Lý thuyết trọng tâm

I. Thuyết cấu tạo hóa học

Năm 1861, Butlerov (Bút-lê-rốp) đưa ra khái niệm cấu tạo hóa học và thuyết cấu tạo hóa học bao gồm những luận điểm chính sau:

Luận điểm 1

Trong phân tử chất hữu cơ, các nguyên tử liên kết với nhau theo đúng hóa trị và theo một thứ tự nhất định. Thứ tự liên kết đó được gọi là cấu tạo hóa học. Sự thay đổi thứ tự liên kết đó sẽ tạo ra chất khác.

Ví dụ: Ethanol và dimethyl ether đều có công thức phân tử $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$ nhưng có tính chất vật lí và tính chất hóa học rất khác nhau do chúng có cấu tạo khác nhau.

Luận điểm 2

Trong phân tử chất hữu cơ, carbon có hóa trị IV. Các nguyên tử carbon không những liên kết với nguyên tử của các nguyên tố khác mà còn có thể liên kết trực tiếp với nhau tạo thành mạch carbon.

Các loại mạch carbon:

Luận điểm 3

Tính chất của các chất phụ thuộc vào thành phần phân tử (bản chất và số lượng các nguyên tử) và cấu tạo hóa học. Các nguyên tử trong phân tử có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau.

Ví dụ minh họa:

Ý nghĩa: Thuyết cấu tạo hóa học giúp giải thích được hiện tượng đồng phân, hiện tượng đồng đẳng trong hóa học hữu cơ.

II. Công thức cấu tạo

1. Khái niệm

Công thức cấu tạo là công thức biểu diễn cách liên kết và thứ tự liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử.

Ví dụ: Ứng với công thức phân tử $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}$ có bốn công thức cấu tạo mạch hở:

2. Cách biểu diễn cấu tạo phân tử hợp chất hữu cơ

III. Đồng phân

1. Khái niệm

Những hợp chất hữu cơ khác nhau nhưng có cùng công thức phân tử được gọi là các chất đồng phân của nhau.

Giải thích: Các chất đồng phân có cùng công thức phân tử nhưng có tính chất khác nhau là do chúng có cấu tạo hóa học khác nhau.

2. Các loại đồng phân cấu tạo

Ứng với một công thức phân tử có thể có các đồng phân cấu tạo về mạch carbon, loại nhóm chức, vị trí nhóm chức.

3. Đồng phân hình học

Ngoài đồng phân cấu tạo, các hợp chất hữu cơ còn có đồng phân hình học. Loại đồng phân này có cấu tạo giống nhau, chỉ khác nhau vị trí không gian của nguyên tử, nhóm nguyên tử trong phân tử.

Điều kiện xuất hiện đồng phân hình học:

1. Phân tử có bộ phận cứng nhắc (nối đôi C=C) làm cản trở sự quay tự do
2. Hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử gắn với cùng một nguyên tử carbon có nối đôi phải khác nhau

Ví dụ: But-2-ene ($\text{CH}_3-\text{CH=CH}-\text{CH}_3$)

IV. Đồng đẳng

1. Khái niệm

Các chất hữu cơ có tính chất hóa học tương tự nhau và thành phần phân tử hơn kém nhau một hay nhiều nhóm $\text{CH}_2$ được gọi là các chất đồng đẳng của nhau, chúng hợp thành một dãy đồng đẳng.

Ví dụ: Trong quá trình chế biến dầu mỏ, người ta thu được nhiều khí như $\text{C}_2\text{H}_4$, $\text{C}_3\text{H}_6$, $\text{C}_4\text{H}_8$…

Nhận xét:

• Thành phần phân tử hơn kém nhau nhóm $\text{CH}_2$
• Đều có liên kết đôi C=C → tính chất hóa học tương tự (làm mất màu dung dịch bromine)

2. Một số dãy đồng đẳng quan trọng

Phương pháp giải các dạng bài tập

Ba quy tắc bắt buộc phải nhớ trước khi viết bất kì công thức cấu tạo nào:

Mỗi công thức viết ra đều phải kiểm tra lại hoá trị: đếm đủ 4 liên kết quanh mỗi nguyên tử C. Đây là bước loại bỏ công thức sai nhanh nhất.

Dạng 1: Viết và đếm số đồng phân cấu tạo ứng với một công thức phân tử

Phương pháp giải

Bước 1. Nhận dạng hợp chất. So sánh công thức phân tử với công thức chung của các dãy đồng đẳng đã học:

Bước 2. Viết đồng phân mạch carbon, theo thứ tự giảm dần độ dài mạch chính để không bỏ sót:

• Mạch thẳng dài nhất trước;
• Rút mạch chính ngắn đi 1 C, đem C đó làm nhánh, đặt nhánh lần lượt vào từng vị trí;
• Tiếp tục rút ngắn mạch chính cho đến khi không rút được nữa.

