Dẫn xuất halogen – Lý thuyết trọng tâm và Phương pháp giải

Dẫn xuất halogen tách từ tảo biển đỏ chi Laurencia có tác dụng chống ung thư vòm họng (Ảnh Sách KNTT)

Lý thuyết trọng tâm

I. Khái niệm và danh pháp

1. Khái niệm

Khi thay thế nguyên tử hydrogen trong phân tử hydrocarbon bằng nguyên tử halogen, được dẫn xuất halogen của hydrocarbon.

Công thức tổng quát:

$$\text{R}-\text{X}_n$$

Trong đó:

  • R: gốc hydrocarbon
  • X: F, Cl, Br, I
  • n: số nguyên tử halogen

Ví dụ: $\text{CH}_3\text{Br}$, $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, $\text{CHI}_3$, $\text{CH}_2=\text{CHCl}$, $\text{C}_6\text{H}_5\text{Br}$

Dẫn xuất halogen tách từ tảo biển đỏ chi Laurencia có tác dụng chống ung thư vòm họng (Ảnh Sách KNTT)
Dẫn xuất halogen tách từ tảo biển đỏ chi Laurencia có tác dụng chống ung thư vòm họng (Ảnh Sách KNTT)

2. Danh pháp

a) Danh pháp thay thế

$$\boxed{\text{Vị trí halogen} – \text{halogeno} + \text{tên hydrocarbon}}$$

Quy tắc đổi tên halogen: Đuôi “-ine” trong tên halogen được đổi thành đuôi “-o”

  • Fluorine → Fluoro
  • Chlorine → Chloro
  • Bromine → Bromo
  • Iodine → Iodo

Quy tắc đánh số mạch chính:

Quy tắc Nội dung
Vị trí duy nhất Nếu halogen chỉ có một vị trí duy nhất thì không cần số chỉ vị trí
Ưu tiên gần nhóm thế Mạch carbon được đánh số từ phía gần nhóm thế hơn (halogen hoặc nhánh alkyl)
Ưu tiên liên kết bội Nếu có liên kết bội thì ưu tiên đánh số từ phía gần liên kết bội
Nhiều halogen Cần thêm độ bội (di, tri, tetra,…) trước “halogeno”

Ví dụ:

Công thức cấu tạo Tên gọi
$\text{CH}_3-\text{Br}$ Bromomethane
$\text{CH}_3-\text{CH}(\text{Cl})-\text{CH}_2-\text{CH}_3$ 2-chlorobutane
$\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}_2-\text{F}$ 3-fluoropropene hay 3-fluoroprop-1-ene
$\text{BrCH}_2-\text{CH}_2\text{Br}$ 1,2-dibromoethane
Bảng ví dụ danh pháp thay thế (Ảnh Sách KNTT)
Bảng ví dụ danh pháp thay thế (Ảnh Sách KNTT)
b) Tên thông thường

Một số dẫn xuất halogen thường gặp có tên thông thường:

Công thức Tên thông thường
$\text{CHCl}_3$ Chloroform
$\text{CHBr}_3$ Bromoform
$\text{CHI}_3$ Iodoform
$\text{CCl}_4$ Carbon tetrachloride
c) Danh pháp gốc – chức

$$\boxed{\text{Tên gốc hydrocarbon} + \text{halide}}$$

Ví dụ:

Công thức Tên gốc – chức
$\text{CH}_3\text{CH}_2-\text{Cl}$ Ethyl chloride
$\text{CH}_2=\text{CH}-\text{Cl}$ Vinyl chloride
$\text{C}_6\text{H}_5-\text{I}$ Phenyl iodide
$\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2-\text{Br}$ Benzyl bromide

II. Đặc điểm cấu tạo

Trong phân tử dẫn xuất halogen, liên kết C–X phân cực về phía nguyên tử halogen:

  • Nguyên tử carbon mang một phần điện tích dương ($\delta^+$)
  • Nguyên tử halogen mang một phần điện tích âm ($\delta^-$)

$$\text{R} \overset{\delta^+}{-} \text{C} – \overset{\delta^-}{\text{X}}$$

→ Liên kết C–X dễ bị phân cắt trong các phản ứng hóa học.

