Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Halogen compounds · ⁨Hợp chất chứa halogen⁩

A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · Topic 15 · ⁨Chủ đề 15⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
7:31

Hợp chất chứa halogen

Nhấn nút trên lon xịt đông lạnh, da bạn sẽ tê liệt vì lạnh. Bên trong là halogenoalkane: một alkane với một nguyên tử halogen thay thế cho một…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

15.1

Halogenoalkanes

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English
  1. recall the reactions (reagents and conditions) by which halogenoalkanes can be produced: (a) the free-radical substitution of alkanes by $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in the presence of ultraviolet light, as exemplified by the reactions of ethane (b) electrophilic addition of an alkene with a halogen, $\text{X}_2$, or hydrogen halide, $\text{HX(g)}$, at room temperature (c) substitution of an alcohol, e.g. by reaction with $\text{HX(g)}$; or with $\text{KCl}$ and concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$ or concentrated $\text{H}_3\text{PO}_4$; or with $\text{PCl}_3$ and heat; or with $\text{PCl}_5$; or with $\text{SOCl}_2$
  2. classify halogenoalkanes into primary, secondary and tertiary
  3. describe the following nucleophilic substitution reactions: (a) the reaction with $\text{NaOH(aq)}$ and heat to produce an alcohol (b) the reaction with $\text{KCN}$ in ethanol and heat to produce a nitrile (c) the reaction with $\text{NH}_3$ in ethanol heated under pressure to produce an amine (d) the reaction with aqueous silver nitrate in ethanol as a method of identifying the halogen present as exemplified by bromoethane
  4. describe the elimination reaction with $\text{NaOH}$ in ethanol and heat to produce an alkene as exemplified by bromoethane
  5. describe the $\text{S}_\text{N}1$ and $\text{S}_\text{N}2$ mechanisms of nucleophilic substitution in halogenoalkanes including the inductive effects of alkyl groups
  6. recall that primary halogenoalkanes tend to react via the $\text{S}_\text{N}2$ mechanism; tertiary halogenoalkanes via the $\text{S}_\text{N}1$ mechanism; and secondary halogenoalkanes by a mixture of the two, depending on structure
  7. describe and explain the different reactivities of halogenoalkanes (with particular reference to the relative strengths of the C–X bonds as exemplified by the reactions of halogenoalkanes with aqueous silver nitrates)
Tiếng Việt
  1. Nhắc lại các phản ứng (chất tham gia và điều kiện) để sản xuất halogenohydrocarbon: (a) phản ứng thế gốc tự do của hydrocacbon no bởi $\text{Cl}_2$ hoặc $\text{Br}_2$ trong điều kiện có ánh sáng tử ngoại, được minh họa bằng phản ứng của etan (b) phản ứng cộng điện tử với anken bởi một halogen, $\text{X}_2$, hoặc hydrogen halogen, $\text{HX(g)}$, ở nhiệt độ phòng (c) phản ứng thế của ancol, ví dụ: phản ứng với $\text{HX(g)}$; hoặc với $\text{KCl}$ và dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc hoặc dung dịch $\text{H}_3\text{PO}_4$ đặc; hoặc với $\text{PCl}_3$ và nhiệt; hoặc với $\text{PCl}_5$; hoặc với $\text{SOCl}_2$
  2. Phân loại halogenohydrocarbon thành nguyên cấp, thứ cấp và third cấp
  3. Mô tả các phản ứng thế nucleophile sau: (a) phản ứng với $\text{NaOH(aq)}$ và nhiệt để tạo ra ancol (b) phản ứng với $\text{KCN}$ trong ethanol và nhiệt để tạo ra nitril (c) phản ứng với $\text{NH}_3$ trong ethanol đun nóng dưới áp suất để tạo ra amin (d) phản ứng với dung dịch bạc nitrat trong nước trong ethanol như một phương pháp xác định halogen có mặt, được minh họa bởi bromoetan
  4. Mô tả phản ứng loại bỏ với $\text{NaOH}$ trong ethanol và nhiệt để tạo ra anken, được minh họa bởi bromoetan
  5. Mô tả cơ chế $\text{S}_\text{N}1$ và $\text{S}_\text{N}2$ của phản ứng thế nucleophile trong halogenohydrocarbon bao gồm cả hiệu ứng cảm ứng của nhóm alkyl
  6. Nhắc lại rằng halogenohydrocarbon nguyên cấp có xu hướng phản ứng theo cơ chế $\text{S}_\text{N}2$; halogenohydrocarbon third cấp theo cơ chế $\text{S}_\text{N}1$; và halogenohydrocarbon thứ cấp theo hỗn hợp của cả hai, tùy thuộc vào cấu trúc
  7. Mô tả và giải thích sự khác nhau về tính hoạt động hóa học của halogenohydrocarbon (đặc biệt liên quan đến độ bền tương đối của liên kết C–X như được minh họa bởi phản ứng của halogenohydrocarbon với dung dịch bạc nitrat)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình Cambridge International⁩

English

A halogenoalkane 卤代烷 is an alkane with one or more halogen atoms in place of hydrogen (a C–X bond, where X is a halogen).

