Bài học

Chọn phương pháp cho bài toán hữu cơ đa hợp chất

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nhận diện đúng nhóm chất (ester, carbohydrate, hay peptide) đứng sau một bộ dữ kiện đốt cháy trông giống hệt nhau, bằng cách đọc đúng dữ kiện phụ đề cho thêm.

Kiến thức cần có

Cần thuộc phản ứng đốt cháy ester no đơn chức $C_nH_{2n}O_2$ , đốt cháy carbohydrate dạng $C_nH_{2n}O_n$ (glucose, fructose), đốt cháy hợp chất chứa N sinh khí $N_2$ , phản ứng đặc trưng của glucose với $Cu(OH)_2$ , và phản ứng của ester với NaOH theo tỉ lệ mol.

Cần thuộc phản ứng đốt cháy ester no đơn chức $C_nH_{2n}O_2$, đốt cháy carbohydrate dạng $C_nH_{2n}O_n$ (glucose, fructose), đốt cháy hợp chất chứa N sinh khí $N_2$, phản ứng đặc trưng của glucose với $Cu(OH)_2$, và phản ứng của ester với NaOH theo tỉ lệ mol.

Câu hỏi mở đầu

Ba đề bài đều cho đốt cháy một chất hữu cơ thu được đúng 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O. Nếu chỉ nhìn hai con số này, em có thể khẳng định đó là ester, carbohydrate hay peptide không? Cần thêm loại dữ kiện nào để phân biệt?

Ba chất, một bộ dữ kiện đốt cháy

Một đề thi HSG trộn nhiều dạng bài vào cùng một đề, và không ít lần cố tình cho ba chất khác hẳn nhau nhưng cùng cho ra một cặp số CO2, H2O. Đó là lúc dữ kiện phụ — không phải dữ kiện đốt cháy — mới là chỗ em cần đọc kỹ nhất.

Xét cùng lúc ba khả năng: ester no đơn chức mạch hở $C_3H_6O_2$ , carbohydrate glucose $C_6H_{12}O_6$ , và đipeptide Gly-Gly $C_4H_8N_2O_3$ . Với đúng số mol phù hợp, cả ba đều đốt cháy cho 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O — con số đốt cháy không nói lên chất nào trong ba chất này.

Xét cùng lúc ba khả năng: ester no đơn chức mạch hở $C_3H_6O_2$, carbohydrate glucose $C_6H_{12}O_6$, và đipeptide Gly-Gly $C_4H_8N_2O_3$. Với đúng số mol phù hợp, cả ba đều đốt cháy cho 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O — con số đốt cháy không nói lên chất nào trong ba chất này.

Dữ kiện đốt cháy giống nhau không phân biệt được ba chất; dữ kiện phụ mới là chìa khóa.

Điều kiện cần kiểm trước khi kết luận

Trước khi gắn nhãn một chất là ester, phải kiểm nó không chứa nitơ (không sinh N2 khi đốt) và có phản ứng NaOH đúng tỉ lệ ester. Trước khi gắn nhãn carbohydrate, phải kiểm tỉ lệ H:C là 2:1 đúng công thức $C_nH_{2n}O_n$ và có phản ứng đặc trưng với Cu(OH)2. Trước khi gắn nhãn peptide, bắt buộc phải thấy khí N2 thoát ra khi đốt cháy — đây là dấu hiệu không thể nhầm lẫn.

Chuẩn Hướng dẫn giải

Chuẩn Hướng dẫn giải cho bài chẩn đoán: (1) viết PTHH đốt cháy cho từng khả năng; (2) tính số mol chất ứng với cặp CO2, H2O đã cho; (3) đối chiếu với dữ kiện phụ (N2, phản ứng Cu(OH)2, phản ứng NaOH) để loại các khả năng sai; (4) kết luận bằng 'Vậy …' nêu đúng chất và số mol.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Ba chất cùng cho 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O