Lưu ý: Không đặt nhánh vào C đầu mạch, vì như vậy chỉ là kéo dài mạch chính, sẽ trùng với công thức đã viết.

Bước 3. Viết đồng phân vị trí nhóm chức. Với mỗi mạch carbon vừa tìm được, di chuyển nhóm chức ($-\text{OH}$, $-\text{Cl}$, nối đôi…) lần lượt qua từng vị trí trên mạch.

Bước 4. Viết đồng phân loại nhóm chức (nếu công thức phân tử cho phép). Ví dụ $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\text{O}$ vừa có thể là alcohol ($-\text{OH}$), vừa có thể là ether ($-\text{O}-$).

Bước 5. Kiểm tra và loại trùng. Dùng tính đối xứng của mạch để loại: hai vị trí đối xứng qua tâm mạch cho cùng một chất.

Mẹo đếm nhanh cho mạch thẳng: Mạch 4 C đánh số 1-2-3-4 thì vị trí 1 trùng 4, vị trí 2 trùng 3, nên chỉ có 2 vị trí khác nhau chứ không phải 4.

Bài tập mẫu 1: chỉ có đồng phân mạch carbon

Đề bài: Viết các công thức cấu tạo ứng với công thức phân tử $\text{C}_5\text{H}_{12}$.

Lời giải

Bước 1. Với $n = 5$ thì $\text{C}_n\text{H}_{2n+2} = \text{C}_5\text{H}_{12}$, đúng công thức chung của alkane. Phân tử chỉ có liên kết đơn, mạch hở, không có nhóm chức nên chỉ cần xét đồng phân mạch carbon.

Bước 2. Viết theo thứ tự mạch chính giảm dần:

Mạch chính 5 C (không nhánh):

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3$$

Mạch chính 4 C (1 nhánh $-\text{CH}_3$). Nhánh chỉ được đặt ở C số 2 hoặc C số 3; hai vị trí này đối xứng nhau nên cho cùng một chất:

$$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_3$$

Mạch chính 3 C (2 nhánh $-\text{CH}_3$, cùng gắn vào C số 2):

$$\text{CH}_3-\text{C}(\text{CH}_3)_2-\text{CH}_3$$

Bước 5. Kiểm tra hoá trị: ở công thức thứ ba, nguyên tử C trung tâm liên kết với 2 nhóm $\text{CH}_3$ của mạch chính và 2 nhóm $\text{CH}_3$ nhánh, đủ 4 liên kết. Đếm lại tổng số nguyên tử: $5\text{C}$ và $12\text{H}$ ở cả ba công thức.

Kết luận: $\text{C}_5\text{H}_{12}$ có 3 đồng phân cấu tạo.

Bài tập mẫu 2: đồng phân mạch carbon và vị trí nhóm chức

Đề bài: Viết các công thức cấu tạo ứng với công thức phân tử $\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}$ và cho biết số đồng phân.

Lời giải

Bước 1. $\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}$ ứng với $\text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{Cl}$ với $n = 4$: đây là dẫn xuất chlorine của butane, mạch hở, chỉ có liên kết đơn.

Bước 2. Hai bộ khung carbon:

• Khung A (mạch thẳng 4 C): $\text{C}-\text{C}-\text{C}-\text{C}$
• Khung B (mạch nhánh 3 C): $\text{C}-\text{C}(\text{C})-\text{C}$

Bước 3. Đặt nguyên tử Cl vào từng vị trí trên mỗi khung

Với khung A, mạch đối xứng nên C1 trùng C4, C2 trùng C3, chỉ có 2 vị trí khác nhau:

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Cl} \qquad (1)$$

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHCl}-\text{CH}_3 \qquad (2)$$

Với khung B, có 2 loại vị trí: nguyên tử C ở đầu nhánh và nguyên tử C ở giữa:

$$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2\text{Cl} \qquad (3)$$

$$\text{CH}_3-\text{CCl}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 \qquad (4)$$

Bước 5. Kiểm tra: cả 4 công thức đều có 4 C, 9 H, 1 Cl và mọi nguyên tử C đều đủ 4 liên kết.

Kết luận: $\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}$ có 4 đồng phân cấu tạo.

Bài tập mẫu 3: có đủ ba loại đồng phân

Đề bài: Viết các công thức cấu tạo ứng với công thức phân tử $\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}$ và cho biết số đồng phân.

