Chương 1: ĐẠi cưƠng về hoá học hữu cơ Hợp chất hữu cơ và hoá học hữu cơ
tải về 3.47 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- 1.1.2. Lược sử phát triển ngành hoá học hữu cơ
- 1.1.3. Phân loại hợp chất hữu cơ
- 1.1.4. Nguồn hợp chất hữu cơ
- 1.2. Phương pháp tách và tinh chế chất hữu cơ
- 1.2.1. Các phương pháp thông thường
- 1.2.2. Phương pháp sắc kí
Cacbon là một nguyên tố hoá học rất đặc biệt: các nguyên tử C có thể kết hợp với nhau và với nguyên tử của nguyên tố khác tạo nên khoảng 10 triệu hợp chất khác nhau, ấy là những hợp chất của cacbon. Trong khi đó, các nguyên tố hoá học còn lại trong BTH chỉ có thể tạo nên chừng 1 triệu hợp chất không chứa cacbon. Những hợp chất của C (trừ CO, CO2, các muối cacbonat, ...) được gọi là hợp chất hữu cơ. Ngành hoá học chuyên nghiên cứu các hợp chất hữu cơ, tức là các hợp chất chứa cacbon, được gọi là ngành hoá học hữu cơ.
Loài người biết điều chế và sử dụng các sản phẩm hữu cơ ở dạng không tinh khiết hoặc hỗn hợp đã từ rất lâu (đường mía, giấm, phẩm nhuộm, tinh dầu, ...), song mãi tới giữa thế kỷ XVIII mới tách được từ thực vật và động vật một số hợp chất hữu cơ tương đối tinh khiết (axit citric, axit tactric, ure, ...) Đầu thế kỷ XIX hoá học hữu cơ tách ra từ hoá học nói chung, và trở thành một ngành khoa học độc lập. Người ta gọi hoá học hữu cơ (Beczeliuyt, 1806) vì hồi đó chỉ có các chất hữu cơ thiên nhiên tồn tại trong cơ thể động vật và thực vật. Vì thế, thời bấy giờ đã xuất hiện một quan niệm duy tâm gọi là “thuyết lực sống”, theo đó các chất hữu cơ chỉ có thể sinh ra trong cơ thể sống nhờ một lực huyền bí nào đó. Quan niệm này chỉ tồn tại được vài chục năm, và đã bị bác bỏ bởi công trình tổng hợp hàng loạt hợp chất hữu cơ xuất phát từ các chất hữu cơ khác hoặc các chất vô cơ, như tổng hợp axit oxalic (1824), ure (1828), chất béo (1854), .... Cùng với những thành tựu về tổng hợp hữu cơ, từ giữa thế kỷ XIX đã hình thành thuyết cấu tạo hoá học (1861) và quan niệm đầu tiên về hoá học lập thể (1874). Bước sang thế kỷ XX, trong hoá học hữu cơ đã hình thành thuyết electron về cấu trúc phân tử và khởi đầu thời kỳ phát triển mạnh mẽ công nghiệp hữu cơ (nhiên liệu, dược phẩm, phẩm nhuộm, polime, ...). Sau chiến tranh thế giới thứ hai, cùng với sự phát triển vũ bảo của hoá học lập thể, các thuyết electron về cấu trúc phân tử và cơ chế phản ứng. Sự thâm nhập của toán học, cơ học, vật lý học, ... vào hoá học hữu cơ và sự thâm nhập sâu mạnh của hoá học hữu cơ vào các ngành sinh học, y dược, nông nghiệp, ... và đặc biệt là sự phát triển các phương pháp vật lý nghiên cứu chất hữu cơ cùng với các phép phân tích và tổng hợp hữu cơ hiện đại. Hiện nay hoa shọc hữu cơ đang ở thời kỳ phát triển mạnh mẽ nhất và có vai trò quan trọng trong mọi ngành kinh tế quốc dân. Các chất hữu cơ có mặt khắp nơi, ngoài cơ thể sống ta gặp chất hữu cơ trong thực phẩm, dược phẩm, phẩm nhuộm, chất dẻo, sợi tơ, cao su, mĩ phẩm, bột giặt, chất phòng trừ dịch hại, chất kích thích tăng trưởng, thuốc nổ, nhiên liệu, .... Trong thế giới quanh ta, đâu đâu cũng có bóng dáng hợp chất hữu cơ.
