Bài học

Cấu tạo, phân loại và danh pháp dẫn xuất halogen

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nhận diện được dẫn xuất halogen từ công thức cấu tạo, phân loại được hợp chất theo loại halogen và theo bậc carbon gắn halogen, và gọi tên đúng các dẫn xuất halogen thường gặp theo danh pháp thay thế.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6, em đã quen với danh pháp alkane — mạch chính, đánh số cho locant nhỏ nhất, tên nhánh kèm vị trí. Bài này dùng lại đúng bộ quy tắc đó, chỉ thay nhánh alkyl bằng nguyên tử halogen.

Khởi động

Ở bài 'Toluene và quy tắc thế', em đã viết được sản phẩm $C_6H_5Br$ khi benzene phản ứng với $Br_2$ . Đó chính là một dẫn xuất halogen — nhóm hợp chất mà bài này chính thức định nghĩa và phân loại.

Ở bài 'Toluene và quy tắc thế', em đã viết được sản phẩm $C_6H_5Br$ khi benzene phản ứng với $Br_2$. Đó chính là một dẫn xuất halogen — nhóm hợp chất mà bài này chính thức định nghĩa và phân loại.

Kiến thức trọng tâm

Dẫn xuất halogen được phân loại theo nhiều tiêu chí. Theo loại halogen: dẫn xuất fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-. Theo gốc hydrocarbon nền: dẫn xuất của alkane (halogen gắn vào mạch no, ví dụ $CH_3Cl$ ), của alkene (halogen gắn vào carbon no của mạch có nối đôi, ví dụ allyl chloride $CH_2{=}CH{-}CH_2Cl$ ), hoặc của arene — có thể gắn trực tiếp vào vòng, ví dụ $C_6H_5Br$ , hoặc gắn vào nhánh, ví dụ benzyl chloride $C_6H_5CH_2Cl$ . Theo bậc của carbon gắn halogen — cùng cách phân loại sẽ dùng lại cho alcohol ở khoá học sau: carbon bậc 1 (liên kết với 1 carbon khác), bậc 2 (2 carbon khác), bậc 3 (3 carbon khác). Theo số lượng nguyên tử X: mono-halogen (một X) hay poly-halogen (nhiều X, như $CHCl_3$ ).

Về danh pháp, tên thay thế ghép tiền tố halogeno- (fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-) cùng locant vào trước tên alkane nền, đánh số mạch chính sao cho locant nhỏ nhất. Khi phân tử chứa nhiều nguyên tử halogen giống nhau, tên gọi thêm tiền tố di-, tri-... trước tên halogeno, ví dụ 1,2-dibromoethane hay 1,1,1-trichloroethane. Một số tên thông thường vẫn được giữ lại: $CHCl_3$ là chloroform, $CCl_4$ là carbon tetrachloride, $CHI_3$ là iodoform.

Độ phân cực của liên kết C–X không giống nhau ở cả bốn halogen: hiệu độ âm điện giữa carbon và F lớn nhất, giữa carbon và I nhỏ nhất, nên liên kết C–F phân cực mạnh nhất trong bốn liên kết. Nhưng độ phân cực liên kết không đồng nghĩa với việc phản ứng dễ hay khó — độ bền liên kết mới là yếu tố quyết định tốc độ phản ứng, điều em sẽ thấy rõ khi học phản ứng thế ở Chương 4: liên kết C–I kém bền nhất lại phản ứng nhanh nhất, ngược hẳn thứ tự phân cực.

Dẫn xuất halogen là hợp chất trong đó một hay nhiều nguyên tử H của một gốc hydrocarbon — mạch hở, mạch vòng, no, không no, hay thơm — được thay bằng một nguyên tử halogen X (F, Cl, Br, I), viết chung là R–X. Vì halogen có độ âm điện lớn hơn carbon, liên kết C–X phân cực: carbon mang một phần điện tích dương. Chính sự phân cực này quyết định phản ứng đặc trưng của dẫn xuất halogen, sẽ học ở chương sau. Dẫn xuất halogen được phân loại theo nhiều tiêu chí. Theo loại halogen: dẫn xuất fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-. Theo gốc hydrocarbon nền: dẫn xuất của alkane (halogen gắn vào mạch no, ví dụ $CH_3Cl$), của alkene (halogen gắn vào carbon no của mạch có nối đôi, ví dụ allyl chloride $CH_2{=}CH{-}CH_2Cl$), hoặc của arene — có thể gắn trực tiếp vào vòng, ví dụ $C_6H_5Br$, hoặc gắn vào nhánh, ví dụ benzyl chloride $C_6H_5CH_2Cl$. Theo bậc của carbon gắn halogen — cùng cách phân loại sẽ dùng lại cho alcohol ở khoá học sau: carbon bậc 1 (liên kết với 1 carbon khác), bậc 2 (2 carbon khác), bậc 3 (3 carbon khác). Theo số lượng nguyên tử X: mono-halogen (một X) hay poly-halogen (nhiều X, như $CHCl_3$). Về danh pháp, tên thay thế ghép tiền tố halogeno- (fluoro-, chloro-, bromo-, iodo-) cùng locant vào trước tên alkane nền, đánh số mạch chính sao cho locant nhỏ nhất. Khi phân tử chứa nhiều nguyên tử halogen giống nhau, tên gọi thêm tiền tố di-, tri-... trước tên halogeno, ví dụ 1,2-dibromoethane hay 1,1,1-trichloroethane. Một số tên thông thường vẫn được giữ lại: $CHCl_3$ là chloroform, $CCl_4$ là carbon tetrachloride, $CHI_3$ là iodoform. Độ phân cực của liên kết C–X không giống nhau ở cả bốn halogen: hiệu độ âm điện giữa carbon và F lớn nhất, giữa carbon và I nhỏ nhất, nên liên kết C–F phân cực mạnh nhất trong bốn liên kết. Nhưng độ phân cực liên kết không đồng nghĩa với việc phản ứng dễ hay khó — độ bền liên kết mới là yếu tố quyết định tốc độ phản ứng, điều em sẽ thấy rõ khi học phản ứng thế ở Chương 4: liên kết C–I kém bền nhất lại phản ứng nhanh nhất, ngược hẳn thứ tự phân cực.

Bậc của carbon gắn halogen được tính theo số carbon khác liên kết trực tiếp với nó — cùng cách phân loại sẽ dùng lại cho alcohol.

Ví dụ

Gọi tên và xác định bậc của một dẫn xuất halogen

1
Cho hợp chất có công thức cấu tạo $CH_3-CHCl-CH_3$ . Gọi tên hợp chất theo danh pháp thay thế và xác định bậc của carbon gắn chlorine.
Cho hợp chất có công thức cấu tạo $CH_3-CHCl-CH_3$. Gọi tên hợp chất theo danh pháp thay thế và xác định bậc của carbon gắn chlorine.
2
Mạch chính có 3 carbon (propane). Đánh số sao cho carbon gắn Cl có locant nhỏ nhất: $CH_3(1)-CHCl(2)-CH_3(3)$ , chlorine ở vị trí 2.
Mạch chính có 3 carbon (propane). Đánh số sao cho carbon gắn Cl có locant nhỏ nhất: $CH_3(1)-CHCl(2)-CH_3(3)$, chlorine ở vị trí 2.
3
Tên hợp chất là 2-chloropropane.
4
Carbon số 2, gắn Cl, liên kết trực tiếp với hai carbon khác (carbon 1 và carbon 3), nên đây là carbon bậc 2 — hợp chất là dẫn xuất halogen bậc 2.

Ví dụ

Phân loại hai dẫn xuất halogen theo gốc hydrocarbon

1
Cho hai hợp chất: $CH_2{=}CH-CH_2-Cl$ (X) và $C_6H_5-CH_2-Cl$ (Y). Gọi tên mỗi hợp chất và cho biết hợp chất đó là dẫn xuất halogen của loại hydrocarbon nào.
Cho hai hợp chất: $CH_2{=}CH-CH_2-Cl$ (X) và $C_6H_5-CH_2-Cl$ (Y). Gọi tên mỗi hợp chất và cho biết hợp chất đó là dẫn xuất halogen của loại hydrocarbon nào.
2
X có một liên kết đôi C=C ở đầu mạch và nguyên tử Cl gắn vào carbon no ở vị trí cuối mạch. X là dẫn xuất halogen của alkene, tên gọi là 3-chloroprop-1-ene, tên thường allyl chloride.
3
Y có vòng benzene và nguyên tử Cl gắn vào carbon của nhóm –CH2– nối với vòng, không gắn trực tiếp vào vòng. Y là dẫn xuất halogen của arene ở nhánh, tên gọi là (chloromethyl)benzene, tên thường benzyl chloride.
4
Vậy cùng mang một nguyên tử Cl, X và Y thuộc hai loại dẫn xuất halogen khác nhau — của alkene và của arene ở nhánh — vì gốc hydrocarbon nền của chúng khác nhau; cách gọi tên phải bám theo đúng mạch hay vòng nền đó.

