Bài tập chọn lọc về danh pháp và lập thể của hiđrocacbon vòng no

BÀI TẬP CHỌN LỌC VỀ DANH PHÁP VÀ LẬP THỂ 
CỦA HIĐROCACBON VÒNG NO
Đà Nẵng, tháng 2/2008
Xicloankan là gì? Thế nào là monoxicloankan ? Thế nào là polixicloankan ? Công thức chung của monoxicloankan là gì ?
@ Bài giải
Xicloankan là hiđrocacbon no mạch vòng.
Xicloankan có một vòng (vòng đơn) gọi là monoxicloankan. 
Ví dụ:
Xicloankan có nhiều vòng (đa vòng) gọi là polixicloankan.
Ví dụ: nobonan là một bixicloankan.
Monoxicloankan có công thức chung là CnH2n (n ³ 3). 
Lưu ý: Trong chương trình hóa học phổ thông, xicloankan được hiểu là monoxicloankan.
Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau:
@ Bài giải
Qui tắc đọc tên: Xiclo + tên mạch chính + an
Viết công thức phân tử và đọc tên theo IUPAC cho các xicloankan sau:
@ Bài giải
Qui tắc đọc tên:
số chỉ vị trí + tên nhánh + xiclo + tên mạch chính + an
Cho biết công thức chung của hiđrocacbon có hai vòng no, phân loại. Cho biết nguyên tắc đọc tên của các loại này.
@ Công thức chung của hiđrocacbon hai vòng no là CnH2n-2 n ³ 4. Nó có 3 loại, đó là:
Hai vòng rời
Lấy vòng lớn làm mạch chính, còn vòng nhỏ làm nhóm thế.
Ví dụ: 
Hai vòng có chung một nguyên tử mắt vòng, kiểu spiro.
Mạch cacbon được đánh số hết vòng nhỏ đến vòng lớn, bắt đầu từ một nguyên tử ở kề nguyên tử chung. 
Tên của hiđro kiểu spiro gồm các bộ phận hợp thành theo trình tự sau đây:
spiro + [các số nguyên tử cacbon riêng (từ số lớn đến số nhỏ)] + tên hiđrocacbon mạch hở tương ứng.
Ví dụ:
Hai vòng có chung cầu nối, kiểu bixiclo
Mạch cacbon được đánh số bắt đầu từ một nguyên tử chung (ở một đỉnh), đến các nguyên tử của cầu nối dài nhất, tiếp đến các cầu nối ngắn hơn.
Tên của hiđrocacbon kiểu gồm các bộ phận hợp thành theo thứ tự sau:
bixiclo + [số nguyên tử C ở các cầu nối (ghi từ số lớn đến số nhỏ)] + tên của hiđrocacbon mạch hở tương ứng.
Ví dụ:
Hãy gọi tên cho các hợp chất sau.
@ Bài giải
Hãy gọi tên các chất sau:
@ Bài giải
Gọi tên các hợp chất sau:
@ Bài giải:
Cho biết công thức cấu tạo của các chất có tên sau:
spiro[2,3]hexan
1-metylspiro[2.3]hexan
spiro[3.4]octan
5-etylspiro[3.4]octan
spiro[4.5]decan
8-ipropylspiro[4.5]decan
@ Bài giải
spiro[2,3]hexan
1-metylspiro[2.3]hexan
spiro[3.4]octan
5-etylspiro[3.4]octan
spiro[4.5]decan
8-ipropylspiro[4.5]decan
Vẽ công thức cấu tạo của các hiđrocacbon hai vòng no sau:
Bixiclo[2.2.1]heptan
Bixiclo[5.2.0]nonan
Bixiclo[3.1.1]heptan
Bixiclo[3.3.0]octan
@ Bài giải
Cho biết công thức cấu tạo của các chất có công thức sau:
bixiclobutan
2-metylbixiclobutan
bixiclo[3.2.1]octan
8-metylbixiclo[3.2.1]octan
@ Bài giải
bixiclobutan
2-metylbixiclobutan
bixiclo[3.2.1]octan
8-metylbixiclo[3.2.1]octan
Đọc tên các chất sau:
@ Bài giải
Chú ý: Hai nhóm thế cùng phía là đồng phân cis, còn khác phía là đồng phân trans.
