TÀI LIỆU HỌC TẬP: PHẢN ỨNG CỘNG CỦA ALKENE VÀ ALKYNE

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1. Liên kết π và tính chất phản ứng

Alkene và alkyne là các hydrocarbon không no, đặc trưng bởi sự hiện diện của liên kết đôi (C=C) và liên kết ba (C≡C) trong phân tử. Liên kết đôi bao gồm một liên kết σ (sigma) bền vững và một liên kết π (pi) kém bền. Liên kết ba bao gồm một liên kết σ và hai liên kết π.

Liên kết π kém bền hơn liên kết σ do sự che phủ bên của các orbital p, tạo ra mật độ electron tập trung phía trên và phía dưới trục liên kết. Điều này làm cho liên kết π dễ bị tấn công bởi các tác nhân ái điện tử (electrophile) và ái nhân (nucleophile), dẫn đến các phản ứng cộng.

Tính chất phản ứng đặc trưng của alkene và alkyne là phản ứng cộng.

2. Phản ứng cộng ái điện tử (Electrophilic Addition - A_E)

Đây là loại phản ứng đặc trưng của alkene và alkyne, trong đó tác nhân ái điện tử tấn công vào liên kết π giàu electron.

Cơ chế tổng quát:

1. Giai đoạn 1: Tấn công của tác nhân ái điện tử (E⁺) vào liên kết π, tạo thành carbocation. Liên kết π bị phá vỡ, một liên kết σ mới được hình thành giữa E⁺ và một trong hai nguyên tử carbon của liên kết bội. Nguyên tử carbon còn lại mang điện tích dương, tạo thành carbocation.

2. Giai đoạn 2: Tấn công của tác nhân ái nhân (Nu^-) vào carbocation. Carbocation, với điện tích dương, bị tấn công bởi tác nhân ái nhân, tạo thành sản phẩm cộng.

3. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng cộng

• Cấu trúc của alkene/alkyne:
  • Alkene/alkyne có nhiều nhóm thế đẩy electron làm tăng mật độ electron trên liên kết π, làm tăng tốc độ phản ứng.
  • Alkene/alkyne có nhóm thế hút electron làm giảm mật độ electron trên liên kết π, làm chậm tốc độ phản ứng.
• Bản chất của tác nhân:
  • Tác nhân ái điện tử mạnh hơn (ví dụ: H⁺, Br⁺) phản ứng nhanh hơn.
  • Tác nhân ái nhân mạnh hơn (ví dụ: Cl^-, Br^-) phản ứng nhanh hơn.
• Điều kiện phản ứng:
  • Nhiệt độ: Thường phản ứng cộng cần nhiệt độ để cung cấp năng lượng hoạt hóa.
  • Dung môi: Dung môi có cực thường ổn định các ion trung gian, giúp phản ứng xảy ra dễ dàng hơn.

II. CÁC PHẢN ỨNG CỘNG ĐIỂN HÌNH

1. Cộng Hydrogen (Hydrogenation)

Alkene và alkyne phản ứng với hydrogen (H₂) với xúc tác kim loại (Pt, Pd, Ni) để tạo thành alkane.

Tổng quát:

$R-CH=CH-R' + H_2 \xrightarrow[Pt, Pd, Ni]{} R-CH_2-CH_2-R'$

$R-C≡C-R' + 2H_2 \xrightarrow[Pt, Pd, Ni]{} R-CH_2-CH_2-R'$

Ví dụ:

$CH_2=CH_2 + H_2 \xrightarrow[Ni, t^o]{} CH_3-CH_3$

$CH≡CH + 2H_2 \xrightarrow[Ni, t^o]{} CH_3-CH_3$

2. Cộng Halogen (Halogenation)

Alkene và alkyne phản ứng với halogen (Cl₂, Br₂) tạo thành dẫn xuất dihalogen và tetrahalogen.

Tổng quát:

$R-CH=CH-R' + X_2 \rightarrow R-CHX-CHX-R'$ (X = Cl, Br)

$R-C≡C-R' + X_2 \rightarrow R-CX=CX-R' \xrightarrow{+X_2} R-CX_2-CX_2-R'$

Ví dụ:

$CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow CH_2Br-CH_2Br$

$CH≡CH + Br_2 \rightarrow CHBr=CHBr \xrightarrow{+Br_2} CHBr_2-CHBr_2$

Lưu ý: Phản ứng cộng bromine (Br₂) là phản ứng đặc trưng để nhận biết alkene và alkyne, vì dung dịch bromine màu nâu đỏ sẽ mất màu khi phản ứng xảy ra.

3. Cộng Hydrohalide (Hydrohalogenation)

Alkene và alkyne phản ứng với hydrohalide (HCl, HBr, HI) tạo thành dẫn xuất halogen.

