Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập khá thú vị về phản ứng halogen hóa ankan, một kiến thức trọng tâm của chương trình Hóa học 11.

Để giải bài tập này, chúng ta cần nắm vững cấu trúc của ankan, các loại nguyên tử hiđro và cơ chế phản ứng thế gốc tự do, đặc biệt là sự chọn lọc của brom.

Giải bài tập:

Bước 1: Xác định công thức cấu tạo của 2-metylbutan và phân loại các nguyên tử hiđro.

Công thức cấu tạo của 2-metylbutan là:

CH₃ – CH(CH₃) – CH₂ – CH₃

Để dễ hình dung hơn, chúng ta có thể đánh số mạch chính và xác định các vị trí carbon:

CH₃ (nhánh)
|
CH₃ – CH – CH₂ – CH₃
1 2 3 4

Bây giờ, chúng ta sẽ phân loại các nguyên tử carbon và các nguyên tử hiđro gắn vào chúng:

• Carbon số 1 (CH₃): là carbon bậc 1, có 3 nguyên tử hiđro bậc 1.
• Carbon số 2 (CH): là carbon bậc 3, có 1 nguyên tử hiđro bậc 3.
• Carbon số 3 (CH₂): là carbon bậc 2, có 2 nguyên tử hiđro bậc 2.
• Carbon số 4 (CH₃): là carbon bậc 1, có 3 nguyên tử hiđro bậc 1.
• Nhóm metyl (-CH₃) gắn vào carbon số 2: là carbon bậc 1, có 3 nguyên tử hiđro bậc 1.

Như vậy, tổng cộng chúng ta có:

• Số lượng H bậc 1: \(3 \text{ (tại C1)} + 3 \text{ (tại C4)} + 3 \text{ (tại nhóm metyl ở C2)} = 9\) nguyên tử H bậc 1.
• Số lượng H bậc 2: \(2 \text{ (tại C3)}\) nguyên tử H bậc 2.
• Số lượng H bậc 3: \(1 \text{ (tại C2)}\) nguyên tử H bậc 3.

Bước 2: Hiểu về cơ chế và độ chọn lọc của phản ứng brom hóa ankan.

Phản ứng halogen hóa ankan (đặc biệt là brom hóa) xảy ra theo cơ chế gốc tự do dưới tác dụng của ánh sáng (ký hiệu “as” trong đề bài). Trong giai đoạn lan truyền (propagation), gốc brom (\(\text{Br}^\bullet\)) sẽ tấn công vào nguyên tử hiđro của ankan, tạo thành gốc ankyl và \(\text{HBr}\). Độ bền của gốc ankyl trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sản phẩm chính.

Quy tắc độ bền của gốc ankyl: Gốc ankyl bậc 3 > Gốc ankyl bậc 2 > Gốc ankyl bậc 1. Điều này là do hiệu ứng siêu liên hợp của các nhóm ankyl làm tăng độ bền của gốc tự do.

Đối với phản ứng brom hóa, gốc brom (\(\text{Br}^\bullet\)) kém hoạt động hơn gốc clo (\(\text{Cl}^\bullet\)) nhưng lại có tính chọn lọc cao hơn rất nhiều. Điều này có nghĩa là \(\text{Br}^\bullet\) có xu hướng ưu tiên tấn công vào nguyên tử hiđro nào tạo ra gốc ankyl ổn định nhất (tức là gốc ankyl bậc cao hơn).

Các hệ số chọn lọc tương đối của \(\text{Br}_2\) (ở 25°C):

• Khả năng thế H bậc 1: \(1\)
• Khả năng thế H bậc 2: \(82\)
• Khả năng thế H bậc 3: \(1600\)

Các hệ số này cho biết gốc brom ưu tiên thế H bậc 3 gấp 1600 lần so với H bậc 1, và gấp khoảng 20 lần so với H bậc 2.

Bước 3: Tính toán tỷ lệ khả năng tạo sản phẩm của từng loại hiđro.

Chúng ta sẽ tính “khả năng phản ứng” tổng hợp cho mỗi loại hiđro bằng cách nhân số lượng hiđro với hệ số chọn lọc tương ứng:

• Tại vị trí H bậc 1:
  Khả năng phản ứng = (Số H bậc 1) \(\times\) (Hệ số chọn lọc H bậc 1)
  Khả năng phản ứng = \(9 \times 1 = 9\)
• Tại vị trí H bậc 2:
  Khả năng phản ứng = (Số H bậc 2) \(\times\) (Hệ số chọn lọc H bậc 2)
  Khả năng phản ứng = \(2 \times 82 = 164\)
• Tại vị trí H bậc 3:
  Khả năng phản ứng = (Số H bậc 3) \(\times\) (Hệ số chọn lọc H bậc 3)
  Khả năng phản ứng = \(1 \times 1600 = 1600\)

Bước 4: Xác định sản phẩm chính.

So sánh các giá trị khả năng phản ứng vừa tính được: \(9\) (H bậc 1), \(164\) (H bậc 2), và \(1600\) (H bậc 3). Rõ ràng, giá trị \(1600\) là lớn nhất, cho thấy vị trí H bậc 3 là vị trí ưu tiên bị thế nhất.

Nguyên tử hiđro bậc 3 nằm ở carbon số 2 của 2-metylbutan. Khi nguyên tử hiđro này bị thế bởi nguyên tử brom, chúng ta sẽ thu được sản phẩm chính.

Sản phẩm thu được là 2-brom-2-metylbutan.

Bước 5: Viết phương trình phản ứng và gọi tên sản phẩm chính.

Phương trình phản ứng tạo sản phẩm chính:

\[ \text{CH}_3 \text{-CH}(\text{CH}_3) \text{-CH}_2 \text{-CH}_3 + \text{Br}_2 \xrightarrow{\text{as}} \text{CH}_3 \text{-C}(\text{Br})(\text{CH}_3) \text{-CH}_2 \text{-CH}_3 + \text{HBr} \]

Tên sản phẩm chính: 2-brom-2-metylbutan.

Giải thích:

Sản phẩm chính là 2-brom-2-metylbutan vì gốc tự do bậc 3 hình thành ở carbon số 2 (gốc 2-metylbut-2-yl) là gốc bền nhất trong số các gốc tự do có thể hình thành từ 2-metylbutan. Do brom có tính chọn lọc rất cao, nó ưu tiên tấn công vào nguyên tử hiđro bậc cao nhất (bậc 3) để tạo ra gốc tự do bền nhất, dẫn đến sản phẩm thế tại vị trí này chiếm tỷ lệ lớn nhất.

Chúc các em học tốt!