CHAPTER 15

ORGANIC COMPOUNDS AND THE ATOMIC
PROPERTIES OF CARBON
Preparing an Organic Snack: Except for the metal knife, everything in this scene-bread
and warpper, peanut butter, jelly, plate, and snacker-are composed of organic compounds. In
this chapter, you’ll see that all the properties of these compounds emerge from those of the
carbon atom.
Outline
15.1 The Special Nature of Carbon and the Characteristics of Organic Molecules
Structural Complexity of Organic Molecules
Chemical Diversity of Organic Molecules
15.2 The Structures and Classes of Hydrocarbons
Carbon Skeletons and Hydrogen Skins
Alkanes
Constitutional Isomerism and the Physical properties of Alkanes
Chiral Molecules and Optical Isomerism
Alkenes
Alkynes
Aromatic Hydrocarbons
15.3 Some Important Classes of Organic Reactions
15.4 Properties and Reactivities of Common Functional Groups
Groups with Only Single Bonds
Groups with double Bonds
Groups with Both Single and Double Bonds
Groups with Triple Bonds
15.5 The Monomer-Polymer Theme I: Synthetic Macromolecules
Addition Polymers
Condensation Polymers
15.6 The Monomer-Polymer Theme II: Biological Macromolecules
Sugars and Polysaccharides

Amino Acids and Proteins
Nucleotides and Nucleic Acids
Mục lục
15.1

Tính chất tự nhiên riêng biệt của cacbon và đặc điểm phân tử hữu cơ
Cấu trúc phức tạp của hợp chất hữu cơ
Sự đa dạng hóa học của hợp chất hữu cơ

15.2

Các cấu trúc và phân loại hidrocacbon
Các mạch cacbon và các hidro liên kết
Ankan


Đồng phân cấu tạo và tính chất vật lý của ankan
Phân tử đối xứng và đồng phân quang học
Anken
Ankin
Aren
15.3

Một số phản ứng hữu cơ quan trọng

15.4

Các tính chất và hoạt tính của các nhóm chức thông dụng
Nhóm chỉ chứa liên kết đơn
Nhóm chứa liên kết đôi

Nhóm chứa cả liên kết đơn và liên kết đôi
Nhóm chứa liên kết ba

15.5

Monome và polyme loại 1: Sự tổng hợp cao phân tử
Polyme trùng hợp
Polyme trùng ngưng

15.6

Monome và polyme loại 2: Các cao phân tử sinh học
Đường và cacbonhidrat
Aminoaxit và protein
Axit nucleic và nucleotit

Key Principles for focus on while studying this chapter
Carbon’s unusual ability to form single and multiple bonds to order carbons and to a
few other nonmetals gives its compounds structural complexity and chemical
diversity. The diversity arises from the presence of functional groups, specific
combinations of bonded atoms that react in characteristic ways. (Sections 15.1)
• Hydrocarbons (compounds containing only C and H) are classified as alkenes (all
single bond), alkenes (at least one C≡C bond), alkynes (at least one C=C bond), and
aromatic hydrocarbons (at least one planar ring with delocalized π electrons). The
C=C and C≡C bonds are functional groups. (Section 15.2)
• Constitutional (structural) isomers have different arrangements of atoms.
Stereoisomers have the same atom arrangement but different spatial orientations. The
two types of stereoisomers are optical isomers, mirror images that cannot be
superimposed, and geometric (cis-trans) isomers, which have different orientations of
group around a C-C bond. (Section 15.2)

• Three common types of organic reaction are addition (two atoms or groups are added
and a C=C bond is converted to a C-C bond), elimination (two atoms or groups are
•


removed and a C-C bond is converted to a C=C bond) and substitution (one atom or
group replaces another. (Section 15.3)
• Functional groups undergo characteristic reactions: groups with only single bonds
(alcohol, haloalkane, and mine) undergo substitution or elimination; groups with
double bonds (alkene, aldehyde, and ketone) and those with triple bonds (alkyne and
nitrile) undergo addition; and groups with both single and double bonds (carboxylic
acid, ester, and amide) undergo substitution. (Section 15.4)
• Polymers are made by covalently linking many small repeat units (monomers).
Particular monomers are used to give synthetic polymers desired properties. Addition
polymers form through a free-radical chain reaction involving monomers with a C=C
group. Condensation polymers consist of monomers with two functional groups that
link together by dehydration-condensation reactions. (Section 15.5)
• Polysaccharides (monomers, sugars), proteins (monomers, amino acids), and nucleic
acids (monomers, nucleotides) are natural polymers. DNA occurs as a double helix,
with bases in each strand H-bonded to specific bases in the other. The base sequence
of an organism’s DNA determines the amino-acid sequences of its proteins, which
determine the proteins’ structure and function. (Section 15.6)
Những nguyên tắc chính cần phải tập trung trong khi học chương này
• Cacbon hiếm có khả năng tạo thành liên kết đơn, liên kết bội với những cacbon và một

•

•

•


•

•

vài phi kim khác, cho thấy những hợp chất cấu trúc phức tạp và tính đa dạng sinh học của
nó. Sự đa dạng có được nhờ hệ thống các nhóm chức, sự kết hợp riêng biệt của các
nguyên tử liên phản ứng theo nhiều cách riêng. (Phần 15.1)
Hydrocacbon (hợp chất chỉ chứa C và H) được phân loại giống như ankan (tất cả các liên
kết đơn), ankan (có chứa ít nhất một liên kết C=C), ankin (ít nhất một liên kết CC), và
hydrocacbon thơm (ít nhất một vòng phẳng có electron dịch chuyển xung quanh). Liên
kết C=C và CC thuộc nhóm chức. (Phần 15.2)
Đồng phân cấu trúc có cách sắp xếp nguyên tử khác nhau. Đồng phân lập thể có sự sắp
xếp nguyên tử giống nhưng vị trí hình học của các nguyên tử và các nhóm chức trong
không gian lại khác nhau. Có hai loại đồng phân lập thể đó là đồng phân quang học, hình
phản chiếu không thể chất chồng lên nhau, và đồng phân hình học (cis-trans), có định
hướng khác nhau về các nhóm xung quanh một liên kết C=C. (Phần 15.2)
Ba loại phản ứng hữu cơ phổ biến đó là phản ứng cộng (hai nguyên tử hay nhiều nhóm
nguyên tử được thêm vào và một liên kết C=C được chuyển thành liên kết C-C), phản
ứng tách (hai nguyên tử hay nhiều nhóm nguyên tử bị tách ra và một liên kết C-C được
chuyển thành liên kết C=C), và phản ứng thế (một nguyên tử hay nhóm nguyên tử được
thay thế bởi một nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác). (Phần 15.3)
Nhóm chức trải qua các phản ứng riêng biệt: nhóm chỉ có chứa liên kết đơn (rượu,
haloalkane, và amit) trải qua phản ứng thế hoặc phản ứng tách: nhóm có chứa liên kết đôi
(anken, aldehyde, và xeton) và các nhóm có chứa liên kết ba (ankin và nitrile) trải qua
phản ứng cộng; nhóm có liên kết cả đơn và đôi (axit cacboxylic, este, amit) trải qua phản
ứng thế. (Phần 15.4)
Polime được tạo ra bằng cách đồng hóa trị liên kết nhiều đơn vị lặp lại nhỏ (monome).
Monome riêng biệt được sử dụng để tạo ra các polime tổng hợp có đặc tính mong muốn.



