Phản ứng cộng là gì? Lấy ví dụ và bài tập về phản ứng cộng?

1. Phản ứng cộng là gì? 

Phản ứng cộng (addition reaction) là một loại phản ứng hóa học trong đó hai hoặc nhiều phân tử tham gia phản ứng kết hợp lại với nhau để tạo ra một sản phẩm mới. Trong phản ứng cộng, các liên kết đôi hoặc ba trong các phân tử ban đầu bị đứt mở và các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mới được thêm vào, tạo thành các sản phẩm mới có cấu trúc khác với các phân tử ban đầu.

Phản ứng cộng thường xảy ra giữa các hợp chất hữu cơ chứa liên kết đôi (C=C) hoặc liên kết ba (C≡C) với các chất reagent. Các phản ứng cộng có thể tạo ra các sản phẩm khác nhau tùy thuộc vào các điều kiện phản ứng và các chất reagent tham gia.

2. Phân loại phản ứng cộng:

Có hai kiểu chính của phản ứng cộng có phân cực là:

– Phản ứng cộng ái lực điện tử (Electrophilic Addition): Trong loại phản ứng này, các hợp chất có liên kết đôi hoặc liên kết ba tham gia phản ứng với các chất điện tử hút, được gọi là chất điện tích (electrophiles). Những chất này cần có ít nhất một cặp electron để tạo thành liên kết mới. Trong quá trình phản ứng, cặp electron từ liên kết đôi hoặc liên kết ba chuyển đến chất điện tích, tạo thành sản phẩm mới. Ví dụ cụ thể:

YH + R1R2C=O → YR1R2C-O- + H+ → YR1R2C-OH

Trong ví dụ này, cặp electron trong liên kết đôi của C=O chuyển đến chất điện tích (H+), tạo thành liên kết mới và tạo ra sản phẩm cuối cùng YR1R2C-OH.

– Phản ứng cộng ái lực hạt nhân (Nucleophilic Addition): Loại phản ứng này liên quan đến sự tấn công của các hạt nhân (nucleophiles) vào các hợp chất có liên kết phân cực. Các hạt nhân là các chất có thừa điện tử hoặc điện tử tự do trên nguyên tử. Trong quá trình phản ứng, hạt nhân tấn công và chia sẻ cặp electron với hợp chất phân cực, tạo thành liên kết mới và sản phẩm. Phản ứng này thường xảy ra ở các điện tử tự do hoặc các nguyên tử mang điện tích âm.

Các phản ứng cộng không phân cực cũng tồn tại, nhưng chúng thường hạn chế ở các hợp chất hữu cơ có các nguyên tử với đa liên kết (liên kết đôi hoặc liên kết ba):

+ Các phân tử có các liên kết đôi hoặc liên kết ba giữ các nguyên tử cacbon-cacbon.

+ Các phân tử có liên kết đôi cacbon – nguyên tử khác, như liên kết C=O hoặc C=N.

Phản ứng cộng và phản ứng khử là hai khía cạnh đối lập của quá trình hóa học. Ví dụ, phản ứng hydrat hóa của anken và phản ứng khử nước (dehydrat hóa) của rượu là một cặp phản ứng cộng – trừ (khử).

3. Lấy ví dụ về phản ứng cộng:

Phản ứng cộng là một khái niệm chung để mô tả các phản ứng hóa học mà trong đó hai hoặc nhiều phân tử tham gia phản ứng kết hợp lại với nhau để tạo thành một sản phẩm mới. Có nhiều loại phản ứng cộng khác nhau tùy thuộc vào loại liên kết trong các phân tử ban đầu và các chất reagent tham gia. Dưới đây là một số phân loại phổ biến của phản ứng cộng:

– Phản ứng cộng hidro (Hydrogenation): Trong phản ứng này, các liên kết đôi hoặc ba trong hợp chất hữu cơ phản ứng với phân tử hydro (H2) dưới sự tác động của xúc tác như platina, paladi, hoặc nickel. Liên kết đôi hoặc ba bị phá vỡ và các nguyên tử hydro thêm vào, tạo thành các liên kết đơn. Điều này làm cho hợp chất trở nên bão hòa hơn và tương đối bền vững. Ví dụ, hydrogenation của eten (C2H4) tạo thành etan (C2H6).

