Bài học

Ôn tập: nhận biết và bài toán tổng hợp alcohol – phenol

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống hoá được toàn bộ phản ứng đặc trưng của alcohol và phenol đã học trong khoá, thiết kế được sơ đồ nhận biết nhiều chất hữu cơ trong cùng một bộ mẫu, và giải được bài toán tổng hợp nhiều bước kết hợp oxi hoá và ester hoá.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài ôn tập này dùng lại toàn bộ nội dung của bốn chương trước: cấu tạo và danh pháp alcohol (Chương 1), tính chất vật lí và các phản ứng đặc trưng — kim loại kiềm, ester hoá, tách nước, oxi hoá theo bậc (Chương 2), điều chế và ứng dụng alcohol (Chương 3), và phenol — cấu tạo, tính acid, ứng dụng (Chương 4). Mục tiêu là luyện kỹ năng kết hợp nhiều kiến thức trong cùng một bài toán, đúng như cấu trúc đề kiểm tra học kỳ thực tế.

Khởi động

Một đề kiểm tra học kỳ hiếm khi hỏi riêng lẻ từng phản ứng — thường một câu hỏi sẽ nối liền nhiều bước: từ alcohol, qua oxi hoá, đến ester hoá, có khi kèm cả câu hỏi nhận biết. Muốn làm tốt dạng bài này, em cần nhìn ra được sơ đồ chuyển hoá ẩn phía sau đề bài, chứ không chỉ áp dụng một công thức đơn lẻ.

Kiến thức trọng tâm

Khi gặp một bài toán tổng hợp nhiều bước, cách tiếp cận hiệu quả là vẽ sơ đồ chuyển hoá trước khi tính toán: xác định chất đầu, viết tuần tự các mũi tên phản ứng theo đúng thứ tự đề bài mô tả, ghi rõ điều kiện mỗi bước (xúc tác, nhiệt độ) — sau đó mới bắt đầu đặt số mol và tính toán. Cách làm này giúp không bỏ sót bước nào và không nhầm chất trung gian.

Ôn lại bậc thang oxi hoá của alcohol bậc 1: alcohol bậc 1 → (CuO, t°) → aldehyde → (oxi hoá tiếp bằng tác nhân mạnh) → carboxylic acid. Đây là chuỗi ba bước hay xuất hiện trong đề tổng hợp, nối liền nội dung Chương 2 của khoá này với Course 9 sắp học.

Ôn lại sơ đồ nhận biết: khi đề bài cho nhiều chất lỏng không nhãn, hãy liệt kê phản ứng đặc trưng của từng chất trước (Na cho mọi hợp chất có –OH; NaOH và nước bromine chỉ phenol mới phản ứng đủ cả hai; nước bromine làm mất màu ngay cả với alkene do phản ứng cộng, khác cơ chế thế của phenol), sau đó chọn ra thuốc thử nào tách được nhiều chất nhất trong một lần thử, trước khi thêm bước phụ nếu cần.

Đối với bài toán hiệu suất và chất hết trước (chất phản ứng hết trước khi chất kia dùng hết): trước khi tính theo phương trình, luôn kiểm tra tỉ lệ mol thực tế của các chất so với tỉ lệ trong PTHH để xác định đúng chất nào là chất giới hạn lượng sản phẩm — tính sai bước này sẽ làm sai toàn bộ kết quả phía sau, dù các bước tính sau đó không có lỗi số học nào.

