Bài học

Điều chế và ứng dụng của aldehyde, ketone

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình điều chế aldehyde, ketone từ oxi hoá alcohol tương ứng, mô tả được một phương pháp sản xuất công nghiệp, và nêu được ứng dụng thực tế gắn với formaldehyde, acetone.

Kiến thức nền cần nhớ (same-grade bridge)

Course 8, bài "Tính chất vật lí và hoá học của alcohol", đã cho biết alcohol bậc I bị oxi hoá tạo aldehyde, alcohol bậc II bị oxi hoá tạo ketone. Bài này là một same-grade bridge: dùng lại đúng phản ứng đó, nhưng nhìn từ chiều điều chế — coi alcohol là nguyên liệu để tổng hợp hợp chất carbonyl.

Khởi động

Mẫu vật sinh học ngâm trong phòng thí nghiệm không bị phân huỷ suốt nhiều năm nhờ formalin. Vậy formaldehyde trong formalin được sản xuất công nghiệp từ nguyên liệu nào, với sản lượng đủ lớn để dùng đại trà?

Kiến thức trọng tâm

Điều chế trong phòng thí nghiệm: oxi hoá alcohol bằng $CuO$ , đun nóng — phản ứng đã học ở Course 8, nay áp dụng theo chiều điều chế hợp chất carbonyl: $RCH_2OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} RCHO + Cu + H_2O$ (alcohol bậc I → aldehyde) $RCH(OH)R' + CuO \xrightarrow{t^\circ} RCOR' + Cu + H_2O$ (alcohol bậc II → ketone) Dấu hiệu nhận biết phản ứng: $CuO$ màu đen chuyển thành $Cu$ màu đỏ, đồng thời có hơi nước ngưng tụ.

Điều chế trong công nghiệp: quy mô lớn dùng oxygen không khí với xúc tác kim loại, hiệu quả kinh tế hơn $CuO$ (vốn đắt, tốn kém khi dùng khối lượng lớn). Formaldehyde được sản xuất công nghiệp bằng oxi hoá methanol, xúc tác bạc hoặc oxide kim loại, nhiệt độ cao: $2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{xt, t^\circ} 2HCHO + 2H_2O$ . Acetone được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp cumene (đi từ benzene và propene qua nhiều giai đoạn) hoặc bằng oxi hoá propan-2-ol có xúc tác.

Ứng dụng. Formaldehyde: dung dịch formalin (dung dịch $HCHO$ 37–40% trong nước) dùng bảo quản mẫu vật sinh học, khử trùng; nguyên liệu sản xuất nhựa formaldehyde (urea-formaldehyde, phenol-formaldehyde) dùng làm keo dán gỗ ép, sản xuất đồ nhựa. Vì độc tính khi hít hoặc tiếp xúc lâu dài, formalin không được phép dùng để bảo quản thực phẩm — hành vi này từng bị phát hiện ở một số cơ sở chế biến bún, phở và bị xử lí theo quy định an toàn thực phẩm. Acetone: dung môi hoà tan sơn, dùng trong nước tẩy sơn móng tay, nguyên liệu tổng hợp chất dẻo (như thuỷ tinh hữu cơ methyl methacrylate).

**Điều chế trong phòng thí nghiệm**: oxi hoá alcohol bằng $CuO$, đun nóng — phản ứng đã học ở Course 8, nay áp dụng theo chiều điều chế hợp chất carbonyl: $RCH_2OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} RCHO + Cu + H_2O$ (alcohol bậc I → aldehyde) $RCH(OH)R' + CuO \xrightarrow{t^\circ} RCOR' + Cu + H_2O$ (alcohol bậc II → ketone) Dấu hiệu nhận biết phản ứng: $CuO$ màu đen chuyển thành $Cu$ màu đỏ, đồng thời có hơi nước ngưng tụ. **Điều chế trong công nghiệp**: quy mô lớn dùng oxygen không khí với xúc tác kim loại, hiệu quả kinh tế hơn $CuO$ (vốn đắt, tốn kém khi dùng khối lượng lớn). Formaldehyde được sản xuất công nghiệp bằng oxi hoá methanol, xúc tác bạc hoặc oxide kim loại, nhiệt độ cao: $2CH_3OH + O_2 \xrightarrow{xt, t^\circ} 2HCHO + 2H_2O$. Acetone được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp cumene (đi từ benzene và propene qua nhiều giai đoạn) hoặc bằng oxi hoá propan-2-ol có xúc tác. **Ứng dụng**. Formaldehyde: dung dịch formalin (dung dịch $HCHO$ 37–40% trong nước) dùng bảo quản mẫu vật sinh học, khử trùng; nguyên liệu sản xuất nhựa formaldehyde (urea-formaldehyde, phenol-formaldehyde) dùng làm keo dán gỗ ép, sản xuất đồ nhựa. Vì độc tính khi hít hoặc tiếp xúc lâu dài, formalin không được phép dùng để bảo quản thực phẩm — hành vi này từng bị phát hiện ở một số cơ sở chế biến bún, phở và bị xử lí theo quy định an toàn thực phẩm. Acetone: dung môi hoà tan sơn, dùng trong nước tẩy sơn móng tay, nguyên liệu tổng hợp chất dẻo (như thuỷ tinh hữu cơ methyl methacrylate).