Bảng năng lượng liên kết C–X:

Liên kết C–X C–F C–Cl C–Br C–I
Năng lượng liên kết (kJ/mol) 486 327 285 214

Nhận xét: Năng lượng liên kết giảm dần từ C–F đến C–I → Khả năng phân cắt liên kết C–X tăng dần từ C–F đến C–I → Dẫn xuất iodide dễ phản ứng nhất, dẫn xuất fluoride khó phản ứng nhất.

III. Tính chất vật lí

Tính chất Đặc điểm
Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi Cao hơn các hydrocarbon có phân tử khối tương đương (do phân tử phân cực)
Trạng thái Phân tử khối nhỏ ($\text{CH}_3\text{Cl}$, $\text{CH}_3\text{F}$,…): thể khí; Phân tử khối lớn hơn: thể lỏng hoặc rắn
Tính tan Không tan trong nước, tan tốt trong các dung môi hữu cơ (hydrocarbon, ether,…)

Quy luật nhiệt độ sôi:

  • Cùng gốc hydrocarbon: $t^\circ_s$ tăng theo thứ tự F < Cl < Br < I (do phân tử khối tăng)
  • Cùng halogen: $t^\circ_s$ tăng khi mạch carbon dài hơn

IV. Tính chất hóa học

Liên kết C–X phân cực về phía nguyên tử halogen nên phản ứng đặc trưng của dẫn xuất halogen là phản ứng thế nguyên tử halogenphản ứng tách HX.

1. Phản ứng thế nguyên tử halogen

Các dẫn xuất halogen có thể tham gia phản ứng với dung dịch kiềm, nguyên tử halogen bị thay thế bởi nhóm OH, tạo thành alcohol:

$$\text{R}-\text{X} + \text{OH}^- \xrightarrow{t^\circ} \text{R}-\text{OH} + \text{X}^-$$

(X: Cl, Br, I; X liên kết với nguyên tử carbon no)

Điều kiện: Đun nóng với dung dịch NaOH hoặc KOH trong nước.

Ví dụ:

$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Cl} + \text{NaOH} \xrightarrow{t^\circ} \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{NaCl}$$

2. Phản ứng tách hydrogen halide

Các dẫn xuất monohalogen của alkane có thể bị tách hydrogen halide tạo thành alkene:

Sơ đồ minh họa quy tắc Zaitsev

Điều kiện: Đun nóng dẫn xuất halogen với base mạnh (NaOH, KOH, RONa) trong dung môi alcohol.

Ví dụ:

$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{Br} \xrightarrow{\text{NaOH}/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}, t^\circ} \text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{HBr}$$

 Quy tắc Zaitsev (Zai-xép)

Trong phản ứng tách hydrogen halide, nguyên tử halogen bị tách ưu tiên cùng với nguyên tử hydrogen ở carbon bên cạnh có bậc cao hơn.

Ví dụ: Tách HBr từ 2-bromobutane

$$\text{CH}_3-\underset{\text{H}}{\text{C}}\text{H}_2-\underset{\text{Br}}{\text{C}}\text{H}-\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{NaOH}/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}, t^\circ} \begin{cases} \text{CH}_3\text{CH}=\text{CHCH}_3 \text{ (sản phẩm chính)} \\ \text{CH}_2=\text{CHCH}_2\text{CH}_3 \text{ (sản phẩm phụ)} \end{cases}$$

Giải thích:

  • Carbon số 1 ($\text{CH}_3$): bậc I (liên kết với 1C)
  • Carbon số 3 ($\text{CH}_2$): bậc II (liên kết với 2C)
  • Theo quy tắc Zaitsev: H tách từ C bậc cao hơn (C số 3) → sản phẩm chính là but-2-ene

