Bài 16: Hydrocarbon không no

I. Khái niệm, đồng phân, danh pháp

1. Khái niệm và công thức chung của alkene, alkyne

Hydrocarbon không no là những hydrocarbon trong phân tử có chứa liên kết đôi, liên kết ba (gọi chung là liên kết bội) hoặc đồng thời cả liên kết đôi và liên kết ba.

Bảng 1: Khái niệm, công thức chung, ví dụ về alkene, alkyne.

Hydrocarbon không no	Alkene	Alkyne
Khái niệm	Alkene là các hydrocarbon không no, mạch hở, có chứa một liên kết đôi C\(=\)C trong phân tử.	Alkene là các hydrocarbon không no, mạch hở, có chứa một liên kết ba C\(\equiv\)C trong phân tử.
Công thức chung	CnH2n (n ≥ 2)	CnH2n-2 (n ≥ 2)
Ví dụ	C2H4, C3H6, C4H8,...	C2H2, C3H4, C4H6,...

2. Đồng phân

a) Đồng phân cấu tạo

Alkene và alkyne có hai loại đông phân cấu tạo là đồng phân vị trí liên kết bội (từ C₃ trở lên) và đồng phân mạch carbon (từ C₄ trở lên với alkene và từ C₅ trở lên với alkyne).

Ví dụ: alkene C₄H₈ có ba đồng phân cấu tạo:

b) Đồng phân hình học

Trong phân tử alkene nếu mỗi nguyên tử carbon của liên kết đôi liên kết với hai nguyên tử hoặc hai nhóm nguyên tử khác nhau thì sẽ có đồng phân hình học.

- Nếu mạch chính nằm ở chùng một phía của liên kết đôi, gọi là đồng phân hình học dạng cis-.

- Nếu mạch chính nằm ở hai phía khác nhau của liên kết đôi, gọi là đồng phân hình học dạng trans-.

Ví dụ: phân tử but – 2 – ene có hai đồng phân hình học dạng cis- và dạng trans-.

3. Danh pháp

Tên theo danh pháp thay thế của alkenen và alkyne:

Lưu ý:

- Chọn mạch carbon dài nhất, có nhiều nhánh nhất và có chứa liên kết bội làm mạch chính.

- Đánh số sao cho nguyên tử carbon có liên kết bội (đôi hoặc ba) có chỉ số nhỏ nhất (đánh số mạch chính từ đầu gần liên kết bội).

- Dùng chữ số (1,2,3,...) và gạch nối (-) để chỉ vị trí liên kết bội (nếu chỉ có một vị trí duy nhất của liên kết bội thì không cần).

- Nếu alkene hoặc alkyne có nhánh thì cần thêm vị trí nhánh và tên nhánh trước tên của alkene và alkyne tương ứng với mạch chính.

Bảng 2: Một số alkene, alkyne.

Số carbon	Công thức alkene	Tên alkene	Công thức alkyne	Tên alkyne
2	CH2 = CH2	Ethene (ethylene)	CH \(\equiv\) CH	Ethyne (acetylene)
3	CH2 = CH - CH3	Prop - 1 - ene	CH \(\equiv\) C - CH3	Prop - 1 - yne
4	CH2 = CH - CH2 - CH3 CH3 - CH = CH - CH3 CH2 = C (CH3) - CH3	But - 1 - ene But - 2 - ene 2 - methylprop - 1 - ene	CH \(\equiv\) C - CH2 - CH3 CH3 - C \(\equiv\) C - CH3	But - 1 - yne But - 2 - yne
5	CH2 = CH - [CH2]2 - CH3	Pent - 1 - ene	CH \(\equiv\) C - [CH2]2 - CH3	Pent - 1 - yne

II. Đặc điểm cấu tạo của ethylene và acetylene

1. Ethylene

Phân tử ethylene (C₂H₄) có 2 nguyên tử carbon và 4 nguyên tử hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng. Liên kết đôi C=C gồm một liên kết σ và một liên kết π.

2. Acetylene

Phân tử acetylene (C₂H₂) có 2 nguyên tử carbon và 2 nguyên tử hydrogen nằm trên một đường thẳng, góc liên kết là 180\({^\circ}\). Liên kết ba C\(\equiv\) C bao gồm một liên kết σ và hai liên kết π.

III. Tính chất vật lí

- Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và khối lượng riêng của alkene, alkyne không khác nhiều với alkene tương ứng. Các alkene, alkyne là những hợp chất không có mùi và đều nhẹ hơn nước.