Making halogenoalkanes

  • free-radical substitution 自由基取代 of an alkane with $\text{Cl}_2$ or $\text{Br}_2$ in ultraviolet light.
  • electrophilic addition 亲电加成 of an alkene with a halogen $\text{X}_2$ or a hydrogen halide $\text{HX}$.
  • substitution of an alcohol 醇, for example by $\text{HX}$, by $\text{PCl}_5$, by $\text{PCl}_3$ with heat, or by $\text{SOCl}_2$.

Three classes

A halogenoalkane is primary 伯, secondary 仲 or tertiary 叔, depending on how many carbon atoms are joined to the carbon that holds the halogen (one, two or three).

Tiếng Việt

Một halogenoalkane là ankan có một hoặc nhiều nguyên tử halogen thay thế cho hydrogen (liên kết C–X, trong đó X là halogen).

Một bình xịt lạnh giải phóng hơi halogenoalkane lạnh
Các halogenoalkane bay hơi từng được sử dụng rộng rãi làm chất làm lạnh và chất đẩy trong aerosol

Sản xuất halogenoalkanes

  • thế gốc tự do của ankan với $\text{Cl}_2$ hoặc $\text{Br}_2$ trong ánh sáng cực tím.
  • cộng electrophilic của alken với halogen $\text{X}_2$ hoặc hydro halogenide $\text{HX}$.
  • thế của alcohol, ví dụ như bằng $\text{HX}$, bằng $\text{PCl}_5$, bằng $\text{PCl}_3$ có nhiệt, hoặc bằng $\text{SOCl}_2$.

Ba loại

Một halogenoalkane là bậc một, bậc hai hoặc bậc ba, phụ thuộc vào số lượng nguyên tử carbon liên kết với carbon mang halogen (một, hai hoặc ba).

Ba cấu trúc với carbon mang bromine được làm nổi bật: bậc một có một carbon gắn, bậc hai có hai, bậc ba có ba
Halogenoalkanes bậc một, bậc hai và bậc ba, phân loại dựa trên số carbon liên kết với carbon mang halogen
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
halogenoalkane/ˈheɪləʊdʒnəʊlkeɪn/ halogenoalkane
free-radical substitution/friː ˈrædɪkl ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ thay thế gốc tự do
electrophilic addition/ɪˌlektrəʊˈfɪlɪk əˈdɪʃn/ cộng electrophile
alcohol/ˈælkəhɒl/ ancol
15.1

Nucleophilic substitution · ⁨Thế nucleophilic⁩

English

The C–X bond is polar, so the carbon is slightly positive. A nucleophilic substitution 亲核取代 happens when a nucleophile 亲核试剂 (a lone-pair species) attacks that carbon and replaces the halogen.

Reagent and conditions Product
$\text{NaOH(aq)}$, heat an alcohol
$\text{KCN}$ in ethanol, heat a nitrile 腈 (adds one carbon to the chain)
$\text{NH}_3$ in ethanol, heated under pressure an amine 胺

To identify the halogen, warm the halogenoalkane with silver nitrate 硝酸银 in ethanol. A silver halide precipitate 沉淀 forms, and its colour shows which halogen is present (white $\text{AgCl}$, cream $\text{AgBr}$, yellow $\text{AgI}$).

Tiếng Việt

Liên kết C–X phân cực, nên carbon mang điện tích dương nhẹ. Một phản ứng thế nucleophilic xảy ra khi một nucleophile (loại có cặp electron tự do) tấn công carbon đó và thay thế halogen.

Một phễu cầu chứa chất lỏng đang sôi với bình ngưng thẳng đứng hoàn lại hơi
Nhiều phản ứng của halogenoalkane được thực hiện bằng cách đun nóng hỗn hợp dưới hoàn lưu
Tác nhân và điều kiện Sản phẩm
$\text{NaOH(aq)}$, nhiệt một ancol
$\text{KCN}$ trong ethanol, đun nóng một nitrile (tăng thêm một carbon vào mạch)
$\text{NH}_3$ trong ethanol, đun nóng dưới áp suất một amine
Máy bayROTARY: phễu cầu chứa dung dịch quay trong bồn nước ấm, hơi dung môi ngưng tụ vào phễu thu nhận riêng biệt
Máy bayROTARY loại bỏ dung môi dưới áp suất giảm — bước sau phản ứng

Để xác định halogen, đun nóng nhẹ halogenoalkane với bạc nitrat trong ethanol. Một kết tủa bạc halogenide hình thành, và màu sắc của nó chỉ ra halogen nào đang có mặt (trắng $\text{AgCl}$, kem $\text{AgBr}$, vàng $\text{AgI}$).

