Giải chi tiết Hóa học 11 Cánh diều mới bài 18: Hợp chất carbonyl

MỞ ĐẦU

Cinnamaldehyde là hợp chất carbonyl có trong tinh dầu quế, được sử dụng làm hương liệu, dược liệu,... Vậy hợp chất carbonyl là gì?

Hướng dẫn trả lời:

Phân tử hợp chất hữu cơ chứa nhóm >C=O được gọi là hợp chất carbonyl. Aldehyde, ketone thuộc loại hợp chất carbonyl.

• Aldehyde là hợp chất hữu cơ trong phân tử có nhóm -CHO liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon hoặc nguyên tử hydrogen.
• Ketone là hợp chất hữu cơ có nhóm carbonyl liên kết trực tiếp với hai nguyên tử carbon.

I. KHÁI NIỆM VÀ DANH PHÁP

1. Khái niệm

Luyện tập 1: Cho các hợp chất có công thức sau:

CH₃CH₂-OH (A)

HCH=O (B)

CH₂=CH-CH₂-OH (C)

C₆H₅-CO-CH₃ (D)

Trong các hợp chất trên, hợp chất nào là hợp chất carbonyl, hợp chất nào thuộc loại aldehyde, ketone?

Hướng dẫn trả lời:

Hợp chất carbonyl: (B), (D).

• Aldehyde: (B).
• Ketone: (D).

Câu hỏi 1: Hãy mô tả hình dạng phân tử methanal và ethanal.

Hướng dẫn trả lời:

Phân tử methanal có 1 nguyên tử carbon liên kết với 1 nguyên tử oxygen và 2 nguyên tử hydrogen đều nằm trên một mặt phẳng.

Phân tử ethanal có 2 nguyên tử carbon liên kết với nhau, trong đó 1 nguyên tử carbon nằm ở tâm một hình tứ diện liên kết với 3 nguyên tử hydrogen, nguyên tử carbon còn lại liên kết với 1 nguyên tử oxygen và 1 nguyên tử hydrogen.

2. Danh pháp

Luyện tập 2: Viết công thức cấu tạo và gọi tên thay thế, tên thông thường (nếu có) của các hợp chất carbonyl có cùng công thức phân tử là C₄H₈O.

Hướng dẫn trả lời:

Aldehyde C₄H₈O

Ketone C4H8O

II. TÍNH CHẤT VẬT LÍ

Câu hỏi 2: Dựa vào đặc điểm cấu tạo của hợp chất carbonyl, giải thích vì sao các aldehyde đơn giản như formic aldehyde và acetic aldehyde lại là các chất khí ở nhiệt độ thường.

Hướng dẫn trả lời:

Formic aldehyde (HCHO) và acetic aldehyde (CH₃CHO) là các aldehyde phân tử khối nhỏ có trạng thái khí ở nhiệt độ thường.

Luyện tập 3: Cho các chất có công thức như sau: C₂H₆, C₂H₅OH, HCH=O, CH₃CH=O, CH₃CH₂CH=O và các dữ liệu nhiệt độ sôi là 78,3 °C; -88,6 °C; 20,2 °C; -19,5 °C; 49,0 °C (không theo thứ tự). Hãy dự đoán nhiệt độ sôi tương ứng với mỗi chất trên. Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Nhiệt độ sôi: hydrocarbon < carbonyl < alcohol có phân tử khối tương đương.

=> Nhiệt độ sôi: C₂H₆ < CH₃CHO < C₂H₅OH.

Những chất có phân tử khối càng lớn thì độ sôi càng cao.

=> Nhiệt độ sôi: HCHO < CH₃CHO < CH₃CH₂CHO.

Câu hỏi 3: Vì sao các hợp chất carbonyl mạch ngắn như formaldehyde, acetaldehyde và acetone lại tan tốt trong nước?

Hướng dẫn trả lời:

Các hợp chất carbonyl mạch ngắn tan tốt trong nước nhờ tạo liên kết hydrogen với nước. 

Khi số nguyên tử carbon trong gốc hydrocarbon tăng, khả năng tan của hợp chất carbonyl giảm xuống.

III. TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Câu hỏi 4: Dựa vào giá trị độ âm điện của carbon và oxygen, nhận xét về sự phân cực của liên kết C=O trong các hợp chất carbonyl.

Hướng dẫn trả lời:

Hiệu độ âm điện của O và C là:

Δχ = 3,44 - 2,55 = 0,89 (0,4 ≤ Δx < 1,7) => Liên kết cộng hóa trị có cực.

=> Liên kết C=O trong hợp chất carbonyl phân cực về phía nguyên tử oxygen.

1. Phản ứng khử hợp chất carbonyl

Câu hỏi 5: Viết sơ đồ phản ứng của các hợp chất carbonyl có công thức phân tử là C₄H₈O với LiAlH₄.

Hướng dẫn trả lời:

CH₃–CH₂–CH₂–CHO → CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–OH

CH₃–CH(CH₃)CHO → CH₃–CH(CH₃)–CH₂–OH

CH₃–CH₂–CO–CH₃ → CH₃–CH₂–CHOH–CH₃ 

2. Phản ứng oxi hóa aldehyde

Luyện tập 4: Viết phương trình hoá học (nếu có) của phản ứng giữa propanal và propanone với:

a) Thuốc thử Tollens.

b) Cu(OH)₂/OH−.

Hướng dẫn trả lời:

a) CH₃-CH₂-CHO + 2[Ag(NH₃)₂]OH → CH₃-CH₂-COONH₄ + 2Ag + 3NH₃ + H₂O

CH3-CO-CH3 + 2[Ag(NH₃)₂]OH → không phản ứng.

b) CH3-CH2-CHO + 2Cu(OH)₂ + NaOH → CH₃-CH₂-COONa + Cu₂O + 3H₂O

CH3-CO-CH3 + NaOH → không phản ứng.

Luyện tập 5: Hãy trình bày cách phân biệt acetaldehyde và acetone.

Hướng dẫn trả lời:

CH₃-CH=O + 2[Ag(NH3)2]OH → CH3-COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O

CH3-CH=O + 2Cu(OH)2 + NaOH → CH3-COONa + Cu2O + 3H2O

Thí nghiệm 1: Phản ứng oxi hoá aldehyde bằng thuốc thử Tollens

Chuẩn bị: Dung dịch AgNO₃ 1%, dung dịch NH₃ 5%, dung dịch CH₃CHO 5%, ống nghiệm.

Tiến hành: Cho vào ống nghiệm khoảng 1 mL dung dịch AgNO₃ 1% và nhỏ từ từ từng giọt dung dịch NH₃ 5% và lắc nhẹ cho đến khi vừa hoà tan hết kết tủa silver oxide, thu được thuốc thử Tollens (thuốc thử Tollens sẽ kém nhạy nếu dư dung dịch NH₃).

Nhỏ vài giọt dung dịch acetaldehyde 5% vào dung dịch thuốc thử Tollens, lắc đều ống nghiệm. Đun nóng nhẹ hỗn hợp trong ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Yêu cầu: Quan sát, mô tả hiện tượng xảy ra và giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Thêm từ từ dung dịch NH3 5% vào ống nghiệm chứa 1 mL dung dịch AgNO3 1% và lắc nhẹ.

Có kết tủa xám xuất hiện

PTHH: AgNO3  +  NH3 +  H2O → AgOH + NH4NO3

Sau đó kết tủa tan dần, tạo dung dịch trong suốt

PTHH: AgOH +  2NH3 → [Ag(NH3)2]OH

Nhỏ vài giọt dung dịch CH3CHO 5% vào ống nghiệm, lắc đều. Đun nóng nhẹ hỗn hợp trong ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Hiện tượng: xuất hiện kết tủa màu trắng xám của kim loại bạc, bám vào thành ống nghiệm, có thể soi gương được.

CH3CHO + 2[Ag(NH3)2]OH → CH3COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O 

Câu hỏi 6: Vì sao trong phản ứng tráng bạc, người ta không đun sôi hỗn hợp chất phản ứng?

Hướng dẫn trả lời:

Aldehyde trong hỗn hợp chất phản ứng có nhiệt độ sôi thấp nên nếu đun sôi, aldehyde sẽ bay hơi. Ngoài ra ở nhiệt độ cao [Ag(NH₃)₂]OH cũng bị phân hủy.

Thí nghiệm 2: Phản ứng oxi hoá aldehyde bằng Cu(OH)₂

Chuẩn bị: Dung dịch CuSO₄ 2%, dung dịch NaOH 10%, dung dịch CH₃CHO 5%, ống nghiệm.

Tiến hành: Cho khoảng 1 mL dung dịch CuSO₄ 2% vào ống nghiệm, rồi cho tiếp khoảng 1 mL dung dịch NaOH 10%. Lắc ống nghiệm, nhỏ từ từ khoảng 1 mL dung dịch CH₃CHO vào ống nghiệm. Đun nóng nhẹ hỗn hợp trong ống nghiệm trên ngọn lửa đèn cồn.

Yêu cầu: Quan sát, mô tả hiện tượng xảy ra và giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Khi cho dung dịch CuSO₄ vào dung dịch NaOH, hỗn hợp tạo kết tủa màu xanh lam, kết tủa đó là Cu(OH)₂ (copper(II) hydroxide). Cho CH₃CHO vào ống nghiệm chứa Cu(OH)2 và đun nóng nhẹ, hỗn hợp phản ứng chuyển dần từ màu xanh lam sang màu đỏ gạch (Cu₂O).

PTHH:

CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂ + Na₂SO₄

CH₃CHO + 2Cu(OH)₂ → CH₃COONa + Cu₂O + 3H₂O

3. Phản ứng với hydrogen cyanide

4. Phản ứng tạo iodoform

Thí nghiệm 3: Phản ứng tạo iodoform

Chuẩn bị: Dung dịch I2 trong KI, dung dịch NaOH 10%, acetaldehyde, ống nghiệm.

Tiến hành: Cho vào ống nghiệm khoảng 1 mL dung dịch I2 trong KI và khoảng 1 mL dung dịch NaOH 10%. Nhỏ từ từ 5 – 7 giọt acetaldehyde vào ống nghiệm, lắc đều.

Yêu cầu: Quan sát hiện tượng xảy ra trong ống nghiệm và giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Hiện tượng: xuất hiện kết tủa màu vàng là CHI₃ tạo thành.

PTHH: CH3COCH3 + 3I2 + 4NaOH ⟶ CH3COONa  + CHI3 + 3NaI + 3H2O 

IV. ỨNG DỤNG VÀ ĐIỀU CHẾ

Câu hỏi 7: Tìm hiểu và trình bày các ứng dụng của formaldehyde, acetaldehyde và acetone.

Hướng dẫn trả lời:

• Formaldehyde được dùng chủ yếu để sản xuất nhựa (như poly(phenol-formaldehyde) và urea formaldehyde). Formaldehyde cũng được sử dụng để sản xuất phẩm nhuộm, chất nổ và dược phẩm.

Dung dịch 37 – 40% formaldehyde trong nước, được gọi là formalin, được dùng để ngâm xác động thực vật, tẩy uế, tiệt trùng.

• Acetaldehyde (ethanal) được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ để điều chế nhiều dược phẩm hoặc các chất có ứng dụng trong thực tiễn. Ví dụ từ acetaldehyde, người ta điều chế được ethylidene diacetate dùng để sản xuất poly(vinyl acetate).
• Acetone có thể hoà tan tốt nhiều chất hữu cơ khác nhau (kể cả các polymer như cellulose trinitrate). Vì vậy một lượng lớn acetone được dùng làm dung môi trong sản xuất tơ nhân tạo, thuốc súng không khói,... Ngoài ra, acetone còn được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ như để tổng hợp bisphenol-A, chloroform, thuốc an thần solfonal,...

BÀI TẬP

Bài 1: Công thức cấu tạo của acetone là

A. CH₃COCH₂CH₃.

B. CH₃CH₂COCH₂CH₃.

C. CH₃COCH₃.

D. CH₃CHO.

Hướng dẫn trả lời:

Đáp án C.

Acetone (propanone) có công thức cấu tạo là CH₃COCH₃.

Bài 2: Khử CH₃COCH₃ bằng LiAlH4, thu được sản phẩm là

A. ethanal.

B. acetone.

C. propan-1-ol.

D. propan-2-ol.

Hướng dẫn trả lời:

CH3COCH3 →CH3C(OH)CH₃

                           propan-2-ol

Bài 3: Viết công thức cấu tạo và gọi tên thay thế của các aldehyde có cùng công thức C₅H₁₀O.

Hướng dẫn trả lời:

Aldehyde C₅H₁₀O

Ketone C₅H₁₀O

 Bài 4: Biết công thức cấu tạo của các chất carbonyl có công thức phân tử là C₃H₆O. Trình bày tối thiểu hai phương pháp hoá học để phân biệt các chất đó. Lập sơ đồ (hoặc bảng), ghi rõ hiện tượng và viết các phương trình hoá học để giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Công thức có thể có của A là: CH3–CH2–CHO và CH3–CO–CH3.

Phương pháp hóa học:

• Aldehyde phản ứng với thuốc thử Tollens tạo kết tủa xám bạc.
• Aldehyde phản ứng với Cu(OH)2 trong môi trường kiềm tạo kết tủa đỏ gạch (Cu2O).
• Hợp chất chứa nhóm methyl ketone (CH3CO-R) phản ứng với iodine trong môi trường kiềm tạo kết tủa iodoform màu vàng.

PTHH: 

CH3-CH2-CHO + 2[Ag(NH3)2]OH →to CH3-CH2-COONH4 + 2Ag + 3NH3 + H2O

CH3-CH2-CHO + 2Cu(OH)2 + NaOH →to CH3-CH2-COONa + Cu2O + 3H2O

CH3COCH3 + 3I2 + 4NaOH ⟶ CH3COONa  + CHI3 + 3NaI + 3H2O 

Bài 5*: Hợp chất hữu cơ X được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ. Bằng phương pháp phân tích nguyên tố, người ta xác định được X chứa 62,07%C; 10,34%H; còn lại là O (về khối lượng). Trên phổ MS của X, người ta thấy có peak ion phân tử [M+] với giá trị m/z bằng 58. Trên phổ IR của X có một tín hiệu đặc trưng trong vùng 1 670 – 1 740 cm−1. Chất X không có phản ứng với Cu(OH)2 trong môi trường kiềm để tạo ra kết tủa màu đỏ gạch. Xác định công thức cấu tạo của X.

Hướng dẫn trả lời:

Phần trăm khối lượng O là: 

100% - 62,07% - 10,34% = 27,59%

Gọi công thức đơn giản nhất của X là C_xH_yO_z.

Ta có: x:y:z =  = 3:6:1

Công thức đơn giản nhất của X là: C₃H₆O

Phân tử khối của X là 58 vì giá trị m/z của peak [M+] bằng 58.

=> (12.3 + 1.6 + 16).n = 58.n = 58 => n = 1.

Công thức phân tử của X là: C₃H₆O.

Trên phổ IR của X có một tín hiệu đặc trưng trong vùng 1 670 – 1 740 cm−1 => X có liên kết C=O trong phân tử.

X không có phản ứng với Cu(OH)₂ trong môi trường kiềm để tạo ra kết tủa màu đỏ gạch => X không thể là aldehyde, X là ketone.

Vậy công thức cấu tạo của X là CH₃-CO-CH₃.

Bài 6: Cho ba chất hữu cơ A, B, C có cùng công thức phân tử là C₃H₆O. Chất A có phản ứng tráng bạc; chất B không có phản ứng tráng bạc nhưng có phản ứng tạo iodoform; chất C làm mất màu nước bromine. Khi hydrogen hoá C rồi oxi hoá sản phẩm thì được A. Xác định công thức cấu tạo và gọi tên A, B, C theo danh pháp thay thế.

Hướng dẫn trả lời:

Chất A có phản ứng tráng bạc => A có là aldehyde.

Chất B không có phản ứng tráng bạc nhưng có phản ứng tạo iodoform => B có nhóm methyl ketone.

Chất C làm mất màu nước bromine, hydrogen hoá C rồi oxi hoá sản phẩm thì được A => C có liên kết đôi và là alcohol bậc 1.