1
Đốt cháy hoàn toàn một lượng chất hữu cơ X (chưa rõ loại) thu được đúng 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O. Biết X thuộc một trong ba khả năng: (a) ester no đơn chức mạch hở $C_3H_6O_2$ , (b) glucose $C_6H_{12}O_6$ , (c) đipeptide Gly-Gly $C_4H_8N_2O_3$ . Với mỗi khả năng, tính số mol X tương ứng, rồi nêu đúng một dữ kiện phụ để phân biệt X thật sự là chất nào trong ba trường hợp.
Đốt cháy hoàn toàn một lượng chất hữu cơ X (chưa rõ loại) thu được đúng 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O. Biết X thuộc một trong ba khả năng: (a) ester no đơn chức mạch hở $C_3H_6O_2$, (b) glucose $C_6H_{12}O_6$, (c) đipeptide Gly-Gly $C_4H_8N_2O_3$. Với mỗi khả năng, tính số mol X tương ứng, rồi nêu đúng một dữ kiện phụ để phân biệt X thật sự là chất nào trong ba trường hợp.
2
Cặp số 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O khớp với cả ba công thức nếu chọn đúng số mol — không có cách nào chỉ từ đốt cháy mà chọn được một trong ba, phải dùng thêm dữ kiện phụ đề bài không nêu ở đây mà nêu ở phần sau của đề.
3
Viết PTHH đốt cháy cho từng khả năng, giải ra số mol X ứng với 0,3 mol CO2, rồi liệt kê dấu hiệu riêng (N2, phản ứng Cu(OH)2, tỉ lệ mol NaOH) sẽ xuất hiện ở phần dữ kiện phụ của đề thật.
4
Trường hợp (a): $C_3H_6O_2 + \dfrac{7}{2}O_2 \rightarrow 3CO_2+3H_2O$ . Để $n_{CO_2}=0{,}3$ mol, cần $n_{ester}=0{,}1$ mol; $n_{H_2O}=0{,}1\times3=0{,}3$ mol, khớp đề. Trường hợp (b): $C_6H_{12}O_6+6O_2\rightarrow6CO_2+6H_2O$ . Để $n_{CO_2}=0{,}3$ mol, cần $n_{glucose}=0{,}05$ mol; $n_{H_2O}=0{,}05\times6=0{,}3$ mol, khớp đề. Trường hợp (c): $C_4H_8N_2O_3+\dfrac{9}{2}O_2\rightarrow4CO_2+4H_2O+N_2$ . Để $n_{CO_2}=0{,}3$ mol, cần $n_{Gly-Gly}=0{,}075$ mol; $n_{H_2O}=0{,}075\times4=0{,}3$ mol, khớp đề, và sinh thêm $n_{N_2}=0{,}075$ mol. Vậy cả ba trường hợp đều khớp đúng 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O, và dấu hiệu phân biệt duy nhất nằm ở dữ kiện phụ: nếu đề báo có khí N2 thoát ra khi đốt, X là đipeptide Gly-Gly (0,075 mol); nếu X hòa tan Cu(OH)2 tạo dung dịch xanh lam ở nhiệt độ thường mà không sinh N2, X là glucose (0,05 mol); nếu X phản ứng NaOH theo đúng tỉ lệ mol 1:1 mà không có hai dấu hiệu trên, X là ester (0,1 mol).
Trường hợp (a): $C_3H_6O_2 + \dfrac{7}{2}O_2 \rightarrow 3CO_2+3H_2O$. Để $n_{CO_2}=0{,}3$ mol, cần $n_{ester}=0{,}1$ mol; $n_{H_2O}=0{,}1\times3=0{,}3$ mol, khớp đề. Trường hợp (b): $C_6H_{12}O_6+6O_2\rightarrow6CO_2+6H_2O$. Để $n_{CO_2}=0{,}3$ mol, cần $n_{glucose}=0{,}05$ mol; $n_{H_2O}=0{,}05\times6=0{,}3$ mol, khớp đề. Trường hợp (c): $C_4H_8N_2O_3+\dfrac{9}{2}O_2\rightarrow4CO_2+4H_2O+N_2$. Để $n_{CO_2}=0{,}3$ mol, cần $n_{Gly-Gly}=0{,}075$ mol; $n_{H_2O}=0{,}075\times4=0{,}3$ mol, khớp đề, và sinh thêm $n_{N_2}=0{,}075$ mol. Vậy cả ba trường hợp đều khớp đúng 0,3 mol CO2 và 0,3 mol H2O, và dấu hiệu phân biệt duy nhất nằm ở dữ kiện phụ: nếu đề báo có khí N2 thoát ra khi đốt, X là đipeptide Gly-Gly (0,075 mol); nếu X hòa tan Cu(OH)2 tạo dung dịch xanh lam ở nhiệt độ thường mà không sinh N2, X là glucose (0,05 mol); nếu X phản ứng NaOH theo đúng tỉ lệ mol 1:1 mà không có hai dấu hiệu trên, X là ester (0,1 mol).
5
Cả ba số mol đều dương và cho đúng tỉ lệ CO2:H2O = 1:1 phù hợp với công thức phân tử của từng chất ( $C_3H_6O_2$ : H=2C; $C_6H_{12}O_6$ : H=2C; $C_4H_8N_2O_3$ : H=2C); không trường hợp nào bị loại chỉ bằng dữ kiện đốt cháy, đúng như lập luận ở bước Ý tưởng chính.
Cả ba số mol đều dương và cho đúng tỉ lệ CO2:H2O = 1:1 phù hợp với công thức phân tử của từng chất ($C_3H_6O_2$: H=2C; $C_6H_{12}O_6$: H=2C; $C_4H_8N_2O_3$: H=2C); không trường hợp nào bị loại chỉ bằng dữ kiện đốt cháy, đúng như lập luận ở bước Ý tưởng chính.
6
Nếu đề đổi thành 0,4 mol CO2 và 0,4 mol H2O, chỉ cần nhân tỉ lệ: $n_{ester}=0{,}1333$ mol, $n_{glucose}=0{,}0667$ mol, $n_{Gly-Gly}=0{,}1$ mol — cách phân biệt bằng dữ kiện phụ không đổi.
Nếu đề đổi thành 0,4 mol CO2 và 0,4 mol H2O, chỉ cần nhân tỉ lệ: $n_{ester}=0{,}1333$ mol, $n_{glucose}=0{,}0667$ mol, $n_{Gly-Gly}=0{,}1$ mol — cách phân biệt bằng dữ kiện phụ không đổi.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Phân biệt amino acid tự do và đipeptide có cùng phản ứng NaOH