Explore · ⁨Khám phá⁩

Nucleophilic substitution · ⁨Thế nucleophile⁩

A nucleophile swaps in for the leaving group on a halogenoalkane. · ⁨Một nucleophile thay thế nhóm leaving trên halogenohydrocarbon.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/ nucleophile
nitrile/ˈnaɪtraɪl/ nitrile
amine/ˈæmaɪn/ amin
silver nitrate/ˈsɪlvə ˈnaɪtreɪt/ bạc nitrat
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ kết tủa
15.1

Elimination · ⁨Loại trừ⁩

English

The same halogenoalkane can instead undergo elimination 消去 to form an alkene 烯烃. The conditions decide which reaction wins:

  • $\text{NaOH}$ in water → nucleophilic substitution → an alcohol.
  • $\text{NaOH}$ in ethanol, heated → elimination → an alkene.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Tiếng Việt

Cùng một halogenoalkane cũng có thể trải qua phản ứng loại trừ để tạo thành alkene. Điều kiện quyết định phản ứng nào chiếm ưu thế:

  • $\text{NaOH}$ trong nước → thế nucleophilic → alcohol.
  • $\text{NaOH}$ trong ethanol, đun nóng → loại trừ → alkene.
$$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4 + \text{NaBr} + \text{H}_2\text{O}$$
Sơ đồ nhánh: bromoethane với NaOH nước tạo alcohol qua phản ứng thế, nhưng với NaOH trong ethanol tạo alkene qua phản ứng loại trừ
Cùng một halogenoalkane: NaOH trong nước thực hiện thế tạo alcohol, trong khi NaOH trong ethanol (có nhiệt) thực hiện loại trừ tạo alkene
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
elimination/ɪˌlɪmɪˈneɪʃn/ loại trừ
alkene/ˈælkiːn/ alkene
15.1

The S$_\text{N}$1 and S$_\text{N}$2 mechanisms · ⁨Cơ chế S$_\text{N}$1 và S$_\text{N}$2⁩

English

Nucleophilic substitution can follow two routes:

  • S$_\text{N}$2: one step. The nucleophile attacks at the same time as the halogen leaves, passing through a crowded transition state 过渡态 where both are half-bonded. The rate depends on both the halogenoalkane and the nucleophile.
  • S$_\text{N}$1: two steps. First the C–X bond breaks to give a carbocation 碳正离子; then the nucleophile attacks it. The rate depends only on the halogenoalkane.

Alkyl groups push electrons towards the positive carbon (the inductive effect 诱导效应), so they stabilise the carbocation. This is why:

  • primary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$2.
  • tertiary halogenoalkanes mostly react by S$_\text{N}$1 (their carbocation is well stabilised).
  • secondary halogenoalkanes use a mixture of the two.
Tiếng Việt

Thế nucleophilic có thể diễn ra theo hai hướng:

  • S$_\text{N}$2: một bước. Nucleophile tấn công đồng thời khi halogen rời đi, đi qua trạng thái chuyển tiếp chật chội nơi cả hai đều liên kết bán phần. Tốc độ phụ thuộc vào cả halogenoalkane lẫn nucleophile.
  • S$_\text{N}$1: hai bước. Đầu tiên liên kết C–X bị phá vỡ tạo carbocation; sau đó nucleophile tấn công nó. Tốc độ chỉ phụ thuộc vào halogenoalkane.
S N 2 được hiển thị là một bước trong đó nucleophile tấn công khi halogen rời đi qua trạng thái chuyển tiếp; S N 1 được hiển thị là hai bước thông qua carbocation
S$_\text{N}$2 là một bước qua trạng thái chuyển tiếp chật chội; S$_\text{N}$1 là hai bước qua carbocation

Các nhóm alkyl đẩy electron về phía carbon dương (hiệu ứng inductive), giúp ổn định carbocation. Đây là lý do tại sao:

  • halogenoalkanes bậc một chủ yếu phản ứng theo S$_\text{N}$2.
  • halogenoalkanes bậc ba chủ yếu phản ứng theo S$_\text{N}$1 (carbocation của chúng được ổn định tốt).
  • halogenoalkanes bậc hai sử dụng hỗn hợp cả hai phương thức.
Explore · ⁨Khám phá⁩

The SN2 mechanism, step by step · ⁨Cơ chế SN2, từng bước⁩

Step through nucleophilic substitution. The nucleophile attacks from behind as the halide leaves — all in one smooth step, flipping the molecule inside-out. · ⁨Qua quá trình thế nucleophile. Nucleophile tấn công từ phía sau khi halogen rời đi — tất cả diễn ra trong một bước trơn tru, lật ngược cấu trúc phân tử.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
carbocation/ˌkɑːbəˈkeɪʃn/ carbocation
inductive effect/ɪnˈdʌktɪv ɪˈfekt/ hiệu ứng cảm ứng
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ năng lượng liên kết
15.1