Polime khác hình thành thông qua một chuỗi phản ứng theo cơ chế gốc tự do liên quan
đến monome với một nhóm C=C. Polime phản ứng trùng ngưng bao gồm các monome
với hai nhóm chức liên kết với nhau bằng phản ứng trùng ngưng – khử nước. (Phần 15.5)
• Polysacarit (monome, đường), protein (monome, các axit amin), và axit nucleic
(monome, nucleotide) là các polime tự nhiên. DNA xảy ra như một chuỗi xoắn kép, với
bazơ ở mỗi sợi H – được liên kết tới các bazơ riêng biệt trong sợi khác. Các chuỗi bazơ
trong DNA của một sinh vật xác định trình tự axit amin của protein chất đó, trình tự này
quyết định cấu trúc và chức năng của protein. (Phần 15.6)
CONCEPTS & SKILLS TO REVIEW before you study this chapter
• naming straight - chain alkanes (Section 2.8)
• constitutional isomerism (Section 3.2)
• ΔEN and bond polarity (Section 9.5)
• resonance structures (Section 10.1)
• VSEPR theory (Section 10.2)
• orbital hybridization (Section 11.1)
• o and u bonding (Section 11.2)
•

types of intermolecular forces (Sections 12.3)
• properties of the Period 2 elements (Section 14.2)
• properties of the Group 4A(14) elements (Section 14.6)
Through delicately controlled mechanisms, a living cell oxidizes food for energy
maintains the concentrations of thousands of aqueous components, interacts continuously
with its environment, synthesizes both simple and complex molecules, and even reproduces
itself! For all our technological prowess, no human-made system even approaches the cell in
its complexity and sheer elegance of function.
The amazing chemical machine consumes, creates, and consists largely of organic
compounds. In addition, except for a few inorganic salts and ever-present water, nearly
everything you put into or on your body-food, medicine, cosmetics, and clothing- consists of

organic compounds. Organic fuels warm our homes, cook our meals, and power our
vehicles. Major industries are devoted to producing organic compounds, including plastics,
pharmaceuticals, and insecticides.
What is an organic compounds? The dictionary definition is “a compound of carbon”
but the definition is too general because it includes carbonates, cyanides, carbides, cyanates,
and other carbon containing ionic compounds that most chemist classify as inorganic. Here
is a more specific definition: all organic compounds contain carbon, nearly always bonded to
other carbons and hydrogen, and often to other elements.
In the nearly 19th century, organic compounds were usually obtained from living
things, so they were thought to possess a spiritual “vital force” that made them impossible to
synthesize and fundamentally different from inorganic compounds. Today, we know that the
same chemical principles govern organic and inorganic systems because the behavior of a
compound-no matter how marvelous-arises from the properties of its elements.
Thông qua các cơ chế kiểm soát phù hợp, một tế bào sống oxy hóa thức ăn thành năng
lượng, duy trì nồng độ của hàng ngàn thành phần dung dịch nước, tác động qua lại liên tục
với môi trường và thậm chí tái tạo lại chính nó! Trong tất cả sức mạnh về công nghệ của


chúng ta, không có hệ thống nhân tạo nào thậm chí là phương pháp tiếp cận các tế bào về sự
phức tạp của nó và tính tuyệt đối của các chức năng.
Cỗ máy hóa học tuyệt vời này tiêu thụ, tạo ra, và giữ một lượng lớn các hợp chất hữu cơ.
Ngoài ra, ngoại trừ một vài muối vô cơ và nước luôn có sẵn, gần như tất cả mọi thứ mà bạn
đưa vào hoặc đặt trên cơ thể mình như đồ ăn, dược phẩm, mỹ phẩm, quần áo, bao gồm các
hợp chất hữu cơ. Những nhiên liệu hữu cơ dùng để sưởi ấm nhà cửa, nấu ăn, và năng lượng
cho xe cộ của chúng ta. các ngành công nghiệp chủ yếu dành cho việc sản xuất những hợp
chất hữu cơ, bao gồm nhựa, dược phẩm, và thuốc trừ sâu.
Hợp chất hữu cơ là gì? định nghĩa theo từ điển thì đó là "một hợp chất của cacbon",
nhưng định nghĩa đó quá chung chung, vì nó bao gồm cacbonat, xianua, cacbua, xyanat và
các hợp chất ion có chứa cacbon khác mà hầu hết nhiều nhà hóa học phân loại như vô cơ.
Đây là một định nghĩa cụ thể hơn: Tất cả hợp chất hữu cơ đều có chứa cacbon, hầu như luôn

luôn liên kết với nguyên tử cacbon khác và hydro, và thường với các phân tử khác.
Trong những năm đầu thế kỷ 19, các hợp chất hữu cơ thường được lấy từ các sinh vật
sống, vì vậy họ đã nghĩ cách để sở hữu một "nguồn lực cần thiết" để khiến chúng không thể
tổng hợp được và khác nhau về cơ bản so với các hệ thống vô cơ, bởi vì phản ứng của một
hợp chất – bất luận là kỳ diệu như thế nào – cũng sẽ xảy ra từ thuộc tính trong phần tử của
nó.
15.1 THE SPECIAL NATURE OF CARBON AND THE CHARACTERISTICS OF
ORGANIC MOLECULES
Although there is nothing mystical about organic molecules their indispensable role in
biology and industry leads us to ask if carbon has some extraordinary attributes that give it a
special chemical “personality”. Of course, each element has its own specific properties, but
the atomic properties of carbon do give it boding capabilities beyond those of any other
element. This exceptional behavior leads to the two obvious characteristics of organic
molecules-structural complexity and chemical diversity.
15.1 Tính chất tự nhiên riêng biệt của cacbon và đặc điểm phân tử hữu cơ
Mặc dù không có gì bí ẩn về các phân tử hữu cơ, nhưng vai trò không thể thiếu của chúng
đối với sinh học và công nghiệp khiến chúng ta phải đặt câu hỏi liệu cacbon có một số đặc
điểm riêng biệt nào đó mà có thể tạo ra một chất hóa học đặc biệt "tính chất riêng". Tất
nhiên, mỗi phần tử có thuộc tính cụ thể riêng, nhưng các thuộc tính nguyên tử của cacbon
khiến cho nó khả năng liên kết cao hơn những phân tử hữu cơ khác – phức tạp về mặt cấu
trúc và đa dạng về mặt hóa học.


Figure 15.1 The position of
carbon in the periodic
table.
Other
elements
comon
in

organic
compounds are H, N, O, P,
S, and the halogens.
The structural Complexity of Organic Molecules
Most organic molecules have more complex structures than most inorganic molecules. A
quick review of carbon’s atomic properties and bonding behavior shows why.
1. Electron configuration, electronegativity, and covalent bonding. Carbon’s ground-state
electron configuration of [He] 2s2 2p2 - four electrons more than He and four fewer than Nemeans that the formation of a carbon ion ( C 4+ or C4-) takes much too much energy under
ordinary conditions. Lying at the center of Period 2, carbon has an electronegativity (EN =
2.5) that is midway between that of the most metallic element (Li, EN = 1.0) and the most
nonmetallic element (F,EN = 4.0) of Period 2 (Figure 15.1). Therefore, carbon shares
electrons to attain a filled outer (valence) level, bonding covalently in all its elemental forms
and compounds.
Cấu trúc phức tạp của các Phân tử hữu cơ
Hầu hết phân tử hữu cơ có cấu trúc phức tạp hơn so với phân tử vô cơ. Sau đây là một xem
xét sơ qua về tính chất nguyên tử của cacbon và phản ứng liên kết cho thấy lý do tại sao.
1. Cấu hình electron, độ âm điện và liên kết cộng hóa trị. Cấu hình electron ở trạng thái cơ bản

của Cacbon so với [He] là 2s22p2 – nhiều hơn bốn electron so với He và ít hơn bốn so với Ne
- có nghĩa là hình thành một ion cacbon (C 4+ hoặc C4-) mất rất nhiều nhiều năng lượng dưới
điều kiện bình thường. Nằm ở trung tâm của chu kì 2, carbon có độ âm điện (EN = 2,5) nằm
giữa nguyên tố kim loại đứng đầu (Li, EN = 1.0) và nguyên tố phi kim đứng đầu (F, EN =
4.0) Chu kì 2 ( Hình 15.1). Do đó, cacbon cho đi electron để đạt được bên ngoài lấp đầy (hóa
trị) ở mức cân bằng, liên kết đồng hóa trị trong tất cả các dạng nguyên tố và hợp chất của nó.
2. Bond properties, catenation, and molecular shape. The number and strength of carbon’s
bonds lead to the property of catenation, the ability to bond itself, which allows it to form a
multitude of chemically and thermally stable chain, ring, and branched compounds.
• Through the process of orbital hybridization (Section 11.1), carbon forms four bonds
in virtually all its compounds, and they point in as many as four different directions.
• The small size of carbon allows close approach to another atom and thus greater

orbital overlap, so carbon forms relatively short, strong bonds.
• The C-C bond is short enough to allow side-to-side overlap of haft=filled,
unhybridized p orbitals and the formation of multiple bonds, which restrict rotation of
attached groups.