1
Hai mẫu chất Y1 và Y2 đều phản ứng vừa đủ với 0,2 mol NaOH và đều chứa nguyên tố N. Y1 là hỗn hợp 0,2 mol glycine (Gly, $C_2H_5NO_2$ ) tự do. Y2 là 0,1 mol đipeptide Gly-Gly ( $C_4H_8N_2O_3$ , đã thủy phân hoàn toàn trước khi phản ứng NaOH). Vì sao cùng dùng 0,2 mol NaOH nhưng khối lượng chất ban đầu của Y1 và Y2 khác nhau, và làm sao phân biệt hai mẫu bằng phản ứng màu biure?
Hai mẫu chất Y1 và Y2 đều phản ứng vừa đủ với 0,2 mol NaOH và đều chứa nguyên tố N. Y1 là hỗn hợp 0,2 mol glycine (Gly, $C_2H_5NO_2$) tự do. Y2 là 0,1 mol đipeptide Gly-Gly ($C_4H_8N_2O_3$, đã thủy phân hoàn toàn trước khi phản ứng NaOH). Vì sao cùng dùng 0,2 mol NaOH nhưng khối lượng chất ban đầu của Y1 và Y2 khác nhau, và làm sao phân biệt hai mẫu bằng phản ứng màu biure?
2
Số mol NaOH bằng nhau chỉ nói lên tổng số nhóm COOH cần trung hòa bằng nhau (0,2 mol), không nói lên hai mẫu có cùng cấu tạo hay cùng khối lượng.
3
Tính khối lượng mỗi mẫu từ số mol và phân tử khối riêng, so sánh; dùng phản ứng biure (Cu(OH)2 trong môi trường kiềm cho màu tím) làm dấu hiệu phân biệt vì phản ứng này chỉ xảy ra khi có từ hai liên kết peptide trở lên.
4
$M_{Gly}=75$ , nên $m_{Y_1}=0{,}2\times75=15$ gam. $M_{Gly-Gly}=132$ , nên $m_{Y_2}=0{,}1\times132=13{,}2$ gam. Cùng dùng 0,2 mol NaOH vì Y1 có 0,2 mol nhóm COOH (mỗi phân tử Gly một nhóm) còn Y2 có 0,1 mol đipeptide nhưng mỗi phân tử đóng góp 2 nhóm COOH sau khi thủy phân, tổng cũng 0,2 mol. Về phản ứng biure: Gly-Gly có một liên kết peptide duy nhất, chưa đủ điều kiện cho phản ứng biure (cần từ hai liên kết peptide trở lên, tức từ tripeptide trở lên); glycine tự do không có liên kết peptide nên càng không phản ứng biure. Vậy cả Y1 và Y2 đều không cho phản ứng màu biure — phép thử này không phân biệt được hai mẫu trong trường hợp cụ thể này, phải dùng phép thử khác như đun nóng thủy phân rồi định lượng số mol nước sinh ra.
$M_{Gly}=75$, nên $m_{Y_1}=0{,}2\times75=15$ gam. $M_{Gly-Gly}=132$, nên $m_{Y_2}=0{,}1\times132=13{,}2$ gam. Cùng dùng 0,2 mol NaOH vì Y1 có 0,2 mol nhóm COOH (mỗi phân tử Gly một nhóm) còn Y2 có 0,1 mol đipeptide nhưng mỗi phân tử đóng góp 2 nhóm COOH sau khi thủy phân, tổng cũng 0,2 mol. Về phản ứng biure: Gly-Gly có một liên kết peptide duy nhất, chưa đủ điều kiện cho phản ứng biure (cần từ hai liên kết peptide trở lên, tức từ tripeptide trở lên); glycine tự do không có liên kết peptide nên càng không phản ứng biure. Vậy cả Y1 và Y2 đều không cho phản ứng màu biure — phép thử này không phân biệt được hai mẫu trong trường hợp cụ thể này, phải dùng phép thử khác như đun nóng thủy phân rồi định lượng số mol nước sinh ra.
5
15 gam và 13,2 gam đều là số dương hợp lý, và tỉ lệ NaOH:mẫu (2:1 cho Gly-Gly như đã học ở Course 4) khớp với 0,1 mol Gly-Gly dùng 0,2 mol NaOH.
6
Nếu thay Y2 bằng 0,1 mol tripeptide Gly-Gly-Gly, phản ứng biure sẽ dương tính (hai liên kết peptide trở lên), cho một dấu hiệu phân biệt thật sự với Y1.