Ví dụ

Gọi tên dẫn xuất đa halogen

1
Gọi tên hợp chất $BrCH_2-CH_2Br$ theo danh pháp thay thế, và cho biết đây là dẫn xuất mono-halogen hay poly-halogen.
Gọi tên hợp chất $BrCH_2-CH_2Br$ theo danh pháp thay thế, và cho biết đây là dẫn xuất mono-halogen hay poly-halogen.
2
Mạch chính có 2 carbon (ethane), mỗi carbon mang một nguyên tử Br. Hai đầu mạch đối xứng nên đánh số theo chiều nào cũng cho cùng bộ locant 1,2.
3
Tên gọi là 1,2-dibromoethane; tiền tố di- chỉ rõ phân tử có hai nguyên tử Br giống nhau.
4
Vì phân tử chứa hai nguyên tử halogen, đây là dẫn xuất poly-halogen — cụ thể là dihalogen — khác với các ví dụ mono-halogen như 2-chloropropane ở trên.

Sai lầm thường gặp

Một nhầm lẫn phổ biến là cho rằng $C_6H_5Cl$ (chlorobenzene, Cl gắn trực tiếp vào vòng) và $C_6H_5CH_2Cl$ (benzyl chloride, Cl gắn vào nhánh) là cùng một loại hợp chất vì cùng chứa vòng benzene và một nguyên tử Cl. Hai hợp chất này khác hẳn nhau về vị trí gắn Cl — trên vòng thơm hay trên nhánh no — và, như chương sau sẽ cho thấy, khác nhau cả về khả năng phản ứng. Một nhầm lẫn khác là xác định sai bậc carbon: bậc được tính theo số carbon KHÁC liên kết trực tiếp với carbon mang halogen, không tính chính carbon đó và không tính nguyên tử H. Ví dụ 2-bromobutane ( $CH_3-CHBr-CH_2-CH_3$ ) là dẫn xuất bậc 2 vì carbon mang Br liên kết với đúng hai carbon khác; tert-butyl chloride $(CH_3)_3CCl$ là dẫn xuất bậc 3 vì carbon mang Cl liên kết với ba carbon khác.

Một nhầm lẫn phổ biến là cho rằng $C_6H_5Cl$ (chlorobenzene, Cl gắn trực tiếp vào vòng) và $C_6H_5CH_2Cl$ (benzyl chloride, Cl gắn vào nhánh) là cùng một loại hợp chất vì cùng chứa vòng benzene và một nguyên tử Cl. Hai hợp chất này khác hẳn nhau về vị trí gắn Cl — trên vòng thơm hay trên nhánh no — và, như chương sau sẽ cho thấy, khác nhau cả về khả năng phản ứng. Một nhầm lẫn khác là xác định sai bậc carbon: bậc được tính theo số carbon KHÁC liên kết trực tiếp với carbon mang halogen, không tính chính carbon đó và không tính nguyên tử H. Ví dụ 2-bromobutane ($CH_3-CHBr-CH_2-CH_3$) là dẫn xuất bậc 2 vì carbon mang Br liên kết với đúng hai carbon khác; tert-butyl chloride $(CH_3)_3CCl$ là dẫn xuất bậc 3 vì carbon mang Cl liên kết với ba carbon khác.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Dẫn xuất halogen R–X có liên kết C–X phân cực. Phân loại theo halogen, theo gốc hydrocarbon nền (alkane/alkene/arene), theo bậc carbon gắn X (1/2/3), theo số lượng X. Danh pháp thay thế dùng tiền tố halogeno- + locant; một vài tên thông thường vẫn giữ lại (chloroform, carbon tetrachloride).

Biết cách gọi tên và phân loại dẫn xuất halogen là bước chuẩn bị cần thiết. Bài tiếp theo xem xét những tính chất vật lí đặc trưng của nhóm hợp chất này — và cả những ứng dụng lẫn hệ luỵ môi trường gắn liền với chúng.