Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Danh pháp và đếm đồng phân có hệ thống của aldehyde, ketone
Em sẽ làm được gì?
Bài này dạy em hai việc: gọi tên IUPAC cho aldehyde và ketone mạch nhánh phức tạp hơn mức Foundation, và đếm đầy đủ, không sót, không trùng, số đồng phân cấu tạo carbonyl ứng với một công thức phân tử cho trước.
Cần nhớ trước
Ở khóa Foundation em đã học: nhóm carbonyl $C=O$, phân biệt aldehyde ($-CHO$ ở đầu mạch) với ketone (nhóm $C=O$ nằm giữa mạch, hai bên đều là carbon), đuôi tên $-al$ cho aldehyde và $-one$ cho ketone, cùng vài phản ứng đặc trưng cơ bản. Bài này giả định các khái niệm đó đã vững, và không nhắc lại chi tiết.
Đề Foundation gần như luôn cho đúng một cấu trúc ứng với một công thức phân tử: gọi tên $CH_3CHO$ thì chỉ có một chất, propanal $CH_3CH_2CHO$ cũng chỉ có một chất. Đề HSG lại hay hỏi ngược: cho công thức phân tử $C_4H_8O$, hỏi có bao nhiêu hợp chất carbonyl thỏa mãn. Nếu em chỉ đoán theo cảm tính, rất dễ bỏ sót một cấu trúc phân nhánh hoặc đếm trùng hai tên gọi thực ra chỉ là một chất đọc từ hai đầu mạch.
Vì sao phải đếm có hệ thống
Thử tự hỏi: $C_4H_8O$ có bao nhiêu hợp chất carbonyl? Phần lớn học sinh mới chỉ nghĩ ra butanal $CH_3CH_2CH_2CHO$ rồi dừng lại, trong khi công thức này còn ứng với một ketone và một aldehyde phân nhánh nữa. Đếm sót là lỗi phổ biến nhất khi bài toán yêu cầu "tìm tất cả các cấu tạo" hoặc "biện luận công thức cấu tạo" từ một dữ kiện phản ứng, vì thiếu một cấu tạo đồng nghĩa với bỏ sót một trường hợp cần xét.
Quy trình đếm đồng phân carbonyl có hệ thống
Trước tiên, tính độ bất bão hòa của công thức phân tử. Với $C_nH_{2n}O$, độ bất bão hòa luôn bằng 1, đúng bằng một liên kết đôi $C=O$, không còn chỗ cho vòng hay liên kết đôi $C=C$ nào khác. Sau đó liệt kê hết các khung carbon (mạch carbon, chưa gắn nhóm chức) có thể có với đúng $n$ carbon: bắt đầu từ mạch thẳng dài nhất, rồi rút ngắn dần và gắn nhánh. Với mỗi khung, quét lần lượt các vị trí có thể đặt nhóm carbonyl: đặt ở carbon đầu mạch cho một aldehyde, đặt ở một carbon giữa mạch (có đúng hai carbon láng giềng) cho một ketone. Cuối cùng, loại các cấu tạo trùng nhau do đối xứng của khung, vì đọc một mạch đối xứng từ hai đầu có thể ra cùng một tên.
Đếm theo quy trình, không đếm theo cảm tính.
3. Áp dụng: $C_4H_8O$ có đúng ba đồng phân
Ví dụ
Ví dụ 1 — Đếm đầy đủ đồng phân carbonyl của $C_4H_8O$
1
Liệt kê tất cả các hợp chất carbonyl ứng với công thức phân tử $C_4H_8O$.
2
Với 4 carbon chỉ có đúng hai khung: mạch thẳng (4 carbon nối liền) và mạch nhánh (carbon trung tâm gắn ba nhóm $CH_3$, tức khung isobutane).
3
Đặt $C=O$ ở carbon đầu ($C_1$): được aldehyde $CH_3CH_2CH_2CHO$ (butanal). Đặt $C=O$ ở $C_2$: được ketone $CH_3COCH_2CH_3$ (butan-2-one). Đặt ở $C_3$ cho cùng ketone đó khi đọc mạch từ đầu kia, không phải chất thứ ba.
4
Carbon trung tâm của khung nhánh đã gắn đủ ba nhóm $CH_3$, không còn đúng hai carbon láng giềng để làm carbon ketone. Chỉ carbon ở đầu (một trong ba nhóm $CH_3$ tương đương) có thể mang $C=O$, cho aldehyde $(CH_3)_2CHCHO$ (2-methylpropanal). Khung nhánh không cho ketone nào.
5
$C_4H_8O$ có đúng ba đồng phân carbonyl: butanal, butan-2-one, 2-methylpropanal, gồm hai aldehyde và một ketone. Không có đồng phân thứ tư.
Danh pháp cho ketone phân nhánh phức tạp hơn
Ví dụ
Ví dụ 2 — Gọi tên và dựng cấu tạo cho một ketone phân nhánh
1
Viết công thức cấu tạo của 4-methylpentan-2-one, một dung môi công nghiệp quen thuộc.
2
Mạch chính pentan (5 carbon), $C=O$ ở $C_2$ (đuôi "-2-one"), một nhóm methyl ở $C_4$.
Đếm carbon: 5 carbon mạch chính cộng 1 carbon nhánh methyl, tổng $C_6H_{12}O$. Độ bất bão hòa $= (2\times 6+2-12)/2=1$, khớp đúng một $C=O$, không dư liên kết nào.
5. Mở rộng: $C_5H_{10}O$ có bảy đồng phân
Áp dụng đúng quy trình bốn bước ở trên cho $C_5H_{10}O$, mỗi carbon dôi ra so với $C_4H_8O$ làm số cấu tạo tăng nhanh hơn nhiều so với trực giác. Với aldehyde, nhóm thế $R$ gắn vào $-CHO$ là một gốc butyl bất kỳ trong bốn gốc butyl khác nhau đã biết (butyl thường, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl), cho đúng bốn aldehyde. Với ketone, bốn carbon còn lại chia thành hai nhóm alkyl hai bên $C=O$: chia 1 và 3 cho hai cách (nhóm 3 carbon để thẳng hoặc phân nhánh), chia 2 và 2 chỉ cho một cách vì hai carbon không đủ chỗ phân nhánh, tổng ba ketone.
Ví dụ
Ví dụ 3 — Đếm hệ thống, không sót, cho $C_5H_{10}O$
1
Đếm đầy đủ số đồng phân cấu tạo carbonyl của $C_5H_{10}O$.
2
$R-CHO$ với $R$ là gốc $C_4H_9$: pentanal ($R$ = butyl thường), 2-methylbutanal ($R$ = sec-butyl), 3-methylbutanal ($R$ = isobutyl), 2,2-dimethylpropanal ($R$ = tert-butyl). Bốn aldehyde, đúng bằng số gốc butyl khác nhau.
3
Một bên là $CH_3$, bên còn lại là gốc $C_3H_7$: nếu gốc đó thẳng được pentan-2-one, nếu gốc đó phân nhánh (isopropyl) được 3-methylbutan-2-one. Hai ketone.
4
Hai bên đều là $C_2H_5$, không còn carbon dư để phân nhánh, chỉ một cấu tạo: pentan-3-one. Một ketone.
5
Tổng cộng $4+2+1=7$ đồng phân carbonyl của $C_5H_{10}O$: bốn aldehyde và ba ketone. Không đếm trùng và không sót, vì mỗi cấu tạo được liệt kê đúng một lần theo quy trình chia khung.
Số đồng phân tăng nhanh hơn tuyến tính khi thêm mỗi carbon, đây là lý do phải đếm có hệ thống thay vì liệt kê theo trí nhớ.Ketone cần đúng hai carbon láng giềng, aldehyde chỉ cần một.