So sánh hai con đường điều chế cho thấy một nguyên tắc chung của công nghiệp hoá học: quy mô nhỏ (phòng thí nghiệm) chọn phương pháp dễ thao tác, nguyên liệu sẵn có dù giá thành mỗi mẻ cao ( $CuO$ là chất rắn, dùng một lần rồi mất do bị khử thành $Cu$ , không tái sinh dễ dàng trong quy mô nhỏ); quy mô lớn chọn phương pháp có xúc tác tái sử dụng được (bạc, oxide kim loại) và nguyên liệu rẻ (oxygen không khí, methanol) để giảm chi phí trên mỗi tấn sản phẩm. Cùng một phản ứng oxi hoá alcohol bậc I, hai bối cảnh sử dụng khác nhau dẫn đến hai lựa chọn tác nhân oxi hoá khác nhau — đây là cách tư duy quan trọng khi đọc đề bài về điều chế công nghiệp: luôn hỏi "phương pháp này có phù hợp với quy mô sản xuất lớn hay không", chứ không chỉ hỏi "phản ứng có xảy ra được hay không".

So sánh hai con đường điều chế cho thấy một nguyên tắc chung của công nghiệp hoá học: quy mô nhỏ (phòng thí nghiệm) chọn phương pháp dễ thao tác, nguyên liệu sẵn có dù giá thành mỗi mẻ cao ($CuO$ là chất rắn, dùng một lần rồi mất do bị khử thành $Cu$, không tái sinh dễ dàng trong quy mô nhỏ); quy mô lớn chọn phương pháp có xúc tác tái sử dụng được (bạc, oxide kim loại) và nguyên liệu rẻ (oxygen không khí, methanol) để giảm chi phí trên mỗi tấn sản phẩm. Cùng một phản ứng oxi hoá alcohol bậc I, hai bối cảnh sử dụng khác nhau dẫn đến hai lựa chọn tác nhân oxi hoá khác nhau — đây là cách tư duy quan trọng khi đọc đề bài về điều chế công nghiệp: luôn hỏi "phương pháp này có phù hợp với quy mô sản xuất lớn hay không", chứ không chỉ hỏi "phản ứng có xảy ra được hay không".

Ví dụ

Viết phương trình điều chế aldehyde và ketone từ alcohol

1
Viết phương trình điều chế propanal từ propan-1-ol, và điều chế acetone từ propan-2-ol, dùng $CuO$ đun nóng.
Viết phương trình điều chế propanal từ propan-1-ol, và điều chế acetone từ propan-2-ol, dùng $CuO$ đun nóng.
2
$CH_3CH_2CH_2OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3CH_2CHO + Cu + H_2O$ (propan-1-ol → propanal).
$CH_3CH_2CH_2OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3CH_2CHO + Cu + H_2O$ (propan-1-ol → propanal).
3
$CH_3CH(OH)CH_3 + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3COCH_3 + Cu + H_2O$ (propan-2-ol → acetone).
$CH_3CH(OH)CH_3 + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3COCH_3 + Cu + H_2O$ (propan-2-ol → acetone).
4
Đúng theo bậc của alcohol ban đầu — bậc I cho aldehyde, bậc II cho ketone, hoàn toàn nhất quán với Course 8. Đây chính là phản ứng ngược chiều của phản ứng cộng $H_2$ đã học ở Chương 2, khép kín một cặp phản ứng oxi hoá-khử hoàn chỉnh giữa alcohol và hợp chất carbonyl tương ứng.
Đúng theo bậc của alcohol ban đầu — bậc I cho aldehyde, bậc II cho ketone, hoàn toàn nhất quán với Course 8. Đây chính là phản ứng ngược chiều của phản ứng cộng $H_2$ đã học ở Chương 2, khép kín một cặp phản ứng oxi hoá-khử hoàn chỉnh giữa alcohol và hợp chất carbonyl tương ứng.

