Bài học

Cơ chế phản ứng trùng ngưng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được điều kiện monomer tham gia trùng ngưng, phân biệt được trùng ngưng với trùng hợp, viết được phương trình tạo nylon-6,6 và tơ lapsan, và tính toán được khối lượng sản phẩm trùng ngưng có kèm hiệu suất.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 1, em đã học phản ứng ester hóa: axit + alcohol tạo ester và tách ra một phân tử $H_2O$ . Bài này áp dụng đúng nguyên lý "kết hợp và tách nước" đó, nhưng lặp đi lặp lại hàng nghìn lần với các monomer mang HAI nhóm chức trở lên, để tạo ra một mạch polymer dài — hoàn toàn khác với cơ chế trùng hợp (giữ nguyên số nguyên tử) đã học ở Chương 2.

Ở Course 1, em đã học phản ứng ester hóa: axit + alcohol tạo ester và tách ra một phân tử $H_2O$. Bài này áp dụng đúng nguyên lý "kết hợp và tách nước" đó, nhưng lặp đi lặp lại hàng nghìn lần với các monomer mang HAI nhóm chức trở lên, để tạo ra một mạch polymer dài — hoàn toàn khác với cơ chế trùng hợp (giữ nguyên số nguyên tử) đã học ở Chương 2.

Khởi động

Sợi nylon-6,6 dệt áo, dây câu, lưới đánh cá không hề chứa liên kết đôi $C=C$ nào trong monomer ban đầu — khác hẳn PE, PVC. Vậy làm sao các monomer của nó nối được với nhau thành mạch dài như PE? Câu trả lời nằm ở một cơ chế phản ứng hoàn toàn khác: mỗi lần nối hai monomer, một phân tử nước nhỏ bị tách ra — giống hệt phản ứng este hóa em đã học, chỉ lặp lại liên tục thay vì chỉ một lần.

Ở nhiều làng nghề dệt lưới đánh cá ven biển Việt Nam, sợi nylon đã dần thay thế sợi đay, sợi gai truyền thống nhờ độ bền kéo cao và khả năng chống thấm nước, chịu mặn tốt hơn hẳn — một minh chứng thực tế cho việc hiểu đúng bản chất phản ứng hóa học tạo ra vật liệu có thể dẫn tới thay đổi cả một ngành nghề truyền thống.

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng trùng ngưng là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) thành phân tử lớn (polymer), đồng thời giải phóng những phân tử nhỏ khác (thường là $H_2O$ ). Điều kiện để một monomer tham gia trùng ngưng: phân tử phải có ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng với nhau — thường gặp là nhóm $-NH_2$ , $-COOH$ , $-OH$ . Chính hai nhóm chức ở hai đầu phân tử cho phép mỗi monomer nối được với HAI monomer khác (một ở mỗi đầu), nhờ đó mạch mới kéo dài liên tục thay vì dừng lại sau một lần phản ứng như ester hóa thông thường.

Ví dụ điển hình: nylon-6,6 (tơ poliamit) tạo từ hexametylenđiamin $H_2N-(CH_2)_6-NH_2$ (hai nhóm $-NH_2$ ) phản ứng với axit ađipic $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ (hai nhóm $-COOH$ ): $n\,H_2N-(CH_2)_6-NH_2 + n\,HOOC-(CH_2)_4-COOH \xrightarrow{t^\circ} [-HN-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n + 2n\,H_2O$ . Cứ mỗi cặp monomer nối với nhau tại một đầu, một phân tử $H_2O$ lại tách ra — nhóm $-NH_2$ của monomer này phản ứng với nhóm $-COOH$ của monomer kia, tạo liên kết amit $-CO-NH-$ , giống hệt liên kết peptide em đã gặp ở Course 4.

Tơ lapsan (poli(etilen terephtalat), PET) tạo từ axit terephtalic $HOOC-C_6H_4-COOH$ và etilen glicol $HOCH_2CH_2OH$ , theo cùng nguyên lý: nhóm $-COOH$ và $-OH$ phản ứng với nhau, tách $H_2O$ , tạo liên kết ester lặp lại dọc mạch. Vì phản ứng trùng ngưng luôn tách bớt khối lượng dưới dạng phân tử nhỏ, khối lượng polymer tạo thành LUÔN NHỎ HƠN tổng khối lượng các monomer ban đầu đã phản ứng — khác hẳn trùng hợp, nơi khối lượng được bảo toàn hoàn toàn.

Điểm khác biệt này không chỉ nằm trên giấy — nó có ý nghĩa thực tế rõ rệt. Trong sản xuất công nghiệp, khi tính toán nguyên liệu đầu vào cho một mẻ trùng ngưng, kỹ sư phải luôn trừ hao phần khối lượng sẽ mất đi dưới dạng nước bay hơi, chứ không thể áp dụng phép tính "1 kg monomer cho ra đúng 1 kg polymer" như với trùng hợp. Đây cũng là lý do vì sao phản ứng trùng ngưng thường cần đun ở nhiệt độ khá cao và kéo dài — để nước sinh ra liên tục bay hơi thoát khỏi hỗn hợp, đẩy cân bằng phản ứng dịch chuyển theo chiều tạo polymer, giống hệt nguyên tắc dịch chuyển cân bằng mà em đã gặp ở phản ứng ester hóa.