Different reactivities · ⁨Độ hoạt tính khác nhau⁩

English

How fast a halogenoalkane reacts depends on the strength of the C–X bond, measured by its bond energy 键能. The C–I bond is the weakest, so iodoalkanes react fastest; the C–Cl bond is the strongest of the three, so chloroalkanes react slowest. So when tested with silver nitrate, an iodoalkane gives its precipitate first — its higher reactivity 反应活性 comes from the weaker C–X bond.

Worked example. Predict the mechanism for the hydrolysis of 1-bromobutane and of 2-bromo-2-methylpropane. Classify the halogenoalkane first. 1-bromobutane is primary: the carbon carrying the $\text{Br}$ is barely shielded, so the nucleophile can attack the back of it and the mechanism is $\text{S}_\text{N}2$ - one step, with the rate depending on both the halogenoalkane and the nucleophile. 2-bromo-2-methylpropane is tertiary: three bulky methyl groups block that attack, but they also stabilise the carbocation formed once the $\text{Br}$ leaves, so it goes $\text{S}_\text{N}1$ - two steps, with the rate depending on the halogenoalkane only. Decide from the class (primary → $\text{S}_\text{N}2$, tertiary → $\text{S}_\text{N}1$), and note that the tertiary one hydrolyses faster despite being the more crowded.

Tiếng Việt

Tốc độ phản ứng của halogenoalkane phụ thuộc vào độ bền của liên kết C–X, được đo bằng năng lượng liên kết. Liên kết C–I yếu nhất, nên iodoalkanes phản ứng nhanh nhất; liên kết C–Cl mạnh nhất trong ba loại, nên chloroalkanes phản ứng chậm nhất. Vì vậy, khi thử nghiệm với bạc nitrat, iodoalkane tạo kết tủa đầu tiên — độ hoạt tính cao hơn của nó đến từ liên kết C–X yếu hơn.

Biểu đồ cột về năng lượng liên kết C-X giảm dần từ C-F đến C-I, với mũi tên ghi chú rằng liên kết yếu hơn phản ứng nhanh hơn
Liên kết C–X càng yếu thì halogenoalkane phản ứng càng nhanh — do đó iodoalkane phản ứng nhanh nhất và chloroalkane chậm nhất

Ví dụ minh họa. Dự đoán cơ chế cho quá trình thủy phân 1-bromobutan và 2-bromo-2-metylpropan. Phân loại halogenoalkane trước. 1-bromobutan là bậc một: carbon mang $\text{Br}$ gần như không bị che chắn, nên nucleophile có thể tấn công mặt sau của nó và cơ chế là $\text{S}_\text{N}2$ — một bước, với tốc độ phụ thuộc vào cả halogenoalkane lẫn nucleophile. 2-bromo-2-metylpropan là bậc ba: ba nhóm metyl cồng kềnh chặn đứng sự tấn công đó, nhưng chúng cũng ổn định carbocation hình thành khi $\text{Br}$ rời đi, nên nó diễn ra theo $\text{S}_\text{N}1$ — hai bước, với tốc độ chỉ phụ thuộc vào halogenoalkane duy nhất. Xác định từ loại (bậc một → $\text{S}_\text{N}2$, bậc ba → $\text{S}_\text{N}1$), và lưu ý rằng hợp chất bậc ba thủy phân nhanh hơn dù bị đông đúc hơn.

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
reactivity/rɪəkˈtɪvɪti/ tính hoạt hóa
15.1

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • Draw nucleophilic substitution with a curly arrow from the nucleophile's lone pair to the $\delta+$ carbon and one from the $\text{C-X}$ bond.
  • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
  • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
  • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
Tiếng Việt
  • Vẽ thay thế nucleophile bằng mũi tên cong từ cặp electron tự do của nucleophile đến carbon $\delta+$ và một mũi tên khác từ liên kết $\text{C-X}$.
  • Match mechanism to class: $S_\text{N}1$ (tertiary, carbocation, two steps) vs $S_\text{N}2$ (primary, one step, transition state).
  • Reactivity is set by bond enthalpy: $\text{C-I}$ is weakest, so iodoalkanes react fastest (not electronegativity).
  • Elimination (hot, ethanolic KOH) vs substitution (warm, aqueous KOH) — the conditions decide the product; state them.
Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
primary/ˈpraɪməri/ bậc nhất
secondary/ˈsekəndəri/ bậc hai
tertiary/ˈtɜːʃjəri/ bậc ba
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/ thế nucleophilic
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/ trạng thái chuyển tiếp

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP