Bài 25. Ankan

Hôm nay 10/10/2008

THẢO LUẬN CHUYÊN ĐỀ HIDROCACBON NO _ANKAN

Nhóm sinh viên thực hiện
Nguyễn Minh Dũng
Lê Văn Điện
Lê Hà Giang
Mai Thái Hà
Đỗ Trọng Hải
Trần Quang Hải

HIDROCACBON NO-ANKAN
1
HIDROCACBON NO - ANKAN
1.Giới thiệu chung
2.Cấu trúc , đồng phân , danh pháp (V. Điện )
3.Tính chất vật lý ( Trọng Hải )
4.Tính chất hóa học (Quang Hải , Hà Giang)
5.Điều chế ( Thái Hà )
6.Hợp chất tiêu biểu, ứng dụng ( Thái Hà )
7.Kết luận (Thái Hà )



HIDROCACBON NO-ANKAN
2
Giới thiệu chung
Hiđrocacbon no là hiđrocacbon mà trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau chỉ bằng liên kết đơn (liên kết ).
Hiđrocacbon no được chia làm 2 loại:
- Hiđrocacbon no mạch hở gọi là ankan, công thức chung CnH2n+2 (n  1)
VD :CH4 , C2H6 …….

Hiđrocacbon no rất phổ biến trong tự nhiên. Metan có trong khí quyển, trong khí thiên nhiên, khí dầu mỏ. Các ankan từ C1 – C10 là thành phần chính của dầu mỏ. Trong thực vật cũng gặp các hiđrocacbon no C10–C37. Hiđrocacbon no là nhiên liệu và nguyên liệu quan trọng của nhân loại.
HIDROCACBON NO-ANKAN
3
1. Cấu trúc , đồng phân ,danh pháp
1.1. Cấu trúc
Nguyên tử C luôn ở trạng thái lai hóa sp3 với góc hoá trị 109,50 0.

Phân tử ankan chỉ có liên kết đơn C-C và C-H. Giá trị của các độ dài liên kết là 1,09×10−10 m đối với liên kết C-H và 1,54×10−10 m đối với liên kết C-C .

HIDROCACBON NO-ANKAN
4
Mô hình phân tử propan , n- butan , n- octan , 2-metyl butan
HIDROCACBON NO-ANKAN
5
Cấu hình của ankan cũng là điều đáng quan tâm : có các loại che khuất hoàn toàn, nghiêng, che khuất một phần, ngược chiều
Ví dụ : etan và butan



HIDROCACBON NO-ANKAN
6
Trong thực tế hầu như chúng ta chỉ quan tâm tới hai cấu dạng che khuất và xen kẽ
HIDROCACBON NO-ANKAN
7
1.2. Đồng phân
a. Đồng phân cấu trúc
Đó là các đồng phân mạch cacbon , dạng mạch thẳng nhánh từ propan trở đi mới có đồng phân cấu trúc
b.Đồng phân cấu dạng:
Nguyên nhân hình thành là do khả năng quay xung quanh liên kết
c-c. Do khả năng quay xung quanh lk C-C với các góc khác nhau nên tạo ra vô số các đồng phân , song người ta chỉ chú ý tới 2 cấu dạng : đồng phân che khuất ( có năng lượng cao )và đồng phân xen kẽ ( có năng lượng thấp nhất ).


HIDROCACBON NO-ANKAN
8


1.3. Danh pháp

Danh pháp được sử dụng rộng rãi nhất là danh pháp quy định bởi IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry).
a. Đối với các ankan mạch thẳng : phân tử chỉ có cacbon bậc I và bậc II có công thức chung là CH3(CH2)nCH3 được gọi là n-ankan (n: normal) hoặc ankan mạch thẳng.

HIDROCACBON NO-ANKAN
9






HIDROCACBON NO-ANKAN
10

b. Đối với các ankan phân nhánh : theo danh pháp IUPAC
+ Mạch cacbon dài nhất và có nhiều nhánh nhất là mạch chính.
+ Đánh số các nguyên tử C ở mạch chính, sao cho chỉ số vị trí của nhánh là nhỏ nhất.
+ Coi mạch chính tương ứng với ankan không phân nhánh có cùng số nguyên tử C.
+ Đặt chỉ số trước tên nhánh, lần lượt gọi tên nhánh theo thứ tự bảng chữ cái, cuối cùng là tên ankan tương ứng với mạch chính, các nhóm có cùng tên dùng thêm các tiền tố như đi- (hai), tri- (ba), tetra- (bốn), peta- (năm)….
+ Dùng dấu gạch ngang để nối các chỉ số với tên nhánh, dùng dấu phẩy để phân tách hai chỉ số cạnh nhau.
HIDROCACBON NO-ANKAN
11
Sơ đồ tóm tắt tên của 1 ankan mạch nhánh bất kì
Tên gọi của các nhóm ankyl phân nhánh được quy định như sau
Sec : gốc ở vị trí C bậc 2
Ter : gốc ở vị trí C bậc 3
Neo : 3 nhóm metyl ở đầu mạch
Iso : 2 nhóm metyl ở đầu mạch
HIDROCACBON NO-ANKAN
12
Tên gọi của một số nhánh hay gặp
HIDROCACBON NO-ANKAN
13
Ví dụ:
2-metyl-butan
4-etyl- 2,2,5- trimetyl-hexan



HIDROCACBON NO-ANKAN
14
Chúng ta thử gọi tên chất sau nhé !!!
3,3- dimetyl -6-etyl-5-propyl nonan

HIDROCACBON NO-ANKAN
15
2.Tính chất vật lý
- Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của các ankan phụ thuộc vào lực hút Van de Van, hình dạng và kích thước phân tử. Trong cùng dãy đồng đẳng, thông thường nhiệt độ sôi và tỉ khối của các n-ankan trong dãy tăng dần.
Dạng tồn tại Từ C1 →C4 : Khí
Từ C5 →C16 : Lỏng
Từ C17 trở lên : Rắn
Theo nghiên cứu cụ thể thì trung bình cứ tăng 1 nhóm -CH2- thì nhiệt độ sôi tăng từ 20 - 30 độ C.
Mạch Cacbon càng phân nhánh thì diện tích tiếp xúc giữa các phân tử càng giảm , nhiệt độ nóng chảy tăng nhưng nhiệt độ sôi giảm ứng ( trừ trường hợp sự phân nhánh làm tăng tính đối xứng phân tử thì điểm nóng chảy lại tăng lên ) .

HIDROCACBON NO-ANKAN
16
Biểu đồ biểu diễn ts và tnc của dãy đồng đẳng ankan
Đường màu hồng : ts
Đường màu xanh : tnc
HIDROCACBON NO-ANKAN
17
- Các ankan giống nhau về tính tan, chúng ko tan trong nước ( vì chúng chỉ có liên kết  nên hầu như không phân cực ) ,chúng tan tốt trong các dung môi không phân cực , và đa số các dung môi hữu cơ => được gọi là ưa mỡ.

- Tỷ trọng của các ankan thông thường tăng theo chiều tăng của số nguyên tử cacbon, nhưng vẫn thấp hơn tỷ trọng của nước. Vì thế, các ankan tạo thành lớp trên trong hỗn hợp ankan-nước
HIDROCACBON NO-ANKAN
18
Phổ của ankan
Ankan chỉ hấp thụ được những bước sóng ngắn hơn 200nm
Phổ hồng ngoại
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
Phổ khối lượng: có thể xác định nhanh chóng các ankan trong hỗn hợp nhiều thành phần , phân biệt đồng phân mạch nhánh và thẳng.Phương pháp này hay dùng trong việc nhận biết thành phần dầu mỏ
- ankan có số khối 43, 57,71,85,99,113
- naphten có dãy vạch 41, 55, 69, 83, 97, 111
- ankylbenzen có các vạch 77, 91, 105, 119
HIDROCACBON NO-ANKAN
19
3. Tính chất hóa học