2. Đặc điểm liên kết, liên kết vòng, và hình dạng phân tử. Số lượng và độ bền của liên kết

cacbon dẫn đến tính liên kết vòng, khả năng liên kết với chính nó, cho phép nó tạo thành vô
số các chất hóa học và vòng, chuỗi ổn định nhiệt, các hợp chất được phân nhánh.
• Thông qua quá trình lai hóa orbital (quỹ đạo) (phần 11.1), hầu như tất cả các hợp chất của
cacbon đều tạo thành bốn liên kết, và chúng đi theo bốn hướng khác nhau nhiều nhất có
thể.
• Vì kích thước nhỏ cho phép cacbon có thể tiến lại gần với nguyên tử khác và chồng chéo
quỹ đạo như vậy, nên cacbon hình thành tương đối ngắn và liên kết mạnh.
• Liên kết C-C đủ ngắn để có thể chồng chéo từ bên này sang bên kia của orbital p không ở
trạng thái lai và sự hình thành của liên kết bội, hạn chế sự quay vòng của nhóm phân tử
đính kết.
3. Molecular stability. Although silicon and several other elements also catenate, none can

form chains as stable as those of carbon. Atomic and bonding properties confer three crucial
differences between C and Si chains that explain why C chains are do stable and, therefore,
so common:
• Atomic size and bond strength. As atomic size increases down Group 4A(14), bonds
between identical atoms become longer and weaker. Thus, a C-C bond (347 kJ/mol)
is much stronger than an Si-Si bond (226kJ/mol).
•
Relative enthalpies of reaction. A C-C bond (347kJ/mol) and a C-O bond
(368/kJ/mol) have nearly the same energy, so relatively little heat is released when a
C chain reacts and one bond replaces the other. In contrast an Si-O bond (368kJ/mol)

is much stronger than an Si-Si bond (226kJ/mol), so a large quantity of heat is
released when an Si chain reacts.
• Orbitals available for reaction. Unlike C, Si has low-energy d orbitals that can be
attacked (occupied) by the one pairs of incoming reactants. For example, ethane
(CH3-CH3) is stable in water and does not react in air unless sparked, whereas disilane
(SiH3-SiH3) breaks sown in water and ignites spontaneously in air.
3. Độ bền phân tử. Mặc dù silic và nhiều phần tử khác kết chuỗi với nhau, nhưng không phần

tử nào có thể hình thành nhiều chuỗi bền chặt như cacbon. chất nguyên tử và đặc điểm liên
kết nêu ra ba sự khác nhau đặc biệt quan trọng giữa chuỗi C và Si, điều đó giải thích tại sao
chuỗi C rất bền và do đó rất phổ biến:
• Kích thước nguyên tử và độ bên liên kết. Khi kích thước của nguyên tử tăng về nhóm
4A(14), liên kết giữa các nguyên tử đồng nhất trở nên dài hơn và yếu hơn. Do đó, một
liên kết C-C (347kJ/mol) mạnh hơn nhiều so với một liên kết Si-Si (226 kJ/mol).
• Entanpi tỷ đối của phản ứng. Một liên kết C-C (347 kJ / mol) và một liên kết C-O (358
kJ/mol) gần như có cùng một năng lượng, vì vậy tương đối ít nhiệt tỏa ra từ phản ứng
chuỗi C và liên kết này thay thế liên kết kia. Ngược lại, một liên kết Si-O (368 kJ/mol)
mạnh hơn nhiều so với một liên kết Si-Si (226 kJ / mol), vì vậy một lượng lớn nhiệt được
tỏa ra khi chuỗi Si phản ứng.


• Những Orbital có sẵn cho phản ứng. Không giống như C, Si có năng lượng orbital d thấp

nên có thể bị xâm nhập (thay thế) bởi một cặp duy nhất của chất phản ứng mới. Ví dụ,
etan (CH3-CH3) rất bền trong nước và không phản ứng trong không khí trừ khi dùng tia
lửa, trong khi đó disline (SiH3-SiH3) bị phá vỡ trong nước và đốt cháy tự nhiên trong
không khí.
The Chemical Diversity of Organic Molecules
In addition to their complex geometries, organic compounds are
noted for their sheer number and diverse chemical behavior.

Several million organic compounds are known, and thousands
more are discovered or synthesized each year. This incredible
diversity is also founded on atomic and bonding behavior and is
due to three interrelated factors, discussed below.
1. Bonding to heteroatoms. Many organic compounds contain

heteroatoms, atoms other than C or H. The most common
heteroatoms are N and O, but S, P, and the halogens often occur,
and organic compounds with other elements are possible form
various arrangements of just four C atoms singly bonded to each
other, one O atom (either singly or double bonded), and the
necessary number of H atoms.
Sự đa dạng hóa học của các phân tử hữu cơ
Ngoài cấu trúc hình học phức tạp, các hợp chất hữu cơ được còn
được chú ý về số lượng tuyệt đối và phản ứng hóa học đa dạng
của chúng. Nhiều triệu hợp chất hữu cơ được biết đến, và thêm
hàng ngàn được phát hiện và tổng hợp mỗi năm. Sự đa dạng đáng
kinh ngạc này cũng được dựa trên cơ sở nguyên tử và phản ứng
liên kết nhờ vào ba yếu tố liên quan với nhau, nêu ra dưới đây.
1. Liên kết với các nguyên tử khác loại (heteroatom). Nhiều
hợp chất hữu cơ có chứa nhiều heteroatom, những nguyên tử
khác mạnh hơn so với C hoặc H. Các heteroatom phổ biến nhất
đó là N và O, ngoại trừ S, P, và halogen thường xuyên xuất hiện,
và những hợp chất hữu cơ với phần tử khác cũng được biết đến
khá rộng rãi. Hình 15.2 cho thấy rằng 23 cấu trúc phân tử khác
nhau là điều có thể xảy ra từ sự sắp xếp khác nhau chỉ bốn
nguyên tử C liên kết đơn với nhau, một nguyên tử O (có thể liên
kết đơn hoặc liên kết đôi), và số lượng cần thiết của các nguyên
tử H.
2. Electron density and reactivity. Most reactions start – that is, a new bond begins to form –


when a region of high electron density on one molecule meets a region of low electron
density on another. These regions may be due to the presence of a multiple bond or to the
properties of carbon-heteroatom bonds. Consider the reactivities of four bonds commonly
found in organic molecules:


The C-C bond. When C is singly bonded to another C, as occurs in portions of nearly
every organic molecule, the EN values are equal and the bond is nonpolar. Therefore, in
general, C-C bonds are unreactive.
• The C-H bond. This bond, which also occurs in nearly every organic molecules, is short
(109 pm) and very nearly nonpolar, with EN values of H (2.1) and C (2.5). thus, C-H
bonds are largely unreactive.
• The C-O bond. This bond, which occurs in many types of organic molecules, is highly
polar (∆EN = 1.0), with the O end electron rich and the C end electron poor. As a result of
this imbalance, the C-O bond is reactive (easy to break),a nd, given appropriate
conditions, a reaction will occur there.
• Bonds to other heteroatoms. Even when a carbon-heteroatom bond has a small ∆EN, such
as that for C-Br (∆EN = 0.3), or none at all, as for C-S (∆EN = 0), the heteroatoms are
generally large, so their bonds to carbon are long, weak, and thus reactive.
•

