Bài 19. Dẫn xuất halogen
Tìm hiểu về cấu tạo, tính chất và ứng dụng của dẫn xuất halogen của hydrocarbon.
Lý thuyết Dẫn xuất halogen
1. Định nghĩa và phân loại
a) Định nghĩa
Dẫn xuất halogen: Hợp chất hữu cơ có nguyên tử halogen (F, Cl, Br, I) thay thế H trong hydrocarbon.
Công thức chung: R-X (X = F, Cl, Br, I)
Ví dụ:
- CH₃Cl: Methyl chloride
- C₂H₅Br: Ethyl bromide
- CHCl₃: Chloroform
- CCl₄: Carbon tetrachloride
b) Phân loại
1. Theo số nguyên tử halogen:
- Monohalogen: CH₃Cl, C₂H₅Br
- Polyhalogen: CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄
2. Theo vị trí halogen:
- Bậc 1: R-CH₂-X (C mang X liên kết với 1 C khác)
- Bậc 2: R₂CH-X (C mang X liên kết với 2 C khác)
- Bậc 3: R₃C-X (C mang X liên kết với 3 C khác)
Ví dụ:
- Bậc 1: CH₃-CH₂-Cl
- Bậc 2: CH₃-CHCl-CH₃
- Bậc 3: (CH₃)₃C-Cl
3. Theo loại hydrocarbon:
- Dẫn xuất alkane: CH₃Cl, C₂H₅Br
- Dẫn xuất alkene: CH₂=CH-Cl (vinyl chloride)
- Dẫn xuất aren: C₆H₅Cl (chlorobenzene)
c) Danh pháp
Tên thông thường: Tên gốc + halide
- CH₃Cl: Methyl chloride
- C₂H₅Br: Ethyl bromide
Tên IUPAC: Vị trí + Halo + Tên hydrocarbon
- CH₃-CHCl-CH₃: 2-chloropropane
- CH₂Cl-CH₂Cl: 1,2-dichloroethane
2. Tính chất vật lý
a) Trạng thái và nhiệt độ sôi
| Chất | Trạng thái | t°s (°C) |
|---|---|---|
| CH₃Cl | Khí | -24 |
| CH₃Br | Khí | 4 |
| C₂H₅Cl | Khí | 12 |
| CHCl₃ | Lỏng | 61 |
| CCl₄ | Lỏng | 77 |
Quy luật:
- Nhiệt độ sôi tăng khi: Tăng M, tăng số halogen
- Cùng số C: I > Br > Cl > F
b) Độ tan
- Không tan hoặc ít tan trong nước
- Tan tốt trong dung môi hữu cơ
- Nặng hơn nước (d > 1)
c) Tính chất khác
- Không màu hoặc có màu nhạt
- Mùi đặc trưng
- Nhiều chất độc
- Dễ bay hơi
3. Tính chất hóa học
a) Phản ứng thế (SN)
1. Thế bằng OH⁻ (tạo alcohol):
CH₃Br + NaOH → CH₃OH + NaBr (nước, đun nóng)
Tổng quát: R-X + NaOH → R-OH + NaX
2. Thế bằng NH₃ (tạo amine):
CH₃Cl + NH₃ → CH₃NH₂ + HCl (đun nóng, áp suất)
3. Thế bằng CN⁻ (tạo nitrile):
CH₃Br + KCN → CH₃CN + KBr (ethanol)
b) Phản ứng tách (E)
Tách HX tạo alkene:
CH₃-CH₂Br + NaOH → CH₂=CH₂ + NaBr + H₂O (ethanol, đun nóng)
Quy tắc Zaitsev: H tách ưu tiên từ C kế bên có ít H hơn.
