Bài học

Đồng phân cấu tạo, bậc amin và so sánh định lượng tính base

Em sẽ làm được gì?

Bài này dạy em liệt kê có hệ thống toàn bộ đồng phân cấu tạo của một amin no, đơn chức, mạch hở theo đúng bậc (I, II, III), và so sánh định lượng tính base giữa các amin bằng hiệu ứng đẩy/hút electron của gốc hydrocarbon, thay vì chỉ thuộc lòng "amin béo mạnh hơn amin thơm".

Cần nhớ trước

Em đã học ở phần Foundation: amin là sản phẩm thế H trong NH3 bằng gốc hydrocarbon; phân loại amin bậc I, II, III theo số gốc hydrocarbon gắn vào N; amin béo làm quỳ tím hóa xanh, aniline thì không. Bài này không nhắc lại định nghĩa đó, mà dạy em cách đếm đủ và xếp hạng đúng.

Ở mức Foundation, một bài tập thường chỉ cho một amin cụ thể, ví dụ $CH_3NH_2$ hay $C_2H_5NH_2$ , và hỏi bậc của nó. Đề HSG lại hay hỏi ngược: cho một công thức phân tử, ví dụ $C_4H_{11}N$ , và bắt liệt kê hết các đồng phân cấu tạo ứng với công thức đó, phân loại theo bậc, rồi xếp hạng tính base. Thiếu một đồng phân là sai cả bài, dù từng đồng phân đã liệt kê đều đúng.

Ở mức Foundation, một bài tập thường chỉ cho một amin cụ thể, ví dụ $CH_3NH_2$ hay $C_2H_5NH_2$, và hỏi bậc của nó. Đề HSG lại hay hỏi ngược: cho một công thức phân tử, ví dụ $C_4H_{11}N$, và bắt liệt kê **hết** các đồng phân cấu tạo ứng với công thức đó, phân loại theo bậc, rồi xếp hạng tính base. Thiếu một đồng phân là sai cả bài, dù từng đồng phân đã liệt kê đều đúng.

Đếm đồng phân bằng cách đếm gốc alkyl

Một amin no, đơn chức, mạch hở ứng với công thức $C_nH_{2n+3}N$ được tạo thành bằng cách thế các nguyên tử H của $NH_3$ bởi gốc hydrocarbon no. Bậc I có một gốc gắn vào N, bậc II có hai gốc, bậc III có ba gốc; tổng số carbon trong các gốc luôn bằng $n$ . Muốn đếm đủ, em cần biết trước số gốc alkyl (nhóm hóa trị I) ứng với mỗi số carbon: $C_1$ có 1 gốc (metyl), $C_2$ có 1 gốc (etyl), $C_3$ có 2 gốc (n-propyl, isopropyl), $C_4$ có 4 gốc (n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl).

Một amin no, đơn chức, mạch hở ứng với công thức $C_nH_{2n+3}N$ được tạo thành bằng cách thế các nguyên tử H của $NH_3$ bởi gốc hydrocarbon no. Bậc I có một gốc gắn vào N, bậc II có hai gốc, bậc III có ba gốc; tổng số carbon trong các gốc luôn bằng $n$. Muốn đếm đủ, em cần biết trước số gốc alkyl (nhóm hóa trị I) ứng với mỗi số carbon: $C_1$ có 1 gốc (metyl), $C_2$ có 1 gốc (etyl), $C_3$ có 2 gốc (n-propyl, isopropyl), $C_4$ có 4 gốc (n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl).

Mở rộng dành cho HSG: quy trình đếm đồng phân amin bằng cách chia $n$ thành tổng 1, 2 hoặc 3 số carbon dương rồi nhân số gốc alkyl tương ứng không nằm trong yêu cầu chuẩn của Lớp 12 — SGK chỉ yêu cầu nhận biết bậc của một amin cho sẵn. Ta giới thiệu vì đề HSG luôn đòi liệt kê đủ, không chấp nhận đếm thiếu. Tiên quyết: thuộc số đồng phân gốc alkyl của $C_1$ – $C_4$ ở trên.