V. Ứng dụng

Ứng dụng Mô tả
Sản xuất vật liệu polymer PVC từ vinyl chloride, Teflon từ tetrafluoroethylene
Sản xuất dược phẩm Nhiều loại thuốc chứa halogen
Tác nhân làm lạnh HFC, HFO thay thế CFC
Dung môi Dichloromethane, chloroform
Thuốc bảo vệ thực vật Thuốc trừ sâu, diệt cỏ
Chất kích thích sinh trưởng Trong nông nghiệp

Dẫn xuất halogen với sức khỏe và môi trường

CFC và tầng ozone:

  • CFC (chlorofluorocarbon) như $\text{CF}_2\text{Cl}_2$, $\text{CFCl}_3$ trước đây dùng làm chất làm lạnh
  • CFC gây hại đến tầng ozone → bị cấm sử dụng (Nghị định thư Montréal, 1987)
  • Hiện nay thay thế bằng HFC (hydrofluorocarbon), HFO (hydrofluoroolefin)
R32 chất làm lạnh đang được sử dụng phổ biến
R32 chất làm lạnh đang được sử dụng phổ biến

Thuốc bảo vệ thực vật:

  • DDT, 666 (hexachlorocyclohexane) đã bị cấm sử dụng do độc hại, khó phân hủy
  • Xu hướng hiện nay: nông nghiệp xanh, sử dụng thuốc bảo vệ thực vật có nguồn gốc sinh học

Phương pháp giải các dạng bài tập

Các công thức nền dùng xuyên suốt:

$$\text{Dẫn xuất monohalogen của alkane: } \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{X}{\;}, \qquad M = 14n + 1 + M_{\text{X}}$$

$$\text{R}-\text{X} + \text{NaOH} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O},{\;}t^\circ} \text{R}-\text{OH} + \text{NaX} \qquad\qquad \text{R}-\text{X} \xrightarrow{\text{NaOH}/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH},{\;}t^\circ} \text{alkene} + \text{HX}$$

Khối lượng mol cần nhớ: $M_{\text{F}} = 19$; $M_{\text{Cl}} = 35{,}5$; $M_{\text{Br}} = 80$; $M_{\text{I}} = 127$; $M_{\text{AgCl}} = 143{,}5$; $M_{\text{AgBr}} = 188$.

Dạng 1: Viết đồng phân, gọi tên và viết công thức cấu tạo từ tên gọi

Phương pháp giải

Ba việc dưới đây là ba chiều của cùng một kĩ năng, nên gộp chung thành một dạng.

Chiều 1 – Từ công thức phân tử, viết đồng phân và gọi tên

Bước 1. Viết các khung carbon của gốc hydrocarbon, theo thứ tự mạch chính giảm dần (mạch thẳng trước, rồi rút ngắn mạch chính và đem C ra làm nhánh).

Bước 2. Trên mỗi khung, di chuyển nguyên tử halogen qua từng vị trí. Dùng tính đối xứng để loại vị trí trùng.

Bước 3. Gọi tên theo danh pháp thay thế:

$$\text{Vị trí halogen} – \text{halogeno} + \text{tên hydrocarbon}$$

Quy tắc Nội dung
Đổi đuôi tên halogen fluorine $\to$ fluoro; chlorine $\to$ chloro; bromine $\to$ bromo; iodine $\to$ iodo
Chọn mạch chính Mạch carbon dài nhất có chứa nguyên tử halogen
Đánh số Từ phía gần nhóm thế hơn (halogen hoặc nhánh alkyl)
Có liên kết bội Ưu tiên đánh số từ phía gần liên kết bội trước
Vị trí duy nhất Không cần ghi số chỉ vị trí
Nhiều halogen giống nhau Thêm tiền tố di-, tri-, tetra- trước “halogeno”
Nhiều nhóm thế khác loại Xếp theo thứ tự bảng chữ cái (bromo trước chloro trước methyl)

Chiều 2 – Từ công thức cấu tạo, gọi tên: thực hiện Bước 3 ở trên.