Khi gặp một bài toán tổng hợp nhiều bước, cách tiếp cận hiệu quả là **vẽ sơ đồ chuyển hoá** trước khi tính toán: xác định chất đầu, viết tuần tự các mũi tên phản ứng theo đúng thứ tự đề bài mô tả, ghi rõ điều kiện mỗi bước (xúc tác, nhiệt độ) — sau đó mới bắt đầu đặt số mol và tính toán. Cách làm này giúp không bỏ sót bước nào và không nhầm chất trung gian. Ôn lại **bậc thang oxi hoá** của alcohol bậc 1: alcohol bậc 1 → (CuO, t°) → aldehyde → (oxi hoá tiếp bằng tác nhân mạnh) → carboxylic acid. Đây là chuỗi ba bước hay xuất hiện trong đề tổng hợp, nối liền nội dung Chương 2 của khoá này với Course 9 sắp học. Ôn lại **sơ đồ nhận biết**: khi đề bài cho nhiều chất lỏng không nhãn, hãy liệt kê phản ứng đặc trưng của từng chất trước (Na cho mọi hợp chất có –OH; NaOH và nước bromine chỉ phenol mới phản ứng đủ cả hai; nước bromine làm mất màu ngay cả với alkene do phản ứng cộng, khác cơ chế thế của phenol), sau đó chọn ra thuốc thử nào tách được nhiều chất nhất trong **một** lần thử, trước khi thêm bước phụ nếu cần. Đối với **bài toán hiệu suất và chất hết trước** (chất phản ứng hết trước khi chất kia dùng hết): trước khi tính theo phương trình, luôn kiểm tra tỉ lệ mol thực tế của các chất so với tỉ lệ trong PTHH để xác định đúng chất nào là chất giới hạn lượng sản phẩm — tính sai bước này sẽ làm sai toàn bộ kết quả phía sau, dù các bước tính sau đó không có lỗi số học nào.

Số mol H2 sinh ra khi 1 mol alcohol phản ứng hết với Na dư, theo số nhóm –OH.

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ

Bài toán tổng hợp chuỗi chuyển hoá alcohol — aldehyde — acid — ester

1
Alcohol X (bậc 1, mạch hở, không nhánh, 2 carbon) bị oxi hoá bởi CuO tạo aldehyde Y. Y tiếp tục bị oxi hoá bởi một tác nhân mạnh hơn tạo carboxylic acid Z. Z phản ứng ester hoá với chính X tạo ester T. Xác định công thức cấu tạo, gọi tên X, Y, Z, T và viết đầy đủ các PTHH.
2
X là alcohol bậc 1, mạch hở, 2 carbon, không nhánh: X là CH $_3$ CH $_2$ OH (ethanol).
X là alcohol bậc 1, mạch hở, 2 carbon, không nhánh: X là CH$_3$CH$_2$OH (ethanol).
3
PTHH: CH $_3$ CH $_2$ OH + CuO $\xrightarrow{t°}$ CH $_3$ CHO + Cu + H $_2$ O. Vậy Y là CH $_3$ CHO (acetaldehyde/ethanal).
PTHH: CH$_3$CH$_2$OH + CuO $\xrightarrow{t°}$ CH$_3$CHO + Cu + H$_2$O. Vậy Y là CH$_3$CHO (acetaldehyde/ethanal).
4
Aldehyde Y tiếp tục bị oxi hoá thành carboxylic acid tương ứng: Z là CH $_3$ COOH (acetic acid).
Aldehyde Y tiếp tục bị oxi hoá thành carboxylic acid tương ứng: Z là CH$_3$COOH (acetic acid).
5
PTHH: CH $_3$ COOH + C $_2$ H $_5$ OH $\underset{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t°}{\rightleftharpoons}$ CH $_3$ COOC $_2$ H $_5$ + H $_2$ O. Vậy T là CH $_3$ COOC $_2$ H $_5$ (ethyl acetate), đúng như đề bài yêu cầu — Z ester hoá với chính X.
PTHH: CH$_3$COOH + C$_2$H$_5$OH $\underset{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}, t°}{\rightleftharpoons}$ CH$_3$COOC$_2$H$_5$ + H$_2$O. Vậy T là CH$_3$COOC$_2$H$_5$ (ethyl acetate), đúng như đề bài yêu cầu — Z ester hoá với chính X.