Xicloankan nào có đồng phân cis – trans ? Nếu có vẽ cả hai đồng phân đó.
1,3-dimetylxiclopantan
Etylxiclopantan
1-etyl-2-metylxiclobutan
@ Bài giải
1,3-dimetylxiclopantan. Có đồng phân cis – trans
Etylxiclopantan. Không có đồng phân cis-trans.
Hai chất trên là một.
1-etyl-2-metylxiclobutan: Có đồng phân cis-trans
Hai hợp chất hữu cơ A và B đều có công thức phân tử C5H10. Cả hai đều không phản ứng với Cl2 trong tối và lạnh. A phản ứng với Cl2 có ánh sáng, nhưng cho một sản phẩm duy nhất là C5H9Cl. Còn hợp chất B cũng tác dụng với Cl2 trong cùng điều kiện nhưng cho 6 đồng phân C5H9Cl khác nhau, có thể phân biệt bằng phương pháp vật lý. Hãy xác định cấu trúc của A, B và các sản phẩm monoclo đó.
@ Bài giải: 
A và B có công thức C5H10 nên chúng có thể là anken hoặc xicloankan. Theo đều bài, các chất này không tác dụng với Cl2 tối và lạnh nên A và B là các xicloankan.
A tác dụng với Cl2 cho một monoclo duy nhất nên A là xiclopentan
B tác dụng với Cl2 (ánh sáng) tao ra 6 dẫn xuất monoclo, nên B phải là metylxiclobutan.
Sức căng Baeyer là gì?
@ Bài giải
Xuất phát từ hai tiên đề là các vòng no có cấu trúc phẳng và góc bình thường của hiđrocacbon no là 109028’, năm 1885, Baeyer cho rằng sự éo nhỏ hay trương rộng các góc của vòng no đều dẫn đến một sức căng là cho tính bền của vòng giảm đi. Người ta gọi đó là sức căng Baeyer. Sức căng càng lớn, vòng tương ứng càng ít bền. Độ mạnh của sức căng được đánh giá bằng q. q được tính theo công thức
ví dụ:
n
3
4
5
6
7
8
9
q
24044’
9044’
0044’
-5044’
9033’
12046’
-15006’
Vì sao nói liên kết C-C trong xilopropan được gọi là “liên kết quả chuối” ?
@ Xiclopropan là hợp chất vòng no duy nhất có cấu tạo phẳng. Theo quan niệm hiện đại, phần xen phủ cực đại của các đám mây electron không nằm trên đường thẳng nối liên hai nguyên tử cacbon mà có sự uốn cong. Sự uốn cong này làm cho phần xen phủ đám mây electron có giảm đi, nhưng sắp xếp như thế có lợi về mặt năng lượng. Các liên kết C-C này được gọi là “liên kết quả chuối”, nó mang tính chất trung gian giữa liên kết s và p bình thường. Do sự uốn cong như vậy, thực tế góc liên kết của vòng chỉ bằng 1060 chứ không phải 109028’ và lớn hơn nhiều so với góc cấu tạo phẳng của tam giác đều (600). Xiclopropan rất dễ bị mở vòng dưới tác dụng của hiđrohalogenua, Br2 và bị hiđro hoá có chất xúc tác.
Thế nào là lực đẩy Pitze?
Thực tế, các vòng no (trừ xiclopropan) không phải là những vòng phẳng. Trong một vòng ngoài sức căng góc Baeyer có có một lực đẩy nữa đó là lực đẩy giữa các nguyên tử hiđro ở trạng thái che khuất một phần hay toàn phần gây nên, đo đó một vài nguyên cacbon của vòng bị lệch ra khỏi mặt phẳng vòng. Lực đẩy đó gọi là lực đẩy Pitze
Nguyên nhân nào để xiclobutan tồn tại ở dạng không phẳng?
