Chuyên Hóa · 05/06 · Hóa học xanh & cấu trúc dược phẩm
Tuyển sinh lớp 10 chuyên · Hiệu suất nguyên tử, tổng hợp ibuprofen và cách đọc penicillin: từ phương trình đến từng nguyên tử.
LUKATO · CHEMISTRY STUDIO
CHUYÊN HÓA · TUYỂN SINH LỚP 10 · BÀI 05
Hóa học xanh & cấu trúc dược phẩm
Hiệu suất nguyên tử, tổng hợp ibuprofen và cách đọc penicillin: từ phương trình đến từng nguyên tử.
- Đọc dữ kiện
- Dựng mô hình
- Kiểm tra kết luận
01
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Hai năng lực trong một bài học
Tính đúng hiệu suất nguyên tử, rồi đọc được phân tử lớn mà không đoán tên thuốc.
Một sơ đồ tổng hợp không chỉ cho biết chất nào biến thành chất nào. Nó còn cho biết nguyên tử đi đâu, phần nào trở thành sản phẩm mục tiêu, phần nào nằm trong sản phẩm phụ và liên kết nào cần thay đổi. Bài học này nối hai mảng tưởng như khác nhau: lựa chọn con đường sản xuất ít phát sinh phụ phẩm và giải mã cấu trúc của các penicillin.
Đích 1 · Định lượng
Cân bằng phương trình trước khi lập mẫu số; phân biệt hiệu suất nguyên tử với hiệu suất thu sản phẩm.
Đích 2 · Đọc cấu trúc
Đếm đầu mút, đỉnh gấp khúc, carbon trong carbonyl và hydrogen ẩn; xác định đúng phần R.
Đích 3 · Lập luận
Chỉ ra vì sao một con đường có lợi theo tiêu chí đã cho; không biến một chỉ số thành kết luận toàn diện.
Quy ước tính toán
Dùng khối lượng nguyên tử tương đối . Phân tử thuốc trong bài được xét ở dạng trung hòa khan; không cộng ion đối hay nước kết tinh khi đề chỉ vẽ phân tử.
Trình tự học đề nghị: đọc bảng phân biệt ba chỉ số; giải câu 5.1; quan sát ba bước ibuprofen; thử phòng thí nghiệm số; học cách đọc khung phân tử; giải câu 5.2; cuối cùng làm bài chuyển giao và tự kiểm. Các hình cấu trúc dùng liên kết phẳng để xác định thành phần và vị trí phản ứng; không thay thế biểu diễn lập thể chuyên sâu.
02
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Hiệu suất nguyên tử: mẫu số phải có hệ số
Một khối lượng mol đơn lẻ không đủ nếu phương trình cần nhiều mol chất phản ứng.
Hiệu suất nguyên tử, kí hiệu AE, đo phần khối lượng của các chất phản ứng theo phương trình lý thuyết đi vào sản phẩm mong muốn. Nó là thuộc tính của phương trình đã cân bằng và cách chọn sản phẩm mục tiêu. Nó không cho biết người làm thí nghiệm thu được bao nhiêu sản phẩm thực tế.
Ở đây là hệ số chất phản ứng thứ , là khối lượng mol, là khối lượng sản phẩm mục tiêu trong cùng một lượt phương trình. Nhân toàn bộ phương trình với một số dương không làm thay đổi AE vì cả tử và mẫu cùng tăng theo số đó. Nếu phương trình có hệ số phân số, có thể dùng trực tiếp hoặc nhân lên thành hệ số nguyên.
Chỉ số · Câu hỏi trả lời · Dữ kiện cần
Hiệu suất nguyên tử AE · Theo phương trình, nguyên tử phản ứng đi vào sản phẩm mục tiêu bao nhiêu phần trăm? · Phương trình cân bằng và khối lượng mol
Hiệu suất thu sản phẩm · Thu thực tế được bao nhiêu so với lượng tối đa từ chất giới hạn? · Lượng nạp thực tế và khối lượng sản phẩm thu
Hệ số E · Khối lượng chất thải trên một đơn vị khối lượng sản phẩm là bao nhiêu? · Khối lượng chất thải; ranh giới tính rõ ràng
Dung môi không tham gia phản ứng và xúc tác được hoàn nguyên không được cộng vào mẫu số AE theo định nghĩa lý thuyết này. Nhưng chúng vẫn có thể quyết định lượng chất thải, năng lượng và độ an toàn của quy trình thực tế. Chất phản ứng dùng dư làm thay đổi mức tiêu hao thực tế, không tự làm thay đổi phương trình lý thuyết.