– Phản ứng cộng halogen (Halogenation): Trong phản ứng này, các liên kết đôi hoặc ba trong hợp chất hữu cơ phản ứng với các nguyên tử halogen như clor (Cl2) hoặc brom (Br2). Các liên kết đôi hoặc ba trong hợp chất bị phá vỡ và các nguyên tử halogen thêm vào. Điều này tạo ra các hợp chất halogenua mới. Ví dụ, halogenation của eten (C2H4) với Cl2 tạo thành 1,2-dichloretan (C2H4Cl2).

– Phản ứng cộng hidrat hóa (Hydration): Trong phản ứng này, liên kết đôi trong hợp chất hữu cơ phản ứng với một phân tử nước (H2O). Một nguyên tử hydro thêm vào một nguyên tử từ liên kết đôi, tạo thành rượu. Điều này thường xảy ra trong môi trường có xúc tác axit. Ví dụ, hydration của eten (C2H4) trong môi trường axit tạo thành etanol (C2H5OH).

– Phản ứng cộng halohydrin (Halohydrination): Trong phản ứng này, một liên kết đôi trong hợp chất hữu cơ phản ứng với một phân tử halogen và một phân tử nước. Liên kết đôi bị phá vỡ và một nguyên tử halogen thêm vào một vị trí, một nguyên tử hydro thêm vào vị trí khác. Kết quả là hợp chất mới chứa cả halogen và nhóm hydroxyl (OH).

– Phản ứng cộng hydroborat (Hydroboration): Trong phản ứng này, một liên kết đôi trong hợp chất hữu cơ phản ứng với boran (BH3), thường trong môi trường đệm. Boron thêm vào một vị trí trong liên kết đôi, và sau đó thường tiến hành phản ứng oxid hóa để thay thế boron bằng oxy. Điều này tạo ra một hợp chất boron-organic intermediate.

– Phản ứng cộng oxy (Oxidation): Trong phản ứng này, các liên kết đôi hoặc ba trong hợp chất hữu cơ phản ứng với phân tử oxi (O2) hoặc các chất oxi hóa khác. Các liên kết đôi hoặc ba bị phá vỡ và các nguyên tử oxi thêm vào, tạo thành các liên kết oxi (C=O) hoặc nhóm hydroxyl (OH).

– Phản ứng cộng nitơ (Nitration): Trong phản ứng này, các hợp chất hữu cơ phản ứng với nitrat (NO3^-) trong điều kiện axit, tạo thành các hợp chất nitro mới. Nitrat thêm vào một vị trí trong cấu trúc của hợp chất, thường tạo thành các nhóm nitro (NO2).

– Phản ứng cộng chất điện tử (Electrophilic Addition): Trong phản ứng này, các hợp chất hữu cơ phản ứng với các chất điện tử hút, gọi là chất điện tích (electrophiles). Chất điện tích tấn công vào liên kết đôi trong hợp chất, tạo thành các sản phẩm mới. Ví dụ, phản ứng giữa eten và brom (Br2) để tạo brometan (C2H4Br2) là một phản ứng cộng chất điện tử.

4. Bài tập về phản ứng cộng:

Bài tập 1: Hãy viết phương trình hóa học cho phản ứng cộng hydro với propen (C3H6) để tạo thành sản phẩm duy nhất.

Đáp án: C3H6 + H2 → C3H10

Bài tập 2: Cho phản ứng cộng halogen với ethen (C2H4). Hãy viết phương trình hóa học cho phản ứng này và xác định sản phẩm tạo thành.