Ví dụ liệt kê đầy đủ

Ví dụ

Ví dụ 1 — Liệt kê hết đồng phân amin của

C_3H_9N

Ví dụ 1 — Liệt kê hết đồng phân amin của $C_3H_9N$

1
Viết công thức cấu tạo và xác định bậc của tất cả đồng phân amin ứng với công thức phân tử $C_3H_9N$ .
Viết công thức cấu tạo và xác định bậc của tất cả đồng phân amin ứng với công thức phân tử $C_3H_9N$.
2
Gốc $C_3$ có 2 đồng phân: n-propyl và isopropyl. Bậc I: $CH_3CH_2CH_2NH_2$ (propan-1-amine) và $CH_3CH(NH_2)CH_3$ (propan-2-amine). Hai chất.
Gốc $C_3$ có 2 đồng phân: n-propyl và isopropyl. Bậc I: $CH_3CH_2CH_2NH_2$ (propan-1-amine) và $CH_3CH(NH_2)CH_3$ (propan-2-amine). Hai chất.
3
Một gốc $C_1$ (metyl, 1 đồng phân) ghép với một gốc $C_2$ (etyl, 1 đồng phân): $CH_3-NH-CH_2CH_3$ (N-methylethanamine). Không còn cách chia nào khác cho tổng 3 với hai phần dương. Một chất.
Một gốc $C_1$ (metyl, 1 đồng phân) ghép với một gốc $C_2$ (etyl, 1 đồng phân): $CH_3-NH-CH_2CH_3$ (N-methylethanamine). Không còn cách chia nào khác cho tổng 3 với hai phần dương. Một chất.
4
Ba gốc metyl: $(CH_3)_3N$ (trimethylamine). Một chất.
Ba gốc metyl: $(CH_3)_3N$ (trimethylamine). Một chất.
5
Tổng cộng $C_3H_9N$ có đúng $2+1+1=4$ đồng phân amin: hai bậc I, một bậc II, một bậc III. Thiếu bất kỳ chất nào trong bốn chất trên là chưa liệt kê đủ.
Tổng cộng $C_3H_9N$ có đúng $2+1+1=4$ đồng phân amin: hai bậc I, một bậc II, một bậc III. Thiếu bất kỳ chất nào trong bốn chất trên là chưa liệt kê đủ.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Đếm số đồng phân của

C_4H_{11}N

mà không cần vẽ hếtVí dụ 2 — Đếm số đồng phân của $C_4H_{11}N$ mà không cần vẽ hết

1
Không cần viết hết công thức cấu tạo, hãy xác định tổng số đồng phân amin no, đơn chức, mạch hở ứng với $C_4H_{11}N$ .
Không cần viết hết công thức cấu tạo, hãy xác định tổng số đồng phân amin no, đơn chức, mạch hở ứng với $C_4H_{11}N$.
2
Gốc $C_4$ có 4 đồng phân alkyl (n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl), nên có 4 amin bậc I.
Gốc $C_4$ có 4 đồng phân alkyl (n-butyl, isobutyl, sec-butyl, tert-butyl), nên có 4 amin bậc I.
3
Chia $4=1+3$ : gốc $C_1$ (1 đồng phân) ghép gốc $C_3$ (2 đồng phân) cho $1\times2=2$ chất. Chia $4=2+2$ : hai gốc etyl giống nhau, chỉ cho $1$ chất (không nhân đôi vì hai gốc trùng loại). Tổng bậc II: $2+1=3$ chất.
Chia $4=1+3$: gốc $C_1$ (1 đồng phân) ghép gốc $C_3$ (2 đồng phân) cho $1\times2=2$ chất. Chia $4=2+2$: hai gốc etyl giống nhau, chỉ cho $1$ chất (không nhân đôi vì hai gốc trùng loại). Tổng bậc II: $2+1=3$ chất.
4
Chỉ có một cách chia $4=1+1+2$ : hai gốc metyl (giống nhau) ghép một gốc etyl, cho đúng $1$ chất: $(CH_3)_2N-CH_2CH_3$ .
Chỉ có một cách chia $4=1+1+2$: hai gốc metyl (giống nhau) ghép một gốc etyl, cho đúng $1$ chất: $(CH_3)_2N-CH_2CH_3$.
5
Tổng số đồng phân amin của $C_4H_{11}N$ là $4+3+1=8$ chất. Đây là con số chuẩn học sinh giỏi phải tự đếm ra được, không phải học thuộc.
Tổng số đồng phân amin của $C_4H_{11}N$ là $4+3+1=8$ chất. Đây là con số chuẩn học sinh giỏi phải tự đếm ra được, không phải học thuộc.

8 chất chia thành 3 nhóm bậc — đếm đủ cả ba nhóm mới xem là liệt kê hết.