Ví dụ nền tảng · Oxi hóa ethanol thành acid acetic
Phương trình đã cân bằng. Tổng khối lượng chất phản ứng cho một mol acid là . Phần đi vào acid là .
Phần còn lại là nước. Cộng hai sản phẩm: ; tổng khối lượng vẫn bảo toàn. Không được dùng vì oxygen cũng là nguyên liệu cung cấp nguyên tử cho hệ phản ứng.
Khi nào gần 100%?
Một phản ứng cộng tạo đúng một sản phẩm và không loại phân tử nhỏ có thể có AE bằng . Phản ứng tạo nước không có AE bằng nếu chỉ chọn chất hữu cơ làm sản phẩm mục tiêu, dù nước thường là phụ phẩm ít đáng lo hơn nhiều phụ phẩm khác.
03
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Câu 5.1(a): chọn đường sản xuất copper(II) sulfate
Cùng một sản phẩm, nhưng lượng acid tiêu hao và loại phụ phẩm khác nhau.
Đề bài 5.1a
So sánh hai phương trình, không so sánh cảm tính
Hiệu suất nguyên tử là nguyên tắc số 2 của hóa học xanh, đánh giá mức độ nguyên liệu được đưa vào sản phẩm mong muốn. Ví dụ oxi hóa ethanol bằng oxygen tạo acid acetic và nước có AE khoảng . Từ đồng phế liệu có thể điều chế copper(II) sulfate theo hai sơ đồ sau:
Phản ứng (1) dùng acid sulfuric loãng và oxygen.
Phản ứng (2) dùng acid sulfuric đặc, đun nóng.
Giải thích vì sao trong công nghiệp, copper(II) sulfate chủ yếu được sản xuất theo phản ứng (1) theo các tiêu chí hóa học xanh nêu trong đề. Trước khi tính AE, phải cân bằng sơ đồ (1).
Lời giải từng bước
Bước 1 · Cân bằng trước. Muốn tạo một mol sulfate và một mol nước, một mol acid đã cung cấp một nguyên tử S, hai H và bốn O. Tổng sản phẩm có năm nguyên tử O, trong khi một mol acid cung cấp bốn. Cần bổ sung một nguyên tử O, tương ứng nửa mol oxygen:
Hai cách viết tương đương. Không dùng sơ đồ chưa cân bằng với hệ số oxygen bằng 1 rồi cộng vào mẫu số cho một mol sản phẩm.
Bước 2 · Lập mẫu số theo cùng một lượng sản phẩm. Chọn một mol copper(II) sulfate. Phản ứng (1) cần khối lượng lý thuyết . Phản ứng (2) cần . Sản phẩm mục tiêu là , khối lượng mol .
Bước 3 · Đọc phần còn lại. Ở (1), phần ngoài sulfate là nước. Ở (2), phần ngoài sulfate là gồm sulfur dioxide và nước. Kiểm tra và .
Bước 4 · Kết luận đúng phạm vi. Theo mô hình trong đề, đường (1) có AE cao hơn, dùng một mol acid thay vì hai mol cho một mol sản phẩm và không tạo sulfur dioxide như đường (2). Điều đó giảm phần nguyên liệu biến thành phụ phẩm và tránh một dòng khí cần xử lý. Đây là các lý do hóa học xanh hỗ trợ lựa chọn (1). Đề không cung cấp chi phí thiết bị, tốc độ, năng lượng hay số liệu phát thải toàn chu trình; không suy ra một kết luận định lượng cho các tiêu chí ấy.
Bẫy cần tránh
Đồng không tạo hydrogen khi chỉ tiếp xúc với acid sulfuric loãng theo kiểu phản ứng acid–kim loại thông thường. Đường (1) có oxygen tham gia oxi hóa. Không bỏ oxygen; không coi mọi nguyên tử S của acid trong đường (2) đều vào sulfate.
Chiều dài thanh biểu diễn khối lượng theo cùng tỉ lệ. Đây là cân bằng khối lượng lý thuyết, không phải hiệu suất thực nghiệm.
04
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Câu 5.1(b): theo dấu nguyên tử qua ba bước ibuprofen
Tìm phụ phẩm bằng phép trừ nguyên tử; kiểm tra lại bằng phương trình tổng.
