TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA DƯỢC PHAN KIM ANH BÀI GIẢNG HÓA HỮU CƠ (Phần II) TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ, 2013 MỤC LỤC CHƯƠNG 11 CÁC DẪN XUẤT HALOGEN VÀ HỢP CHẤT CƠ KIM ...................... 10 A. CÁC DẪN XUẤT HALOGEN .............................................................................. 10 11.1. Cấu tạo chung của các dẫn xuất halogen ............................................................. 10 11.2. Danh pháp ............................................................................................................ 11 11.2.1. Tên thông thường .......................................................................................... 11 11.2.2. Tên IUPAC.................................................................................................... 11 11.3. Tính chất vật lý .................................................................................................... 12 11.4. Tính chất hóa học ................................................................................................. 12 11.4.1. Đặc điểm chung............................................................................................. 12 11.4.2. Phản ứng thế ái nhân (SN) ............................................................................. 14 11.4.3. Phản ứng tách loại ......................................................................................... 19 11.4.4. Phản ứng với kim loại ................................................................................... 21 11.4.5. Phản ứng tạo hydrocarbon ............................................................................ 22 11.5. Các phương pháp điều chế ................................................................................... 22 11.5.1. Từ hydrocarbon ............................................................................................. 22 11.5.2. Từ Alcol ........................................................................................................ 24 11.5.3. Đi từ hợp chất carbonyl (aldehyd, ceton) ...................................................... 24 11.5.4. Trao đổi halogen ........................................................................................... 24 B. HỢP CHẤT CƠ KIM ............................................................................................. 25 11.7. Cấu tạo chung của hợp chất cơ kim ..................................................................... 25 11.8. Cấu tạo chung của hợp chất cơ kim ..................................................................... 25 11.9. Phương pháp điều chế .......................................................................................... 25 11.9.1. Tác dụng của kim loại với dẫn xuất halogen ................................................ 25 11.9.2. Trao đổi halogen bằng kim loại .................................................................... 26 11.9.3. Thay thế kim loại .......................................................................................... 26 11.9.4. Tác dụng của hợp chất cơ kim với halogenid kim loại ................................. 26 11.10. Tính chất chung của các hợp chất cơ kim ........................................................ 26 11.10.1. Tính chất hóa học của hợp chất cơ Magnesium ........................................ 27 1 BÀI TẬP CHƯƠNG 11 ................................................................................................. 31 A. CÁC HỢP CHẤT ALCOHOL ............................................................................... 44 12.1. Giới thiệu chung ................................................................................................... 44 12.1.1. Cấu tạo chung ................................................................................................ 44 12.1.2. Phân loại ........................................................................................................ 44 12.2. Danh pháp ............................................................................................................ 45 12.2.1. Danh pháp thông thường ............................................................................... 45 12.2.2. Danh pháp Kolbe ........................................................................................... 45 12.2.3. Danh pháp IUPAC ........................................................................................ 45 12.3. Các phương pháp điều chế ................................................................................... 46 12.3.1. Cộng hợp nước vào alkene (hydrat hóa alkene) ........................................... 46 12.3.2. Thủy phân dẫn xuất halogen ......................................................................... 46 12.3.3. Khử hóa các hợp chất carbonyl ..................................................................... 47 12.3.4. Khử hóa acid carboxylic và ester .................................................................. 47 12.3.5. Đi từ hợp chất cơ Magnesium ....................................................................... 47 12.3.6. Phản ứng hydrobo hóa – oxy hóa hình thành alcohol ................................... 48 12.4. Tính chất vật lý .................................................................................................... 48 12.5. Tính chất hóa học ................................................................................................. 49 12.5.1. Đặc điểm chung............................................................................................. 49 12.5.2. Tính acid – base của alcohol ......................................................................... 49 12.5.3. Các phản ứng do sự phân cắt liên kết O – H của alcohol ............................. 50 12.5.4. Các phản ứng do phân cắt liên kết C –O của alcohol ................................... 50 12.5.5. Phản ứng oxi hóa ........................................................................................... 52 12.6. Một số ứng dụng của alcohol ............................................................................... 53 B. CÁC HỢP CHẤT PHENOL .................................................................................. 54 12.7. Cấu tạo chung ...................................................................................................... 54 12.8. Danh pháp ............................................................................................................ 