- Ở nhiệt độ thường, phần lớn các alkene và alkyne từ C₂ đến C₄ ở trạng thái khí, từ C₅ đến C₁₇ ở trạng thái lỏng và từ C₁₈ trở lên ở trạng thái rắn. Chúng không tan hoặc rất ít tan trong nước, tan trong một số dung môi hữu cơ.

Bảng 3: Tính chất vật lí của một số alkene, alkyne.

Alkene	Tnc (oC)	Ts (oC)	D (g/cm3)	Alkyne	Tnc (oC)	Ts (oC)	D (g/cm3)
Ethene	-169	-105	-	Ethyne	-81	-83	-
Propene	-185	-47,8	-	Propyne	-102,7	-23,2	-
But - 1 - ene	-185	-6,3	-	But - 1 - yne	-126	8,1	-
Trans - but - 2 - ene	-106	0,9	-	But - 2 yne	-32	27	0,691
Cis - but - 2 - ene	-139	3,7	-	Pent - 1 - yne	-106	40,690
Pent - 1- ene	-165	30	0,641	Pent - 2 - yne	-109	56,1	0,711

IV. Tính chất hóa học của alkene, alkyne

Các liên kết π ở liên kết đôi (alkene) và liên kết ba (alkyne) kém bền vững, dễ bị đứt ra để tạo thành các liên kết mới. Vì vậy, các liên kết bội là trung tâm gây ra các phản ứng đặc trưng của hydrocarbon không no: phản ứng cộng, phản ứng trùng hợp, phản ứng oxi hóa.

1. Phản ứng cộng

a) Phản ứng cộng hydrogen

- Hydrogen hóa alkene và alkyne thu được alkene tương ứng. Phản ứng thường được thực hiện dưới áp suất cao, nhiệt độ cao và có mặt các chất xúc tác kim loại như platinum, nickel và palladium.

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + H₂ \(\underrightarrow{Ni,p,t^o}\) CH₃ – CH₃

- Hydrogen hóa alkyne, tùy vào điều kiện áp suất, nhiệt độ và xúc tác, ta có thể nhận được sản phẩm là alkene, alkane.

Ví dụ:

CH \(\equiv\) CH + 2H₂ \(\underrightarrow{Ni,p,t^o}\) CH₃ – CH₃

b) Phản ứng cộng halogen

- Khi cho alkene hoặc alkyne phản ứng vưới dung dịch bromine, dung dịch sẽ bị mất màu.

Ví dụ:

CH₂ = CH₂ + Br₂ \(\rightarrow\) BrCH₂ – CH₂Br

CH \(\equiv \ \)CH + 2Br₂ \(\rightarrow\) Br₂CH – CHBr₂

c) Phản ứng cộng hydrogen halide

- Phản ứng cộng hydrogen halide vào alkene và alkyne tạo thành halogennoalkane tương ứng.

CH₂ = CH₂ + HBr \(\rightarrow\) CH₃ – CH₂Br

CH\(\equiv \ \)CH + HBr \(\rightarrow\) CH₂ = CHBr

CH\(\equiv \ \)CH + HBr \(\rightarrow\) CH₃ – CHBr₂

d) Phản ứng cộng nước (hydrate hóa)

- Phản ứng cộng nước vào alkene hay còn gọi là hydrate hóa alkene tạo ra alcohol. Phản ứng thường được sử dụng xúc tác phosphoric acid hoặc sulfuric acid.

CH₂ = CH₂ + H₂O CH₃ – CH₂OH

- Phản ứng này được thực hiện ở quy mô công nghiệp dể sản xuất ethanol.

- Phản ứng cộng một phân tử HOH vào alkyne diễn ra khi có mặt xúc tác là muối Hg(II) trong H₂SO₄, tạo thành aldehyde hoặc ketone.

Ví dụ:

HC \(\equiv\) CH + H₂O CH₃ – CH = O

CH₃C \(\equiv\) CH + H₂O CH₃ – CO – CH₃

Quy tắc Markovnikov (Mác-cốp-nhi-cốp)

- Phản ứng cộng một tác nhân không đối xứng HX như HBr, HCl, HI, HOH,... vào liên kết bội, nguyên tử hydrogen sẽ ưu tiên cộng vào nguyên tử carbon có nhiều hydrogen hơn và X sẽ cộng vào nguyên tử carbon có ít hydrogen hơn.

Ví dụ:

- Phản ứng cộng nước vào propene với xúc tác acid được thực hiện ở quy mô công nghiệp để sản xuất isopropanol.

- Phản ứng cộng acid, cộng nước vào alkyne cũng tuân theo quy tắc Markovnikov.