Ví dụ

Sơ đồ nhận biết ba chất lỏng bằng một thuốc thử

1
Có ba chất lỏng không màu, không nhãn: ethanol, dung dịch phenol, hex-1-ene (một alkene). Trình bày sơ đồ nhận biết bằng thí nghiệm hoá học, dùng ít thuốc thử nhất có thể.
2
Nhỏ nước bromine lần lượt vào ba mẫu thử và quan sát.
3
Với hex-1-ene: nước bromine bị mất màu (phản ứng cộng vào liên kết đôi), dung dịch trong suốt trở lại, không có kết tủa. Với dung dịch phenol: xuất hiện kết tủa trắng (phản ứng thế vào vòng), màu nước bromine cũng nhạt đi. Với ethanol: không có hiện tượng gì, màu nước bromine giữ nguyên.
4
Chỉ với một thuốc thử duy nhất — nước bromine — ba hiện tượng khác nhau (mất màu không kết tủa / kết tủa trắng / không đổi) đã đủ nhận biết cả ba chất, vì cơ chế phản ứng của alkene (phản ứng cộng) và phenol (phản ứng thế) với Br $_2$ khác nhau rõ rệt.
Chỉ với một thuốc thử duy nhất — nước bromine — ba hiện tượng khác nhau (mất màu không kết tủa / kết tủa trắng / không đổi) đã đủ nhận biết cả ba chất, vì cơ chế phản ứng của alkene (phản ứng cộng) và phenol (phản ứng thế) với Br$_2$ khác nhau rõ rệt.

Ví dụ

Đề bài dạng thi — bài toán ester hoá có hiệu suất và chất giới hạn

1
Đun nóng hỗn hợp gồm 9,2 gam ethanol và 12 gam acetic acid với xúc tác H $_2$ SO $_4$ đặc, hiệu suất phản ứng ester hoá đạt 60% (tính theo ethanol). Tính khối lượng ethyl acetate thu được.
Đun nóng hỗn hợp gồm 9,2 gam ethanol và 12 gam acetic acid với xúc tác H$_2$SO$_4$ đặc, hiệu suất phản ứng ester hoá đạt 60% (tính theo ethanol). Tính khối lượng ethyl acetate thu được.
2
n(ethanol) = 9,2 / 46 = 0,2 mol. n(acetic acid) = 12 / 60 = 0,2 mol.
3
PTHH có tỉ lệ mol 1:1 giữa ethanol và acetic acid. Vì n(ethanol) = n(acetic acid) = 0,2 mol, hai chất phản ứng vừa đủ, không có chất nào dư — dùng ethanol làm chất tính hiệu suất theo đúng đề bài là hợp lý.
4
n(ester) lí thuyết = 0,2 mol (theo tỉ lệ 1:1). Vì hiệu suất chỉ đạt 60%: n(ester) thực tế = 0,2 × 0,6 = 0,12 mol.
5
M(CH $_3$ COOC $_2$ H $_5$ ) = 88 g/mol. m(ester) = 0,12 × 88 = 10,56 gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là 10,56 gam.
M(CH$_3$COOC$_2$H$_5$) = 88 g/mol. m(ester) = 0,12 × 88 = 10,56 gam. Vậy khối lượng ethyl acetate thu được là **10,56 gam**.

Sai lầm thường gặp

Trong bài toán tổng hợp nhiều bước, nhiều em quên kiểm tra chất nào phản ứng hết trước (chất giới hạn) khi tỉ lệ mol các chất không trùng khớp với tỉ lệ trong PTHH, dẫn đến tính sai lượng sản phẩm ngay từ bước đầu. Cũng cần nhớ luôn nhân với hiệu suất SAU KHI đã xác định đúng lượng lí thuyết theo chất giới hạn, không nhân hiệu suất trước rồi mới so sánh tỉ lệ — thứ tự các bước tính rất quan trọng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bài toán tổng hợp nhiều bước cần vẽ sơ đồ chuyển hoá trước khi tính; bậc thang oxi hoá alcohol bậc 1 → aldehyde → acid xuyên suốt các chương. Sơ đồ nhận biết ưu tiên thuốc thử tách được nhiều chất nhất trong một lần thử — nước bromine phân biệt alkene (mất màu) và phenol (kết tủa) qua hai cơ chế khác nhau. Luôn xác định chất giới hạn trước khi áp dụng hiệu suất.

Cầu nối

Khoá học Alcohol và Phenol khép lại ở đây. Course 9 sẽ tiếp nối trực tiếp bằng aldehyde, ketone và carboxylic acid — chính là các sản phẩm oxi hoá của alcohol mà em vừa học cách dự đoán trong chương này.