Bài học

Viết công thức cấu tạo từ công thức phân tử

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em triển khai được một công thức phân tử đơn giản thành các công thức cấu tạo hợp lệ, biết cách viết công thức thu gọn, và kiểm tra được hoá trị ở từng nguyên tử carbon trong công thức vừa viết.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài học dựa trực tiếp vào hai bài trước: thuyết cấu tạo hoá học (carbon hoá trị IV, có thể tạo mạch thẳng/nhánh/vòng) và khái niệm đồng phân (cùng công thức phân tử có thể ứng với nhiều cấu tạo). Bây giờ em cần một quy trình cụ thể để không bỏ sót và không viết sai công thức cấu tạo nào.

Khởi động

Cho công thức phân tử C₃H₈O. Nếu chỉ nhìn công thức này, em có đoán được có bao nhiêu chất khác nhau ứng với nó không? Thử liệt kê xem có bao nhiêu cách sắp xếp 3 carbon, 8 hydrogen và 1 oxygen sao cho mỗi carbon đủ 4 liên kết và oxygen đủ 2 liên kết.

Kiến thức trọng tâm

Quy trình viết công thức cấu tạo từ một công thức phân tử gồm các bước: xác định số liên kết cần có ở mỗi nguyên tử (C: 4, H: 1, O: 2, N: 3); sắp xếp mạch carbon theo các cách khác nhau (thẳng, rồi rút ngắn dần và thêm nhánh); với mỗi cách sắp xếp mạch carbon, gắn nhóm chức (nếu có, ví dụ –OH) vào các vị trí carbon khác nhau; cuối cùng điền đủ nguyên tử hydrogen còn thiếu vào mỗi carbon sao cho đủ hoá trị IV. Sau khi viết xong, luôn kiểm tra lại: đếm tổng số nguyên tử mỗi loại có khớp với công thức phân tử đề bài hay không, và đếm số liên kết ở từng carbon có đúng 4 hay không.

Ngoài công thức cấu tạo đầy đủ (ghi rõ mọi liên kết), hoá học hữu cơ còn dùng công thức cấu tạo thu gọn để viết nhanh hơn: gộp các nguyên tử H vào ngay sau carbon mà chúng gắn vào, ví dụ CH₃–CH₂–OH thay vì vẽ đầy đủ từng liên kết C–H. Ở trình độ cao hơn còn có công thức khung phân tử (skeletal formula), chỉ vẽ mạch carbon bằng các đoạn gấp khúc và bỏ hẳn kí hiệu C, H (chỉ ghi các nhóm chức hoặc nguyên tử khác) — cách viết này thường gặp trong tài liệu hoá học hữu cơ nâng cao, em sẽ làm quen dần trong các bài học sau.

Ngoài công thức cấu tạo đầy đủ (ghi rõ mọi liên kết), hoá học hữu cơ còn dùng **công thức cấu tạo thu gọn** để viết nhanh hơn: gộp các nguyên tử H vào ngay sau carbon mà chúng gắn vào, ví dụ CH₃–CH₂–OH thay vì vẽ đầy đủ từng liên kết C–H. Ở trình độ cao hơn còn có **công thức khung phân tử** (skeletal formula), chỉ vẽ mạch carbon bằng các đoạn gấp khúc và bỏ hẳn kí hiệu C, H (chỉ ghi các nhóm chức hoặc nguyên tử khác) — cách viết này thường gặp trong tài liệu hoá học hữu cơ nâng cao, em sẽ làm quen dần trong các bài học sau.

Một điểm dễ gây nhầm lẫn là phân biệt giữa "triển khai mạch carbon" và "gắn nhóm chức" — đây là hai thao tác tách bạch, phải làm lần lượt chứ không trộn lẫn. Với một công thức phân tử cho trước, trước hết chỉ nên tập trung vào bộ khung carbon: có bao nhiêu cách sắp xếp N nguyên tử carbon thành mạch (không quan tâm nhóm chức nằm ở đâu). Sau khi đã liệt kê xong hết các bộ khung carbon khả dĩ, mới quay lại từng bộ khung và thử gắn nhóm chức vào từng vị trí carbon còn khả năng nhận thêm nhóm đó. Làm theo đúng thứ tự hai bước này giúp không bỏ sót cấu tạo nào và cũng không đếm trùng — một lỗi rất hay gặp khi học sinh vừa vẽ mạch vừa gắn nhóm chức cùng lúc, dễ quên mất một cách sắp xếp mạch carbon đã xét từ trước.

