, độ dài liên kết CN bằng 140 pm. A tan trong nước tạo dung dịch axit với Ka = 1,2.10^-4. Trong dung dịch đặc A tự biến đổi thành Y có vòng 6 cạnh với độ dài liên kết CN bằng 135 pm. Cho biết độ dài liên kết trung bình ở các hợp chất như sau:

Liên kết	C-C	C-N	C-O	C=N	C=O	C≡N	Cacbon oxit
Độ dài, pm	154	147	143	130	123	116	112

a) Xác định công thức cấu tạo của A ở thể khí.

b) Dùng công thức cấu tạo viết phương trình phản ứng điện li của A trong dung dịch nước và giải thíc vì sao lực axit của nó lớn hơn của axit axetic.

c) Viết phương trình phản ứng tạo thành và công thức cấu tạo của X và Y.

 

1.4. Khi cho cis-but-2-en hoặc trans-but-2-en vào axit sunfuric thì sau một thời gian đều thu được  hỗn hợp gồm 85% đồng phân trans và 15% đồng phân cis.

a)           Hãy giải thích hiện tượng đó.

b)          Hãy tính sự chênh lệch năng lượng giữa 2 đồng phân đó ở 25^oC.

c)           Nêu nguyên nhân làm cho đồng phân trans bền hơn đồng phân cis.

d)          Sự chênh lệch năng lượng giữa cấu dạng syn và cấu dạng anti ở butan là 3,7kJ/mol. Chúng tự chuyển đổi lẫn nhau ngay ở nhiệt độ thường qua cấu dạng khuất với năng lượng lớn hơn cấu dạng anti là 15 kJ/mol. Vì sao ở nhiệt độ thường trans- và cis-but-2-en không  tự chuyển đổi lẫn nhau được ?

 

1.5.  Hãy viết công thức Liuyt và ghi rõ điện tích qui ước (nếu có) của các đồng phân ứng với công thức phân tử CHNO.

 

1.6. Hãy chỉ rõ vì sao các tiểu phân sau đây mang điện tích +, -  hoặc trung hòa:

 

B. Thảo luận

 

1.0. a) Cần xem lại liên kết trong các hợp chất ion và trong các hợp chất cộng hóa trị.

b) Cần xem lại định nghĩa đồng phân.

 

1.1.

a) DH_pư = năng lượng phá vỡ liên kết (dấu +)  +  năng lượng hình thành liên kết (dấu -).

                 H₃C-H + F-F  ® H₃C-F  + H-F 

  E (kJ) :    410        155          425       564

              DH = [410+155] + [(-425) + (-564)] = - 424 kJ.

b)                  H₃C- H  +  Cl - Cl   ®   H₃C- Cl  +  H – Cl

          E (kJ) :    410           239               325            425     

 DH = (410+239) + [(-325) + (425)] = -101 kJ.

 

        Phản ứng flo hoá trực tiếp toả nhiệt gấp 4 lần phản ứng clo hoá, dẫn tới phân huỷ hiđrocacbon nên chỉ thu được HF và C.

 

1.2.

a) Chưa tính liên kết hidro:   CH₂(OH)₂    →    CH₂=O     +     H₂O

                     ΔH _{hình thành}:       -2400               - 1606              -862       (kJ/mol)

                     ΔH _{phản ứng}:        -1606 – 862 – (-2400) =  -68  (kJ/mol)

Thêm liên kết hidro:     [CH₂(OH)₂...6H₂O];                 [CH₂=O...2H₂O]

         ΔH _{hình thành}:   - 2400 + 8 x (-30 ) = 2580;     -1606 + 2 x (-30 ) = 1666  (kJ/mol).

         ΔH _{phản ứng}:   -2580 – (-1666) = 914 (kJ/mol).       

b)     n CH₂=O    →    -(-CH₂-O-)-_n   

c) CH₂=O  không những có tác dụng diệt vi sinh vật mà còn có tác dụng khâu mạch các protein và các hợp chất hữu cơ khác khiến chúng trở nên bền vững khó bị phân hủy.

d) CH₂=O  phản ứng khâu mạch với các nhóm OH của tinh bột làm cho nó dai hơn. Khi đó nó không còn ở trạng thái tự do dễ phát hiện. Vào cơ thể nó có thể được giải phóng ra và phản ứng bừa vào các nhóm OH, NH ở các hợp chất có trong tế bào.

 

1.3. a) Dựa vào độ dài liên kết (trung gian giữa liên kết đôi và ba, không phải liên kết đơn) xác định được A ở thể khí là H-N=C=O (xem thêm bài 1.5).

b) A thể khí là axit N nhưng trong dung dịch nước thì chuyển thành axit O, vì vậy có lực axit lớn hơn axit axetic:

 

c) Dựa vào độ dài liên kết xác định được công thức cấu tạo từ đó có phương trình phản ứng:

 

1.4. a)

                  

    b)      K = [trans-but-2-en] : [cis-but-2-en] = 85 : 15 = 5,67

    DG^o = - 2,303.RT.lgK = - 2,303.8,314.298.lg5,67 = - 4,3 kJ/mol.

 Bỏ qua đại lượng TDS (vì ở nhiệt độ thấp), có thể coi sự chênh lệch năng lượng  giữa 2        đồng phân  là 4,3 kJ/mol.

                  c)  Đồng phân cis-but-2-en kém bền hơn đồng phân trans-but-2-en là do lực đẩy Van de Van giữa 2 nhóm CH₃

         d)  Năng lượng hoạt hoá của sự chuyển từ cấu dạng anti sang cấu dạnh syn bằng  chính 15kJ/mol. Năng lượng hoạt hoá của sự chuyển từ cis- sang trans-but-2-en rất lớn, tối thiểu phải đủ để phá vỡ liên kết p (~263 kJ/mol) nên ở nhiệt độ thường không thể chuyển đổi lẫn nhau được.