Tổng quát:

$R-CH=CH-R' + HX \rightarrow R-CHX-CH_2-R'$ (X = Cl, Br, I)

$R-C≡C-R' + HX \rightarrow R-CX=CH-R' \xrightarrow{+HX} R-CX_2-CH_2-R'$

Quy tắc Markovnikov: Trong phản ứng cộng hydrohalide vào alkene/alkyne bất đối xứng, nguyên tử hydrogen ưu tiên cộng vào carbon có nhiều hydrogen hơn, và halogen cộng vào carbon có ít hydrogen hơn.

Ví dụ:

$CH_3-CH=CH_2 + HBr \rightarrow CH_3-CHBr-CH_3$ (sản phẩm chính)

$CH_3-C≡CH + HCl \rightarrow CH_3-CCl=CH_2 \xrightarrow{+HCl} CH_3-CCl_2-CH_3$

Cơ chế phản ứng cộng Markovnikov:

Carbocation bền hơn được hình thành trong giai đoạn trung gian (carbocation bậc hai bền hơn carbocation bậc nhất).

4. Cộng nước (Hydration)

Alkene phản ứng với nước (H₂O) với xúc tác acid (H₂SO₄, H₃PO₄) tạo thành alcohol.

Tổng quát:

$R-CH=CH-R' + H_2O \xrightarrow[H^+]{} R-CHOH-CH_2-R'$

Ví dụ:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow[H^+]{} CH_3-CH_2OH$

Alkynes phản ứng với nước trong điều kiện xúc tác Hg²⁺/H⁺ tạo thành aldehyde hoặc ketone.

Ví dụ:

$CH≡CH + H_2O \xrightarrow[HgSO_4, H_2SO_4]{} [CH_2=CH-OH] \rightarrow CH_3-CHO$ (ethanal)

$CH_3-C≡CH + H_2O \xrightarrow[HgSO_4, H_2SO_4]{} [CH_3-C(OH)=CH_2] \rightarrow CH_3-CO-CH_3$ (propanone)

5. Cộng hợp polymer (Polymerization)

Alkene có thể trùng hợp với nhau tạo thành polymer.

Tổng quát:

$n(CH_2=CH_2) \xrightarrow[t^o, p, xt]{} (-CH_2-CH_2-)_n$

Ví dụ:

Polyethene (PE) được tạo ra từ sự trùng hợp của ethylene (CH₂=CH₂).

Polypropylene (PP) được tạo ra từ sự trùng hợp của propene (CH₃-CH=CH₂).

III. BÀI TẬP VÍ DỤ

Ví dụ 1: Hoàn thành các phản ứng sau:

a) $CH_3-CH=CH_2 + HCl \rightarrow$

b) $CH≡CH + Br_2$ (dư) $\rightarrow$

c) $CH_3-C≡CH + H_2O \xrightarrow[HgSO_4, H_2SO_4]{}$

Giải:

a) $CH_3-CH=CH_2 + HCl \rightarrow CH_3-CHCl-CH_3$ (sản phẩm chính)

b) $CH≡CH + 2Br_2 \rightarrow CHBr_2-CHBr_2$

c) $CH_3-C≡CH + H_2O \xrightarrow[HgSO_4, H_2SO_4]{} CH_3-CO-CH_3$

Ví dụ 2: Phân biệt các chất sau bằng phương pháp hóa học: ethane, ethene, ethyne.

Giải:

• Bước 1: Dẫn các khí qua dung dịch Br₂.
  • Ethene và ethyne làm mất màu dung dịch Br₂.
  • Ethane không làm mất màu dung dịch Br₂.
• Bước 2: Dẫn hai khí làm mất màu dung dịch Br₂ qua dung dịch AgNO₃/NH₃.
  • Ethyne tạo kết tủa vàng.
  • Ethene không có hiện tượng.

$CH≡CH + 2AgNO_3 + 2NH_3 \rightarrow AgC≡CAg \downarrow + 2NH_4NO_3$

IV. BÀI TẬP TỰ LUYỆN

1. Viết phương trình phản ứng khi cho các chất sau tác dụng với H₂ (Ni, t^o), Br₂, HCl:
   • But-1-ene
   • But-2-yne
2. Cho 2,8 gam alkene X tác dụng với HCl dư thu được 6,25 gam sản phẩm. Xác định công thức cấu tạo của X.
3. Đốt cháy hoàn toàn 13,8 gam một alkene X thu được 44 gam CO₂. Xác định công thức cấu tạo của X.
4. Viết sơ đồ phản ứng điều chế polypropene từ propene.
5. Phân biệt các chất sau bằng phương pháp hóa học: methane, ethene, propyne.

V. KẾT LUẬN

Phản ứng cộng là phản ứng đặc trưng của alkene và alkyne do sự hiện diện của liên kết π kém bền. Hiểu rõ cơ chế và quy tắc phản ứng giúp dự đoán và giải thích sản phẩm của phản ứng. Việc luyện tập thường xuyên với các bài tập khác nhau sẽ giúp nắm vững kiến thức và kỹ năng giải bài tập liên quan đến phản ứng cộng của alkene và alkyne.