- Phân tử ankan chỉ gồm 2 loại liên kết C-C và C-H là loại liên kết hầu như không phân cực, vì vậy thông thường chúng không có khuynh hướng phân cắt theo cách dị li . Và đương nhiên phân tử ankan chỉ gồm hai loại phản ứng đó là phân cắt liên kết C-C và C-H
- Trong điều kiện có xúc tác và nhiệt độ cao, ankan tham gia nhiều phản ứng như phản ứng thế, phản ứng tách, phản ứng đồng phân hoá và phản ứng oxi hoá…Phản ứng của ankan xảy ra chủ yếu theo con đường phân cắt đồng li, nghĩa là hình thành các gốc tự do.
- Chính vì vậy, trong các phản ứng của ankan chất phản ứng có thể tấn công vào liên kết C–H hoặc liên kết C–C theo cơ chế gốc và tạo thành một hỗn hợp các chất đồng phân, đồng đẳng,...
HIDROCACBON NO-ANKAN
20
3.1.Phản ứng thế
3.1.1.Phản ứng halogen hóa ( theo cơ chế gốc )
Chuỗi cơ chế phản ứng như sau ( xét R-CH3 và Cl2 )
1. Khởi đầu : Chia cắt phân tử clo bằng bức xạ cực tím. Nguyên tử clo có điện tử không bắt cặp và phản ứng như là một gốc tự do.
Cl2 → 2Cl*
2. Lan truyền (2 bước): Nguyên tử hiđrô bị lôi ra khỏi R sau đó gốc mêtyl kéo Cl* từ Cl2.
R - CH3 + Cl* → R – CH2* + HCl
R - CH3* + Cl - Cl → R – CH2Cl + Cl*
Nếu có đủ Cl2, các sản phẩm khác chẳng hạn như CH2Cl2 có thể tạo ra.
HIDROCACBON NO-ANKAN
21
3. Kết thúc: Tái tổ hợp của hai gốc tự do:
Cl* + Cl* → Cl2
R - CH3* + Cl* → R - CH3Cl
R- CH3* + R- CH3* → R- CH3 – CH3 -R
Cơ chế phản ứng ở trên gọi là cơ chế phản ứng dây chuyền SR , và các ankan khác cũng tuân theo cơ chế trên
HIDROCACBON NO-ANKAN
22
Một số phản ứng halogen hoá:

chú ý: tốc độ hoạt động hóa của các halogen trong pư:
F2 >Cl2 >Br2> I2

HIDROCACBON NO-ANKAN
23
3.1.2.Phản ứng nitro hóa:Thường thực hiện ở 4200-4200C
Với các tác nhân là HNO3 hoặc NO2 , cũng xảy ra theo cơ chế gốc nhưng hiệu suất thấp vì tạo ra quá nhiều sp phụ và có thể tách mạch.
CH4 + HNO3 → CH3NO2 + H2O hiệu suất 20%

HIDROCACBON NO-ANKAN
24


3.1.3.Phản ứng sunfoclo hóa:
sử dụng các tác nhân như H2 SO4, SO2 và Cl2 : nhưng nói chung là hiệu suất cũng thấp.
Các phản ứng này được ứng dụng rất nhiều trong hóa học công nghiệp.


HIDROCACBON NO-ANKAN
25
Phản ứng oxy hóa lk C-H trong dk đặc biệt
HIDROCACBON NO-ANKAN
26
3.2. Phản ứng đứt mạch cacbon
a. Phản ứng cháy: Khi bị O2 dư tấn công ở to cao các ankan đều bị cháy tạo thành CO2 và H2O.
CH4 + 2O2 → CO2 + H2O ( t0 cao )
CH3 –CH3 + 7O2 → 2CO2 + 3H2O ( t0 cao )
b.Phản ứng oxi hóa cắt mạch cacbon: các ankan mạch dài từ 20-30 C thường bị ôxi hóa thành hidropeoxit rồi thành xeton sau đó ra axit cacboxylic:
HIDROCACBON NO-ANKAN
27
c.Hidro hóa cắt mạch C-C: chỉ xảy ra ở to cao(400o) và áp suất H2 rất cao.
R-R’ +H-H → R-H +R’-H (p/ứng có xúc tác )

d.Phản ứng tách hidro:xảy ra chủ yếu với ankan có phân tử khối thấp tạo thành các anken hoặc ankin hoặc xicloankan
HIDROCACBON NO-ANKAN
28
c.Cracking nhiệt :Khi đun nóng trên 500o C các liên kết C-C tự đứt nhau ra tạo thành các ankan và các anken, thành phần sản phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian pư.

HIDROCACBON NO-ANKAN
29


f.Phản ứng đồng phân hóa: Khi đốt các ankan trong nhiệt độ 500-700o C và một số xúc tác thì ankan có thể bị đứt mạch C-C nhưng sau đó lại gắn kết lại với nhau nhưng không theo trình tự ban đầu tạo các ankan mạch nhánh đồng phân với nó.