@ Theo quan niệm hiện nay, xiclobutan có cấu tạo không phẳng góc gấp có giá trị khoảng 20-250. Tính không phẳng của xiclobutan được chứng tỏ từ các dữ kiện thực nghiệm của giản đồ Rơnghen, giản đồ electron, momen lưỡng cực, phổ cộng hưởng từ hạt nhân và một số phương pháp khác. Nguyên nhân chủ yếu để xiclobutan tồn tại dạng không phẳng là để giảm sức căng Pitz.
Xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng: dạng “phong bì” và dạng “nửa ghế”. Hãy vẽ hai cấu dạng này và cho biết dạng nào có tâm đối xứng, dạng nào có trục đối xứng.
@ Nếu giả sử phân tử xiclopentan nằm trên một mặt phẳng thì góc lệch 0044, do đó coi như không có sức căng Baeyer. Nhưng ở đây 5 liên kết C-C ở dạng che khuất nên lại xuất hiện sức căng Pitz. Thực tế xiclopentan tồn tại hai cấu dạng không phẳng là cấu dạng phong bì có mặt phẳng đối xứng nên còn gọi là cấu dạng Cs. Cấu dạng nửa ghế có trục đối xứng bậc hai nên còn gọi là cấu dạng C2.
C2
Cs
Lưu ý: Khi thực hiện phép quay phân tử xung quanh trục đối xứng Cn một góc sao cho phân tử trùng với chính nó. Trục quay Cn gọi là trục đối xứng cấp n.
Dựa vào giản đồ thế năng sau, cho biết cấu dạng nào của xiclohexan bền nhất ? Giải thích ?
@ Cấu dạng ghế bền hơn cấu dạng thuyền, vì nó có thế năng thấp nhất. Nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau về độ bền giữa hai dạng ghế và thuyền là lực đẩy tương tác giữa các nguyên tử hiđro của vòng. Ở dạng ghế tất cả đều được phân bố theo hình thể xen kẽ. Trong khi đó ở dạng thuyền chỉ có 4 hệ thống (C1-C2, C3-C4, C4-C5 và C6-C1) là phân bố xen kẻ, còn hai hệ thống còn lại C2-C3 và C5-C6) thì phân bố che khuất. Hơn nữa nguyên tử H ở C1 và C4 chỉ cách nhau 1,84 nên nó có một lực đẩy khoảng 3 kcal/mol. Tổng cộng thế năng của dạng thuyền lớn hơn dạng ghế 6,8 kcal/mol.
Công thức Newman dạng ghế
Công thức Newman dạng thuyền
Trong xiclohexan, xác đinh liên kết trục (axial) và liên kết biên (equatorial). So sánh tính bền của a-metylxiclohexan và e-metylxiclohexan. Giải thích.
Trong xiclohexan, sau nguyên tử cacbon ở dạng ghế được phân bố trên hai mặt phẳng song song. Mặt phẳng thứ nhất chứa C1, C3 và C5 ; mặt phẳng thứ hai chứa C2, C4 và C6. Trục đối xứng bậc ba của phân tử thẳng góc với hai mặt phẳng. 12 liên kết C-H được chia làm hai nhóm: nhóm thứ nhất gồm 6 nguyên tử H song song với trục đối xứng bậc ba ( 3 liên kết hướng lên và 3 liên kết hướng xuống). Ta gọi đó là liên kết trục, ký hiệu là a (axial). Nhóm thứ hai gồm 6 liên kết còn lại, chúng hướng ra ngoài biên phân tử (tạo với trục đối xứng một góc 1090 được gọi là liên kết biên, kí hiệu là e (equatorial).
Kết quả khảo sát lý thuyết cũng như thực nghiệm e-metylxiclohexan bền hơn a-metylxiclohexan. Ở nhiệt độ thường e-metylxiclohexan chiếm 95% còn a-metylxiclohexan chiếm 5%.
a-metylxiclohexan kém bền vì có đến hai tương tác syn, trong kho đó e-metylxiclohexan không có tương tác syn nào cả.
e-metylxiclohexan
a-metylxiclohexan
Xét cấu dạng sau:
Nhóm metyl gắn phía dưới C-6 là liên kết trục (axial) hay liên kết biên (equatorial) ?
