Hydrocarbon không no SVIP

I. Khái niệm về alkene và alkyne

1. Khái niệm về alkene, alkyne

Alkene là các hydrocarbon không no, mạch hở, có chứa liên kết đơn và một liên kết đôi C\(=\)C trong phân tử. Công thức chung là C_nH_2n (n ≥ 2).

Ví dụ 1: C₂H₄, C₃H₆, C₄H₈,...

Alkyne là các hydrocarbon không no, mạch hở, có chứa một liên kết ba C\(\equiv\)C trong phân tử. Công thức chung là C_nH_2n-2 (n ≥ 2).

Ví dụ 2: C₂H₂, C₃H₄, C₄H₆,...

2. Đặc điểm liên kết, hình dạng phân tử của ethylene và acetylene

Trong phân tử ethylene, 2 nguyên tử carbon chứa liên kết đôi cùng 4 nguyên tử hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng, các góc HCH và HCC gần bằng 120^o.

Trong phân tử acetylene, 2 nguyên tử carbon chứa liên kết ba cùng 2 nguyên tử hydrogen đều nằm trên cùng một đường thẳng.

II. Danh pháp alkene và alkyne

Tên theo danh pháp thay thế của alkene hoặc alkyne không phân nhánh:

- Đối với alkene: Tên tiền tố ứng với số nguyên tử carbon trong phân tử - Số chỉ vị trí liên kết bội (nếu C ≥ 4) - ene.

- Đối vói alkyne: Tên tiền tố ứng với số nguyên tử carbon trong phân tử - Số chỉ vị trí liên kết bội (nếu C ≥ 4) - yne.

Ví dụ 3: 

Tên theo danh pháp thay thế của alkene hoặc alkyne phân nhánh:

- Đối với alkene: Số chỉ vị trí nhánh - Tên nhánh + Tên tiền tố ứng với số nguyên tử carbon trong phân tử - Số chỉ vị trí liên kết bội (nếu C ≥ 4) - ene.

- Đối vói alkyne: Số chỉ vị trí nhánh - Tên nhánh + Tên tiền tố ứng với số nguyên tử carbon trong phân tử - Số chỉ vị trí liên kết bội (nếu C ≥ 4) - yne.

Ví dụ 4: 

III. Đồng phân hình học

Do sự có mặt của liên kết π, các nguyên tử carbon trong liên kết đôi C=C không thể quay tự do, dẫn đến đồng phân cis-, trans- ở một số hợp chất.

Với các phân tử alkane có 4 nguyên tử carbon trở lên, nếu mỗi nguyên tử carbon của liên kết đôi liên kết với hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau sẽ có hai cách phân bố trong không gian.

- 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 5:

IV. Tính chất vật lí

Ở nhiệt độ thường, phần lớn các alkene và alkyne từ C₂ đến C₄ ở trạng thái khí, từ C₅ đến C₁₇ ở trạng thái lỏng và từ C₁₈ trở lên ở trạng thái rắn.

Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng của alkene, alkyne nói chung tăng dần theo chiều tăng số nguyên tử carbon trong phân tử.

Các alkene và alkyne đều không tan hoặc rất ít tan trong nước, tan trong một số dung môi hữu cơ.

V. Tính chất hóa học

1. Phản ứng cộng

a) Cộng hydrogen

- Hydrogen hóa alkene và alkyne thu được alkene 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 6:

\(CH_2=CH_2+H_2\overset{Ni,200^oC}{\rightarrow}CH_3-CH_3\)

Phản ứng của alkyne xảy ra qua 2 giai đoạn. Nếu dùng xúc tác Lindlar phản ứng dừng lại ở giai đoạn tạo alkene.

Ví dụ 7: 

\(CH\equiv CH+H_2\overset{Lindlar,t^o}{\rightarrow}CH_2=CH_2\)

b) Phản ứng cộng halogen

Thí nghiệm 1: Điều chế và thử tính chất của ethylene

Bước 1: Thêm 10 mL cồn 90^o vào bình cầu chứa 5 mL dung dịch H₂SO₄ đậm đặc và một ít đá bọt, lắc đều.