Ví dụ

Viết đầy đủ công thức cấu tạo của C₃H₈O

1
Viết tất cả công thức cấu tạo mạch hở ứng với công thức phân tử C₃H₈O.
2
Với 3 carbon, chỉ có một cách sắp xếp mạch carbon (mạch thẳng C–C–C, vì mạch nhánh cần tối thiểu 4 carbon). Nhóm –OH có thể gắn vào carbon đầu mạch hoặc carbon giữa mạch, cho hai cấu tạo alcohol khác nhau: CH₃–CH₂–CH₂–OH (propan-1-ol) và CH₃–CH(OH)–CH₃ (propan-2-ol).
3
Ngoài alcohol, oxygen còn có thể nằm xen giữa hai nhóm carbon (liên kết ether, –O–) thay vì gắn –OH ở đầu mạch: CH₃–O–CH₂–CH₃ (methoxyethane). Đây là đồng phân loại nhóm chức so với hai alcohol ở trên.
4
Ở CH₃–CH₂–CH₂–OH: carbon đầu có 3H + 1 liên kết C (4 liên kết); carbon giữa có 2H + 2 liên kết C (4 liên kết); carbon cuối có 2H + 1 liên kết C + 1 liên kết O (4 liên kết); oxygen có 1 liên kết C + 1 liên kết H (2 liên kết) — hợp lệ. Kiểm tra tương tự cho hai công thức còn lại đều cho kết quả đúng hoá trị.
5
Vậy C₃H₈O có 3 công thức cấu tạo mạch hở hợp lệ: propan-1-ol, propan-2-ol (hai alcohol, đồng phân vị trí nhóm chức) và methoxyethane (ether, đồng phân loại nhóm chức so với hai alcohol trên).

Ví dụ

Viết công thức cấu tạo của C₄H₁₀O chứa nhóm –OH (dạng thi)

1
Viết các công thức cấu tạo alcohol (chứa nhóm –OH) mạch hở ứng với công thức phân tử C₄H₁₀O, và kiểm tra hoá trị cho một trong số đó.
2
Với 4 carbon có hai cách sắp xếp mạch: mạch thẳng (4 carbon liên tiếp) và mạch nhánh (3 carbon mạch chính, 1 carbon làm nhánh ở carbon giữa) — giống cách phân tích mạch carbon của C₄H₁₀ ở bài trước.
3
Trên mạch thẳng, –OH có thể gắn ở carbon đầu (butan-1-ol: CH₃CH₂CH₂CH₂OH) hoặc carbon thứ hai (butan-2-ol: CH₃CH₂CH(OH)CH₃). Trên mạch nhánh (2-methylpropane), –OH có thể gắn ở carbon nhánh (2-methylpropan-1-ol) hoặc ở carbon mang nhánh (2-methylpropan-2-ol).
4
CH₃–CH₂–CH(OH)–CH₃: carbon thứ ba (mang –OH) có liên kết với CH₂ (1), với CH₃ (1), với OH (1) và với 1 nguyên tử H còn lại (1) — đủ 4 liên kết, hợp lệ.
5
Vậy C₄H₁₀O có 4 alcohol mạch hở: butan-1-ol, butan-2-ol, 2-methylpropan-1-ol và 2-methylpropan-2-ol — mỗi công thức đều đã được kiểm tra đủ hoá trị IV ở carbon và hoá trị II ở oxygen.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất khi triển khai công thức cấu tạo là quên rằng nhóm –OH cũng chiếm đúng 1 hoá trị của carbon mà nó gắn vào — nhiều em vẫn viết đủ 3H cho carbon đó rồi thêm cả –OH, khiến carbon có 5 liên kết (sai). Luôn nhớ: mỗi carbon có TỔNG CỘNG 4 liên kết, dù là liên kết với H, với carbon khác, hay với nhóm chức.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Viết công thức cấu tạo theo 4 bước: xác định hoá trị mỗi nguyên tử, sắp xếp mạch carbon, gắn nhóm chức vào các vị trí có thể, điền đủ H và kiểm tra lại hoá trị. Công thức cấu tạo thu gọn viết nhanh hơn nhưng vẫn phải thể hiện đúng, đủ thứ tự liên kết.

Cầu nối bài sau

Kĩ năng viết công thức cấu tạo vừa học sẽ được luyện tập ở mức đề thi thực sự trong bài tiếp theo — kết hợp cả việc tìm công thức phân tử từ phân tích đốt cháy lẫn viết và đếm công thức cấu tạo.