So sánh độ bền khi nhóm metyl gắn phía dưới C-1 và C-4.
Khi nhóm metyl gắn vào C3 thì tạo ra cấu dạng bền, vậy nó gắn vào dưới hay trên?
@ Bài giải
Nhóm CH3 là liên kết trục (a)
C-1 kém bền hơn C-4, vì liên kết trục kém bền hơn liên kết biên (e).
Nhóm CH3 gắn vào C-3 tạo ra cấu dạng bền thì phải là liên kết biên, tương ứng với vị trí này là gắn vào phía dưới.
Xác định cấu trúc bền trong mỗi cặp cấu dạng cho dưới đây?
@ Bài giải:
Các cấu dạng bền là:
Đốt cháy hoàn toàn etylxiclopropan và metylxiclobutan, so sánh năng lượng giải phóng của mỗi đồng phân.
@ Bài giải
Etylxiclopropan và metylxiclobutan là đồng phân (đều có công thức phân tử C5H12). Đồng phân nào bền giải phóng năng lượng thấp. Etylxiclopropan có sức căng góc lớn và kém bền hơn metylxiclobutan.
So sánh tính bền của đồng phân lập thể 1,3,5-trimetylxiclohexan.
@ Tất cả nhóm CH3 là equatorial trong cis-1,3,5-trimetylxiclohexan nên nó bền hơn trans-1,3,5-trimetylxiclohexan có chứa một nhóm CH3 là axial.
Viết cấu trúc phân tử có cấu dạng bền nhất cho mỗi hợp chất sau:
(a) trans-1-tert-butyl-3-metylxiclohexan
(b) cis-1-tert-butyl-3-metylxiclohexan
(c) trans-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan
(d) cis-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan
@ (a) Để có đồng phân cấu dạng bền nhất thì nhóm tert-butyl là equatorial. Sau đó thêm nhóm CH3 (axial) vào C-3 của vòng xiclohexan.
@ (b) Trước tiên vẽ xiclohexan ở dạng ghế với một nhóm tert-butyl ở vị trí equatorial. Để tạo ra cis-1-tert-butyl-3-metylxiclohexan thì phải gắn nhóm metyl vào C-3 ở vị trí equatorial.
@ (c) trans-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan cả hai nhóm tert-butyl và C-4 metyl đều là equatorial. 
@ (d) Lần nữa, nhóm tert-butyl ở vị trí equatorial, tuy nhiên, trong cis-1-tert-butyl-4-metylxiclohexan, C4-metyl phải ở vị trí axial.
Vẽ các đồng phân và gọi tên của hiđrocacbon có hai vòng nhưng không chứa nhóm thế ankyl có công thức phân tử C5H8.
@ Bài giải
Viết các đồng phân và gọi tên của hiđrocacbon có hai vòng nhưng không chứa nhóm thế ankyl có công thức phân tử C6H10
@ Bài giải
Hãy vẽ một mô hình phân tử cho nobonan (bixiclo[2,2,1]heptan). Vòng 6 cạnh ở dạng thuyền hay ghế? Hợp chất monoclo nobonan có bao nhiêu đồng phân khác nhau?
@ nobonan 
Vòng 6 cạnh của nobonan ở dạng thuyền.
monoclo nobonan có 4 đồng phân:
A
B
C
D
A và B có thể có đồng phân quang học
Nhiệt đốt cháy của một số xicloankan như sau:
Xicloankan
DH (kcal/mol)
Xicloankan
DH (kcal/mol)
Xiclopropan
499,83
Xiclonoan
1429,50
Xiclobutan
655,86
Xiclođecan
1586,00
Xiclopentan
793,52
Xiclounđecan
1742,40
Xiclohexan
944,48
Xiclđođecan
1892,40
Xicloheptan
1108,20
Xicltriđecan
2051,40
Xiclooctan
1269,20
Xiclotetrađecan
2203,60
Hãy tính nhiệt đốt cháy của nhóm metylen trong mỗi xicloankan. Hãy tính sức căng góc trong các xicloankan trên. Biết rằng xiclohexan là tượng trưng cho hệ không có sức căng góc (sức căng góc tự do). Hãy liệt kê các loại sức căng góc trong các vòng có kích thước khác nhau. 
(b) Hãy giải thích tại sao những vòng có kích thước trung bình (C7-C11) được tổng hợp với hiệu suất thấp hơn so với vòng nhỏ (C3-C6) hoặc vòng lớn (C12-Cn)?
@ Bài giải
(a) Để tính nhiệt đốt cháy của mỗi nhóm CH2 có trong các xicloankan ta lấy nhiệt đốt cháy của xicloankan đó chia cho số nguyên tử C. Hexan có sức căng góc bằng không nên nhiệt đốt cháy của nhóm CH2 khi không có sức căng góc là 157,41 kcal/mol. Từ đó ta có thể tính được nhiệt đốt cháy của các xicloankan tương ứng khi không có sức căng góc bằng cách lấy 157,41 nhân cho số nguyên tử cacbon. 
Kết quả thể hiện trong bảng sau.
n
Nhiệt đốt cháy kcal/mol
Nhiệt đốt cháy của CH2 kcal/mol
Nhiệt đốt cháy không có sức căng góc kcal/mol
Sức căng góc
kcal/mol
3
499.83
166.61
472.24
27.59
4
655.86
163.97
629.65
26.21
5
793.52
158.7
787.07
6.45
6
944.48
157.41
944.48
0
7
1108.2
158.31
1101.89
6.31
8
1269.2
158.65
1259.31
9.89
9
1429.5
158.83
1416.72
12.78
10
1586
158.6
1574.13
11.87
11
1742.4
158.4
1731.55
10.85
12
1892.4
157.7
1888.96
3.44
13
2051.4
157.8
2046.37
5.03
14
2203.6
157.4
2203.79
-0.19
Nhận xét
Sức căng góc giảm dần từ xiclopropan đến xiclohexan. Vì có sự kết hợp sức căng góc (sức căng Bayer) và sự đẩy tương hỗ giữa các nhóm thế ở vị trí che khuất (sức căng Pitzer). Các vòng lớn n ³ 12 sức căng góc nhỏ không đáng kể. Các vòng trung bình (C7-C11) có sức căng góc.
(b) Entropi ảnh hưởng đến cấu dạng của vòng nhỏ. Những vòng này có khả năng đóng vòng lớn ngay cả khi có sức căng. Những vòng lớn có thể tạo ra với hiệu suất hợp lý vì chúng có sức căng góc bé và yếu tố entropi có thể vượt qua bằng sự lựa chọn điều kiện phản ứng phù hợp. Các vòng trung bình về mặt entropi và sức căng đều không thuận lợi nên hiệu suất phản ứng nhỏ.
So sánh độ bền của hai cấu dạng sau, giải thích ?
@ Bài giải
Cấu dạng B bền hơn cấu dạng A vì có 2 CH3 – H 1,3-diaxial repulsions trong khi đó cấu dạng A có một CH3-CH3 1,3-diaxial repulsion và hai CH3-H 1,3-diaxial repulsion.
Vẽ các cấu dạng ghế của trans-1,2-dimetylxiclohexan và cis-1,2-dimetylxiclohexan. So sánh độ bền của các cấu dạng đó.
@ Bài giải
Vẽ các cấu dạng ghế của trans-1,3-dimetylxiclohexan và cis-1,3-dimetylxiclohexan. So sánh độ bền của các cấu dạng đó.
Vẽ các cấu dạng ghế của trans-1,4-dimetylxiclohexan và cis-1,4-dimetylxiclohexan. So sánh độ bền của các cấu dạng.