2. Phản ứng trùng hợp của alkene

- Phản ứng trùng hợp alkene là quá trình cộng hợp liên tiếp nhiều phân tử alkene giống nhau hoặc tương tự nhau (gọi là monomer) tạo thành phân tử có phân tử khối lớn (gọi là polymer).

Ví dụ: Phản ứng trùng hợp ethylene và propylene tạo thành polyethylene (PE) và polypropylene (PP).

n được gọi là hệ số trùng hợp.

- Phản ứng trùng hợp alkene có ứng dụng quan trọng để sản xuất vật liệu polymer.

3. Phản ứng của alk – 1 – yne với AgNO₃ trong NH₃

- Các alkyne có liên kết ba ở đầu mạch (alk – 1 – yne) có khả năng tham gia phản ứng với dung dịch AgNO₃ trong NH₃ tạo thành kết tủa.

Ví dụ:

HC\(\equiv\) CH + AgNO₃ + 2NH₃ \(\rightarrow\) Ag – C \(\equiv\) C – Ag _{(màu vàng nhạt)} + 2NH₄NO₃              

\(\Rightarrow\) Phản ứng này dùng để nhận biết các alkyne có liên kết ba ở đầu mạch.

4. Phản ứng oxi hóa

a) Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn

- Các alkene và alkyne có khả năng làm mất màu dung dịch thuốc tím, đây là phản ứng oxi hóa không hoàn toàn.

Ví dụ:

3CH₂ = CH₂ + 2KMnO₄ + 4H₂O \(\rightarrow\) 3HO – CH₂ – CH₂ – OH + 2MnO₂ + 2KOH

                                                                             Ethylene glycol

- Phản ứng oxi hóa không hoàn toàn của alkene được ứng dụng để sản xuất các dẫn xuất chứa oxygen của hydrocarbon trong công nghiệp.

b) Phản ứng cháy

- Alkene và alkyne đều dễ cháy khi có mật oxygen, phản ứng tỏa nhiều nhiệt:

C_nH_2n + \(\frac{3n}{2}\) O₂ \(\overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) nCO₂ + nH₂O

C_nH_2n-2 + \(\frac{3n - 1}{2}\) O₂\(\ \overset{t{^\circ}}{\rightarrow}\) nCO₂ + (n-1)H₂O

- Acetylene cháy trong oxygen tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ cao, có thể lên tới trên 3000^oC.

V. Điều chế

1. Alkene

- Trong phòng thí nghiệm, ethylene được điều chế từ phản ứng dehyrate ethanol:

- Trong công nghiệp, alkene C₂ – C₄ được điều chế từ quá trình cracking alkane trong các nhà máy lọc dầu.

- Các alkene này còn có thể được sản xuất từ quá trình dehydrogen xúc tác với nguyên liệu là dầu khí mỏ (ethane, propane và butane). Dehydrogen butane tạo ra butadiene và các đồng phân butene.

2. Alkyne

Acetylene được điều chế từ phản ứng giữa calcium carbride với nước:

CaC₂ + 2H₂O \(\rightarrow\) C₂H₂ + Ca(OH)₂

Ngoài ra, acetylene còn được điều chế bằng cách nhiệt phân methane ở nhiệt độ 1500\({^\circ}\)C, làm lạnh nhanh để tách acetylene ra khỏi hỗn hợp với hydrogen:

2CH₄ \(\overset{1500{^\circ}C}{\rightarrow}\) C₂H₂ + 3H₂

VI. Ứng dụng

1. Công thức tổng quát của alkene: C_nH_2n (n ≥ 2); alkyne: C_nH_2n-2 (n ≥ 2).

2. Trạng thái, nhiệt độ sôi và tính tan của một số alkene, alkyne.

3. Alkene và alkyne có các đồng phân cấu tạo (đồng phân vị trí liên kết bội, alkene từ C₄ và alkyne từ C₅ có đồng phân mạch carbon); alkene từ C₄ có thể có đồng phân hình học.

4. Alkene, alkyne có thể tham gia phản ứng cộng, phản ứng oxi hoá; alk – 1 – yne có thể tham gia phản ứng với dung dịch AgNO₃/NH₃.

5. Quy tắc Markovnikov: Khi cộng HX vào liên kết bội, nguyên tử hydrogen sẽ ưu tiên cộng và nguyên tử carbon có nhiều hydrogen hơn và X sẽ cộng vào nguyên tử carbon có ít hydrogen hơn.

6. Phản ứng trùng hợp alkene.

7. Phương pháp điều chế ethylene, acetylene.

8. Alkene, alkyne được ứng dụng rộng rãi để sản xuất các hoá chất và vật liệu có ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.