Chiều 3 – Từ tên gọi, viết công thức cấu tạo

Bước 1. Đọc đuôi để biết mạch chính bao nhiêu C, vẽ mạch và đánh số. Bước 2. Đọc phần đầu để biết halogen gì, nhánh gì, ở vị trí nào; gắn vào đúng vị trí. Bước 3. Bổ sung nguyên tử H cho đủ hoá trị IV của mỗi C.

Bảng ví dụ danh pháp thay thế (Ảnh Sách KNTT)

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Viết các đồng phân cấu tạo của dẫn xuất halogen có công thức phân tử $\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}$ và gọi tên theo danh pháp thay thế.

Lời giải

Bước 1. Hai khung carbon của gốc $\text{C}_4\text{H}_9-$:

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

Bước 2. Đặt nguyên tử Cl vào từng vị trí

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

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Cl} \qquad \text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHCl}-\text{CH}_3$$

Khung B có 2 loại vị trí: carbon đầu nhánh và carbon ở giữa:

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

Bước 3. Gọi tên

Công thức cấu tạo Mạch chính Vị trí Cl Tên gọi
$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_2\text{Cl}$ butane C1 1-chlorobutane
$\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CHCl}-\text{CH}_3$ butane C2 2-chlorobutane
$(\text{CH}_3)_2\text{CH}-\text{CH}_2\text{Cl}$ propane C1, nhánh methyl ở C2 1-chloro-2-methylpropane
$(\text{CH}_3)_3\text{C}-\text{Cl}$ propane C2, nhánh methyl ở C2 2-chloro-2-methylpropane

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

Bài tập mẫu 2

Đề bài:

a) Gọi tên theo danh pháp thay thế: $\text{CH}_3\text{CHICH}_3$ và $\text{CH}_2=\text{CHCl}$.

b) Viết công thức cấu tạo của: trichloromethane và 2-chloro-3-methylbutane.

Lời giải

Câu a.

Với $\text{CH}_3-\text{CHI}-\text{CH}_3$: mạch chính 3 C là propane, nguyên tử I ở vị trí C2 (đánh số từ chiều nào cũng cho vị trí 2).

$$\text{Tên gọi: 2-iodopropane}$$

Với $\text{CH}_2=\text{CHCl}$: mạch chính 2 C có liên kết đôi nên tên hydrocarbon là ethene; nguyên tử Cl chỉ có một vị trí duy nhất nên không ghi số.

$$\text{Tên gọi: chloroethene (tên thông thường: vinyl chloride)}$$

Câu b.

Trichloromethane: đuôi “methane” cho biết mạch chính 1 C; tiền tố “trichloro” cho biết có 3 nguyên tử Cl. Carbon còn lại 1 hoá trị nên gắn 1 H:

$$\text{CHCl}_3 \quad \text{(tên thông thường: chloroform)}$$

2-chloro-3-methylbutane: đuôi “butane” cho mạch chính 4 C; Cl ở C2; nhánh methyl ở C3:

$$\overset{1}{\text{CH}_3}-\overset{2}{\text{CHCl}}-\overset{3}{\text{CH}}(\text{CH}_3)-\overset{4}{\text{CH}_3}$$

Lỗi hay gặp: đánh số ngược lại sẽ ra tên “3-chloro-2-methylbutane”. Phải so sánh bộ số vị trí của tất cả nhóm thế: $(2,3)$ nhỏ hơn $(2,3)$ ở vị trí đầu tiên khác nhau, ở đây so sánh vị trí của halogen trước vì “chloro” đứng trước “methyl” theo bảng chữ cái.

Dạng 2: Xác định sản phẩm phản ứng thế và phản ứng tách

Phương pháp giải

Bước 1. Đọc dung môi để biết phản ứng nào xảy ra. Đây là mấu chốt của cả dạng: cùng một chất, cùng một base, nhưng khác dung môi thì cho sản phẩm khác hẳn.

