Bài học

Phản ứng tách nước và phản ứng oxi hoá alcohol

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được PTHH phản ứng tách nước tạo alkene và phản ứng oxi hoá alcohol bậc 1, bậc 2 bằng CuO đun nóng, dự đoán được sản phẩm oxi hoá dựa vào bậc của alcohol, và giải thích được vì sao alcohol bậc 3 không bị oxi hoá theo cách này.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 7 (Dẫn xuất halogen), em đã học phản ứng tách HX từ dẫn xuất halogen bằng KOH trong ethanol, đun nóng, tạo alkene: CH $_3$ –CH $_2$ –Cl + KOH (ethanol, t°) $\rightarrow$ CH $_2$ =CH $_2$ + KCl + H $_2$ O. Phản ứng tách nước của alcohol dưới đây có cùng bản chất — loại bỏ nhóm –OH cùng một nguyên tử H ở carbon liền kề để tạo liên kết đôi — chỉ khác tác nhân và điều kiện phản ứng. Bài trước cũng đã dạy em cách xác định bậc alcohol; bài này dùng ngay kết quả đó để dự đoán sản phẩm oxi hoá.

Ở Course 7 (Dẫn xuất halogen), em đã học phản ứng tách HX từ dẫn xuất halogen bằng KOH trong ethanol, đun nóng, tạo alkene: CH$_3$–CH$_2$–Cl + KOH (ethanol, t°) $\rightarrow$ CH$_2$=CH$_2$ + KCl + H$_2$O. Phản ứng tách nước của alcohol dưới đây có cùng bản chất — loại bỏ nhóm –OH cùng một nguyên tử H ở carbon liền kề để tạo liên kết đôi — chỉ khác tác nhân và điều kiện phản ứng. Bài trước cũng đã dạy em cách xác định bậc alcohol; bài này dùng ngay kết quả đó để dự đoán sản phẩm oxi hoá.

Khởi động

Hơi thở của người say rượu có mùi đặc trưng không chỉ vì hơi ethanol bay ra, mà một phần vì gan đã oxi hoá một phần ethanol thành acetaldehyde — chất có mùi hắc hơn nhiều. Phản ứng oxi hoá alcohol trong cơ thể và trong phòng thí nghiệm có chung một quy luật: quy luật đó phụ thuộc vào điều gì trong cấu tạo alcohol?

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng tách nước (dehydration) xảy ra khi đun alcohol với H $_2$ SO $_4$ đặc ở khoảng 170°C: nhóm –OH tách ra cùng một nguyên tử H ở carbon bên cạnh, tạo thành alkene và nước: $\text{R–CH}_2\text{–CH}_2\text{–OH} \xrightarrow[170°C]{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}} \text{R–CH=CH}_2 + \text{H}_2\text{O}$

Phản ứng oxi hoá dùng CuO đun nóng làm tác nhân oxi hoá phổ biến ở mức phổ thông — kết quả phụ thuộc trực tiếp vào bậc của alcohol, vì phản ứng cần tách đúng một nguyên tử H gắn trên chính carbon mang –OH:

Alcohol bậc 1 (carbon mang –OH còn 2 nguyên tử H) bị oxi hoá thành aldehyde: $\text{R–CH}_2\text{OH} + \text{CuO} \xrightarrow{t°} \text{R–CHO} + \text{Cu}\downarrow + \text{H}_2\text{O}$

Alcohol bậc 2 (carbon mang –OH còn 1 nguyên tử H) bị oxi hoá thành ketone: $\text{R}_2\text{CH–OH} + \text{CuO} \xrightarrow{t°} \text{R}_2\text{C=O} + \text{Cu}\downarrow + \text{H}_2\text{O}$

Alcohol bậc 3 thì carbon mang –OH đã liên kết đủ với 3 nguyên tử carbon khác, không còn nguyên tử H nào gắn trực tiếp trên chính carbon đó để bị tách đi cùng oxygen. Vì vậy alcohol bậc 3 không phản ứng với CuO theo cơ chế này — dù phân tử vẫn có nhóm –OH. Đây chính là lý do vì sao bậc alcohol, học ở bài trước, quyết định trực tiếp kết quả của bài này.

CuO được chọn làm tác nhân oxi hoá ở mức phổ thông vì phản ứng xảy ra êm dịu, dễ quan sát bằng mắt thường (lớp bột CuO màu đen chuyển thành Cu màu đỏ gạch trên bề mặt), phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm ở trường. Trong công nghiệp và phân tích hoá học, người ta còn dùng các tác nhân oxi hoá mạnh hơn như dung dịch KMnO $_4$ hay K $_2$ Cr $_2$ O $_7$ để oxi hoá triệt để alcohol bậc 1 thành hẳn carboxylic acid chỉ trong một bước — nội dung này sẽ được nhắc lại kỹ hơn ở Course 9.

