Bài học

Phản ứng thế halogen của alkane

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình phản ứng thế halogen của alkane khi có ánh sáng, và dự đoán được số sản phẩm monochloro có thể tạo thành khi thế một alkane cho trước.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài 1.1 đã cho em thấy alkane chỉ chứa liên kết đơn $C-C$ , $C-H$ bền vững. Vì không có liên kết pi để "mở ra" cho một chất khác cộng vào, alkane không tham gia phản ứng cộng như những hydrocarbon chưa no sẽ học ở các chương sau.

Bài 1.1 đã cho em thấy alkane chỉ chứa liên kết đơn $C-C$, $C-H$ bền vững. Vì không có liên kết pi để "mở ra" cho một chất khác cộng vào, alkane không tham gia phản ứng cộng như những hydrocarbon chưa no sẽ học ở các chương sau.

Khởi động

Alkane được xem là tương đối "trơ" ở nhiệt độ thường — không làm mất màu dung dịch bromine, không phản ứng với thuốc tím. Vậy alkane có phản ứng hoá học đặc trưng nào, và tại sao ánh sáng lại làm nó phản ứng được với chlorine?

Kiến thức trọng tâm

Vì chỉ có liên kết đơn bền, phản ứng đặc trưng của alkane là phản ứng thế — thay một nguyên tử H bằng một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác — chứ không phải phản ứng cộng. Phản ứng thế halogen (chlorine hoá, bromine hoá) cần ánh sáng (kí hiệu as) hoặc nhiệt độ cao để khơi mào, vì năng lượng đó giúp phá vỡ liên kết $Cl-Cl$ thành hai nguyên tử chlorine hoạt động: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{as} CH_3Cl + HCl$ .

Vì chỉ có liên kết đơn bền, phản ứng đặc trưng của alkane là **phản ứng thế** — thay một nguyên tử H bằng một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác — chứ không phải phản ứng cộng. Phản ứng thế halogen (chlorine hoá, bromine hoá) cần ánh sáng (kí hiệu *as*) hoặc nhiệt độ cao để khơi mào, vì năng lượng đó giúp phá vỡ liên kết $Cl-Cl$ thành hai nguyên tử chlorine hoạt động: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{as} CH_3Cl + HCl$.

Nếu $Cl_2$ dư, phản ứng có thể thế tiếp nhiều lần: $CH_3Cl \to CH_2Cl_2 \to CHCl_3 \to CCl_4$ . Ở mức nền tảng, ta thường chỉ xét phản ứng thế một lần (monochloro hoá) để xác định sản phẩm chính.

Nếu $Cl_2$ dư, phản ứng có thể thế tiếp nhiều lần: $CH_3Cl \to CH_2Cl_2 \to CHCl_3 \to CCl_4$. Ở mức nền tảng, ta thường chỉ xét phản ứng thế một lần (monochloro hoá) để xác định sản phẩm chính.

Số sản phẩm monochloro phụ thuộc vào số loại nguyên tử H khác nhau về vị trí trong phân tử. Hai nguyên tử H được coi là tương đương (cho cùng một sản phẩm khi thế) nếu chúng gắn vào những carbon có vai trò đối xứng như nhau trong phân tử. Ta gọi bậc của một carbon là số nguyên tử carbon khác liên kết trực tiếp với nó (bậc I, II, III, IV) — khái niệm này giúp nhận diện các loại H khác nhau: H gắn vào carbon bậc I, bậc II, bậc III thường cho các sản phẩm thế khác nhau.

**Số sản phẩm monochloro phụ thuộc vào số loại nguyên tử H khác nhau về vị trí trong phân tử.** Hai nguyên tử H được coi là tương đương (cho cùng một sản phẩm khi thế) nếu chúng gắn vào những carbon có vai trò đối xứng như nhau trong phân tử. Ta gọi **bậc của một carbon** là số nguyên tử carbon khác liên kết trực tiếp với nó (bậc I, II, III, IV) — khái niệm này giúp nhận diện các loại H khác nhau: H gắn vào carbon bậc I, bậc II, bậc III thường cho các sản phẩm thế khác nhau.

Ví dụ

Phản ứng thế của methane

1
Viết phương trình phản ứng của methane với chlorine khi chiếu sáng.
2
$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{as} CH_3Cl + HCl$ .
$CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{as} CH_3Cl + HCl$.
3
Đây là phản ứng thế: một nguyên tử $H$ trong $CH_4$ bị thay bằng nguyên tử $Cl$ , tạo chloromethane và khí hydrogen chloride.
Đây là phản ứng thế: một nguyên tử $H$ trong $CH_4$ bị thay bằng nguyên tử $Cl$, tạo chloromethane và khí hydrogen chloride.
4
Vậy phản ứng thế chỉ xảy ra khi có ánh sáng cung cấp năng lượng phá vỡ liên kết $Cl-Cl$ — khác hẳn phản ứng cộng của các hydrocarbon chưa no sẽ học sau này.
Vậy phản ứng thế chỉ xảy ra khi có ánh sáng cung cấp năng lượng phá vỡ liên kết $Cl-Cl$ — khác hẳn phản ứng cộng của các hydrocarbon chưa no sẽ học sau này.