Điều kiện Loại phản ứng Sản phẩm
$\text{NaOH}$ (hoặc $\text{KOH}$) trong nước, $t^\circ$ Phản ứng thế Alcohol $\text{R}-\text{OH}$ và muối $\text{NaX}$
$\text{NaOH}$ (hoặc $\text{KOH}$) trong ethanol, $t^\circ$ Phản ứng tách Alkene và $\text{HX}$

Bước 2 (phản ứng thế). Thay nguyên tử halogen bằng nhóm $-\text{OH}$, giữ nguyên phần còn lại của phân tử:

$$\text{R}-\text{X} + \text{NaOH} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O},\,t^\circ} \text{R}-\text{OH} + \text{NaX}$$

Bước 3 (phản ứng tách). Nguyên tử halogen bị tách cùng với một nguyên tử H ở carbon bên cạnh.

  • Xác định các carbon liền kề carbon mang halogen, và bậc của từng carbon đó.
  • Áp dụng quy tắc Zaitsev: nguyên tử H bị tách ưu tiên ở carbon bên cạnh có bậc cao hơn, cho sản phẩm chính.

$$\text{Bậc của một carbon} = \text{số nguyên tử carbon khác liên kết trực tiếp với nó}$$

Bước 4. Đếm số sản phẩm. Mỗi carbon bên cạnh không tương đương nhau và có mang H sẽ cho một alkene khác nhau. Nếu các carbon bên cạnh đều tương đương thì chỉ có một sản phẩm duy nhất.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Benzyl alcohol có tác dụng kháng khuẩn, được dùng trong mĩ phẩm và dược phẩm, thu được khi thuỷ phân benzyl chloride trong môi trường kiềm. Viết phương trình hoá học và xác định công thức của benzyl alcohol.

Lời giải

Bước 1. Đề nói “thuỷ phân trong môi trường kiềm”, tức là $\text{NaOH}$ trong nước, đây là phản ứng thế.

Bước 2. Benzyl chloride có công thức $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_2\text{Cl}$. Thay nguyên tử Cl bằng nhóm $-\text{OH}$:

$$\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_2\text{Cl} + \text{NaOH} \xrightarrow{\text{H}_2\text{O},\,t^\circ} \text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_2\text{OH} + \text{NaCl}$$

Kết luận: Benzyl alcohol có công thức $\text{C}_6\text{H}_5-\text{CH}_2\text{OH}$.

Chú ý: nguyên tử halogen gắn trực tiếp vào vòng benzene (như trong $\text{C}_6\text{H}_5\text{Cl}$) thì rất khó bị thế ở điều kiện này. Chỉ halogen gắn với carbon no mới tham gia phản ứng thế theo phương trình trên.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Thực hiện phản ứng tách hydrogen bromide của 2-bromo-2-methylbutane bằng $\text{NaOH}$ trong ethanol, đun nóng. Viết công thức các alkene thu được và xác định sản phẩm chính.

Lời giải

Bước 1. Dung môi là ethanol nên đây là phản ứng tách.

Bước 2. Viết công thức cấu tạo và đánh số

$$\overset{1}{\text{CH}_3}-\overset{2}{\text{C}}(\text{Br})(\text{CH}_3)-\overset{3}{\text{CH}_2}-\overset{4}{\text{CH}_3}$$

Bước 3. Xét các carbon bên cạnh $\text{C}^{(2)}$ (carbon mang Br)

Carbon bên cạnh Bậc Có H không?
$\text{C}^{(1)}$, nhóm $\text{CH}_3$ I
Nhóm $\text{CH}_3$ ở nhánh I Có (tương đương $\text{C}^{(1)}$)
$\text{C}^{(3)}$, nhóm $\text{CH}_2$ II

Có 2 hướng tách khác nhau nên thu được 2 alkene.

