Độ bất bão hòa (k) là một công cụ hữu ích trong hóa học hữu cơ, giúp chúng ta xác định số liên kết pi (π) và số vòng có trong một phân tử hữu cơ. Từ đó, có thể dự đoán được cấu trúc có thể có của phân tử. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về cách tính và ứng dụng độ bất bão hòa để xác định công thức cấu tạo của hợp chất hữu cơ.
A. Lý thuyết và phương pháp giải bài tập về độ bất bão hòa
Để xác định công thức cấu tạo của một hợp chất hữu cơ khi biết công thức phân tử, ta thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Xác định cấu tạo sơ bộ bằng cách tính độ bất bão hòa (k)
Công thức Tính độ Bất Bão Hòa (k):
k = π + v = (2S₄ + 2 + S₃ – S₁) / 2
Trong đó:
- S₄: Số nguyên tử có hóa trị IV (thường là Carbon – C).
- S₃: Số nguyên tử có hóa trị III (thường là Nitrogen – N).
- S₁: Số nguyên tử có hóa trị I (thường là Hydrogen – H, Halogen – Cl, Br, I,…).
- π: Số liên kết pi (π) trong phân tử.
- v: Số vòng trong phân tử.
Bước 2: Phân tích độ bất bão hòa để xác định loại liên kết
Dựa vào giá trị của k, ta có thể suy ra loại liên kết có trong phân tử:
- k = 0: Phân tử chỉ chứa liên kết đơn (no).
- k = 1: Có thể xảy ra 2 trường hợp:
- π = 1, v = 0: Phân tử chứa 1 liên kết đôi (=).
- π = 0, v = 1: Phân tử chứa 1 vòng (chỉ có liên kết đơn).
- k = 2: Có thể xảy ra nhiều trường hợp:
- π = 2, v = 0: Phân tử chứa 2 liên kết đôi (=) hoặc 1 liên kết ba (≡).
- π = 1, v = 1: Phân tử chứa 1 liên kết đôi (=) và 1 vòng.
- π = 0, v = 2: Phân tử chứa 2 vòng (chỉ có liên kết đơn).
Bước 3: Viết các đồng phân cấu tạo
Sau khi xác định được loại liên kết, ta tiến hành viết các đồng phân cấu tạo có thể có, lưu ý đến các yếu tố như mạch carbon (thẳng, nhánh, vòng), vị trí liên kết đôi/ba, và nhóm chức (nếu có).
B. Ví dụ minh họa về tính độ bất bão hòa
Ví dụ 1: Viết các công thức cấu tạo mạch hở ứng với công thức phân tử C₄H₁₀.
Hướng dẫn giải:
Độ bất bão hòa của C₄H₁₀ là: k = (2*4 + 2 – 10) / 2 = 0. Vì k = 0, phân tử C₄H₁₀ chỉ có liên kết đơn.
Các công thức cấu tạo có thể là:
(1) CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₃ (Butane)
Từ công thức (1), ta có thể tạo mạch carbon nhánh bằng cách chuyển một nhóm methyl (CH₃) từ đầu mạch vào vị trí carbon thứ hai:
(2) CH₃ – CH(CH₃) – CH₃ (Isobutane)
Vậy ứng với công thức C₄H₁₀ có 2 đồng phân cấu tạo.
Ví dụ 2: Viết các đồng phân cấu tạo mạch hở ứng với công thức C₄H₈.
Hướng dẫn giải:
Độ bất bão hòa của C₄H₈ là: k = (2*4 + 2 – 8) / 2 = 1. Vì k = 1 và mạch hở, phân tử C₄H₈ có 1 liên kết đôi.
Các công thức cấu tạo có thể là:
(1) CH₂ = CH – CH₂ – CH₃ (But-1-ene)
(2) CH₃ – CH = CH – CH₃ (But-2-ene) – Có đồng phân cis-trans
Tạo mạch carbon nhánh bằng cách cắt 1C từ mạch thẳng và nối vào C bên trong ta được công thức (3)
(3) CH₂ = C(CH₃) – CH₃ (2-Methylpropene)
Vậy ứng với công thức phân tử C₄H₈ có 3 đồng phân cấu tạo mạch hở (chưa tính đồng phân hình học).
Ví dụ 3: Viết các đồng phân cấu tạo mạch hở ứng với công thức: C₃H₈O.
Hướng dẫn giải
Độ bất bão hòa k= (2*3 + 2 – 8)/2 = 0 => Phân tử chỉ chứa liên kết đơn. Có 2 khả năng nhóm chức: alcohol (-OH) hoặc ether (-O-).
Trường hợp 1: Nhóm chức −OH.
C3−C2−C1. Các công thức cấu tạo là:
Trường hợp 2: Nhóm chức −O− có 1 công thức: CH3−O−CH2−CH3
Vậy ứng với công thức phân tử C3H8O có tất cả 3 đồng phân.
Ví dụ 4: Viết các đồng phân cấu tạo mạch hở ứng với công thức: C4H9Cl.
Hướng dẫn giải
Độ bất bão hòa k= (2*4 + 2 – 10)/2 = 0 => Phân tử chỉ chứa liên kết đơn.
Viết mạch carbon thẳng và đánh số vị trí : C4−C3−C2−C1
Các công thức cấu tạo là:
– Viết mạch C phân nhánh và đánh số vị trí:
⇒ Nhóm Cl nối với C số 1 và 2.
Các công thức cấu tạo là:
C. Bài tập áp dụng về tính độ bất bão hòa và xác định công thức cấu tạo
Câu 1. Hợp chất X có công thức cấu tạo như sau: CH≡C-CH=CH₂. Độ bất bão hòa của X là bao nhiêu?
A. k = 0.
B. k = 1.
C. k = 2.
D. k = 3.
Đáp án: D (k = 3, do có 1 liên kết ba và 1 liên kết đôi).
Câu 2. Hợp chất Y có công thức cấu tạo là một vòng cyclohexane. Độ bất bão hòa của Y là bao nhiêu?
A. k = 0.
B. k = 1.
C. k = 2.
D. k = 3.
Đáp án: B (k = 1, do có 1 vòng).
Câu 3. Hợp chất Z có công thức C₆H₁₂. Hỏi Z có thể có tối đa bao nhiêu vòng?
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3
Đáp án: B (k=1, có thể có 1 vòng hoặc 1 liên kết đôi).
Câu 4. Công thức phân tử nào sau đây không thể tồn tại?
A. C₄H₆O
B. C₃H₄
C. C₂H₅
D. C₅H₁₀
Đáp án: C (C₂H₅ không thỏa mãn hóa trị).
Câu 5. Số đồng phân cấu tạo mạch hở của C₄H₆ là bao nhiêu, biết rằng các đồng phân này chỉ chứa liên kết ba?
A. 1
B. 2
C. 3
D. 4
Đáp án: A (CH≡C-CH₂-CH₃).
Kết luận:
Việc nắm vững khái niệm và cách tính độ bất bão hòa là vô cùng quan trọng trong việc xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ. Bằng cách kết hợp độ bất bão hòa với các kiến thức khác về hóa học hữu cơ, chúng ta có thể dễ dàng suy luận và viết được các công thức cấu tạo có thể có của một phân tử, từ đó giải quyết các bài toán liên quan.