So sánh định lượng tính base

Tính base của amin gắn liền với mật độ electron tự do trên N: gốc hydrocarbon càng đẩy electron mạnh (gốc ankyl), N càng giàu electron, amin càng base mạnh; gốc càng hút electron hoặc liên hợp với vòng thơm (như gốc phenyl trong aniline), electron tự do trên N bị kéo vào vòng, amin càng base yếu. Bậc amin cũng ảnh hưởng: bậc II thường base mạnh hơn bậc I nhờ hai gốc ankyl cùng đẩy electron, nhưng bậc III trong dung dịch nước lại yếu đi vì hiệu ứng không gian cồng kềnh cản trở amin proton hóa tạo liên kết hydro bền với nước.

pKb càng nhỏ thì tính base càng mạnh: (CH3)2NH mạnh nhất, C6H5NH2 yếu nhất trong bốn chất.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Xếp hạng tính base bốn chất

1
Sắp xếp theo chiều tăng dần tính base: $NH_3$ , $CH_3NH_2$ , $C_6H_5NH_2$ (aniline), $(CH_3)_2NH$ .
Sắp xếp theo chiều tăng dần tính base: $NH_3$, $CH_3NH_2$, $C_6H_5NH_2$ (aniline), $(CH_3)_2NH$.
2
Gốc $C_6H_5-$ liên hợp với cặp electron tự do trên N, kéo mật độ electron vào vòng benzene, làm N nghèo electron. Aniline base yếu hơn cả $NH_3$ : $C_6H_5NH_2 < NH_3$ .
Gốc $C_6H_5-$ liên hợp với cặp electron tự do trên N, kéo mật độ electron vào vòng benzene, làm N nghèo electron. Aniline base yếu hơn cả $NH_3$: $C_6H_5NH_2 < NH_3$.
3
Gốc $CH_3-$ đẩy electron, làm N giàu electron hơn so với $NH_3$ : $NH_3 < CH_3NH_2$ .
Gốc $CH_3-$ đẩy electron, làm N giàu electron hơn so với $NH_3$: $NH_3 < CH_3NH_2$.
4
$(CH_3)_2NH$ có hai gốc metyl cùng đẩy electron vào N, mật độ electron trên N cao hơn $CH_3NH_2$ (chỉ một gốc đẩy): $CH_3NH_2 < (CH_3)_2NH$ .
$(CH_3)_2NH$ có hai gốc metyl cùng đẩy electron vào N, mật độ electron trên N cao hơn $CH_3NH_2$ (chỉ một gốc đẩy): $CH_3NH_2 < (CH_3)_2NH$.
5
Vậy chiều tăng dần tính base là $C_6H_5NH_2 < NH_3 < CH_3NH_2 < (CH_3)_2NH$ , đúng như thứ tự pKb giảm dần trong biểu đồ.
Vậy chiều tăng dần tính base là $C_6H_5NH_2 < NH_3 < CH_3NH_2 < (CH_3)_2NH$, đúng như thứ tự pKb giảm dần trong biểu đồ.

Luyện tập có hướng dẫn

Bẫy thường gặp

Ba chỗ học sinh hay vấp: quên đếm cả ba bậc, chỉ liệt kê bậc I rồi bỏ sót bậc II và III; khi chia $n$ thành hai hoặc ba phần bằng nhau (ví dụ $2+2$ hay $1+1+2$ ) lại nhân đôi nhầm dù các gốc giống nhau không tạo ra chất mới; và khi so sánh tính base, quên xét hiệu ứng không gian ở bậc III, chỉ đếm số gốc đẩy electron mà kết luận bậc III luôn mạnh nhất.

Ba chỗ học sinh hay vấp: quên đếm cả ba bậc, chỉ liệt kê bậc I rồi bỏ sót bậc II và III; khi chia $n$ thành hai hoặc ba phần bằng nhau (ví dụ $2+2$ hay $1+1+2$) lại nhân đôi nhầm dù các gốc giống nhau không tạo ra chất mới; và khi so sánh tính base, quên xét hiệu ứng không gian ở bậc III, chỉ đếm số gốc đẩy electron mà kết luận bậc III luôn mạnh nhất.

Đếm đồng phân và so sánh tính base là công cụ nền, không phải đích đến. Bài tiếp theo dùng chính công thức phân tử $C_nH_{2n+3}N$ để giải bài toán ngược: cho dữ kiện đốt cháy hoặc dữ kiện phản ứng với HCl, dựng lại công thức phân tử của một amin chưa biết.