Bước 4. Áp dụng quy tắc Zaitsev. Carbon bậc cao hơn là $\text{C}^{(3)}$ (bậc II), nên H tách từ đây cho sản phẩm chính:

$$\text{Sản phẩm chính: } \text{CH}_3-\text{C}(\text{CH}_3)=\text{CH}-\text{CH}_3 \quad \text{(2-methylbut-2-ene)}$$

$$\text{Sản phẩm phụ: } \text{CH}_2=\text{C}(\text{CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_3 \quad \text{(2-methylbut-1-ene)}$$

Phương trình:

$$\text{CH}_3\text{C}(\text{Br})(\text{CH}_3)\text{CH}_2\text{CH}_3 \xrightarrow{\text{NaOH}/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH},\,t^\circ} \text{CH}_3\text{C}(\text{CH}_3)=\text{CHCH}_3 + \text{HBr}$$

Kết luận: Thu được 2 alkene, sản phẩm chính là 2-methylbut-2-ene.

Dạng 3: Xác định công thức phân tử từ phần trăm khối lượng halogen

Phương pháp giải

Bước 1. Đặt công thức dẫn xuất halogen phù hợp với dữ kiện đề:

Loại Công thức Khối lượng mol
Dẫn xuất monohalogen của alkane $\text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{X}$ $M = 14n + 1 + M_{\text{X}}$
Sản phẩm cộng halogen vào alkene $\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{X}_2$ $M = 14n + 2M_{\text{X}}$

Bước 2. Lập phương trình theo phần trăm khối lượng halogen:

$$\%\text{X} = \frac{k \times M_{\text{X}}}{M_{\text{hợp chất}}} \times 100\%$$

với $k$ là số nguyên tử halogen trong phân tử.

Bước 3. Giải phương trình bậc nhất tìm $n$, rồi thay lại kiểm tra.

Chú ý đọc kĩ đề: phần trăm thường được tính trên sản phẩm, không phải trên chất ban đầu. Nếu đề nói “hydrocarbon X phản ứng với bromine cho sản phẩm chứa $a\%$ bromine” thì phải đặt công thức của sản phẩm rồi mới suy ngược ra X.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Một dẫn xuất monochloro của alkane có phần trăm khối lượng chlorine bằng $55{,}04\%$. Xác định công thức phân tử và viết các đồng phân cấu tạo của nó.

Lời giải

Bước 1. Đặt công thức là $\text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{Cl}$, khối lượng mol:

$$M = 12n + (2n + 1) + 35{,}5 = 14n + 36{,}5$$

Bước 2. Lập phương trình

$$\frac{35{,}5}{14n + 36{,}5} = 0{,}5504$$

$$14n + 36{,}5 = \frac{35{,}5}{0{,}5504} = 64{,}5$$

$$14n = 28 \Rightarrow n = 2$$

Bước 3. Kiểm tra. Với $n = 2$: $M = 64{,}5$; $\%\text{Cl} = \dfrac{35{,}5}{64{,}5}\times 100\% = 55{,}04\%$ ✓

Công thức phân tử là $\text{C}_2\text{H}_5\text{Cl}$, chỉ có 1 đồng phân cấu tạo:

$$\text{CH}_3-\text{CH}_2\text{Cl} \quad \text{(chloroethane)}$$

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Cho $0{,}05$ mol hydrocarbon mạch hở X làm mất màu vừa đủ dung dịch chứa $8$ gam bromine, thu được sản phẩm có hàm lượng bromine đạt $69{,}56\%$. Xác định công thức phân tử của X.

Lời giải

Bước 1. Xác định số liên kết $\pi$ của X

$$n_{\text{Br}_2} = \frac{8}{160} = 0{,}05\,\text{mol}$$

Tỉ lệ $n_{\text{X}} : n_{\text{Br}_2} = 0{,}05 : 0{,}05 = 1 : 1$, nên mỗi phân tử X cộng đúng 1 phân tử $\text{Br}_2$. Vậy X có 1 liên kết đôi $\text{C}=\text{C}$, tức X là alkene $\text{C}_n\text{H}_{2n}$.