2. Độ phản ứng và mật độ Electron. Hầu hết các phản ứng bắt đầu - một liên kết mới hình
thành - khi một nơi có mật độ electron cao trên một phân tử giao với nơi có mật độ electron
thấp khác. Các nơi này có thể là do sự xuất hiện của một liên kết bội hoặc do thuộc tính của
liên kết cacbon-heteroatom. Hãy xem xét độ phản ứng của bốn liên kết thường được thấy
trong các phân tử hữu cơ:
• Liên kết C-C. Khi C liên kết đơn với C khác, xảy ra trong nhiều đoạn của hầu hết các

phân tử hữu cơ, các giá trị EN bằng nhau và liên kết trở thành không cực. Vì vậy, nói

chung những liên kết C-C không phản ứng.
• Liên kết C-H. Mối liên kết này cũng xảy ra ở hầu hết các phân tử hữu cơ, ngắn (109 giờ)
và gần như không cực, với các giá trị EN của H (2.1) và C (2.5). Như vậy, liên kết C- H
phần lớn không phản ứng.
• Liên kết C-O. Liên kết này xảy ra ở nhiều loại phân tử hữu cơ, có cực ở mức độ cao (∆EN
= 1.0), có O ở cuối giàu electron và C cuối nghèo electron. Như kết quả của việc mất cân
bằng này, liên kết C-O phản ứng (dễ dàng bị phá vỡ), và với điều kiện thích hợp, phản
ứng sẽ xảy ra ở đó
• Liên kết với các heteroatom khác. Thậm chí khi một liên kết cacbon-heteroatom có ∆EN
nhỏ, chẳng hạn như đối với C-Br (∆EN = 0.3), hoặc không có giá trị như C-S (∆EN = 0),
các heteroatom thông thường khá lớn, vì vậy liên kết cacbon dài, yếu, và do đó phản ứng.
3. Importance of functional groups. One of the most important ideas in organic chemistry is
that of the functional group, a specific combination of bonded atoms that reacts in a
characteristic way, no matter what molecule it occurs in. in nearly every case, the reaction of
an organic compound takes place at the functional group. Functional groups vary from
carbon-carbon multiple bonds to several combinations of carbon-heteroatom bonds, and
each has its own pattern of reactivity. A particular bond may be a functional group itself or
part of one or more functional groups. For example, the C-O bond occurs in four functional
groups. We discuss the reactivity of three of these groups in this chapter:


3. Tầm quan trọng của nhóm chức. Một trong những khái niệm quan trọng nhất trong
hóa học hữu cơ đó là nhóm chức, sự kết hợp riêng biệt của các nguyên tử được liên kết với
nhau tạo ra phản ứng một cách đặc trưng, bất luận nó phản ứng với phân tử nào. Trong hầu
hết mỗi trường hợp, phản ứng của một hợp chất hữu cơ diễn ra ở nhóm chức. Các nhóm
chức khác với những liên kết bội cacbon-cacbon để có thể tổ hợp một số liên kết carbonheteroatom, và từng hợp chất hữu cơ có một hình dạng riêng của phản ứng. Một liên kết
riêng biệt có thể tự là một nhóm chức hoặc là một phần của một hoặc nhiều nhóm chức. Ví
dụ, liên kết C-O xảy ra trong 4 nhóm chức. Trong chương này, chúng ta thảo luận về phản
ứng của ba trong số bốn nhóm đó.
Summary of Section 15.1

Carbon’s small size, intermediate electronegativity, four valence electrons, and
ability to form multiple bonds result in the structural complexity of organic
compounds.
• These factors lead to carbon’s ability to catenate, which creates chains, branches,
and rings of C atoms. Small size and absence of d orbitals in the valence level lead
to strong, chemically resistant bonds that point in as many as four directions from
each C.
• Carbon’s ability to bond to many other elements, including O and N, creating
polar bonds and resulting in greater reactivity, leads to the chemical diversity of
organic compounds.
• Most organic compounds contain functional groups, specific combinations of
bonded atoms that react in characteristic ways.
•

Sơ lược về Phần 15.1
• Cacbon có kích thước nhỏ, điện âm trung bình, electron hóa trị bốn, và có khả năng hình

thành liên kết bội tạo ra cấu trúc phức tạp của các hợp chất hữu cơ.
• Những yếu tố này cho thấy khả năng liên kết của cacbon, tạo ra nhiều mắt xích, nhánh,
và các vòng của nguyên tử C. Kích thước nhỏ và không có orbital d ở mức cân bằng hóa
trị dẫn đến liên kết hóa học bền và mạnh, đi theo bốn hướng nhiều nhất có thể từ mỗi C.
• Cacbon có khả năng liên kết với nhiều phần tử khác, bao gồm cả O và N, tạo ra những
liên kết có cực và dẫn đến phản ứng lớn hơn, cho thấy sự đa dạng hóa của các hợp chất
hữu cơ.
• Hầu hết các hợp chất hữu cơ đều có chứa nhóm chức, tổ hợp riêng biệt của các nguyên
tử liên kết phản ứng theo nhiều cách đặc trưng.


15.2 THE STRUCTURES AND CLASSES OF HYDROCARBONS
A fanciful, anatomical analogy can be made between an organic molecule and an animal.

The carbon-carbon bonds form the skeleton: the longest continual chain is the backbone, and
any branches are the limbs. Covering the skeleton is a skin of hydrogen atoms, with
functional groups protruding at specific locations, like chemical hands ready to grab an
incoming reactant. In this section, we “dissect” one group of compounds down to their
skeleton and see how to name and draw them.
Hydrocarbons, the simplest type of organic compound, are a large group of
substances containing only H and C atoms. Some common fuels, such as natural gas and
gasoline, are hydrocarbon mixtures. Some hydrocarbon, such as ethylene, acetylene, and
benzene, are important feedstocks, precursor reactants used to make other compounds.
15.2 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI CỦA HYDROCACBON
Một sự tương đồng kì lạ về kết cấu có thể được tạo ra giữa một phân tử hữu cơ với một con
vật. Các liên kết cacbon-cacbon hình thành nhóm khung (skeleton): chuỗi liên tục dài nhất là
xương sống, và bất kỳ nhánh nào thuộc chi. Bao quanh skeleton là một lớp nguyên tử hydro,
với các nhóm chức nhô ra tại những nơi riêng biệt, giống như phản ứng hóa học sẵn sàng
thâu lấy một chất phản ứng đang đến gần. Trong phần này, chúng ta sẽ "phân tích kỹ" một
nhóm các hợp chất cho đến skeleton, xem nên gọi tên và vẽ chúng như thế nào.
Hydrocacbon là loại đơn giản nhất trong hợp chất hữu cơ và là một nhóm lớn các
chất chỉ chứa nguyên tử H và C. Một số nhiên liệu thông thường chẳng hạn như khí tự
nhiên, dầu lửa, và hỗn hợp hydrocarbon. Một số các hydrocacbon như atilen, axetilen và
bezen, là những nguyên liệu, chất phản ứng thử rất quan trọng được dùng để tạo ra các hợp
chất khác.
Carbon Skeleton and Hydrogen Skins
Let’s begin by examining the possible bonding arrangements of C atoms only (leaving off
the H atoms for now) in simple skeletons without multiple bonds or rings. To distinguish
different skeletons, focus on the arrangement of C atoms (that is, the successive linkages of
one to another) and keep in mind that groups joined by a single (sigma) bond are relatively
free to retate (Section 11.2)
Structures with one, two, or three carbons can be arranged in only one way. Whether
you draw three C atoms in a line or with a bend, the arrangement is the same. Four C atoms,
however, have two possible arrangements- a four-C chain or a three-C chain with a one-C

branch at the central C:


As the total number of C atoms increases, the number of different arrangements
increases as well. Five C atoms have 3 possible arrangements (Figure 15.3A); 6C atoms can
be arranged in 5 ways, 7 C atoms in 9 ways, 10C atoms in 75 ways, and 20 C atoms in more
than 300,000 ways! If we include multiple bonds and rings, the number of arrangements
increases further. For example, including one C=C bond in the five-C skeletons creates 5
more arrangements (Figure 15.3B), and including one ring creates 5 more (Figure 15.3C).
Figure 15.3 Some five-carbon skeletons.