Lời giải

Bước 1. $\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}$ có dạng $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}\text{O}$, phân tử chỉ có liên kết đơn và mạch hở. Với công thức này có hai loại nhóm chức có thể có: nhóm $-\text{OH}$ (alcohol) và liên kết $-\text{O}-$ giữa hai gốc hydrocarbon (ether). Ta xét lần lượt từng loại.

Trường hợp 1: alcohol $\text{C}_4\text{H}_9-\text{OH}$

Gốc $\text{C}_4\text{H}_9-$ có 2 khung carbon (như bài mẫu 2), trên mỗi khung đặt nhóm $-\text{OH}$ vào các vị trí khác nhau:

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH} \qquad (1)$$

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}(\text{OH})-\text{CH}_3 \qquad (2)$$

$$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{OH} \qquad (3)$$

$$\text{CH}_3-\text{C}(\text{OH})(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 \qquad (4)$$

Được 4 đồng phân alcohol. Trong đó $(1)$ và $(2)$ là đồng phân vị trí nhóm chức của nhau, còn $(1)$ và $(3)$ là đồng phân mạch carbon của nhau.

Trường hợp 2: ether $\text{R}-\text{O}-\text{R}’$, với tổng số C của hai gốc bằng 4

Được 3 đồng phân ether. Cách chia $3+1$ trùng với $1+3$ nên không tính thêm.

Bước 5. Kiểm tra: mọi công thức đều có 4 C, 10 H, 1 O; nguyên tử O luôn tạo đúng 2 liên kết.

Kết luận: $\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}$ có $4 + 3 = \mathbf{7}$ đồng phân cấu tạo

Ghi nhớ trình tự cho các bài có nhóm chức: loại nhóm chức trước, rồi mạch carbon, cuối cùng mới đến vị trí nhóm chức. Làm ngược lại rất dễ sót đồng phân ether.

Dạng 2: Xác định và đếm đồng phân hình học

Phương pháp giải

Bước 1. Tìm liên kết đôi C=C trong phân tử. Nếu phân tử không có liên kết đôi C=C thì kết luận ngay là không có đồng phân hình học. Liên kết ba $\text{C}\equiv\text{C}$ không tạo đồng phân hình học.

Bước 2. Với mỗi nguyên tử C mang nối đôi, xác định hai nhóm còn lại gắn vào nó.

Bước 3. Đối chiếu điều kiện. Viết phân tử dưới dạng tổng quát:

$$\overset{a}{\underset{b}{\text{C}}} = \overset{c}{\underset{d}{\text{C}}}$$

Có đồng phân hình học khi đồng thời $a \neq b$ và $c \neq d$. Chỉ cần một nguyên tử C mang nối đôi có hai nhóm giống nhau thì không có đồng phân hình học.

Bước 4. Nếu thoả điều kiện, phân tử có 2 đồng phân:

Dấu hiệu loại nhanh: nếu thấy nhóm $\text{CH}_2=$ ở đầu mạch thì nguyên tử C đó mang 2 nguyên tử H giống nhau, chắc chắn không có đồng phân hình học.

Bài tập mẫu 1: kiểm tra một chất

Đề bài: Trong các chất sau, chất nào có đồng phân hình học?

(a) $\text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_3$ (b) $\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$ (c) $\text{CH}_3-\text{CH}=\text{C}(\text{CH}_3)_2$ (d) $\text{CHCl}=\text{CH}-\text{CH}_3$

Lời giải

Lập bảng xét từng chất theo hai nguyên tử C mang nối đôi:

Kết luận: Hai chất (a) và (d) có đồng phân hình học.

Bài tập mẫu 2: đếm tổng số đồng phân

Đề bài: Ứng với công thức phân tử $\text{C}_4\text{H}_8$ mạch hở:

a) Có bao nhiêu đồng phân cấu tạo?

b) Tính cả đồng phân hình học thì có tất cả bao nhiêu đồng phân?

Lời giải

Câu a. $\text{C}_4\text{H}_8$ có dạng $\text{C}_n\text{H}_{2n}$, mạch hở nên phân tử có 1 liên kết đôi C=C.

Xét lần lượt hai khung carbon:

Khung 4 C thẳng — di chuyển nối đôi:

$$\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \qquad (1)$$

$$\text{CH}_3-\text{CH}=\text{CH}-\text{CH}_3 \qquad (2)$$

Vị trí nối đôi giữa C3 và C4 trùng với công thức $(1)$ do tính đối xứng nên không tính thêm.