Đề bài 5.1b
Acid acetic là phụ phẩm; ibuprofen là mục tiêu
Sơ đồ tổng hợp ibuprofen từ 2-methylpropylbenzene gồm ba bước có xúc tác. Bước 1 thêm anhydride acetic, , tạo ketone thơm có nhóm acetyl ở vị trí para so với nhóm isobutyl. Bước 2 thêm để chuyển nhóm carbonyl ketone thành alcohol. Bước 3 thêm tạo ibuprofen. Sản phẩm phụ là hợp chất có giá trị ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.
Sơ đồ giữ đầy đủ bốn cấu trúc và ba tác nhân của câu 5.1(b). Đầu mút không ghi kí hiệu là carbon; các nhãn nhóm giúp đọc mạch nhánh.
i) Xác định công thức sản phẩm phụ trong sơ đồ. ii) Tính hiệu suất nguyên tử của phương pháp tổng hợp ibuprofen. Không tính xúc tác vào chất phản ứng bị tiêu hao theo sơ đồ lý thuyết.
Lời giải từng bước
Bước 1 · Đếm công thức chất đầu. Vòng benzene khi gắn một nhóm có phần vòng . Nhóm isobutyl có phần . Tổng: . Anhydride acetic có hai phần acetyl và một oxygen nối giữa: .
Bước 2 · Tìm phụ phẩm ở acyl hóa. Ketone có vòng thơm mang hai nhóm ở vị trí para, phần vòng , isobutyl và acetyl . Công thức ketone là . Lấy tổng đầu vào trừ ketone:
Phần còn lại có công thức . Xét nhóm anhydride acetic tham gia acyl hóa trong sơ đồ, phụ phẩm là acid acetic . Phép đếm nguyên tử xác định công thức phân tử; cấu trúc phụ phẩm còn dựa vào bản chất tác nhân và phản ứng, vì một công thức phân tử có thể có nhiều đồng phân.
Bước 3 · Theo dõi hai bước tiếp. Hydrogen cộng vào nhóm carbonyl tạo alcohol . Carbon monoxide được đưa vào bước carbonyl hóa; sơ đồ cho ibuprofen .
Bước 4 · Khử chất trung gian. Cộng ba phương trình rồi loại ketone và alcohol xuất hiện ở cả hai vế:
Không cộng ketone và alcohol vào mẫu số vì chúng được tạo ra trong quá trình, không phải nguyên liệu nạp thêm vào chuỗi tổng hợp này.
Kiểm tra phần phụ phẩm: , đúng bằng khối lượng mol acid acetic. Tử số là ibuprofen vì câu hỏi chọn ibuprofen làm sản phẩm mục tiêu.
Bẫy cần tránh
Có thể thu hồi acid acetic để tăng mức sử dụng vật chất hữu ích. Nhưng khi tính AE cho ibuprofen, không tự thêm acid acetic vào tử số. Mức sử dụng lý thuyết của cả hai sản phẩm và AE của riêng ibuprofen là hai đại lượng có phạm vi khác nhau.
Trạng thái · Công thức phân tử · Kiểm tra thay đổi
Chất đầu · · Vòng thơm một nhánh
Ketone · · Thêm acetyl, thay một H của vòng
Alcohol · · Thêm hai H
Ibuprofen · · Thêm một C và một O
Acid acetic · · Tạo ở bước đầu
Giải thích đủ mà không vượt dữ kiện
Con đường ba bước sử dụng xúc tác và tạo một phụ phẩm có thể có giá trị. Những điều này gợi ý lợi thế về sử dụng tài nguyên. Tuy vậy, AE không chứa thông tin về độc tính của từng tác nhân, điều kiện vận hành hoặc năng lượng. Chỉ dùng dữ kiện đề để tính và lập luận; không suy ra rằng mọi thao tác thực tế đều an toàn.
05
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Phòng thí nghiệm số: AE không đổi khi hiệu suất giảm
Giữ phương trình cố định; thay quy mô, hiệu suất thu và mức thu hồi phụ phẩm.
Mô hình dưới đây dùng phương trình tổng của chuỗi ibuprofen. Bạn chọn số mol chất đầu theo tỉ lệ phương trình, hiệu suất thu ibuprofen và phần acid acetic được thu hồi. AE vẫn là tỉ số lý thuyết . Mô hình không mô phỏng động học hay phản ứng phụ; nó chỉ cho thấy vì sao hiệu suất và thu hồi phải được báo cáo riêng.