Cấu tạo cacbon thu gọn nhất (skeleton) và hydro liên kết
Hãy bắt đầu bằng cách kiểm tra các cách sắp xếp liên kết chỉ duy nhất nguyên tử C (tạm thời
loại bỏ các nguyên tử H) trong các skeleton đơn giản không có liên kết bội hay liên kết
vòng. Để phân biệt với những skeleton khác, tập trung vào cách sắp xếp của các nguyên tử
C (có nghĩa là, sự liên kết có trình tự của một nguyên tử này với một nguyên tử khác) và lưu
ý rằng các nhóm tham gia bằng một liên kết đơn (sigma) có thể tương đối tự do xoay vòng
(Phần 11.2)
Cấu trúc với một, hai, hoặc ba nguyên tử cacbon có thể được sắp xếp theo một cách
duy. Cho dù bạn vẽ ba nguyên tử C trong một hàng hay uốn cong, việc bố trí là như nhau.
Tuy nhiên, bốn nguyên tử C lại có thể có hai cách sắp xếp - một chuỗi 4-C hoặc một chuỗi
3-C với một nhánh 1-C tại C trung tâm:
Khi tổng số nguyên tử C tăng, số cách sắp xếp cũng tăng theo. Năm nguyên tử C có 3
cách sắp xếp (Hình 15.3A); 6 nguyên tử C có 5 cách sắp xếp , 7 nguyên tử C có 9 cách sắp
xếp, 10 nguyên tử C có 75 cách sắp xếp, và 20 nguyên tử C có hơn 300.000 cách sắp xếp!
Nếu chúng ta bao gồm cả liên kết bội và liên kết vòng, số lượng cách sắp xếp còn nhiều hơn
thế nữa. Ví dụ, có một liên kết C=C trong các bộ xương có 5-C tạo ra hơn 5 cách sắp xếp
(Hình 15.3B), và bao gồm một vòng tạo ra thêm 5 cách sắp xếp nữa (Hình 15.3C)
When determining the number of different skeletons for given number of C atoms,
remember that:

•

Each C atom can form a maximum of four single bonds, or two single and one double
bond, or more single and one triple bond.


The arrangement of C atoms determines the skeleton, so a straight chain and a bent
chain represent the same skeleton.
• Groups joined by a single bond can rotate, so a branch pointing down is the same as
one pointing up. (Recall that a double bond restricts rotation.)
•

If we put a hydrogen “skin” on a carbon skeleton, we obtain a hydrocarbon. Figure 15.4
shows that a skeleton has the correct number of H atoms when each C has four bonds.
Sample Problem 15.1 provides practice drawing hydrocarbons.
Khi xác định số lượng những skeleton khác nhau
đối

với

số

nguyên tử C
nhất định, hãy
nhớ rằng
• Mỗi

nguyên tử
C có thể
hình thành

đơn và một

tối đa bốn liên kết đơn, hoặc hai liên kết
liên kết đôi, hoặc một liên kết đơn và một liên kết ba.
• Sự sắp xếp của các nguyên tử C quyết định skeleton đó như thế nào, vì vậy, một mắt
xích thẳng và một mắt xích cong đại diện cho cùng một skeleton.
• Những nhóm tham gia bằng một liên kết đơn có thể xoay vòng, cho nên một nhánh
xuống tương đương với một nhánh lên. (Nhớ rằng một liên kết đôi luôn giới hạn việc
quay vòng.)
Nếu chúng ta đặt một hydro "liên kết" trên một skeleton của cacbon, chúng ta có được
một hydrocacbon. Hình 15.4 cho thấy một skeleton có chính xác số lượng của các nguyên tử
H khi mỗi C có bốn liên kết. Bài ví dụ 15.1 đưa ra cách viết thực hành hydrocacbon.
Sample Problem 15.1 Drawing Hydrocarbons
Problem Draw structures that have different atom arrangements for hydrocarbons with:
(a) Six C atoms, no multiple bonds, and no rings.
(b) Four C atoms, one double bonds, and no rings.

Plan In each case, we draw the longest carbon chain first and then ork down to smaller
chains ith branches at different points along them. The process typically involves trial and
error. Then, we add H atoms to give each C a total of four bonds


.
Hydrocarbons can
be classified into four
main groups. In the
remainder of this section, we
examine the names and some
structural
features

and
physical
properties
of
each
group.
Later,
we
discuss the chemical behavior of
the hydro- carbons.
Bài tập 15.1 Cách viết
hydrocacbon
Vấn đề Hãy viết công
thức
cấu
tạo
hydrocacbon theo nhiều
cách
sắp
xếp
nguyên tử khác nhau:
(a) Sáu nguyên tử C, không có
liên kết bội và liên
kết vòng
(b) Bốn nguyên tử C,
một liên kết đôi, không
có liên kết vòng
Cách làm Trong mỗi trường hợp, chúng ta vẽ
mắt xích cacbon dài nhất
đầu tiên, rồi sau đó vẽ những chuỗi

nhỏ hơn với nhiều nhánh tại
những điểm khác nhau
dọc theo
chúng. Quy trình này
thường đòi
hỏi việc làm thử và
mắc
lỗi.
Cuối cùng, chúng ta thêm các nguyên tử H cho mỗi C toàn bộ bốn
liên kết.
Giải (a) Những hợp
chất với 6
nguyên tử C
(b) Những hợp chất
với 4 nguyên tử C và một liên kết đôi
Kiểm tra lại Đảm bảo rằng mỗi skeleton có đúng số nguyên tử C và những liên kết bội,
không có việc sắp xếp bị lặp hay bỏ sót; hãy nhớ là một liên kết đôi được tính như là 2 liên
kết.
Chú giải Tránh một vài lỗi thường gặp:
Trong câu (a):
Trong câu (b):
Liên kết đôi giới hạn việc xoay vòng, vì vậy, ngoài dạng cis nằm ở ngoài cùng phần (b) thì
những dạng khác đều có thể ở dạng trans:
(Chúng ta sẽ thảo luận đầy đủ về dạng cis và trans trong phần này sau)
Chúng ta cũng nên tránh vẽ quá nhiều liên kết với một C như thế này:


BÀI TẬP TƯƠNG TỰ 15.1 Vẽ tất cả những hydrocacbon có 5 nguyên tử C, một liên kết
ba, và không có liên kết vòng (ba cách sắp xếp).
Hydrocacbon có thể phân thành bốn nhóm chính. Trong phần còn lại của mục này,

chúng ta thảo luận về việc đặt tên, cũng như một số đặc điểm cấu trúc và tính chất vật lý của
mỗi nhóm. Sau đó, chúng ta sẽ thảo luận cách phản ứng hóa học của hydrocacbon.
Alkanes: Hydrocarbons with Only Single Bonds
A hydrocarbon that contains only single bonds is an alkane (general formula C nH2n+2’ where
n is a positive integer). For example, if n = 5, the formula is C 5H[(2x5)+2]’ or C5H12. The alkenes
comprise a homologous series, one in which each member differs from the next by a -CH 2(methylene) group. In an alkane, each C is sp 3 hybridized. Because each C is bonded to the
maximum number of other atoms (C or H), alkanes are referred to as saturated
hydrocarbons.
Ankan: Hydrocacbon với liên kết đơn duy nhất
Một hydrocacbon mà có chứa những liên kết đơn duy nhất đó chính là ankan (công thức
chung CnH2n+2 , n là một số nguyên dương). Ví dụ, nếu n = 5, công thức là C 5H[(2x5)+2], hoặc
C5H12. ankan bao gồm một dãy đồng đẳng, một trong số đó khác với nguyên tử kế tiếp bằng
một nhóm -CH2- (methylen). Trong một ankan, mỗi C lá sp3 được lai hóa. Vì mỗi C được
liên kết với số lượng tối đa của các nguyên tử khác (C hoặc H), nên ankan được gọi là
hydrocacbon no.
Naming Alkanes You learned the name of the first 10 straight-chain alkanes in Section 2.8.
Here we discuss general rules for naming nay alkane and, by extension, other organic
compounds as well. Each chain, branch, or ring has a name based on the number of C atoms.
The namw of a compound has three portions:
PREFIX + ROOT + SUFFIX
Root: The root tells the number of C atoms in the longest continuous chain in the
molecule. The root for the ten smallest alkanes are shown in Table 15.1. as you can see,
there are special roots for compounds with
chains of one to four C atoms; roots of
longer chains are based on Greek numbers.
• Suffix: The suffix tells the type of organic
compound that is being named; that is it
identifies the key functional group the
molecule possesses. The suffix is placed
after the root.