Ví dụ:
CH₃-CHBr-CH₃ + NaOH → CH₃-CH=CH₂ (sản phẩm chính)
c) Phản ứng với kim loại
Phản ứng Wurtz:
2CH₃Br + 2Na → CH₃-CH₃ + 2NaBr (ether khan)
Tổng quát: 2R-X + 2Na → R-R + 2NaX
Ứng dụng: Tổng hợp alkane đối xứng
d) Phản ứng với Mg (tạo thuốc thử Grignard)
CH₃Br + Mg → CH₃MgBr (ether khan)
Ứng dụng: Tổng hợp alcohol, acid
e) Độ hoạt động
Thứ tự: R-I > R-Br > R-Cl > R-F
Giải thích:
- Liên kết C-I yếu nhất → Dễ phản ứng nhất
- Liên kết C-F mạnh nhất → Khó phản ứng nhất
Theo bậc: Bậc 3 > Bậc 2 > Bậc 1
4. Điều chế và ứng dụng
a) Điều chế
1. Từ hydrocarbon:
CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (ánh sáng)
C₂H₄ + HBr → C₂H₅Br
C₆H₆ + Br₂ → C₆H₅Br + HBr (Fe)
2. Từ alcohol:
CH₃OH + HBr → CH₃Br + H₂O
ROH + PCl₃ → RCl + H₃PO₃
3. Cộng HX vào alkene:
CH₂=CH₂ + HCl → CH₃-CH₂Cl
b) Ứng dụng
1. Dung môi:
- CHCl₃: Dung môi chiết, gây mê (trước đây)
- CCl₄: Dung môi, chất chữa cháy
- CH₂Cl₂: Tẩy sơn, dung môi
2. Nguyên liệu hóa học:
- CH₃Cl: Sản xuất silicone
- C₂H₅Br: Chất chống kích nổ xăng
- CH₂=CHCl: Sản xuất PVC
3. Chất làm lạnh:
- Freon (CFCs): CCl₂F₂, CCl₃F
- Hiện bị cấm (phá hủy tầng ozone)
- Thay thế: HFCs, HCFCs
4. Thuốc trừ sâu:
- DDT: (ClC₆H₄)₂CHCCl₃
- Hiệu quả nhưng độc, tồn lưu lâu
- Đã bị cấm ở nhiều nước
5. Dược phẩm:
- Chloramphenicol: Kháng sinh
- Halothane: Gây mê
c) Tác hại và an toàn
Tác hại:
- Độc gan, thận
- Gây ung thư
- Phá hủy tầng ozone (CFCs)
- Ô nhiễm môi trường
An toàn:
- Làm việc trong môi trường thông gió
- Đeo bảo hộ (khẩu trang, găng tay)
- Xử lý chất thải đúng cách
- Hạn chế sử dụng CFCs
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Viết công thức và gọi tên
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định cấu tạo phân tử
- Viết công thức cấu tạo
- Đặt tên theo IUPAC
- Phân loại theo bậc
Ví dụ:
Phân tích: C₄H₉Cl có 4 đồng phân
Đồng phân 1: 1-chlorobutane (bậc 1)
CH₃-CH₂-CH₂-CH₂Cl
Cl ở C đầu mạch (C bậc 1)
Đồng phân 2: 2-chlorobutane (bậc 2)
CH₃-CHCl-CH₂-CH₃
Cl ở C giữa mạch (C bậc 2)
Đồng phân 3: 1-chloro-2-methylpropane (bậc 1)
CH₃
|
CH₃-CH-CH₂ClCl ở C đầu nhánh (C bậc 1)
Đồng phân 4: 2-chloro-2-methylpropane (bậc 3)
CH₃
|
CH₃-C-CH₃
|
ClCl ở C trung tâm (C bậc 3)
Phân loại:
- Bậc 1: Đồng phân 1, 3
- Bậc 2: Đồng phân 2
- Bậc 3: Đồng phân 4
Độ hoạt động: Đồng phân 4 > 2 > 1, 3
Dạng 2: Dạng 2: Bài toán về phản ứng
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Viết PTHH
- Tính toán theo mol
- Xác định sản phẩm
Ví dụ:
a) Phương trình:
CH₃Br + NaOH → CH₃OH + NaBr (H₂O, t°)
b) Tính khối lượng CH₃OH:
Bước 1: Tính số mol CH₃Br
M(CH₃Br) = 12 + 3 + 80 = 95 g/mol
n(CH₃Br) = 18.8 / 95 = 0.2 mol
Bước 2: Tính số mol CH₃OH lý thuyết