Bước 2: Chuẩn bị ống nghiệm chứa khoảng 2 mL nước bromine.

Bước 3: Lắp dụng cụ thí nghiệm như hình dưới đây.

Bước 4: Đun nóng bình cầu và quan sát.

Thí nghiệm 2: Điều chế và thử tính chất của acetylene

Bước 1: Cho một lượng nhỏ calcium carbide vào bình cầu có nhánh, nút bình cầu bằng nút cao su có gắn ống hút nhỏ giọt chứa sẵn khoảng 2 mL nước.

Bước 2: Lắp dụng cụ như hình sau đây.

Bước 3: Nhỏ từ từ nước xuống đất đèn, quan sát màu của nước bromine.

Alkene hoặc alkyne có khả năng làm mất màu dung dịch bromine ở điều kiện thường.

Ví dụ 8:

\(CH_2=CH_2+Br_2\rightarrow CH_2Br-CH_2Br\)

\(CH\equiv CH+2Br_2\rightarrow CHBr_2-CHBr_2\)

c) Phản ứng cộng halide

Alkene dễ phản ứng với hydrogen halide hơn so với alkyne.

Ví dụ 9:

\(CH_2=CH_2+HBr\rightarrow CH_3-CH_2-Br\)

Alkene hoặc alkyne không đối xứng tác dụng với hydrogen halide tạo thành hỗn hợp sản phẩm, trong đó sản phẩm chính tuân theo quy tắc Markovnikov:

"Nguyên tử hydrogen ưu tiên cộng vào nguyên tử carbon chưa no có nhiều hydrogen hơn, còn nguyên tử X ưu tiên cộng vào nguyên tử carbon chưa no có ít hydrogen hơn".

Ví dụ 10:

\(CH_2=CH-CH_3+HBr\rightarrow CH_3-CHBr-CH_3\left(SPC\right)+CH_2Br-CH_2-CH_3\left(SPP\right)\)

\(CH\equiv C-CH_3+HBr\overset{Hg^{2+}}{\rightarrow}CH_2=CBr-CH_3\left(SPC\right)+CHBr=CH-CH_3\left(SPP\right)\)

d) Cộng nước (hydrate hóa)

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

Ví dụ 11: 

\(CH_2=CH_2+HOH\overset{H_3PO_4,t^o}{\rightarrow}CH_3-CH_2-OH\)

Phản ứng của alkyne với nước xảy ra khó hơn, cần có mặt xúc tác là muối Hg(II) trong H₂SO₄, tạo thành aldehyde hoặc ketone.

Ví dụ 12:

\(CH\equiv CH+HOH\overset{HgSO_4,H^+,t^o}{\rightarrow}\left[CH_2=CH-OH\right]\rightarrow CH_3CHO\)

Nếu alkene hoặc alkyne không đối xứng, phản ứng tạo thành hỗn hợp sản phẩm, trong đó sản phẩm chính tuân theo quy tắc Markovnikov.

2. Phản ứng trùng hợp

Dưới điều kiện phù hợp, các alkene có thể tham gia phản ứng cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử giống nhau hoặc tương tự nhau (gọi là monomer) tạo thành phân tử có phân tử khối lớn (gọi là polymer).

Ví dụ 13: Phản ứng trùng hợp ethylene và propylene tạo thành polyethylene (PE) và polypropylene (PP).

3. Phản ứng oxi hóa

Thí nghiệm 3: Oxi hóa ethylene

Bước 1: Thêm 10 mL cồn 90^o vào bình cầu chứa 15 mL dung dịch H₂SO₄ đậm đặc và một ít đá bọt, lắc đều.

Bước 2: Chuẩn bị ống nghiệm có chứa 2 mL dung dịch KMnO₄ 0,01 M.

Bước 3: Lắp dụng cụ thí nghiệm như trong hình.

Bước 4: Đun nóng đều bình cầu và quan sát màu của dung dịch KMnO₄.

Bước 5: Thay ống thủy tinh chữ L bằng ống thủy tinh vuốt nhọn. Châm lửa đốt khí thoát ra ở đầu ống.

