Bài học

Alkane, alkene, alkyne — cấu tạo và phản ứng đặc trưng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em gọi tên và viết đúng công thức cấu tạo của alkane, alkene, alkyne theo IUPAC, áp dụng đúng quy tắc Markovnikov cho phản ứng cộng HX vào alkene, và thiết kế được thí nghiệm phân biệt ba loại hydrocarbon này bằng nước bromine và thuốc thử $AgNO_3$ / $NH_3$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho ngôn ngữ đồng đẳng, đồng phân và cách viết công thức cấu tạo hợp lệ theo hóa trị IV của carbon. Bài này áp dụng trực tiếp ngôn ngữ đó cho ba dãy đồng đẳng hydrocarbon mạch hở: alkane (no), alkene (một liên kết đôi), alkyne (một liên kết ba).

Khởi động

Chỉ với một thuốc thử đơn giản là nước bromine, người ta có thể phân biệt được khí alkane với khí alkene chỉ trong vài giây — không cần thiết bị phức tạp. Đặc điểm cấu tạo nào của alkene khiến phép thử này hoạt động?

Kiến thức trọng tâm

Alkane ( $C_nH_{2n+2}$ ) chỉ có liên kết đơn $C-C$ , $C-H$ — tương đối trơ, không phản ứng cộng. Phản ứng đặc trưng là phản ứng thế (halogen hóa cần ánh sáng: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{as} CH_3Cl + HCl$ ), phản ứng cháy, và cracking (bẻ mạch, dùng trong công nghiệp lọc dầu để tạo hydrocarbon mạch ngắn hơn từ mạch dài).

Alkene ( $C_nH_{2n}$ ) có một liên kết đôi $C=C$ — kém bền hơn liên kết đơn nên phản ứng đặc trưng là phản ứng cộng: cộng $H_2$ (tạo alkane), cộng halogen (làm MẤT MÀU nước bromine — phép thử phân biệt trực tiếp alkene với alkane: $CH_2=CH_2 + Br_2 \to CH_2Br-CH_2Br$ ), cộng $HX$ theo quy tắc Markovnikov (nguyên tử $H$ ưu tiên gắn vào carbon mang liên kết đôi có nhiều $H$ hơn — carbon còn lại nhận $X$ ), và phản ứng trùng hợp tạo polymer (ví dụ polyethylene từ ethylene). Một alkene còn có thể tồn tại đồng phân hình học cis–trans khi mỗi carbon của liên kết đôi mang hai nhóm thế khác nhau.

Alkyne ( $C_nH_{2n-2}$ ) có một liên kết ba $C \equiv C$ — cũng phản ứng cộng tương tự alkene (có thể cộng theo hai giai đoạn: cộng 1 phân tử rồi mới cộng tiếp phân tử thứ hai). Điểm đặc trưng riêng của alkyne là alkyne đầu mạch (có $\equiv CH$ ở đầu mạch, ví dụ $HC \equiv CH$ , $HC \equiv C-CH_3$ ) phản ứng với dung dịch $AgNO_3$ / $NH_3$ tạo kết tủa vàng nhạt — phản ứng mà alkane và alkene hoàn toàn không có, cũng là phản ứng mà alkyne KHÔNG đầu mạch (như but-2-yne $CH_3-C\equiv C-CH_3$ ) cũng không cho, nên đây là phép thử phân biệt rất đặc hiệu.

Kết hợp cả hai phép thử: alkane không phản ứng với cả hai thuốc thử; alkene chỉ làm mất màu nước bromine; alkyne đầu mạch vừa làm mất màu nước bromine vừa tạo kết tủa vàng với $AgNO_3$ / $NH_3$ — nhờ vậy, phối hợp hai phép thử này đủ để phân biệt cả ba loại hydrocarbon trong một hỗn hợp khí chưa rõ thành phần.