Luyện tập có hướng dẫn

Tự luyện và challenge checkpoint

Lỗi thường gặp

Ba lỗi thường gặp: kết luận vội chất là gì chỉ dựa vào số liệu đốt cháy trong khi đề còn dữ kiện phụ ở phần sau; quên rằng phản ứng biure cần từ hai liên kết peptide trở lên, không phải cứ chứa N là dương tính; và nhầm chỉ số H trong công thức carbohydrate (H luôn gấp đôi C ở dạng $C_nH_{2n}O_n$ ) với ester no đơn chức (cũng H gấp đôi C nhưng công thức $C_nH_{2n}O_2$ ) — hai công thức trông giống nhau về tỉ lệ H:C nhưng khác hẳn về O.

Ba lỗi thường gặp: kết luận vội chất là gì chỉ dựa vào số liệu đốt cháy trong khi đề còn dữ kiện phụ ở phần sau; quên rằng phản ứng biure cần từ hai liên kết peptide trở lên, không phải cứ chứa N là dương tính; và nhầm chỉ số H trong công thức carbohydrate (H luôn gấp đôi C ở dạng $C_nH_{2n}O_n$) với ester no đơn chức (cũng H gấp đôi C nhưng công thức $C_nH_{2n}O_2$) — hai công thức trông giống nhau về tỉ lệ H:C nhưng khác hẳn về O.

Bài này rèn kỹ năng đọc đề trước khi tính: nhận đúng nhóm chất từ dữ kiện phụ, không vội kết luận từ mỗi con số đốt cháy. Bài sau dùng kỹ năng này để giải một đề tổng hợp hữu cơ nhiều phần và trình bày lời giải hoàn chỉnh cho từng phần.