Ví dụ

Đếm sản phẩm monochloro của propane (dạng thi)

1
Cho propane ( $CH_3-CH_2-CH_3$ ) phản ứng thế monochloro hoá khi có ánh sáng. Có bao nhiêu sản phẩm monochloropropane khác nhau? Viết công thức cấu tạo và gọi tên từng sản phẩm.
Cho propane ($CH_3-CH_2-CH_3$) phản ứng thế monochloro hoá khi có ánh sáng. Có bao nhiêu sản phẩm monochloropropane khác nhau? Viết công thức cấu tạo và gọi tên từng sản phẩm.
2
Propane có 8 nguyên tử H: 6H thuộc hai nhóm $CH_3$ ở hai đầu (đều là carbon bậc I, tương đương nhau) và 2H thuộc nhóm $CH_2$ ở giữa (carbon bậc II).
Propane có 8 nguyên tử H: 6H thuộc hai nhóm $CH_3$ ở hai đầu (đều là carbon bậc I, tương đương nhau) và 2H thuộc nhóm $CH_2$ ở giữa (carbon bậc II).
3
Thế H ở carbon bậc I: $CH_3-CH_2-CH_2Cl$ (1-chloropropane). Thế H ở carbon bậc II: $CH_3-CHCl-CH_3$ (2-chloropropane).
Thế H ở carbon bậc I: $CH_3-CH_2-CH_2Cl$ (1-chloropropane). Thế H ở carbon bậc II: $CH_3-CHCl-CH_3$ (2-chloropropane).
4
Vậy propane chỉ có 2 loại H khác vị trí nên tạo đúng 2 sản phẩm monochloropropane: 1-chloropropane và 2-chloropropane.

Ví dụ

Đếm sản phẩm monochloro của isobutane

1
2-methylpropane (isobutane, $(CH_3)_2CH-CH_3$ ) phản ứng monochloro hoá khi có ánh sáng tạo ra bao nhiêu sản phẩm khác nhau?
2-methylpropane (isobutane, $(CH_3)_2CH-CH_3$) phản ứng monochloro hoá khi có ánh sáng tạo ra bao nhiêu sản phẩm khác nhau?
2
Isobutane có 10 nguyên tử H: 9H thuộc ba nhóm $CH_3$ tương đương nhau (carbon bậc I) và 1H duy nhất gắn vào carbon trung tâm (carbon bậc III).
Isobutane có 10 nguyên tử H: 9H thuộc ba nhóm $CH_3$ tương đương nhau (carbon bậc I) và 1H duy nhất gắn vào carbon trung tâm (carbon bậc III).
3
Thế ở carbon bậc I: $(CH_3)_2CH-CH_2Cl$ (1-chloro-2-methylpropane). Thế ở carbon bậc III: $(CH_3)_2CCl-CH_3$ (2-chloro-2-methylpropane).
Thế ở carbon bậc I: $(CH_3)_2CH-CH_2Cl$ (1-chloro-2-methylpropane). Thế ở carbon bậc III: $(CH_3)_2CCl-CH_3$ (2-chloro-2-methylpropane).
4
Vậy isobutane có 2 loại H khác vị trí, tạo đúng 2 sản phẩm monochloro, dù phân tử có tới 10 nguyên tử H — số sản phẩm phụ thuộc vào số LOẠI H tương đương, không phải tổng số H.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ mỗi alkane chỉ cho đúng một sản phẩm thế duy nhất, quên rằng các H ở vị trí khác nhau trong phân tử cho các sản phẩm khác nhau. Một lỗi khác là nhầm phản ứng thế của alkane với phản ứng cộng — alkane KHÔNG có phản ứng cộng vì không có liên kết pi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phản ứng đặc trưng của alkane là phản ứng thế halogen, cần ánh sáng hoặc nhiệt để khơi mào. Số sản phẩm monochloro bằng số loại nguyên tử H khác vị trí trong phân tử, xác định qua khái niệm bậc carbon.

Cầu nối

Bài sau tìm hiểu hai phản ứng quan trọng khác của alkane: phản ứng cháy làm nhiên liệu, và phản ứng cracking trong công nghiệp lọc dầu.