Có thể phân loại hợp chất hữu cơ theo hai cách chính sau đây: a) Phân loại thành H – C và dẫn xuất của H – C H – C là những hợp chất hữu cơ được cấu tạo bởi hai nguyên tố H và C. Các dẫn xuất của H – C chứa trong phân tử không những C và H mà còn có cả những nguyên tố khác như O, N, S, .... Đó là những hchc có nhóm chức. Nhóm chức là nhóm nguyên tử (or: nguyên tử) quyết định tính chất hoá học đặc trưng của cả dãy hợp chất có cùng loại nhóm chức trong phân tử (gọi là chức hoá học). Khi phân tử chỉ có một nhóm chức duy nhất ta gọi là hợp chất hữu cơ đơn chức. Thí dụ: C2H5OH, CH3CHO, CH3COOH, ... Khi phân tử có hai hay nhiều nhóm chức đồng nhất ta gọi là hợp chất hữu cơ đa chức. Thí dụ: (COOH)2, CH2OH – CHOH – CH2OH, ... Khi phân tử có hai hay nhiều nhóm chức khác ta gọi là hợp chất hữu cơ tạp chức chức. Thí dụ: NH2CH2-COOH, CH2OH – (CHOH)4 – CHO, ...
H – C và dẫn xuất của chúng đều có thể được phân loại theo mạch C (mạch hở, mạch vòng, mạch no, mạch không no, ...)
Trong thiên nhiên: có nhiều nguồn hợp chất hữu cơ rất phong phú. Đó là, dầu mỏ và khí thiên nhiên (chủ yếu là các H – C), than đá (cung cấp nhựa than đá chứa H – C thơm, phenol, ...), các sản phẩm động - thực vật (cung cấp gluxit, lipit, protein, ...) Trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp: người ta có thể tổng hợp hàng triệu hợp chất hữu cơ khác nhau, xuất phát từ các chất hữu cơ và vô cơ, trong đó có nhiều sản phẩm công nghiệp được ssản xuất trên cơ sở các nguồn nguyên liệu thiên nhiên nêu trên.
Hầu hết các chất trong thiên nhiên hay mới điều chế trong phòng thí nghiệm đều ở trạng thái hỗn hợp với thành phần khác nhau. Để khảo sát cấu trúc và tính chất của một chất hữu cơ bằng thực nghiệm và để sử dụng trong thực tiễn người ta phải tách chất đó ra khỏi hỗn hợp, nhằm tinh chế nó thành một chất tinh khiết hay chất nguyên chất.
a) Chiết Người ta dùng một dung môi thích hợp (như ete, benzen, nước, ...) có khả năng hoà tan tốt chất hữu cơ cần tách từ một hỗn hợp lỏng hoặc rắn với chất khác sang dung dịch trong dung môi đó. Sau khi đuổi dung môi ra khỏi dung dịch ta sẽ thu được chất cần tách. Thí dụ: khi điều chế C6H5NH2 bằng phương pháp khử C6H5NO2 có một phần nhỏ anilin tan trong nước. Để tách anilin ra khỏi nước, người ta cho ete vào và lắc kĩ, anilin dễ tan trong ete hơn nước sẽ chuyển sang ete. Tách anilin/ete ra khỏi và duổi ete đi ta sẽ thu được anilin. Hiện nay có rất những dụng cụ cho phép chiết liên tục. b) Kết tinh Phương pháp này dựa vào sự khác nhau về độ tan của các chất (chủ yếu là các chất rắn) trong dung môi thích hợp, và sự khác nhau về độ tan của một chất trong một dung môi ở nhiệt độ khác nhau. Người ta hoà tan một hỗn hợp rắn trong một dung môi thích hợp bằng cách đun nóng và lắc, sau đó lọc nóng để loại bỏ tạp chất không tan rồi làm lạnh. Khi ấy chất ít tan hơn sẽ tách ra trước ở dạng tinh thể sạch và được lấy ra bằng cách lọc. Thí dụ: axit benzoic là chất rắn tan nhiều trong nước nóng và rất ít tan trong nước nguội. Để tinh chế người ta đun axit này trong nước để được dung dịch bão hoà nóng, ddem lọc nóng, rồi để nguội