• Prefix: Each prefix identifies a group
attached to the main chain and the number
of the carbon to which it is attached.
Prefixes identifying hydrocarbon branches
are the same as root names (Table 15.1) but
have –yl as their ending. Each prefix is placed before the root.
•


Gọi tên Ankan Các bạn đã được học nhiều tên của 10 đầu dãy có dạng mạch thẳng trong
phần 2.8. Ở phần này chúng ta thảo luận về quy luật đặt tên chung cho ankan bất kì, bằng
cách mở rộng cũng như các hợp chất khác. Mỗi chuỗi, nhánh hay vòng có một tên dựa vào
số nguyên tử C. Tên của một hợp chất có 3 phần
TIỀN TỐ + TÊN MẠCH CHÍNH + HẬU TỐ
• Tên mạch chính: mạch chính đưa ra số nguyên tử C của mắt xích liên tục dài nhất trong

phân tử. Các mạch chính của 10 ankan nhỏ nhất được trình bày ở Bảng 15.1. Như các bạn
có thể thấy, có nhiều mạch chính đặc biệt cho các hợp chất, với những mắt xích của một
đến bốn nguyên tử C; các mạch chính có nhiều mắt xích dài hơn nhờ vào số lượng Greek.
• Hậu tố: Hậu tố được hiểu như là loại hợp chất hữu cơ được đặt tên; có nghĩa là, nó xác
định nhóm chức chính chính các phân tử hữu cơ. Hậu tố được đặt ngay sau tên mạch
chính.
• Tiền tố: Mỗi tiền tố xác định nhóm gắn liền với mạch chính và số lượng cacbon được
tham gia. Việc xác định tiền tố của các nhánh hydrocacbon cũng tương tự như những tên
mạch chính (Bảng 15.1) nhưng có –yl cuối đuôi chúng. Mỗi tiền tố được đặt trước tên
mạch chính.
For example, in the name 2-methylbutane, 2-methyl- is the prefix ( a one-carbon branch is
attached to C-2 of the main chain), -but- is the root (the main chain has four C atoms), and –
ane is the suffix (the compound is an alkane).
To obtain the systematic name of a compound,

1. Nam the longest chain (root)
2. Add the compound type (suffix)
3. Name any branches (prefix).

Table 15.2 presents the rules for naming any organic compound and applies them to an
alkane component of gasoline. Other organic compounds are named with a variety of other
prefixes and suffixes (see Table 15.5). In addition to these systematic names, some common
names are still in use.
Depicting Alkanes with Formulas and Models Chemist have several ways to depict
organic compounds. Expanded, condensed, and carbon-skeleton formulas are easy to draw;
ball-and-stick and space-filling models show the actual shapes.


Figure 15.5 Way of depicting the alkane 3-ethyl-2-methylhexane
The expanded formula is a Lewis structure, so it shows each atom and bond. One type
of condensed formula groups each C atom with its H atoms. Carbon-skeleton formulas show
only carbon-carbon bonds and appear as zig-zag lines, often with branches. Each end or
bend of a zig-zag lien or branch represents a C atom attached to the number of H atoms that
gives it a total of four bonds:
propane

CH3 CH2 CH3

2,3-dimethylbutane

CH3

CH3

CH 3


CH

CH

CH 3

Figure 15.5 shows these formulas (and models) of the compound named in Table 15.2.
Ví dụ, tên 2-metylbutan, 2-metyl- là tiền tố ( một nhánh một-cacbon được gắn vào C-2 của
mắt xích chính), -but- là mạch chính (mắt xích chính có bốn nguyên tử C), và –an là hậu tố
(hợp chất đó là một ankan).


Để có tên hệ thống của một hợp chất,
1. Tên của chuỗi dài nhất (mạch chính).
2. Thêm loại hợp chất (hậu tố).
3. Tên các nhánh bất kì (tiền tố).
Bảng 15.2 trình bày các quy luật đặt tên cho một hợp chất hữu cơ và áp dụng chúng vào một
thành phần ankan của nhiên liệu. Những hợp chất hữu cơ khác được đặt tên với sự đa dạng
của các tiền tố và hậu tố khác (xem bảng 15.5). Ngoài ra những tên hệ thống này ra, một vài
danh pháp thường vẫn còn được sử dụng.
Viết ankan bằng công thức cấu tạo và sơ đồ liên kết Các nhà hóa học có nhiều cách để
viết các hợp chất hữu cơ. Công thức cấu tạo khai triển (expanded), công thức cấu tạo thu gọn
(condensed), và công thức cấu tạo cacbon thu gọn nhất rất dễ vẽ; sơ đồ liên kết hóa trị dạng
ba chiều ball-stick và space-filling thể hiện hình dáng thực tế.
Công thức cấu tạo khai triển là một cấu tạo theo Lewis, vì vậy nó cho thấy mỗi kiên
kết và mỗi phân tử. Một dạng của nhiều nhóm công thức cấu tạo thu gọn liên kết và biểu thị
như đường zig-zag, thường đi với các nhánh. Mỗi đầu kết thúc hoặc gấp nếp của nhánh hay
đường zig-zag tương ứng với một C liên kết với tổng số bốn nguyên tử H.
Cyclic Hydrocarbons A cyclic hydrocarbon contains one or more rings in its structure.

When a straight-chain alkali (CnH2n+2) forms a ring, two H atoms are lost as the C-C bond
forms to join the two ends of the chain. Thus, cycloalkanes have the general formula C nH2n.
Cyclic hydrocarbons are often drawn with carbon-skeleton formulas (Figure 15.6, top now).
Except for three-carbon rings, cycloalkanes are nonplanar, as the models show. This
structural feature arises from the tetrahedral shape around each C atom and the need to
minimize electron repulsions between adjacent H atoms. As a result, orbital overlap of
adjacent C atoms is maximized. The most stable form of
cyclohexane is
called the
chair
(Figure

conformation
15.6D)


Hydrocacbon vòng Một hydrocacbon vòng chứa một hoặc nhiều vòng trong cấu tạo của nó.
Khi một mắt xích ankan mạch thẳng (C nH2n+n) hình thành một vòng, hai nguyên tử H bị mất
đi khi liên kết C-C hình thành để tham gia vào hai đầu của mắt xích. Do đó, cycloankan đều
có công thức chung là CnH2n. Hydrocacbon vòng thường xuất hiện cùng với những công thức
cấu tạo cacbon thu gọn nhất (Hình 15.6, hàng đầu tiên). Ngoại trừ vòng ba-cacbon, nhiều
cycloankan khác đều vô cực, như sơ đồ liên kết hóa trị thể hiện. Đặc điểm cấu tạo này phát
sinh từ hình dạng tứ diện xung quanh mỗi nguyên tử C và nhu cầu giảm thiểu lực đẩy
electron giữa các nguyên tử H liền kề. Kết quả là, chồng chéo obital của các nguyên tử C
liền kề được tối đa hóa. Dạng bền nhất của cyclohexan được gọi là thể cấu tạo hình ghế.
(Hình 15.6D)
Constitutional Isomerism and the Physical Properties of Alkanes
Recall from Section 3.2 that two or more compounds with the same molecular formula but
different properties are called isomers. Those with different arrangements of bonded atoms
are constitutional (or structural) isomers; alkanes with the same number of C atoms but

