Bài học

Tính base của amine — so sánh mức độ base

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được tính base của amine bằng cặp electron tự do trên N, so sánh được mức độ base giữa amine béo, ammonia và aniline, và viết được các hiện tượng đổi màu chất chỉ thị tương ứng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học tính chất vật lí của amine (same-grade bridge). Ở lớp 11, em cũng đã học $NH_3$ có tính base vì N còn cặp electron tự do, nhận proton $H^+$ để tạo ion $NH_4^+$ (prior-grade review). Bài này mở rộng chính cơ chế đó cho amine, đồng thời chỉ ra vì sao gốc hydrocarbon gắn vào N lại làm thay đổi mạnh mức độ base.

Khởi động

Dung dịch methylamin trong nước làm quỳ tím hoá xanh, giống hệt dung dịch ammonia. Nhưng dung dịch aniline lại không làm quỳ tím đổi màu, dù aniline cũng mang đúng nhóm chức amine. Cùng là amine, vì sao tính base của chúng lại khác nhau đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Amine có tính base vì nguyên tử N còn một cặp electron chưa liên kết, có khả năng nhận proton $H^+$ — hoàn toàn cùng cơ chế với $NH_3$ : $RNH_2 + H_2O \rightleftharpoons RNH_3^+ + OH^-$ . Chính ion $OH^-$ sinh ra làm dung dịch có tính base, khiến quỳ tím hoá xanh, phenolphtalein hoá hồng.

Mức độ base mạnh hay yếu phụ thuộc vào mật độ electron trên N — càng nhiều electron tập trung ở N, N càng dễ nhường cặp electron cho $H^+$ , tính base càng mạnh.

Amine béo (gốc ankyl, ví dụ $CH_3NH_2$ ): gốc ankyl có hiệu ứng đẩy electron, làm tăng mật độ electron trên N so với $NH_3$ . Vì vậy amine béo có tính base mạnh hơn $NH_3$ : dung dịch làm quỳ tím hoá xanh rõ rệt, phenolphtalein hoá hồng đậm hơn dung dịch $NH_3$ cùng nồng độ.

Aniline ( $C_6H_5NH_2$ ): cặp electron tự do trên N không còn "rảnh rỗi" như ở amine béo — nó liên hợp một phần vào hệ electron $\pi$ của vòng benzen gắn liền kề, khiến mật độ electron trên N giảm mạnh so với $NH_3$ . Kết quả, aniline có tính base yếu hơn $NH_3$ rất nhiều — yếu đến mức dung dịch aniline trong nước không làm đổi màu quỳ tím.

Xếp theo mức phổ thông của chương trình, thứ tự tính base giảm dần là: amine béo $>$ ammonia $>$ aniline (amine thơm). Ghi nhớ thứ tự này theo đúng cơ chế — gốc đẩy electron làm tăng base, gốc thơm liên hợp hút bớt electron của N làm giảm base — sẽ giúp em suy luận được cả với những amine chưa từng gặp, thay vì học thuộc một bảng xếp hạng cố định.

Trong nội bộ nhóm amine béo, càng nhiều gốc ankyl gắn vào N thì hiệu ứng đẩy electron càng cộng dồn: đimetylamin $(CH_3)_2NH$ (bậc II, hai gốc metyl đẩy electron) có tính base mạnh hơn methylamin $CH_3NH_2$ (bậc I, một gốc metyl). Đây chỉ là quy luật ở mức phổ thông cho amine béo mạch ngắn — với amine bậc III và những gốc hydrocarbon cồng kềnh, hiệu ứng không gian (cản trở proton tiếp cận N) có thể làm phức tạp thêm bức tranh này, nhưng chương trình lớp 12 không yêu cầu đi sâu vào trường hợp đó.