Bàn cân nguyên tử Mô hình khối lượng
Quy mô theo phương trình (mol) Hiệu suất thu ibuprofen (%) Thu hồi acid acetic (%)
Thanh vàng là ibuprofen; thanh xanh là acid acetic. Ở hàng dưới, phần không tô không tự mang tên một chất cụ thể: đó là khối lượng chưa được ghi nhận trong hai dòng sản phẩm hữu ích theo lựa chọn. Khi giảm hiệu suất, mô hình chỉ dùng hiệu suất thu như một hệ số của khối lượng ibuprofen lý thuyết; nó không tự nhận diện các chất thất thoát.
Thử ba lần rồi giải thích
Lần 1: giữ hiệu suất thu , thu hồi phụ phẩm . Lần 2: giảm hiệu suất thu xuống . Lần 3: giữ và tăng thu hồi phụ phẩm lên . AE có thay đổi không? Khối lượng hữu ích nào thay đổi? Vì sao không thể chỉ nhìn AE để biết hiệu quả vận hành?
06
Chuyên Hóa · Tư duy có căn cứ
Đọc công thức khung: đừng bỏ carbonyl và hydrogen ẩn
Đếm thành từng miền, rồi kiểm tra nguyên tử dị tố và độ bất bão hòa.
Trong công thức khung, mỗi đỉnh gấp khúc và mỗi đầu mút không ghi nguyên tố là một carbon. Hydrogen gắn trên carbon thường bị lược bỏ; hydrogen trên các nhóm chức thường được ghi để tránh nhầm. Carbon của một nhóm carbonyl vẫn là một carbon, kể cả khi người vẽ chỉ ghi kí hiệu O ở đầu liên kết đôi. N, O, S phải hiện kí hiệu. Không được đếm một chữ C nhiều lần chỉ vì có hai hoặc ba nét liên kết.
- Khoanh vòng và mạch carbon. Benzene có sáu carbon dù hình chỉ có sáu góc.
- Đánh dấu carbonyl. Mỗi vị trí nối đôi với oxygen đóng góp một C và một O.
- Đếm dị tố. Đếm trực tiếp mọi N, O, S, kể cả oxygen của nhóm hydroxyl và carboxyl.
- Bổ sung H theo hóa trị. Carbon trung hòa đủ bốn đơn vị liên kết; oxygen thông thường có hai, nitrogen amine/amide trung hòa có ba.
- Kiểm tra bằng miền cấu trúc. Hai cách đếm độc lập phải cho cùng công thức.
Cấu trúc luyện đọc tương ứng bảng gợi ý · Cách đếm · Kết quả
· Chín C; một carbonyl O; H trên các nhóm ghi tường minh ·
Vòng benzene gắn carboxyl · Vòng một nhánh cộng ·
Vòng năm cạnh gồm một NH và một carbonyl · Ba methylene, một carbonyl, một NH ·
6-APA · Hai vòng ngưng tụ; hai methyl; amino; carboxyl ·
Bảng gợi ý 1: cùng một cấu trúc được vẽ ở dạng thu gọn và dạng khung. Các đỉnh carbon không ghi trong công thức khung vẫn là nguyên tử carbon; số nét thể hiện bậc liên kết.
Bảng gợi ý 2: cùng một cấu trúc được vẽ ở dạng thu gọn và dạng khung. Các đỉnh carbon không ghi trong công thức khung vẫn là nguyên tử carbon; số nét thể hiện bậc liên kết.
Bảng gợi ý 3: cùng một cấu trúc được vẽ ở dạng thu gọn và dạng khung. Các đỉnh carbon không ghi trong công thức khung vẫn là nguyên tử carbon; số nét thể hiện bậc liên kết.
Bảng gợi ý 4: cùng một cấu trúc được vẽ ở dạng thu gọn và dạng khung. Các đỉnh carbon không ghi trong công thức khung vẫn là nguyên tử carbon; số nét thể hiện bậc liên kết.
Bốn cặp hình trên vẽ lại đầy đủ bảng gợi ý, giúp chuyển giữa công thức thu gọn và công thức khung. Bảng đếm nguyên tử đi kèm cho phép kiểm tra độc lập từng cấu trúc. Với ketone mạch hở, có một liên kết đôi; với acid benzoic, vòng benzene và carbonyl cùng góp vào độ bất bão hòa. Đây là kiểm tra cấu trúc, không phải công thức đoán tên chất.