@ Bài giải
(a) 2-Isopropyl-5-metylxiclohexanol có 4 đồng phân cis – trans, hãy viết các đồng phân đó. (b) Vẽ cấu dạng của các đồng phân đó. Trong số 4 đồng phân đó đồng phân nào bền nhất?
@ Bài giải
(a) Công thức của 4 đồng phân
(b) Biểu diễn các cấu dạng
(c) Cấu dạng bền nhất là trans-2-Isopropyl-cis-5-metylxiclohexanol. Vì tất cả các nhóm thế đều ở dạng e.
Giải thích tại sau 1,2-dimetylxiclohexan có đồng phân hình học trong khi đó 1,2-dimetylxiclododecan thì không ?
Di vòng xiclododecan đủ lớn để các nhóm nguyên tử có thể quay tự do, vì thế nó không thể tồn tại đồng phân cis-trans.
Viết công thức các đồng phân lập thể không đối quang(đồng phân lập thể đi - a ) của 2 - clo - 1,3 - đimetylxiclohexan và cho biết cấu trúc sản phẩm tạo thành khi cho các đồng phân đó tác dụng với CH3ONa.
@ Bài giải
Sáu hiđrocacbon A, B, C, D, E, F đều có công thức phân tử C4H8. Cho từng chất vào brom trong CCl4 khi không chiếu sáng thì thấy A, B, C, D tác dụng rất nhanh., E tác dụng chậm hơn, còn F thì hầu như không phản ứng. Các sản phẩm thu được từ B và C là những đồng phân quang học không đối quang(đồng phân lập thể đi - a) của nhau. Khi cho tác dụng với H2(Pd, t0) thì A, B, C đều cho cùng một sản phẩm G. B có nhiệt độ sôi cao hơn C.
1. Xác định công thức của 6 hiđrocacbon trên. Giải thích?
2. So sánh nhiệt độ sôi của E và F.
3. Nếu có C, D, E, F. Hãy nêu phương pháp hoá học nhậh biết chúng.
@ Bài giải.
1. Các đồng phân có thể có của C4H8:
- Vì F hầu như không phản ứng với Br2/CCl4, nên F là:
- E tác dụng chậm với Br2/CCl4, nên E là:
- Vì A, B, C được hiđro hoá đều cho cùng một sản phẩm G chứng tỏ A, B, C có khung C như nhau, nên còn lại D:
Vì B, C tác dụng với Br2/CCl4 cho những đồng phân quang học không đối quang của nhau(có ít nhất 2*C), nên B và C là đồng phân cis - trans của nhau.	Do B có nhiệt độ sôi cao hơn C nên B là đồng phân cis (phân cực hơn).
® A: CH3 - CH2 - CH = CH2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Đặng Đình Bạch(2001), Những vấn đề hóa học hữu cơ, NXB Khoa học và Kỹ thuật
Trịnh Đình Chính (1995), Cơ sở lý thuyết hóa lập thể, Tài liệu BDTX.
Trần Quốc Sơn, (1977), Cơ sở lí thuyết hóa hữu cơ, NXB Giáo dục.
Trần Quốc Sơn – Trần Thị Tửu (2003), Danh pháp hợp chất hữu cơ.
Thái Doãn Tĩnh (2002) Giáo trình cơ sở lý thuyết hóa học, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
Nguyễn Trọng Thọ (2000), Olympic hóa học – Việt Nam và Quốc tê, tập 3 – Những bài tập chuẩn bị cho kì thi Olympic quốc tế lần thứ 30, 31, 32, NXB Giáo dục.
Ngô Thị Thuận (1999), Hóa học hữu cơ, phần bài tập, NXB Khoa học và Kỹ Thuật.
Nguyễn Đình Triệu (2003), 2000 Câu hỏi và bài tập trắc nghiệm hóa học hữu cơ, Tập 1, NXB Khoa học và Kỹ Thuật.
Francis A. Carey (1996), Organic Chemistry, The McGraw-Hill
Robert Thormnton Morrison (1992), Organic Chemistry, Prentice Hall.