Bẫy thường gặp
Bẫy thường gặp: coi carbon trung tâm của khung phân nhánh (kiểu isobutane) cũng có thể mang ketone, trong khi carbon đó đã bận ba liên kết với ba nhóm $CH_3$, không còn đúng hai carbon láng giềng cần thiết cho một ketone. Bẫy thứ hai: đếm "pentan-2-one" và "pentan-4-one" là hai chất khác nhau, trong khi đọc mạch pentan từ đầu kia thì $C_4$ chính là $C_2$, hai tên chỉ là một chất.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Tóm tắt
Đếm đồng phân carbonyl không phải chuyện thử từng cấu tạo bằng cảm tính, mà là một quy trình bốn bước lặp lại được: xác nhận độ bất bão hòa, liệt kê khung carbon, quét vị trí carbonyl trên từng khung, loại trùng do đối xứng. $C_4H_8O$ có ba đồng phân, $C_5H_{10}O$ có bảy, và con số tăng nhanh khi thêm mỗi carbon, đúng như biểu đồ cột ở trên cho thấy.
Bài tiếp theo dùng chính cơ chế cộng nucleophin vào $C=O$ để giải thích vì sao carbonyl phản ứng được với HCN và với $H_2$, thay vì chỉ nhớ phương trình tổng như ở khóa Foundation.
Ở khóa Foundation em đã học: nhóm carbonyl C=O, phân biệt aldehyde (−CHO ở đầu mạch) với ketone (nhóm C=O nằm giữa mạch, hai bên đều là carbon), đuôi tên −al cho aldehyde và −one cho ketone, cùng vài phản ứng đặc trưng cơ bản. Bài này giả định các khái niệm đó đã vững, và không nhắc lại chi tiết.
Đề Foundation gần như luôn cho đúng một cấu trúc ứng với một công thức phân tử: gọi tên CH3CHO thì chỉ có một chất, propanal CH3CH2CHO cũng chỉ có một chất. Đề HSG lại hay hỏi ngược: cho công thức phân tử C4H8O, hỏi có bao nhiêu hợp chất carbonyl thỏa mãn. Nếu em chỉ đoán theo cảm tính, rất dễ bỏ sót một cấu trúc phân nhánh hoặc đếm trùng hai tên gọi thực ra chỉ là một chất đọc từ hai đầu mạch.
Thử tự hỏi: C4H8O có bao nhiêu hợp chất carbonyl? Phần lớn học sinh mới chỉ nghĩ ra butanal CH3CH2CH2CHO rồi dừng lại, trong khi công thức này còn ứng với một ketone và một aldehyde phân nhánh nữa. Đếm sót là lỗi phổ biến nhất khi bài toán yêu cầu "tìm tất cả các cấu tạo" hoặc "biện luận công thức cấu tạo" từ một dữ kiện phản ứng, vì thiếu một cấu tạo đồng nghĩa với bỏ sót một trường hợp cần xét.
Trước tiên, tính độ bất bão hòa của công thức phân tử. Với CnH2nO, độ bất bão hòa luôn bằng 1, đúng bằng một liên kết đôi C=O, không còn chỗ cho vòng hay liên kết đôi C=C nào khác. Sau đó liệt kê hết các khung carbon (mạch carbon, chưa gắn nhóm chức) có thể có với đúng n carbon: bắt đầu từ mạch thẳng dài nhất, rồi rút ngắn dần và gắn nhánh. Với mỗi khung, quét lần lượt các vị trí có thể đặt nhóm carbonyl: đặt ở carbon đầu mạch cho một aldehyde, đặt ở một carbon giữa mạch (có đúng hai carbon láng giềng) cho một ketone. Cuối cùng, loại các cấu tạo trùng nhau do đối xứng của khung, vì đọc một mạch đối xứng từ hai đầu có thể ra cùng một tên.
Áp dụng: C4H8O có đúng ba đồng phân
Ví dụ 1 — Đếm đầy đủ đồng phân carbonyl của C4H8O
Liệt kê tất cả các hợp chất carbonyl ứng với công thức phân tử C4H8O.
Với 4 carbon chỉ có đúng hai khung: mạch thẳng (4 carbon nối liền) và mạch nhánh (carbon trung tâm gắn ba nhóm CH3, tức khung isobutane).
Đặt C=O ở carbon đầu (C1): được aldehyde CH3CH2CH2CHO (butanal). Đặt C=O ở C2: được ketone CH3COCH2CH3 (butan-2-one). Đặt ở C3 cho cùng ketone đó khi đọc mạch từ đầu kia, không phải chất thứ ba.