Trong công nghiệp, alkane là thành phần chính của dầu mỏ và khí thiên nhiên — nguồn nguyên liệu cho cả nhiên liệu lẫn hóa chất cơ bản. Cracking (bẻ mạch) các phân tử alkane dài trong dầu mỏ thô tạo ra đồng thời alkane mạch ngắn hơn (dùng làm xăng, khí đốt) và alkene (nguyên liệu cho công nghiệp polymer) — nhờ vậy, dù bản thân alkane khá trơ về mặt hóa học, quá trình cracking vẫn biến chúng thành nguồn cung cấp alkene dồi dào cho phản ứng trùng hợp và các phản ứng cộng đã học ở trên.

**Alkane** ($C_nH_{2n+2}$) chỉ có liên kết đơn $C-C$, $C-H$ — tương đối trơ, không phản ứng cộng. Phản ứng đặc trưng là phản ứng thế (halogen hóa cần ánh sáng: $CH_4 + Cl_2 \xrightarrow{as} CH_3Cl + HCl$), phản ứng cháy, và cracking (bẻ mạch, dùng trong công nghiệp lọc dầu để tạo hydrocarbon mạch ngắn hơn từ mạch dài). **Alkene** ($C_nH_{2n}$) có một liên kết đôi $C=C$ — kém bền hơn liên kết đơn nên phản ứng đặc trưng là phản ứng cộng: cộng $H_2$ (tạo alkane), cộng halogen (làm MẤT MÀU nước bromine — phép thử phân biệt trực tiếp alkene với alkane: $CH_2=CH_2 + Br_2 \to CH_2Br-CH_2Br$), cộng $HX$ theo quy tắc Markovnikov (nguyên tử $H$ ưu tiên gắn vào carbon mang liên kết đôi có nhiều $H$ hơn — carbon còn lại nhận $X$), và phản ứng trùng hợp tạo polymer (ví dụ polyethylene từ ethylene). Một alkene còn có thể tồn tại đồng phân hình học cis–trans khi mỗi carbon của liên kết đôi mang hai nhóm thế khác nhau. **Alkyne** ($C_nH_{2n-2}$) có một liên kết ba $C \equiv C$ — cũng phản ứng cộng tương tự alkene (có thể cộng theo hai giai đoạn: cộng 1 phân tử rồi mới cộng tiếp phân tử thứ hai). Điểm đặc trưng riêng của alkyne là **alkyne đầu mạch** (có $\equiv CH$ ở đầu mạch, ví dụ $HC \equiv CH$, $HC \equiv C-CH_3$) phản ứng với dung dịch $AgNO_3$/$NH_3$ tạo kết tủa vàng nhạt — phản ứng mà alkane và alkene hoàn toàn không có, cũng là phản ứng mà alkyne KHÔNG đầu mạch (như but-2-yne $CH_3-C\equiv C-CH_3$) cũng không cho, nên đây là phép thử phân biệt rất đặc hiệu. Kết hợp cả hai phép thử: alkane không phản ứng với cả hai thuốc thử; alkene chỉ làm mất màu nước bromine; alkyne đầu mạch vừa làm mất màu nước bromine vừa tạo kết tủa vàng với $AgNO_3$/$NH_3$ — nhờ vậy, phối hợp hai phép thử này đủ để phân biệt cả ba loại hydrocarbon trong một hỗn hợp khí chưa rõ thành phần. Trong công nghiệp, alkane là thành phần chính của dầu mỏ và khí thiên nhiên — nguồn nguyên liệu cho cả nhiên liệu lẫn hóa chất cơ bản. Cracking (bẻ mạch) các phân tử alkane dài trong dầu mỏ thô tạo ra đồng thời alkane mạch ngắn hơn (dùng làm xăng, khí đốt) và alkene (nguyên liệu cho công nghiệp polymer) — nhờ vậy, dù bản thân alkane khá trơ về mặt hóa học, quá trình cracking vẫn biến chúng thành nguồn cung cấp alkene dồi dào cho phản ứng trùng hợp và các phản ứng cộng đã học ở trên.

Nhiệt độ sôi tăng đều đặn khi mạch carbon dài thêm một nhóm

CH_2

, do lực tương tác van der Waals giữa các phân tử tăng theo khối lượng phân tử.Nhiệt độ sôi tăng đều đặn khi mạch carbon dài thêm một nhóm $CH_2$, do lực tương tác van der Waals giữa các phân tử tăng theo khối lượng phân tử.