Khung 3 C có nhánh — nối đôi chỉ đặt được ở một vị trí:

$$\text{CH}_2=\text{C}(\text{CH}_3)-\text{CH}_3 \qquad (3)$$

Vậy có 3 đồng phân cấu tạo.

Câu b. Xét điều kiện đồng phân hình học cho từng công thức:

Công thức $(2)$ cho 2 đồng phân hình học, hai công thức còn lại mỗi công thức chỉ ứng với 1 chất.

Kết luận: a) 3 đồng phân cấu tạo. b) Tính cả đồng phân hình học thì có $2 + 1 + 1 = \mathbf{4}$ đồng phân.

Chú ý cách hỏi của đề: “số công thức cấu tạo” hay “số đồng phân cấu tạo” thì không tính cis – trans; “số đồng phân” nói chung thì phải tính thêm. Đọc kĩ chữ trong đề trước khi đếm.

Dạng 3: Xét quan hệ đồng phân – đồng đẳng giữa các chất

Phương pháp giải

Dạng này không phải học thuộc mà là thao tác đếm nguyên tử rồi so sánh, nên vẫn xếp vào nhóm bài tập tính toán.

Bước 1. Từ công thức cấu tạo của mỗi chất, đếm số nguyên tử từng nguyên tố để viết ra công thức phân tử. Đây là bước quyết định, đa số học sinh sai ở đây chứ không sai ở lí thuyết.

Bước 2. Áp dụng hai bộ điều kiện:

Bước 3. Với đồng đẳng, kiểm tra hiệu hai công thức phân tử phải đúng bằng $k$ lần nhóm $\text{CH}_2$, tức là số C hơn kém $k$ và số H hơn kém $2k$, các nguyên tố khác giữ nguyên số lượng.

Bài tập mẫu

Đề bài: Cho các chất sau:

(1) $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{OH}$ (2) $\text{CH}_3-\text{CH}(\text{OH})-\text{CH}_3$ (3) $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{OH}$ (4) $\text{CH}_3-\text{O}-\text{CH}_2-\text{CH}_3$

a) Những chất nào là đồng phân của nhau?

b) Những chất nào là đồng đẳng của nhau?

Lời giải

Bước 1. Viết công thức phân tử của từng chất

Câu a. Xét đồng phân

Ba chất (1), (2), (4) cùng có công thức phân tử $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}$ nhưng cấu tạo khác nhau, nên chúng là đồng phân của nhau:

• (1) và (2): cùng là alcohol, khác vị trí nhóm $-\text{OH}$ nên là đồng phân vị trí nhóm chức;
• (1) và (4): khác loại nhóm chức (alcohol và ether) nên là đồng phân loại nhóm chức.

Câu b. Xét đồng đẳng

Chất (3) có công thức $\text{C}_2\text{H}_6\text{O}$, kém (1) và (2) đúng một nhóm $\text{CH}_2$:

$$\text{C}_3\text{H}_8\text{O} – \text{C}_2\text{H}_6\text{O} = \text{CH}_2$$

Cả ba chất (1), (2), (3) đều chứa nhóm $-\text{OH}$ nên có tính chất hoá học tương tự. Vậy (3) là đồng đẳng của (1) và của (2).

Chất (4) tuy cũng hơn kém (3) một nhóm $\text{CH}_2$ nhưng là ether, khác loại nhóm chức với alcohol, nên không phải đồng đẳng của (3).

Kết luận: a) (1), (2), (4) là đồng phân của nhau. b) (3) là đồng đẳng của (1) và (2).

Độ bất bão hoà (kiến thức mở rộng, ngoài SGK)

Với hợp chất $\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z\text{N}_t\text{X}_v$ (X là halogen), đặt:

$$k = \frac{2x + 2 + t – y – v}{2}$$

Giá trị $k$ cho biết tổng số liên kết $\pi$ và số vòng trong phân tử. Nguyên tử oxygen không xuất hiện trong công thức.

Ví dụ: Với $\text{C}_5\text{H}_9\text{O}_2\text{Cl}$:

$$k = \frac{2\times 5 + 2 + 0 – 9 – 1}{2} = \frac{2}{2} = 1$$

Phân tử có tổng số liên kết $\pi$ và vòng bằng 1.

Ứng dụng khi đếm đồng phân: tính $k$ trước để biết cần viết loại mạch nào. Chẳng hạn $\text{C}_4\text{H}_8$ có $k = 1$, nên khi đề hỏi “mạch hở” thì chắc chắn phải có 1 nối đôi; nếu đề không giới hạn mạch hở thì còn phải viết thêm các đồng phân mạch vòng.

Bảng tra nhanh

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