HIDROCACBON NO-ANKAN
30
4.Sản xuất ,điều chế
1.1.Nguồn gốc tự nhiên
1.2.Phương pháp tổng hợp không thay đổi mạch cacbon chất ban đầu
1.3.Phương pháp giảm mạch cacbon chất ban đầu
1.4.Phương pháp tổng hợp tăng mạch cacbon
1.5.Phương pháp tổng hợp metan

HIDROCACBON NO-ANKAN
31
4.1 .Nguồn tự nhiên
- Ankan là nguyên liệu tự nhiên có từ dầu mỏ ,khí thiên nhiên.

- Khí thiên nhiên chứa các khí với thành phần không cố định, thường chứa 75% metan, 15% etan, 5% propan, phần còn lại là các ankan cao hơn và nhiều chất khác . Khí thiên nhiên được dùng làm nhiên liệu và trong các quá trình kỹ nghệ
HIDROCACBON NO-ANKAN
32
Nguồn ankan chủ yếu là dầu mỏ. Khi chưng cất dầu mỏ, thường thu được các chất sau .
HIDROCACBON NO-ANKAN
33

- Metan và ankan thấp phân tử có thể thu được từ than đá qua các chuyển hóa hóa học nhưng phương pháp chưa hoàn chỉnh


- Người ta đã dùng phương pháp hidro hóa than nâu : khi nghiền nhỏ than với dầu nặng , có xúc tác của Fe và H2ở nhiệt độ cao từ 450 – 5000C, áp suất 200 – 300 atm, thu được sản phẩm thô. Sau khi chưng cất thu được khí , xăng và sản phẩm dầu nặng.
HIDROCACBON NO-ANKAN
34
Chúng ta cũng đã tổng hợp ankan từ oxit cacbon: Cho hỗn hợp CO, H2 đi qua xúc tác Fe ở nhiệt độ 2000C và áp suất cao, thu được hỗn hợp ankan gọi là xitin, bao gồm chủ yếu là parafin mạch thẳng và một ít ankan mạch nhánh.
HIDROCACBON NO-ANKAN
35
4.2 .Phương pháp tổng hợp không thay đổi mạch cacbon chất ban đầu
a. Hydro hóa anken và ankyn :
Phản ứng hidro hóa anken thành ankan xảy ra ngay ở 200C , áp suất thường trong dung dịch etanol
HIDROCACBON NO-ANKAN
36
b. Phản ứng khử dẫn xuất halogen
chất khử hóa hay dùng là Zn/HCl , hỗn hống Mg
trong nước , LiAlH4 , HI
c. Thủy phân hợp chất cơ kim :
có thể khử hoá gián tiếp một ankyl halogenua bằng cách cho nó tác dụng với kim loại Mg rồi thuỷ phân hợp chất cơ kim trong dung môi ete khan (CH3CH2)2O để thu lấy ankan:

HIDROCACBON NO-ANKAN
37
d. Khử hóa dẫn xuất axit
Phản ứng này hay dùng cho điều chế các ankan có mạch lớn .
HIDROCACBON NO-ANKAN
38
4.3. Phản ứng giảm mạch cabon chất ban đầu
Nung muối axit béo với NaOH hay vôi tôi xút, thu được ankan mới kém một C so với ankan đầu
HIDROCACBON NO-ANKAN
39
4.4. Phản ứng tổng hợp tăng mạch C
a. Phản ứng Vuyec :
Chú ý trong phản ứng này
- Hiệu suất phản ứng cao nhất khi 2 gốc C đem ghép giống nhau
- Nếu dùng 2 dẫn xuất khác nhau thì sẽ thu hỗn hợp các sản phẩm
- Phản ứng diễn ra trong dung môi hidrocabon chứ ko dùng ete
b. Phản ứng điện phân dung dịch muối axit ( phản ứng Kolbe)
HIDROCACBON NO-ANKAN
40
VD:
(1) Là hướng chính , (2) là hướng phụ
HIDROCACBON NO-ANKAN
41
c. Phản ứng cộng điancupat liti ( phản ứng E.J.Corey – Herbert House )
Phản ứng xảy ra theo các giai đoạn sau
HIDROCACBON NO-ANKAN
42
Chú ý phản ứng trên cho hiệu suất cao khi gốc R trong điankylcuprat là gốc bậc 1 hay bậc 2 , còn gốc R’ trong R’Hal là gốc bậc 1
vd:
HIDROCACBON NO-ANKAN
43
d. Phản ứng tổng hợp metan
Trong phòng thí nghiệm :
HIDROCACBON NO-ANKAN
44
5. Ứng dụng
5.1. Làm nhiên liệu
Nhờ khả năng toả nhiệt rất cao khi đốt cháy, ankan được dùng rất rộng rãi làm nhiên liệu.
- Các ankan khí, nhất là metan dùng để đun nấu, cung cấp hơi nước để sưởi ấm, dùng trong các nhà máy phát điện, cung cấp nhiệt cho nhà máy luyện kim, dùng nung gốm sứ, phân đạm…
- Khí thiên nhiên hoá lỏng (LNG) và khí mỏ dầu hoá lỏng (LPG) thành phần chủ yếu là propan và butan cung cấp nhiệt năng, điện năng và cơ năng cho các phương tiện giao thông vận tải và các nhu cầu khác.