Ví dụ

Tính toán theo hiệu suất phản ứng điều chế

1
Oxi hoá 9,2 gam ethanol bằng $CuO$ dư, đun nóng, giả sử hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng $CuO$ đã phản ứng và khối lượng acetaldehyde thu được.
Oxi hoá 9,2 gam ethanol bằng $CuO$ dư, đun nóng, giả sử hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng $CuO$ đã phản ứng và khối lượng acetaldehyde thu được.
2
$n(C_2H_5OH)=\dfrac{9{,}2}{46}=0{,}2$ mol.
$n(C_2H_5OH)=\dfrac{9{,}2}{46}=0{,}2$ mol.
3
Phản ứng: $C_2H_5OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3CHO + Cu + H_2O$ , tỉ lệ mol 1:1:1. Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, số mol ethanol thực sự phản ứng là $n_{pư}=0{,}2\times80\%=0{,}16$ mol. (1)
Phản ứng: $C_2H_5OH + CuO \xrightarrow{t^\circ} CH_3CHO + Cu + H_2O$, tỉ lệ mol 1:1:1. Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, số mol ethanol thực sự phản ứng là $n_{pư}=0{,}2\times80\%=0{,}16$ mol. (1)
4
Theo phương trình, $n(CuO)_{pư}=n(CH_3CHO)=n_{pư}=0{,}16$ mol. (2)
Theo phương trình, $n(CuO)_{pư}=n(CH_3CHO)=n_{pư}=0{,}16$ mol. (2)
5
Từ (2): $m(CuO)_{pư}=0{,}16\times80=12{,}8$ gam; $m(CH_3CHO)=0{,}16\times44=7{,}04$ gam.
Từ (2): $m(CuO)_{pư}=0{,}16\times80=12{,}8$ gam; $m(CH_3CHO)=0{,}16\times44=7{,}04$ gam.
6
Vậy khối lượng $CuO$ đã phản ứng là 12,8 gam và khối lượng acetaldehyde thu được là 7,04 gam. Lưu ý số mol $CuO$ phản ứng và số mol aldehyde tạo thành LUÔN bằng nhau (cùng bằng $n_{pư}$ của alcohol) vì cả hai đều xuất hiện với hệ số 1 trong phương trình đã cân bằng — một cách kiểm tra nhanh kết quả trước khi kết luận.
Vậy khối lượng $CuO$ đã phản ứng là 12,8 gam và khối lượng acetaldehyde thu được là 7,04 gam. Lưu ý số mol $CuO$ phản ứng và số mol aldehyde tạo thành LUÔN bằng nhau (cùng bằng $n_{pư}$ của alcohol) vì cả hai đều xuất hiện với hệ số 1 trong phương trình đã cân bằng — một cách kiểm tra nhanh kết quả trước khi kết luận.

Sai lầm thường gặp

Khi đề cho hiệu suất phản ứng, học sinh hay quên nhân hiệu suất vào SỐ MOL CHẤT PHẢN ỨNG trước khi tính sản phẩm, dẫn đến tính dư khối lượng sản phẩm — luôn tính lượng chất thực tế phản ứng trước, rồi mới suy ra sản phẩm theo tỉ lệ phương trình. Một lỗi khác thường gặp: nhầm CuO (chất oxi hoá, bị khử thành Cu) với chất xúc tác — CuO bị tiêu hao đúng theo tỉ lệ mol của phương trình, không phải một lượng nhỏ dùng đi dùng lại như xúc tác thật sự (Ni, $H_2SO_4$ đặc trong ester hoá). Vì vậy đề bài luôn cho biết CuO "dư" chứ không nói CuO là "xúc tác", và khối lượng CuO phản ứng luôn phải tính riêng theo đúng số mol alcohol đã phản ứng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Điều chế: $RCH_2OH+CuO\xrightarrow{t^\circ}RCHO+Cu+H_2O$ ; $RCH(OH)R'+CuO\xrightarrow{t^\circ}RCOR'+Cu+H_2O$ . Công nghiệp: formaldehyde từ oxi hoá methanol, acetone chủ yếu từ phương pháp cumene. Formalin bảo quản mẫu vật, KHÔNG dùng cho thực phẩm; acetone là dung môi phổ biến.

Điều chế: $RCH_2OH+CuO\xrightarrow{t^\circ}RCHO+Cu+H_2O$; $RCH(OH)R'+CuO\xrightarrow{t^\circ}RCOR'+Cu+H_2O$. Công nghiệp: formaldehyde từ oxi hoá methanol, acetone chủ yếu từ phương pháp cumene. Formalin bảo quản mẫu vật, KHÔNG dùng cho thực phẩm; acetone là dung môi phổ biến.

Chương tiếp theo chuyển sang carboxylic acid — sản phẩm oxi hoá sâu hơn của aldehyde, mở đầu bằng cấu tạo và danh pháp của nhóm hợp chất này. Nếu hình dung cả khoá học như một chuỗi biến đổi liên tục bắt đầu từ alcohol, thì chương này vừa khép lại một nhánh (điều chế aldehyde, ketone), vừa mở ra nhánh tiếp theo: carboxylic acid không phải một nhóm chất tách biệt, mà là điểm đến kế tiếp của chính chuỗi oxi hoá alcohol đã theo dõi từ đầu chương này.