Ví dụ

Gọi tên và viết công thức cấu tạo

1
Gọi tên hydrocarbon $CH_3-CH=CH-CH_3$ theo IUPAC và cho biết nó có đồng phân hình học hay không. Sau đó viết công thức cấu tạo của but-1-yne.
Gọi tên hydrocarbon $CH_3-CH=CH-CH_3$ theo IUPAC và cho biết nó có đồng phân hình học hay không. Sau đó viết công thức cấu tạo của but-1-yne.
2
Mạch chính 4 carbon, liên kết đôi ở vị trí carbon số 2: đây là but-2-ene ( $CH_3-CH=CH-CH_3$ ).
Mạch chính 4 carbon, liên kết đôi ở vị trí carbon số 2: đây là but-2-ene ($CH_3-CH=CH-CH_3$).
3
Mỗi carbon của liên kết đôi đều mang một nhóm $CH_3$ và một nguyên tử $H$ — hai nhóm thế khác nhau ở cả hai carbon, nên but-2-ene CÓ đồng phân hình học: dạng cis (hai nhóm $CH_3$ cùng phía) và dạng trans (hai nhóm $CH_3$ khác phía).
Mỗi carbon của liên kết đôi đều mang một nhóm $CH_3$ và một nguyên tử $H$ — hai nhóm thế khác nhau ở cả hai carbon, nên but-2-ene CÓ đồng phân hình học: dạng cis (hai nhóm $CH_3$ cùng phía) và dạng trans (hai nhóm $CH_3$ khác phía).
4
But-1-yne có liên kết ba ở vị trí carbon số 1 (đầu mạch), 4 carbon: $HC \equiv C-CH_2-CH_3$ — đây là alkyne đầu mạch, sẽ phản ứng được với $AgNO_3$ / $NH_3$ .
But-1-yne có liên kết ba ở vị trí carbon số 1 (đầu mạch), 4 carbon: $HC \equiv C-CH_2-CH_3$ — đây là alkyne đầu mạch, sẽ phản ứng được với $AgNO_3$/$NH_3$.

Ví dụ

Áp dụng quy tắc Markovnikov — dạng thi

1
Cho propene ( $CH_2=CH-CH_3$ ) tác dụng với khí $HCl$ . Dự đoán sản phẩm chính theo quy tắc Markovnikov và giải thích ngắn gọn cơ sở của quy tắc này.
Cho propene ($CH_2=CH-CH_3$) tác dụng với khí $HCl$. Dự đoán sản phẩm chính theo quy tắc Markovnikov và giải thích ngắn gọn cơ sở của quy tắc này.
2
Carbon số 1 ( $CH_2=$ ) mang 2 nguyên tử $H$ ; carbon số 2 ( $=CH-CH_3$ ) chỉ mang 1 nguyên tử $H$ .
Carbon số 1 ($CH_2=$) mang 2 nguyên tử $H$; carbon số 2 ($=CH-CH_3$) chỉ mang 1 nguyên tử $H$.
3
Nguyên tử $H$ của $HCl$ ưu tiên gắn vào carbon mang NHIỀU $H$ hơn (carbon số 1), còn $Cl$ gắn vào carbon còn lại (carbon số 2, mang ít $H$ hơn).
Nguyên tử $H$ của $HCl$ ưu tiên gắn vào carbon mang NHIỀU $H$ hơn (carbon số 1), còn $Cl$ gắn vào carbon còn lại (carbon số 2, mang ít $H$ hơn).
4
Sản phẩm chính là 2-chloropropane: $CH_3-CHCl-CH_3$ (chứ không phải 1-chloropropane).
Sản phẩm chính là 2-chloropropane: $CH_3-CHCl-CH_3$ (chứ không phải 1-chloropropane).
5
Vậy $CH_2=CH-CH_3 + HCl \to CH_3-CHCl-CH_3$ (sản phẩm chính). Quy tắc Markovnikov phản ánh độ bền tương đối của carbocation trung gian hình thành trong quá trình cộng — kiến thức này thuộc phạm vi giải thích sâu hơn, ở mức nền tảng em chỉ cần áp dụng đúng quy tắc.
Vậy $CH_2=CH-CH_3 + HCl \to CH_3-CHCl-CH_3$ (sản phẩm chính). Quy tắc Markovnikov phản ánh độ bền tương đối của carbocation trung gian hình thành trong quá trình cộng — kiến thức này thuộc phạm vi giải thích sâu hơn, ở mức nền tảng em chỉ cần áp dụng đúng quy tắc.