Theo PTHH: n(CH₃OH) = n(CH₃Br) = 0.2 mol
Bước 3: Tính theo hiệu suất
n(CH₃OH) thực tế = 0.2 × 80% = 0.16 mol
m(CH₃OH) = 0.16 × 32 = 5.12g
c) Với NaOH trong ethanol:
Phản ứng tách (elimination):
CH₃Br + NaOH → CH₂=CH₂ + NaBr + H₂O (C₂H₅OH, t°)
Nhưng CH₃Br chỉ có 1 C → Không tách được
Thử với C₂H₅Br:
C₂H₅Br + NaOH → CH₂=CH₂ + NaBr + H₂O (C₂H₅OH, t°)
Kết luận:
- NaOH/H₂O: Phản ứng thế → CH₃OH
- NaOH/C₂H₅OH: CH₃Br không tách (chỉ 1 C)
Đáp án: a) CH₃Br + NaOH → CH₃OH + NaBr; b) m = 5.12g; c) Không tách được (chỉ 1 C)
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về ứng dụng và môi trường
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích ứng dụng
- Đánh giá tác động
- Đề xuất giải pháp
Ví dụ:
a) Cơ chế phá hủy ozone:
Bước 1: CFCs lên tầng stratosphere
CCl₂F₂ rất bền, không phân hủy ở tầng đối lưu
Bay lên tầng stratosphere (15-50 km)
Bước 2: Phân hủy bởi tia UV
CCl₂F₂ + UV → CClF₂ + Cl• (gốc tự do)
Bước 3: Phá hủy ozone
Cl• + O₃ → ClO• + O₂
ClO• + O → Cl• + O₂
Chu trình: Cl• được tái tạo, tiếp tục phá hủy O₃
1 nguyên tử Cl có thể phá hủy 100,000 phân tử O₃
b) Tính khối lượng O₃ bị phá hủy:
Bước 1: Tính số mol CCl₂F₂
M(CCl₂F₂) = 12 + 2×35.5 + 2×19 = 121 g/mol
n(CCl₂F₂) = 1000 / 121 = 8.26 mol
Bước 2: Tính số nguyên tử Cl
Mỗi phân tử CCl₂F₂ có 2 Cl
n(Cl) = 2 × 8.26 = 16.52 mol
Số nguyên tử Cl = 16.52 × 6.02×10²³ = 9.95×10²⁴
Bước 3: Tính số phân tử O₃ bị phá hủy
Số O₃ = 9.95×10²⁴ × 100,000 = 9.95×10²⁹ phân tử
n(O₃) = 9.95×10²⁹ / (6.02×10²³) = 1.65×10⁶ mol
m(O₃) = 1.65×10⁶ × 48 = 7.92×10⁷ g = 79,200 kg = 79.2 tấn
Kết luận: 1 kg CFCs có thể phá hủy ~79 tấn ozone!
c) Chất thay thế và giải pháp:
1. Chất thay thế CFCs:
HCFCs (Hydrochlorofluorocarbons):
- Ví dụ: CHClF₂
- Có H → Phân hủy nhanh hơn ở tầng đối lưu
- Ít phá hủy ozone hơn (90-95%)
- Giải pháp tạm thời
HFCs (Hydrofluorocarbons):
- Ví dụ: CH₂F₂, CHF₃
- Không có Cl → Không phá hủy ozone
- Nhưng vẫn là khí nhà kính
- Đang được sử dụng rộng rãi
Chất tự nhiên:
- Ammonia (NH₃): Hiệu quả, rẻ, nhưng độc
- CO₂: An toàn, không phá hủy ozone
- Hydrocarbon (propane, isobutane): Dễ cháy
2. Giải pháp quốc tế:
Nghị định thư Montreal (1987):
- Cấm sản xuất và sử dụng CFCs
- Lộ trình loại bỏ dần
- Đã giảm 98% CFCs toàn cầu
- Tầng ozone đang phục hồi
3. Giải pháp cá nhân:
- Không sử dụng sản phẩm chứa CFCs
- Bảo dưỡng thiết bị làm lạnh (tránh rò rỉ)
- Thu hồi và xử lý CFCs đúng cách
- Chọn thiết bị thân thiện môi trường
4. Công nghệ mới:
- Làm lạnh từ tính
- Làm lạnh nhiệt điện
- Công nghệ không dùng chất làm lạnh
Kết quả:
- Lỗ thủng tầng ozone đang thu nhỏ
- Dự kiến phục hồi hoàn toàn vào 2050-2070
- Bài học: Hành động toàn cầu có hiệu quả