Đáp án: C2H4 + Br2 → C2H4Br2 (1,2-dibromoethane)

Bài tập 3: Hãy cho biết sản phẩm tạo thành khi axit clohidric (HCl) tác dụng với propen (C3H6).

Đáp án: C3H6 + HCl → C3H7Cl

Bài tập 4: Cho biết sản phẩm tạo thành khi nước (H2O) tác dụng với 1-butin (C4H6).

Đáp án: C4H6 + H2O → C4H6O (2-butyne-1-ol)

Bài tập 5: Hãy viết phương trình hóa học cho các phản ứng cộng sau đây:

1. Hydrat hóa alkene: Ethene + H2O → Ethanol

2. Halogen hóa alkene: Propene + Br2 → 1,2-Dibromopropane

3. Oxi hóa alkene: Ethene + O2 → Ethanal

4. Hydrogen hóa alkene: Propene + H2 → Propane

5. Phản ứng cộng azo: Phenyldiazonium chloride + Naphthol → Orange azo dye

Đáp án:

1. C2H4 + H2O → CH3CH2OH

2. CH3CH=CH2 + Br2 → CH3CHBrCH2Br

3. C2H4 + O2 → CH3CHO

4. CH3CH=CH2 + H2 → CH3CH2CH3

5. C6H5N2+Cl- + C10H7OH → C6H5N2-C10H7 + HCl

5. Ứng dụng của phản ứng cộng:

– Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ:

+ Hydrat hóa: Phản ứng cộng nước vào một liên kết đôi (alken) tạo ra các ancol. Đây là một phản ứng quan trọng trong việc điều chế các hợp chất hữu cơ, như sản xuất rượu từ olefin (alken) thông qua quá trình hidrat hóa.

+ Halogen hóa: Phản ứng cộng halogen vào liên kết đôi tạo ra các hợp chất halogenur. Ví dụ, phản ứng cộng Cl2 vào ethen tạo 1,2-dichloroethane.

+ Hydroborat hóa: Phản ứng cộng borane vào liên kết đôi tạo ra các trialkylborane. Đây là một bước quan trọng trong quá trình tổng hợp các hợp chất phức tạp hơn.

– Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ sơ cấp:

+ Oxi hóa: Phản ứng cộng oxi (hoặc hợp chất oxi) vào liên kết đôi tạo ra các andehit hoặc axit cacboxylic. Ví dụ, phản ứng cộng oxi vào ethen tạo ethanal (andehit etylic).

+ Hydrogen hóa: Phản ứng cộng hydro vào liên kết đôi tạo ra các alkane. Đây là cách để chuyển đổi các hợp chất không no thành hợp chất no.

– Ứng dụng trong ngành dược phẩm và hóa mỹ phẩm:

+ Phản ứng cộng azo: Các phản ứng cộng hóa học được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dùng trong ngành dược phẩm và hóa mỹ phẩm. Ví dụ, phản ứng cộng azo là một trong những cách để tạo ra các hợp chất có tính nhuộm màu.

+ Ứng dụng trong tổng hợp vật liệu:

+ Polymer hóa: Phản ứng cộng có thể được sử dụng để tạo ra các polymer. Ví dụ, phản ứng cộng vinyl chloride tạo thành polyvinyl chloride (PVC), một loại polymer có nhiều ứng dụng trong sản xuất ống dẫn nước, vật liệu xây dựng, và nhiều sản phẩm khác.

– Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm:

+ Maillard Reaction: Đây là một loại phản ứng cộng giữa amino acid và các hợp chất carbonyl (thường là đường) trong thực phẩm. Phản ứng này tạo ra màu, mùi và vị đặc trưng cho nhiều loại thực phẩm chế biến, như khi nướng bánh, rang nấm, và nấu các món ăn khác.

Như vậy, phản ứng cộng có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ tổng hợp hóa học đến ngành dược phẩm, hóa mỹ phẩm, công nghiệp thực phẩm, và sản xuất vật liệu.