different skeletons are examples. The smallest alkane to exhibit constitutional isomerism has
four C atoms: two different compounds have the fomula C4H10 (Table 15.3). The unbranched
one is butane (common name, n-butane; n-stands for “normal”, or having a straight chain),
and the other is 2-methylpropane (common name, isobutene). Similarly, three compounds
have the formula C5H12. The unbranched isomer is pentane (common name, n-pentane); the
one with a methyl group at C-2 of a four-C chain is 2-methylbutane (common name,
isopentane). The thurd isomer has two methyl branches on C-2 of a three-C chain, so its
name is 2,2-dimethylpropane (common name, neopentane).
Đồng phân cấu trúc và tính chất vật lý của ankan
Nhớ lại từ phần 3.2 rằng hai hay nhiều hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng tính chất
khác nhau thì được gọi là đồng phân (isomers). Những nguyên tử này có sự sắp xếp liên kết
khác nhau thì gọi là đồng phân cấu trúc (constitutional isomerism hay structural
isomerism); ankan có cùng số nguyên tử C, nhưng skeleton khác nhau. Ankan nhỏ nhất để
biểu thị cấu trúc đồng phân có bốn nguyên tử C: hai hợp chất khác nhau có công thức C 4H10
(Bảng 15.3). Nguyên tử duy nhất không phân nhánh là butan (tên gọi thường là n-butan; nlà viết tắt của "normal", hoặc có một mạch thẳng), và khác là 2-metylpropan (tên gọi thường,
isobutan). Tương tự như vậy, ba hợp chất có công thức C 5H12. Đồng phân không phân nhánh
là pentan (tên gọi thường, n-pentan); hợp chất duy nhất với một nhóm metyl tại C-2 của một
mắt xích bốn-C đó là 2-metylbutanc (tên gọi thường, isopentan). Đồng phân thứ ba có hai
nhánh metyl trên C-2 của một mắt xích ba-C, vì vậy tên của nó là 2,2-dimetylpropane (tên
gọi thường, neopentan).
Dispersion Forces and Boiling Points Because alkanes are nearly nonpolar, we expect their
physical properties to be determined by dispersion forces, and the boiling points in Table 5.3
bear this out. The four-C alkanes boil lower than the five-C compounds. Moreover, within


each group of isomers, the more spherical member (isobutene or neopantane) boils lower
than the more elongated one (n-butane or n-pentane). As you saw in Chapter 12, this trend
occurs because a spherical shape leads to less intermolecular contact, and thus lower total
dispersion forces, than does an elongated shape.
Lực phân tán và điểm sôi Vì ankan gần như vô cực, nên chúng ta cho rằng tính chất vật lý

của chúng được xác định bởi lực phân tán, và những điểm sôi trong Bảng 15.3 cho thấy rõ
điều này. Các ankan 4-C đun sôi thấp hơn so với các hợp chất 5-C. Hơn nữa, trong mỗi
nhóm của các đồng phân, các hợp chất tham gia càng có hình cầu (isobutan hoặc neopentan)
thì đun sôi càng thấp hơn so với một hợp chất kéo dài (n-butan hoặc n-pentan). Như các bạn
đã thấy ở chương 12, xu hướng này xảy ra bởi vì dạng hình cầu tiếp xúc kém giữa các phân
tử, và do đó tổng số lực phân tán thấp hơn so với dạng kéo dài.
A particularly clear example of the effect of dispersion forces on physical properties
occurs among the unbranched alkaens (n-alkanes). Among these compounds, boiling points
increase steadily with chain length: the longer the chain, the greater the intermolecular
contact, the stronger the dispersion forces, and the higher the boiling point (Figure 15.7).
Pentane (five C atoms) is the smallest n-alkane that exists as a liquid at room temperature.
The solubility of alkenes, and of all hydrocarbon, is easy to predict from the like-dissolveslike rule (Section 13.1). Alkanes are miscible in each other and in other nonpolar solvents,
such as benzene, but are nearly insoluble in water. The solubility of pentane in water, for
example, is only 0.36g/L at room temperature.

Table 15.3

The Constitutional Isomers of C4H10 and C5H12


Fi
gure 15.7 Formulas, molar masses (in g/mol), structures, and boiling points (in C at 1 atm
pressure) of the first 10 unbranched alkanes.
o

Một ví dụ rõ ràng cụ thể về hiệu quả của lực phân tán đối với tính chất vật lý xảy ra giữa các
ankan không phân nhánh (n-ankan). Trong số các hợp chất này, nhiệt độ sôi tăng dần theo
chiều dài mắt xích; mắt xích càng dài thì tiếp xúc giữa các phân tử càng lớn, lực phân tán
càng mạnh, và điểm sôi cao hơn (Hình 15.7). Pentan (năm nguyên tử C) là n-ankan nhỏ nhất
tồn tại như dạng lỏng ở nhiệt độ phòng (khoảng 25 độ C). Độ tan của ankan và tất cả các

hydrocacbon rất dễ để suy ra từ quy luật like-dissolves-like (Phần 13.1). Ankan có thể trộn
lẫn với nhau và cả trong các dung môi không phân cực khác, chẳng hạn như benzen, nhưng


gần như lại không tan trong nước. Ví dụ độ tan của pentan trong nước chỉ có 0,36 g/L ở nhiệt
độ phòng.
Chiral Molecules and Optical Isomerism
Figure 15.8 An analogy for optical isomers.

Another type of isomerism exhibited by some
alkanes and many other organic (as well as some
inorganic) compounds is called stereoisomerism.
Stereoisomers are molecules with the same
arrangement of atoms but different orientations of
groups in space. Optical isomerism is one type of
stereoisomerism: when two objects are mirror
images of each other and cannot be superimposed,
they are optical isomers, also called enantiomers.
To use a familiar example, your right hand is an
optical isomer of your left. Look at your right hand in mirror: the image is identical to your
left hand (Figure 15.8). No matter how you twist your arms around, however, your hands
cannot lie on top of each other with your palms facing in the same direction and be
superimposed. They are not superimposable because each is asymmetric: there is no plane f
symmetry that divides your hand into two identical parts.
Phân tử bất đối xứng và đồng phân quang học
Một loại khác nữa của đồng phân được biểu thị bởi một số ankan và nhiều chất hữu cơ khác
(cũng như một số chất vô cơ) được gọi là đồng phân lập thể (stereoisomerism). Lập thể là
các phân tử có cùng cách sắp xếp của các nguyên tử, nhưng định hướng khác nhau của các
nhóm trong không gian. Đồng phân quang học là một loại của đồng phân lập thể: khi hai vật
thể là hình ảnh phản chiếu của nhau và không thể xếp chồng thì chúng được gọi là đồng

phân quang học, cũng được gọi là đồng phân đối hình (enantiomers). Một ví dụ dễ thấy, tay
phải là một đồng phân quang học của tay trái. Nhìn vào tay phải của bạn ở trong gương:
Hình ảnh giống hệt như tay trái (Hình 15.8). Bất luận bạn có xoay vòng cánh tay của mình
thế nào đi chăng nữa, thì tay của bạn cũng không thể nằm trên đầu của tay kia khi lòng bàn
tay của bạn đối diện với cùng một hướng và chồng lên nhau như vậy. Chúng không chồng
khít lên nhau được bởi vì mỗi bên đều bất đối xứng: không có mặt phẳng đối xứng nào để
chia tay của bạn thành hai phần giống hệt nhau được.
Asymmetry and Chirality An asymmetric molecule is called chiral (Greek cheir, “hand”).
Typically, an organic molecule is chiral if it contains a carbon atom that is bonded to four
different groups. This C atom is called a chiral center, or an asymmetric carbon. In 3methylhexane, for example, C-3 is a chiral center, because it is bonded to four different
groups: H-, CH3-, CH3-CH2, and CH3-CH2-CH2- (Figure 15.9A). Like your two hands, the
two forms are mirror images and cannot be superimposed on each other: when two of the
groups are superimposed, the other two are opposite each other. Thus, the two forms are


optical isomers. The central C atom in the amino acid alanine is also a chiral center (Figure
15.9B).