**Phản ứng trùng ngưng** là quá trình kết hợp nhiều phân tử nhỏ (monomer) thành phân tử lớn (polymer), đồng thời **giải phóng những phân tử nhỏ khác** (thường là $H_2O$). Điều kiện để một monomer tham gia trùng ngưng: phân tử phải có **ít nhất hai nhóm chức có khả năng phản ứng** với nhau — thường gặp là nhóm $-NH_2$, $-COOH$, $-OH$. Chính hai nhóm chức ở hai đầu phân tử cho phép mỗi monomer nối được với HAI monomer khác (một ở mỗi đầu), nhờ đó mạch mới kéo dài liên tục thay vì dừng lại sau một lần phản ứng như ester hóa thông thường. Ví dụ điển hình: **nylon-6,6** (tơ poliamit) tạo từ hexametylenđiamin $H_2N-(CH_2)_6-NH_2$ (hai nhóm $-NH_2$) phản ứng với axit ađipic $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ (hai nhóm $-COOH$): $n\,H_2N-(CH_2)_6-NH_2 + n\,HOOC-(CH_2)_4-COOH \xrightarrow{t^\circ} [-HN-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]_n + 2n\,H_2O$. Cứ mỗi cặp monomer nối với nhau tại một đầu, một phân tử $H_2O$ lại tách ra — nhóm $-NH_2$ của monomer này phản ứng với nhóm $-COOH$ của monomer kia, tạo liên kết amit $-CO-NH-$, giống hệt liên kết peptide em đã gặp ở Course 4. **Tơ lapsan** (poli(etilen terephtalat), PET) tạo từ axit terephtalic $HOOC-C_6H_4-COOH$ và etilen glicol $HOCH_2CH_2OH$, theo cùng nguyên lý: nhóm $-COOH$ và $-OH$ phản ứng với nhau, tách $H_2O$, tạo liên kết ester lặp lại dọc mạch. Vì phản ứng trùng ngưng luôn tách bớt khối lượng dưới dạng phân tử nhỏ, khối lượng polymer tạo thành LUÔN NHỎ HƠN tổng khối lượng các monomer ban đầu đã phản ứng — khác hẳn trùng hợp, nơi khối lượng được bảo toàn hoàn toàn. Điểm khác biệt này không chỉ nằm trên giấy — nó có ý nghĩa thực tế rõ rệt. Trong sản xuất công nghiệp, khi tính toán nguyên liệu đầu vào cho một mẻ trùng ngưng, kỹ sư phải luôn trừ hao phần khối lượng sẽ mất đi dưới dạng nước bay hơi, chứ không thể áp dụng phép tính "1 kg monomer cho ra đúng 1 kg polymer" như với trùng hợp. Đây cũng là lý do vì sao phản ứng trùng ngưng thường cần đun ở nhiệt độ khá cao và kéo dài — để nước sinh ra liên tục bay hơi thoát khỏi hỗn hợp, đẩy cân bằng phản ứng dịch chuyển theo chiều tạo polymer, giống hệt nguyên tắc dịch chuyển cân bằng mà em đã gặp ở phản ứng ester hóa.

Ví dụ

Viết phương trình trùng ngưng tạo tơ lapsan

1
Viết phương trình hóa học của phản ứng trùng ngưng giữa axit terephtalic $HOOC-C_6H_4-COOH$ và etilen glicol $HOCH_2CH_2OH$ tạo tơ lapsan.
Viết phương trình hóa học của phản ứng trùng ngưng giữa axit terephtalic $HOOC-C_6H_4-COOH$ và etilen glicol $HOCH_2CH_2OH$ tạo tơ lapsan.
2
Axit terephtalic có hai nhóm $-COOH$ ; etilen glicol có hai nhóm $-OH$ — cả hai monomer đều thỏa điều kiện trùng ngưng (≥2 nhóm chức).
Axit terephtalic có hai nhóm $-COOH$; etilen glicol có hai nhóm $-OH$ — cả hai monomer đều thỏa điều kiện trùng ngưng (≥2 nhóm chức).
3
$n\,HOOC-C_6H_4-COOH + n\,HOCH_2CH_2OH \xrightarrow{t^\circ, xt} [-CO-C_6H_4-CO-O-CH_2CH_2-O-]_n + 2n\,H_2O$ .
$n\,HOOC-C_6H_4-COOH + n\,HOCH_2CH_2OH \xrightarrow{t^\circ, xt} [-CO-C_6H_4-CO-O-CH_2CH_2-O-]_n + 2n\,H_2O$.
4
Vậy phản ứng tạo tơ lapsan (PET) là phản ứng trùng ngưng, mỗi đơn vị lặp giải phóng thêm một phân tử $H_2O$ ra khỏi mạch polymer.
Vậy phản ứng tạo tơ lapsan (PET) là phản ứng trùng ngưng, mỗi đơn vị lặp giải phóng thêm một phân tử $H_2O$ ra khỏi mạch polymer.