Thí nghiệm 4: Oxi hóa acetylene

Bước 1: Cho một lượng nhỏ đất đèn vào bình cầu có nhánh. Nút bình cầu cao su có gắn ống hút nhỏ giọt chứa sẵn khoảng 2 mL nước.

Bước 2: Lắp dụng cụ thí nghiệm như trong hình. Ống thủy tinh uốn cong được dẫn vào ống nghiệm chứa khoảng 3 mL dung dịch KMnO₄.

Bước 3: Nhỏ từ từ nước xuống đất đèn.

Bước 4: Châm lửa đốt khí thoát ra ở đầu ống.

Các alkene và alkyne có khả năng làm mất màu dung dịch thuốc tím.

\(3C_2H_4+2KMnO_4+4H_2O\rightarrow3C_2H_4\left(OH\right)_2+2KOH+2MnO_2\)

\(3C_2H_2+8KMnO_4\rightarrow3KOOC-COOK+2KOH+8MnO_2+2H_2O\)

Alkene và alkyne đều dễ cháy khi có mặt oxygen, phản ứng tỏa nhiều nhiệt.

4. Phản ứng của alk-1-yne

Các alk-1-yne có liên kết ba ở đầu mạch có khả năng tham gia phản ứng với dung dịch AgNO₃ trong NH₃ tạo thành kết tủa.

Ví dụ 14: Dẫn khí acetylene vào dung dịch AgNO₃/NH₃ thu được kết tủa vàng nhạt.

\(HC\equiv CH+2\left[Ag\left(NH_3\right)_2\right]OH\rightarrow AgC\equiv CAg\downarrow+4NH_3+2H_2O\)

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

VI. Ứng dụng và cách điều chế alkene, alkyne

1. Ứng dụng của alkene, alkyne

Alkene được sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp các chất hữu cơ khác nhau trong đời sống như polyethylene (PE), polypropylene (PP), ethylene glycol,...

Acetylene được sử dụng làm nhiên liệu trong hàn, cắt kim loại. Alkyne cũng là nguyên liệu tổng hợp nên các chất hữu cơ khác nhau như polyesster, polyurethane, cao su neoprene,...

2. Phương pháp điều chế alkene và alkyne

Trong phòng thí nghiệm, alkene được điều chế từ phản ứng dehyrate ethanol no, đơn chức, mạch hở tương ứng.

Ví dụ 15:

\(C_2H_5OH\overset{H_2SO_4đặc,170^oC}{\rightarrow}C_2H_4+H_2O\)

Acetylene được điều chế từ phản ứng cho đất đèn tác dụng với nước.

\(CaC_2+H_2O\rightarrow C_2H_2+Ca\left(OH\right)_2\)

Trong công nghiệp, alkene C₂ – C₄ được điều chế từ quá trình cracking alkane.

Ví dụ 16: 

\(C_{15}H_{32}\overset{zeolite,500^oC}{\rightarrow}2C_2H_4+C_3H_6+C_8H_{18}\)

Acetylene được điều chế trong công nghiệp từ CaC₂ hoặc CH₄.

1.  Alkene là những hydrocrbon mạch hở, chỉ chứa các liên kết đơn và một liên kết đôi C=C trong phân tử, có công thức chung C_nH_2n (n ≥ 2).

2. Alkyne là những hydrocrbon mạch hở, chỉ chứa các liên kết đơn và một liên kết ba \(C\equiv C\) trong phân tử, có công thức chung CnH2n-2 (n ≥ 2).

3. Phân tử alkene và alkyne chứa liên kết \(\pi\) kém bền hơn liên kết \(\sigma\).

4. Alkene và alkyne có các đồng phân cấu tạo (đồng phân vị trí liên kết bội, alkene từ C₄ và alkyne từ C₅ có đồng phân mạch carbon); alkene từ C₄ có thể có đồng phân hình học.

4. Alkene, alkyne có thể tham gia phản ứng cộng, phản ứng oxi hoá; alk – 1 – yne có thể tham gia phản ứng với dung dịch AgNO₃/NH₃.

6. Phản ứng trùng hợp alkene.

7. Phương pháp điều chế ethylene, acetylene.

8. Alkene, alkyne được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các hoá chất và vật liệu có ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.