Cần phân biệt rõ hai phản ứng của bài này: tách nước dùng H $_2$ SO $_4$ đặc như một chất xúc tác kiêm chất hút nước ở nhiệt độ cao (khoảng 170°C), trong khi oxi hoá dùng CuO — một tác nhân hoàn toàn khác về bản chất. Hai phản ứng không cạnh tranh nhau vì khác cả xúc tác lẫn cơ chế, nhưng học sinh cần nhớ đúng cặp "xúc tác — điều kiện — sản phẩm" cho từng phản ứng để không viết nhầm phương trình.

**Phản ứng tách nước** (dehydration) xảy ra khi đun alcohol với H$_2$SO$_4$ đặc ở khoảng 170°C: nhóm –OH tách ra cùng một nguyên tử H ở carbon bên cạnh, tạo thành alkene và nước: $$\text{R–CH}_2\text{–CH}_2\text{–OH} \xrightarrow[170°C]{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}} \text{R–CH=CH}_2 + \text{H}_2\text{O}$$ **Phản ứng oxi hoá** dùng CuO đun nóng làm tác nhân oxi hoá phổ biến ở mức phổ thông — kết quả phụ thuộc trực tiếp vào bậc của alcohol, vì phản ứng cần tách đúng một nguyên tử H gắn trên chính carbon mang –OH: Alcohol **bậc 1** (carbon mang –OH còn 2 nguyên tử H) bị oxi hoá thành **aldehyde**: $$\text{R–CH}_2\text{OH} + \text{CuO} \xrightarrow{t°} \text{R–CHO} + \text{Cu}\downarrow + \text{H}_2\text{O}$$ Alcohol **bậc 2** (carbon mang –OH còn 1 nguyên tử H) bị oxi hoá thành **ketone**: $$\text{R}_2\text{CH–OH} + \text{CuO} \xrightarrow{t°} \text{R}_2\text{C=O} + \text{Cu}\downarrow + \text{H}_2\text{O}$$ Alcohol **bậc 3** thì carbon mang –OH đã liên kết đủ với 3 nguyên tử carbon khác, **không còn nguyên tử H nào** gắn trực tiếp trên chính carbon đó để bị tách đi cùng oxygen. Vì vậy alcohol bậc 3 **không phản ứng** với CuO theo cơ chế này — dù phân tử vẫn có nhóm –OH. Đây chính là lý do vì sao bậc alcohol, học ở bài trước, quyết định trực tiếp kết quả của bài này. CuO được chọn làm tác nhân oxi hoá ở mức phổ thông vì phản ứng xảy ra êm dịu, dễ quan sát bằng mắt thường (lớp bột CuO màu đen chuyển thành Cu màu đỏ gạch trên bề mặt), phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm ở trường. Trong công nghiệp và phân tích hoá học, người ta còn dùng các tác nhân oxi hoá mạnh hơn như dung dịch KMnO$_4$ hay K$_2$Cr$_2$O$_7$ để oxi hoá triệt để alcohol bậc 1 thành hẳn carboxylic acid chỉ trong một bước — nội dung này sẽ được nhắc lại kỹ hơn ở Course 9. Cần phân biệt rõ hai phản ứng của bài này: tách nước dùng H$_2$SO$_4$ đặc như một chất xúc tác kiêm chất hút nước ở nhiệt độ cao (khoảng 170°C), trong khi oxi hoá dùng CuO — một tác nhân hoàn toàn khác về bản chất. Hai phản ứng không cạnh tranh nhau vì khác cả xúc tác lẫn cơ chế, nhưng học sinh cần nhớ đúng cặp "xúc tác — điều kiện — sản phẩm" cho từng phản ứng để không viết nhầm phương trình.

Bậc thang oxi hoá alcohol bậc 1 → aldehyde → carboxylic acid.

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ

Phản ứng tách nước của butan-1-ol

1
Viết PTHH phản ứng tách nước của butan-1-ol (CH $_3$ –CH $_2$ –CH $_2$ –CH $_2$ –OH) với xúc tác H $_2$ SO $_4$ đặc, 170°C.
Viết PTHH phản ứng tách nước của butan-1-ol (CH$_3$–CH$_2$–CH$_2$–CH$_2$–OH) với xúc tác H$_2$SO$_4$ đặc, 170°C.
2
Nhóm –OH ở carbon số 1 (đầu mạch); carbon liền kề (số 2) có nguyên tử H để tách cùng –OH tạo liên kết đôi.
3
CH $_3$ –CH $_2$ –CH $_2$ –CH $_2$ –OH $\xrightarrow[170°C]{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}}$ CH $_3$ –CH $_2$ –CH=CH $_2$ + H $_2$ O.
CH$_3$–CH$_2$–CH$_2$–CH$_2$–OH $\xrightarrow[170°C]{\text{H}_2\text{SO}_4 \text{ đặc}}$ CH$_3$–CH$_2$–CH=CH$_2$ + H$_2$O.
4
Sản phẩm là but-1-ene. Vì –OH nằm ở carbon đầu mạch, chỉ có một hướng tách H khả thi nên chỉ tạo ra một alkene duy nhất.