Bước 2. Đặt công thức sản phẩm. Sản phẩm cộng là $\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{Br}_2$:

$$M = 14n + 2\times 80 = 14n + 160$$

Bước 3. Lập phương trình theo phần trăm bromine trong sản phẩm

$$\frac{160}{14n + 160} = 0{,}6956$$

$$14n + 160 = \frac{160}{0{,}6956} = 230$$

$$14n = 70 \Rightarrow n = 5$$

Kiểm tra: Sản phẩm là $\text{C}_5\text{H}_{10}\text{Br}_2$ có $M = 230$; $\%\text{Br} = \dfrac{160}{230}\times 100\% = 69{,}56\%$ ✓

Kết luận: X là $\text{C}_5\text{H}_{10}$.

Dạng 4: Bài toán tính theo phương trình phản ứng thế và phản ứng tách

Phương pháp giải

Bước 1. Xác định loại phản ứng theo dung môi (như Dạng 2), rồi viết phương trình.

Bước 2. Ghi nhớ các tỉ lệ mol chính:

Sơ đồ Tỉ lệ mol
$\text{R}-\text{X} \to \text{R}-\text{OH} + \text{NaX}$ $n_{\text{R}-\text{X}} = n_{\text{NaX}} = n_{\text{X}^-}$
$\text{X}^- + \text{Ag}^+ \to \text{AgX}\downarrow$ $n_{\text{AgX}} = n_{\text{X}^-} = n_{\text{R}-\text{X}}$
$\text{R}-\text{X} \to \text{alkene} + \text{HX}$ $n_{\text{alkene}} = n_{\text{R}-\text{X}}$ (nếu hiệu suất $100\%$)
$\text{alkene} + \text{Br}_2 \to$ sản phẩm cộng $n_{\text{Br}_2} = n_{\text{alkene}}$

Bước 3. Xử lí hiệu suất. Khi đề cho hiệu suất $H$:

$$n_{\text{sản phẩm thực tế}} = n_{\text{sản phẩm lí thuyết}} \times H$$

Bước 4. Tính khối lượng mol để suy ra công thức:

$$M = \frac{m}{n} \qquad \text{với dẫn xuất monochloro: } 14n + 36{,}5 = M$$

Vì sao dùng $\text{AgNO}_3$? Sau phản ứng thế, nguyên tử halogen chuyển thành ion halide trong dung dịch. Ion này tạo kết tủa với $\text{Ag}^+$ ($\text{AgCl}$ trắng, $\text{AgBr}$ vàng nhạt), nhờ đó cân được khối lượng và suy ra số mol halogen. Đây là kiến thức nhận biết ion halide đã học ở phần nhóm halogen.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Đun nóng $13{,}875$ gam một alkyl chloride Y với dung dịch $\text{NaOH}$ dư. Acid hoá dung dịch thu được bằng $\text{HNO}_3$ rồi thêm dung dịch $\text{AgNO}_3$, thấy tạo thành $21{,}525$ gam kết tủa. Xác định công thức phân tử của Y.

Lời giải

Bước 1. Viết sơ đồ phản ứng

$$\text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{Cl} + \text{NaOH} \xrightarrow{t^\circ} \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{OH} + \text{NaCl}$$

$$\text{NaCl} + \text{AgNO}_3 \longrightarrow \text{AgCl}\downarrow + \text{NaNO}_3$$

Bước 2. Tính số mol kết tủa

Kết tủa là $\text{AgCl}$ với $M = 143{,}5$:

$$n_{\text{AgCl}} = \frac{21{,}525}{143{,}5} = 0{,}15\,\text{mol}$$

Bước 3. Suy ra số mol Y. Theo hai phương trình trên, tỉ lệ mol là $1 : 1 : 1$:

$$n_{\text{Y}} = n_{\text{NaCl}} = n_{\text{AgCl}} = 0{,}15\,\text{mol}$$

Bước 4. Tìm công thức

$$M_{\text{Y}} = \frac{13{,}875}{0{,}15} = 92{,}5$$

$$14n + 36{,}5 = 92{,}5 \Rightarrow 14n = 56 \Rightarrow n = 4$$

Kết luận: Y là $\text{C}_4\text{H}_9\text{Cl}$.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Đun sôi $15{,}7$ gam $\text{C}_3\text{H}_7\text{Cl}$ với dung dịch $\text{KOH}$ trong $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ dư. Khí sinh ra được dẫn qua dung dịch bromine dư. Tính khối lượng $\text{Br}_2$ đã phản ứng, biết hiệu suất phản ứng tách là $80\%$.

Lời giải

Bước 1. Xác định loại phản ứng. Dung môi là ethanol nên xảy ra phản ứng tách, sinh ra propene:

$$\text{C}_3\text{H}_7\text{Cl} \xrightarrow{\text{KOH}/\text{C}_2\text{H}_5\text{OH},\,t^\circ} \text{C}_3\text{H}_6 + \text{HCl}$$

Bước 2. Số mol dẫn xuất halogen. Với $M_{\text{C}_3\text{H}_7\text{Cl}} = 14\times 3 + 36{,}5 = 78{,}5$:

$$n = \frac{15{,}7}{78{,}5} = 0{,}2\,\text{mol}$$

Bước 3. Số mol propene thực tế thu được (hiệu suất $80\%$)

$$n_{\text{C}_3\text{H}_6} = 0{,}2 \times 0{,}8 = 0{,}16\,\text{mol}$$

Bước 4. Số mol và khối lượng bromine. Propene có 1 liên kết đôi nên cộng $\text{Br}_2$ theo tỉ lệ $1:1$:

$$\text{C}_3\text{H}_6 + \text{Br}_2 \longrightarrow \text{C}_3\text{H}_6\text{Br}_2$$

$$n_{\text{Br}_2} = 0{,}16{\;}\text{mol} \Rightarrow m_{\text{Br}_2} = 0{,}16 \times 160 = 25{,}6{\;}\text{gam}$$

Kết luận: Khối lượng $\text{Br}_2$ đã phản ứng là $25{,}6$ gam.

Chú ý vị trí nhân hiệu suất: hiệu suất chỉ áp dụng cho phản ứng tách. Phản ứng của propene với dung dịch bromine dư xảy ra hoàn toàn nên không nhân hiệu suất lần thứ hai.

Bảng tra nhanh

Đề cho Cần tìm Cách làm Dạng
Công thức phân tử Số đồng phân, tên gọi Viết khung C, di chuyển halogen, gọi tên 1
Tên gọi Công thức cấu tạo Đọc đuôi ra mạch chính, đọc đầu ra halogen và nhánh 1
$\text{R}-\text{X}$ + $\text{NaOH}$/nước Sản phẩm Phản ứng thế, tạo alcohol $\text{R}-\text{OH}$ 2
$\text{R}-\text{X}$ + $\text{NaOH}$/ethanol Sản phẩm chính Phản ứng tách, Zaitsev: H tách ở carbon bậc cao hơn 2
$\%\text{X}$ trong dẫn xuất monohalogen Công thức phân tử $\dfrac{M_{\text{X}}}{14n + 1 + M_{\text{X}}}$ 3
$\%\text{Br}$ trong sản phẩm cộng Công thức alkene $\dfrac{160}{14n + 160}$ 3
Khối lượng $\text{R}-\text{X}$ và khối lượng $\text{AgX}$ Công thức phân tử $n_{\text{R}-\text{X}} = n_{\text{AgX}}$, rồi $M = \dfrac{m}{n}$ 4
Khối lượng $\text{R}-\text{X}$ và hiệu suất tách Lượng alkene, lượng $\text{Br}_2$ $n_{\text{alkene}} = n_{\text{R}-\text{X}} \times H$; $n_{\text{Br}_2} = n_{\text{alkene}}$ 4
ThS. Lê Thị Mai Nhi

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