Amine có tính base vì nguyên tử N còn **một cặp electron chưa liên kết**, có khả năng nhận proton $H^+$ — hoàn toàn cùng cơ chế với $NH_3$: $RNH_2 + H_2O \rightleftharpoons RNH_3^+ + OH^-$. Chính ion $OH^-$ sinh ra làm dung dịch có tính base, khiến quỳ tím hoá xanh, phenolphtalein hoá hồng. Mức độ base mạnh hay yếu phụ thuộc vào **mật độ electron trên N** — càng nhiều electron tập trung ở N, N càng dễ nhường cặp electron cho $H^+$, tính base càng mạnh. **Amine béo** (gốc ankyl, ví dụ $CH_3NH_2$): gốc ankyl có hiệu ứng đẩy electron, làm tăng mật độ electron trên N so với $NH_3$. Vì vậy amine béo có tính base **mạnh hơn** $NH_3$: dung dịch làm quỳ tím hoá xanh rõ rệt, phenolphtalein hoá hồng đậm hơn dung dịch $NH_3$ cùng nồng độ. **Aniline** ($C_6H_5NH_2$): cặp electron tự do trên N không còn "rảnh rỗi" như ở amine béo — nó liên hợp một phần vào hệ electron $\pi$ của vòng benzen gắn liền kề, khiến mật độ electron trên N **giảm** mạnh so với $NH_3$. Kết quả, aniline có tính base **yếu hơn** $NH_3$ rất nhiều — yếu đến mức dung dịch aniline trong nước **không làm đổi màu quỳ tím**. Xếp theo mức phổ thông của chương trình, thứ tự tính base giảm dần là: **amine béo $>$ ammonia $>$ aniline (amine thơm)**. Ghi nhớ thứ tự này theo đúng cơ chế — gốc đẩy electron làm tăng base, gốc thơm liên hợp hút bớt electron của N làm giảm base — sẽ giúp em suy luận được cả với những amine chưa từng gặp, thay vì học thuộc một bảng xếp hạng cố định. Trong nội bộ nhóm amine béo, càng nhiều gốc ankyl gắn vào N thì hiệu ứng đẩy electron càng cộng dồn: đimetylamin $(CH_3)_2NH$ (bậc II, hai gốc metyl đẩy electron) có tính base mạnh hơn methylamin $CH_3NH_2$ (bậc I, một gốc metyl). Đây chỉ là quy luật ở mức phổ thông cho amine béo mạch ngắn — với amine bậc III và những gốc hydrocarbon cồng kềnh, hiệu ứng không gian (cản trở proton tiếp cận N) có thể làm phức tạp thêm bức tranh này, nhưng chương trình lớp 12 không yêu cầu đi sâu vào trường hợp đó.

Thang "mức" ở đây chỉ mang tính minh hoạ thứ tự tương đối; giá trị

K_b

thực tế của ba chất chênh lệch nhau tới hàng nghìn lần chứ không tuyến tính như biểu đồ.Thang "mức" ở đây chỉ mang tính minh hoạ thứ tự tương đối; giá trị $K_b$ thực tế của ba chất chênh lệch nhau tới hàng nghìn lần chứ không tuyến tính như biểu đồ.

Ví dụ

Xếp hạng và giải thích mức độ base của ba chất

1
Sắp xếp $CH_3NH_2$ , $NH_3$ , $C_6H_5NH_2$ theo chiều tính base giảm dần. Giải thích.
Sắp xếp $CH_3NH_2$, $NH_3$, $C_6H_5NH_2$ theo chiều tính base giảm dần. Giải thích.
2
$CH_3NH_2$ : gốc metyl (ankyl) đẩy electron, tăng mật độ electron trên N so với $NH_3$ . $C_6H_5NH_2$ : gốc phenyl (thơm) hút bớt cặp electron của N vào hệ liên hợp $\pi$ của vòng, giảm mật độ electron trên N so với $NH_3$ .
$CH_3NH_2$: gốc metyl (ankyl) đẩy electron, tăng mật độ electron trên N so với $NH_3$. $C_6H_5NH_2$: gốc phenyl (thơm) hút bớt cặp electron của N vào hệ liên hợp $\pi$ của vòng, giảm mật độ electron trên N so với $NH_3$.
3
Mật độ electron trên N: $CH_3NH_2 > NH_3 > C_6H_5NH_2$ . Mật độ electron trên N càng cao, N càng dễ nhận $H^+$ , tính base càng mạnh.
Mật độ electron trên N: $CH_3NH_2 > NH_3 > C_6H_5NH_2$. Mật độ electron trên N càng cao, N càng dễ nhận $H^+$, tính base càng mạnh.
4
Vậy tính base giảm dần theo thứ tự $CH_3NH_2 > NH_3 > C_6H_5NH_2$ . Cụ thể, dung dịch $CH_3NH_2$ làm quỳ tím hoá xanh đậm nhất, dung dịch $NH_3$ hoá xanh nhạt hơn, còn dung dịch $C_6H_5NH_2$ hầu như không làm quỳ tím đổi màu.
Vậy tính base giảm dần theo thứ tự $CH_3NH_2 > NH_3 > C_6H_5NH_2$. Cụ thể, dung dịch $CH_3NH_2$ làm quỳ tím hoá xanh đậm nhất, dung dịch $NH_3$ hoá xanh nhạt hơn, còn dung dịch $C_6H_5NH_2$ hầu như không làm quỳ tím đổi màu.

