Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá (anđehit – xeton – axit cacboxylic)

VnHocTap.com giới thiệu đến các em học sinh lớp 11 bài viết Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá (anđehit – xeton – axit cacboxylic), nhằm giúp các em học tốt chương trình Hóa học 11.

Nội dung bài viết Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá (anđehit – xeton – axit cacboxylic):
Phương pháp: – Nắm vững tính chất hoá học và phương pháp điều chế anđehit, xeton, axit cacboxylic – Mối liên hệ giữa hiđrocacbon, dẫn xuất halogen, ancol với anđehit, xeton và axit cacboxylic. I. ANĐEHIT – XETON: 1. Tính chất hóa học a) Phản ứng cộng: Cộng H2 – Anđehit – ancol bậc I; Xeton – ancol bậc II; Ankenal → ankanal hoặc ancol; Liên kết C=C dễ bị khử hơn liên kết C=O; Cộng H2O (hiđrat hóa) focmađehit 99,9% – Dung dịch fomanđehit 37 – 40% trong nước gọi là fomalin chứa chủ yếu là dạng hiđrat H2C(OH)2 (99,9%), có khả năng làm đông tụ protein nên được dùng để ngâm bảo quản xác ướp động vật, thuộc da, tẩy uế.
Các đồng đẳng của fomanđehit cộng với H2O khó khăn hơn. Cộng hiđro xianua (HCN) tạo thành xianohiđrin: RCHO → RCH(OH)CN → RCH(OH)-COOH b) Phản ứng oxi hóa: RCHO → RCOOH anđehit axit cacboxylic. Chất oxi hóa có thể là KMnO4, [Ag(NH3)2] (có trong thuốc thử Toluen), Cu2+ với kiềm tactrat (có trong thuốc thử Fehling), Cu(OH)2. Với dung dịch AgNO3 trong NH3: R(CHO)x + 2x[Ag(NH3)2]OH = R(COONH4)x + 2xAg + 3xNH3 + xH2O. Tỉ lệ mol: nanđehit : nAg = 1 : 2x. Với anđehit đơn chức (x = 1): RCHO + 2[Ag(NH3)2]OH = R(COONH4)x + 2Ag + 3NH3 + H2O. Tỉ lệ mol: nanđehit : nAg = 1 : 2. Riêng với HCHO theo tỉ lệ mol nHCHO : nAg = 1 : 4.
Kết tủa với Cu(OH)2 (keo, xanh lam) trong NaOH. Xeton có tính khử yếu hơn anđehit nên không phản ứng được với AgNO3/NH3 và Cu(OH)2/NaOH. Tuy nhiên xeton có thể bị oxi hóa cắt mạch cacbon ngay sát nhóm cacbonyl để chuyển thành hai axit khi phản ứng với chất oxi hóa mạnh như KMnO4 + H2SO4 hoặc K2Cr2O7 + H2SO4. c) Phản ứng ở gốc hiđrocacbon: Nguyên tử hiđro ở bên cạnh nhóm cacbonyl dễ tham gia phản ứng. Ví dụ: CH3COCH3 + Br2 → CH2BrCOCH3 + HBr d) Phản ứng trùng hợp anđehit fomic: Nhị hợp: 2HCHO = CH2(OH)-CHO (2-hiđroxyletanol). Lục hợp: 6HCHO = C6H12O6 (glucozơ).
2. Điều chế: a) Điều chế anđehit: Oxi hóa ancol bậc I tương ứng: RCH2OH + 1/2.O2 = RCHO + H2O. Fomanđehit được điều chế trong công nghiệp bằng cách oxi hóa metanol nhờ oxi không khí 600 – 700°C với xúc tác là Cu hoặc Ag. 2CH3OH → 2HCHO + 2H2O. Thủy phân dẫn xuất đihalogen: RCHX2 + 2NaOH = RCHO + 2NaX + H2O. Điều chế fomanđehit: Oxi hóa không hoàn toàn metan là phương pháp mới sản xuất fomanđehit. Điều chế axetanđehit – Hiđrat hóa axetilen – Oxi hóa etilen là phương pháp hiện đại để sản xuất anđehit axetic. Điều chế benzanđehit – Đi từ benzen, cacbon monoxit, hiđroclorua có mặt AlCl3 khan. b) Điều chế xeton: Oxi hóa ancol bậc II. Hiđrat hóa đồng đẳng của axetilen. Nhiệt phân muối Na+ và Ca2+ của axit cacboxylic. Từ cumen. Nhiệt phân axit axetic.
II. AXIT CACBOXYLIC: 1. Tính chất vật lí: Ở điều kiện thường, tất cả các axit cacboxylic đều là những chất lỏng hoặc chất rắn. Điểm sôi của các axit cacboxylic cao hơn của anđehit, xeton và ancol có cùng số nguyên tử cacbon. Nguyên nhân là do sự phân cực của nhóm cacboxyl và sự tạo thành liên kết hiđro giữa các phân tử axit với nhau. Ví dụ: a) Liên kết hiđro giữa hai phân tử CH3COOH ở trạng thái hơi. b) Liên kết hiđro giữa nhiều phân tử axit ở trạng thái lỏng: Axit cacboxylic cũng tạo liên kết hiđro với nước và nhiều chất khác. Ví dụ: Liên kết hiđro giữa phân tử CH3COOH và các phân tử H2O trong dung dịch nước.