Carbon trung tâm của khung nhánh đã gắn đủ ba nhóm CH3, không còn đúng hai carbon láng giềng để làm carbon ketone. Chỉ carbon ở đầu (một trong ba nhóm CH3 tương đương) có thể mang C=O, cho aldehyde (CH3)2CHCHO (2-methylpropanal). Khung nhánh không cho ketone nào.
C4H8O có đúng ba đồng phân carbonyl: butanal, butan-2-one, 2-methylpropanal, gồm hai aldehyde và một ketone. Không có đồng phân thứ tư.
Mạch chính pentan (5 carbon), C=O ở C2 (đuôi "-2-one"), một nhóm methyl ở C4.
Đếm carbon: 5 carbon mạch chính cộng 1 carbon nhánh methyl, tổng C6H12O. Độ bất bão hòa =(2×6+2−12)/2=1, khớp đúng một C=O, không dư liên kết nào.
Mở rộng: C5H10O có bảy đồng phân
Áp dụng đúng quy trình bốn bước ở trên cho C5H10O, mỗi carbon dôi ra so với C4H8O làm số cấu tạo tăng nhanh hơn nhiều so với trực giác. Với aldehyde, nhóm thế R gắn vào −CHO là một gốc butyl bất kỳ trong bốn gốc butyl khác nhau đã biết (butyl thường, sec-butyl, isobutyl, tert-butyl), cho đúng bốn aldehyde. Với ketone, bốn carbon còn lại chia thành hai nhóm alkyl hai bên C=O: chia 1 và 3 cho hai cách (nhóm 3 carbon để thẳng hoặc phân nhánh), chia 2 và 2 chỉ cho một cách vì hai carbon không đủ chỗ phân nhánh, tổng ba ketone.
Ví dụ 3 — Đếm hệ thống, không sót, cho C5H10O
Đếm đầy đủ số đồng phân cấu tạo carbonyl của C5H10O.
R−CHO với R là gốc C4H9: pentanal (R = butyl thường), 2-methylbutanal (R = sec-butyl), 3-methylbutanal (R = isobutyl), 2,2-dimethylpropanal (R = tert-butyl). Bốn aldehyde, đúng bằng số gốc butyl khác nhau.
Một bên là CH3, bên còn lại là gốc C3H7: nếu gốc đó thẳng được pentan-2-one, nếu gốc đó phân nhánh (isopropyl) được 3-methylbutan-2-one. Hai ketone.
Hai bên đều là C2H5, không còn carbon dư để phân nhánh, chỉ một cấu tạo: pentan-3-one. Một ketone.
Tổng cộng 4+2+1=7 đồng phân carbonyl của C5H10O: bốn aldehyde và ba ketone. Không đếm trùng và không sót, vì mỗi cấu tạo được liệt kê đúng một lần theo quy trình chia khung.
Bẫy thường gặp: coi carbon trung tâm của khung phân nhánh (kiểu isobutane) cũng có thể mang ketone, trong khi carbon đó đã bận ba liên kết với ba nhóm CH3, không còn đúng hai carbon láng giềng cần thiết cho một ketone. Bẫy thứ hai: đếm "pentan-2-one" và "pentan-4-one" là hai chất khác nhau, trong khi đọc mạch pentan từ đầu kia thì C4 chính là C2, hai tên chỉ là một chất.
Đếm đồng phân carbonyl không phải chuyện thử từng cấu tạo bằng cảm tính, mà là một quy trình bốn bước lặp lại được: xác nhận độ bất bão hòa, liệt kê khung carbon, quét vị trí carbonyl trên từng khung, loại trùng do đối xứng. C4H8O có ba đồng phân, C5H10O có bảy, và con số tăng nhanh khi thêm mỗi carbon, đúng như biểu đồ cột ở trên cho thấy.
Bài tiếp theo dùng chính cơ chế cộng nucleophin vào C=O để giải thích vì sao carbonyl phản ứng được với HCN và với H2, thay vì chỉ nhớ phương trình tổng như ở khóa Foundation.