Ví dụ

Phân biệt ba dung dịch mất nhãn chỉ bằng quỳ tím

1
Có ba lọ mất nhãn chứa dung dịch $NH_3$ , $CH_3NH_2$ , và $C_6H_5NH_2$ (aniline) có nồng độ xấp xỉ nhau. Chỉ dùng giấy quỳ tím, hãy đề xuất cách phân biệt ba lọ và giải thích kết quả dự kiến.
Có ba lọ mất nhãn chứa dung dịch $NH_3$, $CH_3NH_2$, và $C_6H_5NH_2$ (aniline) có nồng độ xấp xỉ nhau. Chỉ dùng giấy quỳ tím, hãy đề xuất cách phân biệt ba lọ và giải thích kết quả dự kiến.
2
Nhúng lần lượt một mẩu giấy quỳ tím vào từng dung dịch, quan sát mức độ đổi màu.
3
Lọ làm quỳ tím không đổi màu là dung dịch $C_6H_5NH_2$ , vì tính base của aniline quá yếu để làm đổi màu chất chỉ thị. Trong hai lọ còn lại, lọ làm quỳ tím hoá xanh đậm hơn là dung dịch $CH_3NH_2$ (tính base mạnh hơn $NH_3$ ), lọ làm quỳ tím hoá xanh nhạt hơn là dung dịch $NH_3$ .
Lọ làm quỳ tím **không đổi màu** là dung dịch $C_6H_5NH_2$, vì tính base của aniline quá yếu để làm đổi màu chất chỉ thị. Trong hai lọ còn lại, lọ làm quỳ tím **hoá xanh đậm hơn** là dung dịch $CH_3NH_2$ (tính base mạnh hơn $NH_3$), lọ làm quỳ tím hoá xanh **nhạt hơn** là dung dịch $NH_3$.
4
Vậy chỉ bằng một mẩu giấy quỳ tím, so sánh mức độ đậm nhạt của màu xanh sinh ra (và trường hợp không đổi màu), ta phân biệt được cả ba dung dịch mà không cần thêm thuốc thử nào khác.

Ví dụ

So sánh tính base giữa amine bậc I và bậc II cùng gốc ankyl

1
So sánh tính base của $CH_3NH_2$ (methylamin, bậc I) và $(CH_3)_2NH$ (đimetylamin, bậc II). Giải thích.
So sánh tính base của $CH_3NH_2$ (methylamin, bậc I) và $(CH_3)_2NH$ (đimetylamin, bậc II). Giải thích.
2
$CH_3NH_2$ có 1 gốc metyl đẩy electron vào N. $(CH_3)_2NH$ có 2 gốc metyl cùng đẩy electron vào N.
$CH_3NH_2$ có 1 gốc metyl đẩy electron vào N. $(CH_3)_2NH$ có 2 gốc metyl cùng đẩy electron vào N.
3
Hai gốc đẩy electron cộng dồn khiến mật độ electron trên N của $(CH_3)_2NH$ cao hơn ở $CH_3NH_2$ .
Hai gốc đẩy electron cộng dồn khiến mật độ electron trên N của $(CH_3)_2NH$ cao hơn ở $CH_3NH_2$.
4
Vậy $(CH_3)_2NH$ có tính base mạnh hơn $CH_3NH_2$ . Ở mức phổ thông, trong cùng dãy amine béo mạch ngắn, số gốc ankyl gắn vào N càng nhiều thì tính base càng có xu hướng tăng.
Vậy $(CH_3)_2NH$ có tính base mạnh hơn $CH_3NH_2$. Ở mức phổ thông, trong cùng dãy amine béo mạch ngắn, số gốc ankyl gắn vào N càng nhiều thì tính base càng có xu hướng tăng.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là mặc định "amine nào cũng làm quỳ tím hoá xanh" vì amine là base — quên mất aniline là ngoại lệ quan trọng, không làm đổi màu quỳ tím dù vẫn có tính base (rất yếu). Một lỗi khác là nhầm chiều ảnh hưởng: nghĩ vòng benzen "đẩy electron" giống gốc ankyl, trong khi thực tế vòng benzen liên hợp hút bớt electron của N, làm giảm chứ không tăng tính base.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Amine base vì cặp electron tự do trên N nhận $H^+$ . Gốc ankyl đẩy electron $\to$ base mạnh hơn $NH_3$ , càng nhiều gốc ankyl càng mạnh. Gốc thơm liên hợp hút bớt electron của N $\to$ base yếu hơn $NH_3$ , aniline không đổi màu quỳ tím. Thứ tự cốt lõi cần nhớ: amine béo $>$ $NH_3$ $>$ aniline.

Amine base vì cặp electron tự do trên N nhận $H^+$. Gốc ankyl đẩy electron $\to$ base mạnh hơn $NH_3$, càng nhiều gốc ankyl càng mạnh. Gốc thơm liên hợp hút bớt electron của N $\to$ base yếu hơn $NH_3$, aniline không đổi màu quỳ tím. Thứ tự cốt lõi cần nhớ: amine béo $>$ $NH_3$ $>$ aniline.

Bài tiếp theo dùng chính tính base này để viết phản ứng của amine với acid. Điều thú vị là aniline, dù tính base rất yếu và không đổi màu quỳ tím, vẫn phản ứng được với acid mạnh — chỉ khác amine béo ở mức độ dễ phản ứng, chứ không phải ở việc có phản ứng hay không.