các tinh thể axit tinh khiết hơn sẽ tách ra. c) Chưng cất Phương pháp này dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của các chất khác nhau ở một áp suất nhất định. Người ta dùng nhiệt (đun nóng) để chuyển hỗn hợp chất lỏng sang pha hơi và thu chất lỏng ở khoảng nhiệt độ thích hợp bằng cách cho hơi ngưng tụ. Có ba kiểu chưng cất thông dụng: Chưng cất thường: Khi tách một chất lỏng có nhiệt độ sôi không cao ra khỏi các chất khác có nhiệt độ sôi khác xa ta có thể chưng cất bằng cách đưon giản nhất gọi là chưng cất thường. Thí dụ, đun sôi nước sinh hoạt trong bình, nước sẽ bốc thành hơi, dẫn hơi qua bộ phân làm lạnh để hơi nước ngưng tụ thành nước tinh khiết hơn, còn lại trong bình là các chất khó bay hơi. Chưng cất phân đoạn: Phương pháp này dùng tách hỗn hợp lỏng gồm các chất có nhiệt độ sôi cách xa nhau không nhiều lắm, nhờ một dụng cụ gọi là “cột cất phân đoạn” gắn liền hoặc lắp thêm vào bình cưng cất. Chất nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước rồi ngưng tụ rồi lấy riêng ra, tiếp theo đến chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn. Thí dụ, hỗn hợp gồm benzen và toluen trong bình có lắp cột cất phân đoạn, benzen sẽ bay hơi và thoát ra trước, sau đó đến toluen. Đối với chất có nhiệt độ sôi cao và dễ phân huỷ ở nhiệt độ sôi của nó, người ta chưng cất dưới áp suất thấp để hạ nhiệt độ sôi và tránh sự phân huỷ.
Có những chất hữu cơ ở nhiệt độ sôi rất cao và rất ít tan trong nước, song có thể được chưng cất ở dạng hỗn hợp với hơi nước ở nhiệt độ sôi của nước. Cách tiến hành: cho một dòng hơi nước nóng đi qua hỗn hợp các chất cần tách ra, hơi nước sẽ làm cho một vài thành phần của hỗn hợp bay hơi theo hơi nước. Thí dụ, chưng cất anilin, tinh dầu thực vật, ...
Nguyên tắc: hỗn hợp các chất cần tách và dung môi được dùng làm pha động ở thể lỏng hoặc khí. Pha động thường xuyên tiếp xúc với pha tĩnh là một chất rắn có diện tích bề mặt rất lớn, hoặc một chất lỏng tráng lên bề mặt chất rắn, khiến cho các thành phần của hỗn hợp có tốc độ chuyển dịch khác nhau sẽ tách ra khỏi nhau. Phân loại: ta phân biệt hai loại chính là sắc kí hấp phụ và sắc kí phân bố. a) Sắc kí hấp phụ Dựa theo sự khác nhau về hệ số hấp phụ của các chất. Pha tĩnh là một chất rắn, pha động là chất lỏng hoặc chất khí. Sắc kí hấp phụ có thể có các dạng sắc kí cột, sắc kí lớp mỏng, sắc kí khí. b) Sắc kí phân bố Pha tĩnh là chất lỏng, pha động là chất lỏng hoặc chất khí. Sắc kí phân bố có thể là sắc kí cột, sắc kí lớp mỏng, sắc kí khí. Sắc kí cột: thường gặp là loại mà pha tĩnh là chất rắn như alumin (Al2O3), silicagen (SIO2.nH2O) được đặt trong một ống thẳng đứng (cột), pha động là dung dịch chứa hỗn hợp cần tách trong dung môi thích hợp. Sắc kí giấy: thường pha tĩnh là nước địng vị trên giấy. Sắc kí lớp mỏng: pha tĩnh là lớp mỏng chất hấp phụ như silicagen tráng trên mặt bản thuỷ tinh hoặc bảng nhôm, pha động là dung dịch chứa hỗn hợp cần tách được đưa vào bằng cách nhúng hoặc nhỏ giọt, chất lỏng di chuyển nhờ tác dụng mao dẫn. Sắc kí khí: Pha động là một chất khí, còn pha tĩnh có thể là chất rắn hoặc chất lỏng.
|