Ví dụ

Phản ứng oxi hoá propan-1-ol bằng CuO

1
Viết PTHH phản ứng oxi hoá propan-1-ol (CH $_3$ –CH $_2$ –CH $_2$ –OH) bằng CuO, đun nóng. Gọi tên sản phẩm hữu cơ.
Viết PTHH phản ứng oxi hoá propan-1-ol (CH$_3$–CH$_2$–CH$_2$–OH) bằng CuO, đun nóng. Gọi tên sản phẩm hữu cơ.
2
Carbon mang –OH liên kết với 1 carbon khác → propan-1-ol là alcohol bậc 1, còn 2 nguyên tử H trên carbon đó.
3
CH $_3$ –CH $_2$ –CH $_2$ OH + CuO $\xrightarrow{t°}$ CH $_3$ –CH $_2$ –CHO + Cu↓ + H $_2$ O.
CH$_3$–CH$_2$–CH$_2$OH + CuO $\xrightarrow{t°}$ CH$_3$–CH$_2$–CHO + Cu↓ + H$_2$O.
4
Sản phẩm hữu cơ là propanal (CH $_3$ CH $_2$ CHO), một aldehyde — đúng theo quy luật: alcohol bậc 1 bị oxi hoá bởi CuO tạo aldehyde.
Sản phẩm hữu cơ là propanal (CH$_3$CH$_2$CHO), một aldehyde — đúng theo quy luật: alcohol bậc 1 bị oxi hoá bởi CuO tạo aldehyde.

Ví dụ

Đề bài dạng thi — xác định alcohol từ sản phẩm oxi hoá

1
Alcohol X có công thức phân tử C $_4$ H $_{10}$ O. Khi oxi hoá X bằng CuO, đun nóng, thu được sản phẩm là một ketone. Xác định công thức cấu tạo và gọi tên X.
Alcohol X có công thức phân tử C$_4$H$_{10}$O. Khi oxi hoá X bằng CuO, đun nóng, thu được sản phẩm là một ketone. Xác định công thức cấu tạo và gọi tên X.
2
C $_4$ H $_{10}$ O có 4 alcohol đồng phân: butan-1-ol và 2-methylpropan-1-ol (đều bậc 1); butan-2-ol (bậc 2); 2-methylpropan-2-ol (bậc 3).
C$_4$H$_{10}$O có 4 alcohol đồng phân: butan-1-ol và 2-methylpropan-1-ol (đều bậc 1); butan-2-ol (bậc 2); 2-methylpropan-2-ol (bậc 3).
3
Chỉ alcohol bậc 2 mới bị CuO oxi hoá tạo ketone; alcohol bậc 1 tạo aldehyde, alcohol bậc 3 không phản ứng. Trong bốn đồng phân trên, chỉ butan-2-ol là bậc 2.
4
Vậy X là butan-2-ol, CH $_3$ –CH(OH)–CH $_2$ –CH $_3$ . PTHH: CH $_3$ CH(OH)CH $_2$ CH $_3$ + CuO $\xrightarrow{t°}$ CH $_3$ COCH $_2$ CH $_3$ + Cu + H $_2$ O, tạo ketone butan-2-one.
Vậy X là **butan-2-ol**, CH$_3$–CH(OH)–CH$_2$–CH$_3$. PTHH: CH$_3$CH(OH)CH$_2$CH$_3$ + CuO $\xrightarrow{t°}$ CH$_3$COCH$_2$CH$_3$ + Cu + H$_2$O, tạo ketone butan-2-one.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em cho rằng CuO oxi hoá được mọi alcohol, kể cả bậc 3, vì "đã có nhóm –OH thì phải phản ứng". Thực chất phản ứng cần tách một nguyên tử H TRÊN CHÍNH carbon mang –OH — alcohol bậc 3 không còn H nào ở vị trí đó nên không phản ứng theo cơ chế oxi hoá này, dù các tính chất khác (như phản ứng với Na) vẫn xảy ra bình thường. Một lỗi khác cũng thường gặp: nhầm sản phẩm oxi hoá của alcohol bậc 1 (aldehyde, –CHO) với sản phẩm của alcohol bậc 2 (ketone, C=O giữa mạch) — hãy luôn kiểm tra lại bậc trước khi viết công thức sản phẩm.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phản ứng tách nước (H2SO4 đặc, 170°C) loại –OH cùng một H ở carbon liền kề, tạo alkene. Phản ứng oxi hoá bằng CuO phụ thuộc bậc alcohol: bậc 1 → aldehyde, bậc 2 → ketone, bậc 3 không phản ứng vì thiếu H trên carbon mang –OH.

Cầu nối

Bài sau chuyển từ phản ứng biến đổi cấu trúc sang nguồn gốc thực tế của alcohol: cách sản xuất ethanol trong công nghiệp và đời sống, cùng những ứng dụng và rủi ro cần biết.