Tài liệu học tập: Phản ứng của Alcohol (Oxi hóa, Khử nước) - Hiểu tính phản ứng của Alcohol

I. Tính chất vật lý cơ bản của Alcohol

Alcohol là hợp chất hữu cơ có nhóm chức hydroxyl (-OH) liên kết với nguyên tử carbon no.

Công thức tổng quát: $R-OH$, trong đó R là gốc hydrocarbon (alkyl, aryl,...)

Phân loại:

• Bậc alcohol: Bậc của nguyên tử carbon liên kết với nhóm -OH (alcohol bậc I, II, III).
• Số nhóm -OH: Alcohol đơn chức (1 nhóm -OH), đa chức (nhiều nhóm -OH).

Ảnh hưởng của liên kết Hydrogen:

• Nhiệt độ sôi và độ tan trong nước của alcohol cao hơn so với hydrocarbon có khối lượng phân tử tương đương.
• Alcohol có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước, giúp tan tốt trong nước (đặc biệt là alcohol có mạch carbon ngắn).

II. Tính chất hóa học của Alcohol

A. Phản ứng thế H của nhóm -OH

1. Phản ứng với kim loại kiềm:

   $2R-OH + 2Na \rightarrow 2R-ONa + H_2 \uparrow$

   (Alkoxide)

   • Tính acid yếu của alcohol: Alcohol phản ứng với kim loại kiềm mạnh hơn so với phản ứng của nước với kim loại kiềm.
   • Khả năng phản ứng: Alcohol bậc I > alcohol bậc II > alcohol bậc III.

2. Phản ứng ester hóa (Phản ứng giữa alcohol và acid carboxylic):

   $R-COOH + R'-OH \rightleftharpoons R-COOR' + H_2O$

   (Ester)

   • Phản ứng thuận nghịch, cần xúc tác acid ($H_2SO_4$ đặc, $HCl$).
   • Cơ chế phản ứng: Thế nhóm OH của acid bằng nhóm OR' của alcohol.

B. Phản ứng thế nhóm -OH

1. Phản ứng với hydrogen halide (HX):

   $R-OH + HX \rightarrow R-X + H_2O$

   (Halogen alkane)

   • Khả năng phản ứng: Alcohol bậc III > alcohol bậc II > alcohol bậc I.
   • Tác nhân: $HCl$ (xúc tác $ZnCl_2$), $HBr$, $HI$.
   • Cơ chế phản ứng:
     • $S_N1$ (thế đơn phân tử): Ưu tiên cho alcohol bậc III, carbocation trung gian.
     • $S_N2$ (thế lưỡng phân tử): Ưu tiên cho alcohol bậc I.

2. Phản ứng với alcohol (tạo ether):

   $2R-OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} R-O-R + H_2O$

   (Ether)

   • Điều kiện: Nhiệt độ thấp ($140^\circ C$), xúc tác $H_2SO_4$ đặc.
   • Nếu sử dụng hỗn hợp alcohol khác nhau, có thể tạo hỗn hợp ether.

C. Phản ứng khử nước (Dehydration)

1. Tạo alkene (Elimination reaction):

   $R-CH_2-CH_2-OH \xrightarrow{H_2SO_4, >170^\circ C} R-CH=CH_2 + H_2O$

   (Alkene)

   • Điều kiện: Nhiệt độ cao ($>170^\circ C$), xúc tác $H_2SO_4$ đặc.
   • Quy tắc Zaitsev: Ưu tiên tạo alkene có mạch carbon chính mang nhiều nhóm alkyl hơn (alkene bền hơn).
   • Khả năng phản ứng: Alcohol bậc III > alcohol bậc II > alcohol bậc I.
   • Cơ chế E1 (tách đơn phân tử): Carbocation trung gian.

2. Tạo ether (đã đề cập ở trên):

   $2R-OH \xrightarrow{H_2SO_4, 140^\circ C} R-O-R + H_2O$

   (Ether)

D. Phản ứng oxi hóa

1. Oxi hóa không hoàn toàn:

   • Alcohol bậc I:

     • $R-CH_2-OH \xrightarrow{[O], Cu, t^\circ} R-CHO + H_2O$ (Aldehyde)
     • $R-CHO \xrightarrow{[O]} R-COOH$ (Acid carboxylic)

   • Alcohol bậc II:

     $R_1-CH(OH)-R_2 \xrightarrow{[O], Cu, t^\circ} R_1-CO-R_2 + H_2O$

     (Ketone)

   • Alcohol bậc III: Khó bị oxi hóa trong điều kiện thường.

2. Oxi hóa hoàn toàn (Đốt cháy):

   $C_nH_{2n+2}O + \frac{3n}{2}O_2 \xrightarrow{t^\circ} nCO_2 + (n+1)H_2O$

3. Oxi hóa bằng các tác nhân mạnh:

   • KMnO4 (kali permanganate), $K_2Cr_2O_7$ (kali dichromate) trong môi trường acid.
   • Alcohol bậc I bị oxi hóa thành acid carboxylic.
   • Alcohol bậc II bị oxi hóa thành ketone.

III. Một số alcohol quan trọng

1. Methanol ($CH_3OH$): Độc, được sử dụng làm dung môi, nguyên liệu sản xuất formaldehyde.
2. Ethanol ($C_2H_5OH$): Đồ uống có cồn, dung môi, nguyên liệu sản xuất hóa chất.
3. Glycerol ($C_3H_5(OH)_3$): Alcohol đa chức, dùng trong mỹ phẩm, dược phẩm, sản xuất nitroglycerin (thuốc nổ, thuốc tim mạch).
4. Ethylene glycol ($C_2H_4(OH)_2$): Alcohol đa chức, chất chống đông, sản xuất polyester.

IV. Bài tập vận dụng

Bài 1: Viết phương trình phản ứng xảy ra (nếu có) khi cho ethanol tác dụng với các chất sau:

a) Na b) $H_2SO_4$ đặc, $140^\circ C$ c) $H_2SO_4$ đặc, $170^\circ C$ d) $CuO, t^\circ$ e) Dung dịch $KMnO_4$

Bài 2: Cho 18.8 gam hỗn hợp 2 alcohol no, đơn chức, mạch hở phản ứng hết với Na dư thu được 5.6 lít khí $H_2$ (đktc).

a) Xác định công thức phân tử của 2 alcohol, biết chúng hơn kém nhau một nguyên tử carbon. b) Tính phần trăm khối lượng mỗi alcohol trong hỗn hợp ban đầu.

Bài 3: Oxi hóa 4 gam alcohol đơn chức X bằng CuO (dư), đun nóng, sau phản ứng hoàn toàn thu được 5.6 gam hỗn hợp Y gồm aldehyde, nước và alcohol dư. Xác định công thức cấu tạo và tên của X.