HIDROCACBON NO-ANKAN
45
5. 2. Làm nguyên liệu trong công nghiệp hoá học
_Từ các phân đoạn của dầu mỏ, các ankan được sử dụng làm nguồn nguyên liệu đặc biệt quan trọng trong tổng hợp hữu cơ.

_Từ metan sản xuất ra các dẫn xuất clo như CH3Cl ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, các dẫn xuất còn lại CH2Cl2, CHCl3 và CCl4 dùng làm dung môi hữu cơ; CF2Cl2 dùng làm chất sinh hàn.

_Từ metan có thể sản xuất được axetilen, fomanđehit, CO và H2 là các nguồn nguyên liệu quan trọng trong sản sản axit axetic, chất dẻo. Sản phẩm CO và H2 được chuyển sang công đoạn tổng hợp metanol và H2 cung cấp cho công đoạn tổng hợp tổng hợp NH3.

_Cracking ankan dầu mỏ, người ta thu được etilen, propilen…tổng hợp ra etannol, etylenglicol và các chất dẻo quan trọng.
HIDROCACBON NO-ANKAN
46
_Refoming các ankan C6 - C8, người ta thu được các sản phẩm thơm hoá, isome hoá. Đặc biệt các sản phẩm isome có ứng dụng quan trọng trong việc sản xuất xăng sạch.

_Oxi hoá cắt mạch các ankan mạch dài, thu được các axit ankanoic được dùng để sản xuất xà phòng.

_Các n-ankan mạch dài (C20-C35) có độ nhớt và nhiệt độ sôi cao được dùng làm dầu gốc để pha chế dầu nhờn hoặc mỡ bôi trơn.

_Hỗn hợp ankan rắn (parafin) được dùng làm nến và một số lĩnh vực khác.
HIDROCACBON NO-ANKAN
47
3. Một số phản ứng tổng hợp cắt ngắn mạch cacbon
a. Phản ứng cracking (phương pháp công nghiệp)
Nguyên liệu: - Dầu điezen (~C13­ – C20, t0s~ 2000-3500C)
- Mazut (> C20, t0s 3500C)
• Cracking nhiệt
- Nhiệt độ: ~ 550-6000C
- Sản phẩm chủ yếu: ankan và anken có mạch cacbon ngắn hơn, H2
- Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc.
• Cracking xúc tác
- Nhiệt độ: ~ 450-5000C
- Xúc tác: Nhôm silicat hoặc zeolit Na x[(AlO2) x(SiO2)y.z H2O] (kí hiệu chung cho zeolit là NaZ) - có thể thay Na+ bằng ion K+, NH4+, Ca2+, H+.
- Cơ chế: cacbocation (kèm theo cơ chế gốc)
- Sản phẩm chủ yếu: + Ankan mạch nhánh (C1-C4 :10-20%)
+ Xicloankan
+ Aren
HIDROCACBON NO-ANKAN
48
b. Refoming (phương pháp công nghiệp)

1. Nguyên liệu: Etxăng (ts: ~ 80-1800C)
2. Xúc tác: - Axit molipđic,…
- Pt tẩm trên nhôm silicat
3. Nhiệt độ, áp suất: ~ 5000C/3-35 atm
4. Sản phẩm chủ yếu: - Aren (~ 7%)
- Anken mạch C5 – C7 (~20%)
- Anken (~2%)
HIDROCACBON NO-ANKAN
49