A. optical isomers of 3-methylhexane

B. optical isomers of alanine

Bất đối xứng và đối xứng Một phân tử bất đối xứng được gọi là chiral. Thông thường, một
phân tử hữu cơ bất đối xứng nếu nó có chứa một nguyên tử cacbon được liên kết với bốn
nhóm khác nhau. Nguyên tử C này được gọi là một trung tâm bất đối hoặc là cacbon bất đối
xứngbởi. Ví dụ, 3-metylhexan có C-3 là trung tâm bất đối, bởi vì nó được liên kết với bốn
nhóm khác nhau: H-, CH3-, CH3-CH2-, và CH3-CH2-CH2- (Hình 15.9A). giống như hai bàn
tay của bạn, hai hình thể là hình ảnh trong gương và không thể xếp chồng lên nhau: khi hai
trong số các nhóm được chồng lên nhau, còn hai cái còn lại thì đối ngược nhau. Như vậy, cái
mà có hai hình dạng thì là đồng phân quang học. Còn nguyên tử C nằm ở trung tâm trong

axit amin alanine là một trung tâm bất đối (Hình 15.9B).
Properties of Optical Isomers Unlike constitutional isomers, which have different physical
properties such as boiling point, optical isomers are identical in all but three respects:
1. In their physical properties, optical isomers differ only in the direction that each isomer

rotates the plane of polarized light. An instrument called a polarimeter is used to measure the
angle that the plane is rotated. A beam of light consists of waves that oscillate in all planes. A
polarizing filter blocks all waves except those in one plane, so the light emerging through the
filter is plane-polarized. An optical isomer is optically active because it rotates the plane of
this polarized light. The dextrorotatory isomer (designated d or +) rotates the plane of light
clockwise; the levorotatory isomer (designated l or -) is the mirror image of the d isomer and
rotates the plane counterclockwise. An equimolar mixture of the two isomers does not rotate
the plane of light because the opposing rotations cancel each other.
2. In their chemical properties, optical isomers differ only in a chiral (asymmetric) chemical
environment, one that distinguishes “right-handed” from “left-handed” molecules. As an
analogy, your right hand fits well in your right glove but not in your left glove.
3. In their biological properties, which arise directly from their chemical properties, optical
isomers differ in usability by an organism. Nearly all carbohydrates and amino acids are
optically active, but only one of the isomers is biologically usable. For example, you
metabolize d-glucose for energy but excrete l-glucose unused. Similarly, l-alanine is


incorporated naturally into your proteins, but d-alanine is not. An organism can utilize only
one of a pair of optical isomers because of its enzymes (Section 16.7), proteins that speed
virtually every reaction in a cell. Many drugs are chiral molecules: one optical isomer has a
certain biological activity, and the other has either a different type of activity or none at all.
Tính chất của đồng phân quang học Không giống như đồng phân cấu trúc có tính chất vật
lý khác nhau như là điểm sôi, đồng phân quang học lại giống hệt nhau ở cả ba khía cạnh:
1.Về tính chất vật lý, đồng phân quang học chỉ khác nhau theo hướng mà mỗi đồng phân
xoay quanh mặt phẳng của ánh sáng phân cực. Một dụng cụ có tên là phân cực kế

(polarimeter) được dùng để đo góc mà mặt phẳng xoay quanh. Một chùm ánh sáng bao gồm
các sóng dao động trong mọi mặt phẳng. Một bộ lọc phân cực ngăn tất cả các sóng ngoại trừ
những sóng mà nằm trong một mặt phẳng, do đó ánh sáng xuất hiện qua các bộ lọc ánh sáng
chính là ánh sáng phân cực phẳng. Một đồng phân quang học rất quang hoạt bởi vì nó quay
quanh mặt phẳng của ánh sáng phân cực này. Các đồng phân dextrorotatory (được kí hiệu là
d hoặc +) xoay quanh mặt phẳng của ánh sáng theo chiều kim đồng hồ; đồng phân
levorotatory (được kí hiệu là l hoặc -) là hình ảnh phản chiếu của đồng phân d và quay quanh
mặt phẳng ngược chiều kim đồng hồ. Một hỗn hợp đẳng mol của hai đồng phân thì không
quay quanh mặt phẳng của ánh sáng vì các vòng quay đối ngược triệt tiêu lẫn nhau.
2. Về tính chất hóa học, đồng phân quang học chỉ khác nhau ở một môi trường hóa học
phân tử bất đối xứng (asymmetric), đó là điều dùng để phân biệt những phân tử “chiều
thuận” với “chiều nghịch”. Tương tự như vậy, tay phải của bạn rất vừa vặn đối với chiếc
găng tay phải nhưng tay trái thì không.
3. Tính chất sinh học, được phát sinh trực tiếp từ tính chất hóa học của chúng, đồng phân
quang học khác nhau về khả năng sử dụng bởi sinh vật. Gần như tất cả cacbohydrat và axit
amin rất quang hoạt, nhưng chỉ có một đồng phân về mặt sinh học có thể sử dụng được. Ví
dụ, bạn chuyển hóa d-glucose để tạo năng lượng nhưng bài tiết l-glucose thì không được sử
dụng. Tương tự như vậy, l-alanin được kết hợp một cách tự nhiên thành các protein, còn dalanin thì không. Một sinh vật có thể sử dụng chỉ một cặp đồng phân quang học duy nhất bởi
vì các enzim (Phần 16.7), và protein của nó đẩy nhanh hầu như mọi phản ứng trong tế bào.
Rất nhiều loại thuốc là phân tử chiral: đồng phân quang học này có hoạt tính sinh học nhất
định, còn đồng phần quang học kia thì có vừa hoạt tính hoặc không hoạt tính.
Alkenes: Hydrocarbons with Double Bonds
A hydrocarbon that contains at least one C=C bond is called alkene. With two H atoms
removed to make the double bond, alkenes have the general formula C nH2n. The doublebonded C atoms are sp2 hybridized. Because their carbon atoms are bonded to fewer than the
maximum of four atoms each, alkenes are considered unsaturated hydrocarbons.
Alkene names differ from those of alkenes in two respects:
1. The main chain (root) must contain both C atoms of the double bond, even if it is not the

longest chain. The chain is numbered from the end closer to the C=C bond, and the position
of the bond is indicated by the number of the first C atom in it.

2. The suffix for alkenes is –ene.


For example, there are three four-C alkenes (C 4H8), two unbranched and one branched (see
Sample Problem 15.1b). The branched isomer is 2-methylpropene; the unbranched isomer
with the C=C bond between C-1 and C-2 is 1-butene; the unbranched isomer with the C=C
bond between C-2 and C-3 is 2-butene. As you’ll see next, there are two isomers of 2butene, but they are of a different sort.
Anken: Các hydrocacbon với liên kết đôi
Một hydrocarbon có chứa ít nhất một C=C được gọi là một anken. Với hai nguyên tử H bị
đẩy ra để thành liên kết đôi, anken có công thức tổng quát CnH2n. Các nguyên tử C được liên
đôi chính là sp2 lai hóa. Bởi vì các nguyên tử cacbon của chúng được liên kết ít hơn tối đa so
với mỗi bốn nguyên tử, anken được coi là hydrocabon không no.
Danh pháp anken khác với ankan ở hai khía cạnh:
1. Các mạch chính (root) phải chứa cả hai nguyên tử C của liên kết đôi, thậm chí nếu nó
không phải là chuỗi dài nhất. Các chuỗi được đánh số từ đầu gần nhất với liên kết C=C,
và vị trí của liên kết được biểu thị bằng số của nguyên tử C đầu tiên.
2. Hậu tố của anken là -en
Ví dụ, có ba anken bốn-C (C4H8), hai cái không phân nhánh và một phân nhánh (xem Mẫu
vấn đề 15.1b). Các đồng phân phân nhánh là 2-metylpropen; đồng phân không phân nhánh
với liên kết C=C giữa C-1 và C-2 là 1-buten. Đồng phân không phân nhánh với liên kết C=C
giữa C-2 và C-3 là 2-buten. Như các bạn thấy, có hai đồng phân của 2-buten, nhưng chúng
lại là một loại khác nhau.
The C=C Bond and Geometric (cis-trans) Isomerism There are two major structural
differences between alkanes and alkenes.
• Alkanes have a tetrahedral geometry (bond angles of ~109.5 0) around each C atom, whereas
the double-bonded C atoms in alkenes are trigonal planar (~1200).
• The C-C bond allows rotation of bonded groups, so the atoms in an alkane continually
change their relative positions; in contrast, the π bond of the alkene C=C bond restricts
rotation, which fixes the relative positions of the atoms bonded to it.


Table 15.4

The Geometric Isomers of 2-Butene