Ví dụ

Phân biệt ba khí bằng phép thử phối hợp

1
Có ba bình khí không màu, mất nhãn: $CH_4$ , $CH_2=CH_2$ , $HC \equiv CH$ . Đề xuất quy trình chỉ dùng nước bromine và dung dịch $AgNO_3$ / $NH_3$ để nhận biết cả ba.
Có ba bình khí không màu, mất nhãn: $CH_4$, $CH_2=CH_2$, $HC \equiv CH$. Đề xuất quy trình chỉ dùng nước bromine và dung dịch $AgNO_3$/$NH_3$ để nhận biết cả ba.
2
Dẫn từng khí qua nước bromine. Khí không làm mất màu là $CH_4$ (alkane trơ với phản ứng cộng). Hai khí còn lại ( $CH_2=CH_2$ và $HC \equiv CH$ ) đều làm mất màu nước bromine do có liên kết bội.
Dẫn từng khí qua nước bromine. Khí không làm mất màu là $CH_4$ (alkane trơ với phản ứng cộng). Hai khí còn lại ($CH_2=CH_2$ và $HC \equiv CH$) đều làm mất màu nước bromine do có liên kết bội.
3
Dẫn hai khí còn lại qua dung dịch $AgNO_3$ / $NH_3$ . Khí tạo kết tủa vàng nhạt là $HC \equiv CH$ (alkyne đầu mạch, phản ứng đặc trưng). Khí không có hiện tượng gì là $CH_2=CH_2$ .
Dẫn hai khí còn lại qua dung dịch $AgNO_3$/$NH_3$. Khí tạo kết tủa vàng nhạt là $HC \equiv CH$ (alkyne đầu mạch, phản ứng đặc trưng). Khí không có hiện tượng gì là $CH_2=CH_2$.
4
Vậy: khí không làm mất màu nước bromine là $CH_4$ ; khí làm mất màu nước bromine nhưng không tạo kết tủa với $AgNO_3$ / $NH_3$ là $CH_2=CH_2$ ; khí làm mất màu nước bromine VÀ tạo kết tủa vàng là $HC \equiv CH$ .
Vậy: khí không làm mất màu nước bromine là $CH_4$; khí làm mất màu nước bromine nhưng không tạo kết tủa với $AgNO_3$/$NH_3$ là $CH_2=CH_2$; khí làm mất màu nước bromine VÀ tạo kết tủa vàng là $HC \equiv CH$.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay áp dụng phép thử $AgNO_3$ / $NH_3$ cho MỌI alkyne — quên rằng chỉ alkyne ĐẦU MẠCH (có $\equiv CH$ ) mới phản ứng; alkyne giữa mạch như but-2-yne ( $CH_3-C\equiv C-CH_3$ ) không cho phản ứng này, dễ nhầm lẫn khi kết luận.

Học sinh hay áp dụng phép thử $AgNO_3$/$NH_3$ cho MỌI alkyne — quên rằng chỉ alkyne ĐẦU MẠCH (có $\equiv CH$) mới phản ứng; alkyne giữa mạch như but-2-yne ($CH_3-C\equiv C-CH_3$) không cho phản ứng này, dễ nhầm lẫn khi kết luận.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Alkane: thế + cháy, trơ với Br2. Alkene: cộng (Markovnikov với HX), làm mất màu nước bromine, có thể có đồng phân cis-trans. Alkyne: cộng như alkene; alkyne ĐẦU MẠCH thêm phản ứng đặc trưng với $AgNO_3$ / $NH_3$ (kết tủa vàng).

Bài tiếp theo ôn tập arene (hydrocarbon thơm) và dẫn xuất halogen — hai mảng còn lại của phần hydrocarbon trước khi chuyển sang các hợp chất chứa nhóm chức oxygen.