Ví dụ

Tính khối lượng nylon-6,6 thu được từ axit ađipic

1
Cho 146 kg axit ađipic $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ ( $M = 146$ ) phản ứng trùng ngưng vừa đủ với hexametylenđiamin, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng nylon-6,6 thu được, biết đơn vị lặp $[-HN-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]$ có $M = 226$ .
Cho 146 kg axit ađipic $HOOC-(CH_2)_4-COOH$ ($M = 146$) phản ứng trùng ngưng vừa đủ với hexametylenđiamin, hiệu suất phản ứng đạt 80%. Tính khối lượng nylon-6,6 thu được, biết đơn vị lặp $[-HN-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]$ có $M = 226$.
2
$n_{axit} = \dfrac{146\,000}{146} = 1\,000$ mol.
$n_{axit} = \dfrac{146\,000}{146} = 1\,000$ mol.
3
Theo PT, cứ 1 mol axit ađipic phản ứng vừa đủ với 1 mol hexametylenđiamin tạo ra 1 mol đơn vị lặp $[-HN-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]$ (và $2$ mol $H_2O$ tách ra). Vậy $n_{đơn vị lặp} = 1\,000$ mol.
Theo PT, cứ 1 mol axit ađipic phản ứng vừa đủ với 1 mol hexametylenđiamin tạo ra 1 mol đơn vị lặp $[-HN-(CH_2)_6-NH-CO-(CH_2)_4-CO-]$ (và $2$ mol $H_2O$ tách ra). Vậy $n_{đơn vị lặp} = 1\,000$ mol.
4
$m_{nylon,\,lý\ thuyết} = 1\,000 \times 226 = 226\,000$ g $= 226$ kg. Với hiệu suất 80%: $m_{nylon,\,thực\ tế} = 226 \times 80\% = 180{,}8$ kg.
$m_{nylon,\,lý\ thuyết} = 1\,000 \times 226 = 226\,000$ g $= 226$ kg. Với hiệu suất 80%: $m_{nylon,\,thực\ tế} = 226 \times 80\% = 180{,}8$ kg.
5
Vậy khối lượng nylon-6,6 thu được là $\approx 180{,}8$ kg.
Vậy khối lượng nylon-6,6 thu được là $\approx 180{,}8$ kg.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là áp dụng "khối lượng monomer = khối lượng polymer" như ở trùng hợp vào bài toán trùng ngưng. Với trùng ngưng, phải LUÔN trừ khối lượng phân tử nhỏ đã tách ra ( $H_2O$ ) khi tính khối lượng đơn vị lặp — quên bước này sẽ tính sai kết quả dù đặt đúng số mol. Một nhầm lẫn khác: cho rằng monomer chỉ cần có nhóm $-OH$ hay $-COOH$ là đủ tham gia trùng ngưng — thực chất phải có ÍT NHẤT HAI nhóm chức phản ứng được trên cùng một phân tử, nếu chỉ có một nhóm chức, phân tử đó chỉ phản ứng được một lần rồi dừng lại, không thể kéo dài mạch.

Sai lầm phổ biến nhất là áp dụng "khối lượng monomer = khối lượng polymer" như ở trùng hợp vào bài toán trùng ngưng. Với trùng ngưng, phải LUÔN trừ khối lượng phân tử nhỏ đã tách ra ($H_2O$) khi tính khối lượng đơn vị lặp — quên bước này sẽ tính sai kết quả dù đặt đúng số mol. Một nhầm lẫn khác: cho rằng monomer chỉ cần có nhóm $-OH$ hay $-COOH$ là đủ tham gia trùng ngưng — thực chất phải có ÍT NHẤT HAI nhóm chức phản ứng được trên cùng một phân tử, nếu chỉ có một nhóm chức, phân tử đó chỉ phản ứng được một lần rồi dừng lại, không thể kéo dài mạch.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Trùng ngưng: monomer có ≥2 nhóm chức, phản ứng tách phân tử nhỏ (thường H2O), khối lượng polymer NHỎ HƠN tổng khối lượng monomer. Nylon-6,6 từ điamin + điaxit; tơ lapsan từ điaxit terephtalic + điol.

Bài tiếp theo học một sản phẩm trùng ngưng đặc biệt — nhựa phenol-formaldehyde — polymer đầu tiên có cấu trúc mạch mạng lưới không gian, chính là ví dụ mở đầu cho khái niệm nhựa nhiệt rắn. Đây cũng là lúc em thấy trùng ngưng không chỉ tạo ra tơ mạch thẳng như nylon-6,6, mà còn có thể tạo ra vật liệu với cấu trúc hoàn toàn khác.