Các axit fomic, axetic, propionic tan vô hạn trong nước. Khi số nguyên tử cacbon tăng lên thì độ tan trong nước giảm. Mỗi axit cacboxylic có vị chua riêng biệt như axit axetic có vị chua giấm, axit xitric có vị chua chanh, axit oxalic có vị chua me. 2. Tính chất hóa học a) Tính axit: Trong dung dịch H2O, axit cacboxylic phân li theo cân bằng: RCOOH + H2O = RCOO- + H3O+. Lực axit càng lớn thì Ka càng lớn hay pKa càng nhỏ. Tính axit phụ thuộc vào sự phân cực liên kết O–H và do đó phụ thuộc vào gốc R.
Nếu R chứa nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử đẩy electron sẽ làm giảm điện tích dương (+) trên nguyên tử C của nhóm COOH nên sự phân cực của liên kết O-H giảm và tính axit giảm. Nếu gốc R chứa nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử hút electron sẽ làm tăng điện tích dương (+) trên nguyên tử C của nhóm –COOH và do đó liên kết -O-H càng phân cực và tính axit tăng. Các axit không no thường có tính axit mạnh hơn axit no tương ứng vì Csp2 và Csp có độ âm điện lớn hơn Csp3. Các axit thơm có tính axit mạnh hơn axit no. Các phản ứng thể hiện tính axit: dung dịch axit làm đổi màu quỳ tím thành đỏ, phản ứng với bazơ, oxit bazơ, kim loại hoạt động mạnh hơn H, phản ứng với muối của axit yếu hơn.
Chú ý: Axit cacboxylic nói chung chỉ là các axit yếu, do đó các axit mạnh như H2SO4, HCl … có thể đẩy chúng ra khỏi muối tương ứng: 2CH3COONa + H2SO4 → 2CH3COOH + Na2SO4. Axit hữu cơ cũng có thể đóng vai trò tác nhân công trong phản ứng kết hợp với hiđrocacbon chưa no. Trong phản ứng trung hòa: R(COOH)x + xNaOH → R(COONa)x + xH2O – Nếu một hỗn hợp 2 axit tác dụng với NaOH mà nNaOH > n2axit – ít nhất một trong 2 axit là đa chức. – Khối lượng 1 mol muối nặng hơn 1 mol axit. Hệ thức trên vẫn đúng cho hỗn hợp axit đơn chức hay đa chức. b) Phản ứng tạo thành dẫn xuất axit cacboxylic. Phản ứng với ancol (phản ứng este hóa).
Đặc điểm của phản ứng là thuận nghịch. Có thể tăng hiệu suất este bằng cách tăng thêm nồng độ của một trong 2 chất đầu, hoặc chưng cất lấy ngay este và nước ra khỏi hỗn hợp phản ứng. Phản ứng tách nước liên phân tử. Khi cho tác dụng với P2O5, hai phân tử axit tách đi một phân tử nước tạo thành phân tử anhiđrit axit. c) Phản ứng ở gốc hiđrocacbon: Phản ứng thế ở gốc no. – Gốc no của axit bị halogen hóa (clo, brom) ở vị trí xa khi có mặt các chất xúc tác như P, I2: CH3CH2-COOH + Br2 = CH3CHBrCOOH + HBr – Trong điều kiện chiếu sáng, sản phẩm halogen thu được chỉ có một lượng nhỏ đồng phân a.
Phản ứng cộng vào gốc hiđroacbon không no – Axit không no tham gia phản ứng Cộng Br2, HBr, H2O, H2. Một số axit không no tham gia phản ứng trùng hợp. Phản ứng thế ở gốc thơm: Các axit thơm khi tham gia phản ứng thế ở vòng benzen sẽ định hướng cho nhóm thế mới vào vị trí meta. Phản ứng tráng bạc: Nếu gốc hiđrocacbon là H (HCOOH) thì axit có phản ứng với dung dịch AgNO3/NH3, Cu(OH)2/NaOH do phân tử có chứa nhóm -CHO. 3. Điều chế a) Trong phòng thí nghiệm: Oxi hoá hiđrocacbon, ancol b) Trong công nghiệp: Axit axetic được sản xuất theo các phương pháp sau: Lên mem giấm : Là phương pháp cổ nhất, ngày nay chỉ còn dùng để sản xuất giấm ăn. Oxi hoá anđehit axetic: Trước đây là phương pháp chủ yếu sản xuất axit axetic. Đi từ metanol và cacbon oxit: Nhờ chất xúc tác thích hợp là phương pháp hiện đại sản xuất axit axetic.
Vì metanol và cacbon oxit đều được điều chế từ metan có sẵn trong khí thiên nhiên và khí dầu mỏ nên phương pháp này cho axit axetic với giá hạ thấp. Ví dụ 1: Hoàn thành sơ đồ chuyển hoá sau (mỗi mũi tên là một phản ứng, ghi rõ điều kiện phản ứng nếu có. Ví dụ 2: Cho sơ đồ phản ứng (mỗi mũi tên là một phản ứng): C4H10 – X1 – CH3COOC2H5 – X2 – X1. Biết rằng X1, X2 là các hợp chất hữu cơ khác nhau. Hãy viết phương trình hoá học của các phản ứng (ghi rõ điều kiện, nếu có) theo sơ đồ trên. Ví dụ 3: Viết các phương trình phản ứng thực hiện sơ đồ chuyển hóa sau (mỗi mũi tên một phản ứng, ghi rõ điều kiện, nếu có). Ví dụ 4: Cho sơ đồ chuyển hoá sau (mỗi mũi tên là một phản ứng). X1, X2 là các sản phẩm chính. Viết đầy đủ các phương trình phản ứng theo sơ đồ trên.