54 12.8.1. Tên thông thường .......................................................................................... 54 12.8.2. Tên IUPAC.................................................................................................... 55 2 12.9. Các phương pháp điều chế ................................................................................... 55 12.9.1. Điều chế phenol trong công nghiệp .............................................................. 55 12.9.2. Điều chế phenol trong phòng thí nghiệm ...................................................... 57 12.10. Tính chất vật lý ................................................................................................. 57 12.11. Tính chất hóa học ............................................................................................. 57 12.11.1. Tính acid .................................................................................................... 57 12.11.2. Tính chất của hydro trong nhóm –OH ....................................................... 58 12.11.3. Tính chất của nhóm –OH ........................................................................... 60 12.11.4. Tính chất của nhân thơm ........................................................................... 60 12.12. Ứng dụng của phenol ........................................................................................ 64 BÀI TẬP CHƯƠNG 12 .................................................................................................... 65 CHƯƠNG 13 CÁC HỢP CHẤT CARBONYL................................................................ 78 13.1. Cấu tạo chung ...................................................................................................... 78 13.2. Danh pháp ............................................................................................................ 78 13.2.1. Danh pháp hợp chất aldehyde ....................................................................... 78 13.2.2. Danh pháp hợp chất ketone ........................................................................... 80 13.3. Các phương pháp điều chế ................................................................................... 81 13.3.1. Oxy hóa hydrocarbon .................................................................................... 81 13.3.2. Oxy hóa alcohol ............................................................................................ 81 13.3.3. Dehydro hóa alcohol ..................................................................................... 82 13.3.4. Đi từ hợp chất alkyne .................................................................................... 82 13.3.5. Đi từ hợp chất alkene .................................................................................... 83 13.3.6. Đi từ dẫn xuất acid carboxylic ...................................................................... 84 13.3.7. Phản ứng acyl hóa Fridel – Crafts ................................................................. 84 13.4. Tính chất vật lý .................................................................................................... 85 13.5. Tính chất hóa học ................................................................................................. 85 13.5.1. Phản ứng cộng hợp ái nhân vào nhóm carbonyl ........................................... 85 13.5.2. Phản ứng cộng hợp ái nhân trên cơ sở carbon .............................................. 86 13.5.3. Phản ứng với các tác nhân ái nhân trên cơ sở oxygen .................................. 88 3 13.5.4. Phản ứng với các tác nhân ái nhân trên cơ sở nitrogen ................................. 89 13.5.5. Phản ứng với các tác nhân ái nhân trên cơ sở lưu huỳnh .............................. 91 13.5.6. Phản ứng oxi hóa – khử................................................................................. 92 13.5.7. Phản ứng aldol hóa ........................................................................................ 94 13.5.8. Phản ứng Cannizzaro .................................................................................... 95 13.5.9. Phản ứng halogen hóa vào carbon α ............................................................. 96 13.6. Một số hợp chất aldehyde và ketone điển hình và ứng dụng............................... 97 13.6.1. Formaldehyde (aldehyde formic, methanal) ................................................. 97 13.6.2. Acetaldehyde ................................................................................................. 97  Aceton (dimethyl ceton, propanon) ..................................................................... 98 13.6.3. Benzaldehyde ................................................................................................ 98 BÀI TẬP CHƯƠNG 13 .................................................................................................... 98 CHƯƠNG 14 HỢP CHẤT CARBOXYLIC ACID ........................................................ 112 14.1. Cấu tạo chung .................................................................................................... 112 14.2. Danh pháp .......................................................................................................... 112 14.2.1. Tên thông thường ........................................................................................ 112 14.2.2. Tên IUPAC.................................................................................................. 114 14.3. Các phương pháp điều chế ................................................................................. 115 14.3.1. Oxy hóa alkene ............................................................................................ 115 14.3.2. Oxy hóa alkylbenzene ................................................................................. 116 14.3.3. Oxy hóa alcohol bậc một và aldehyde ........................................................ 116 14.3.4. Sử dụng tác nhân Grignard ......................................................................... 117 14.3.5. Thủy phân các hợp chất nitrile .................................................................... 118 14.3.6. Thủy phân các dẫn xuất của acid carboxylic và các dẫn xuất gem – trihalogen 118 14.3.7. Alkyl hóa malonate ester ............................................................................. 119 14.4. Tính chất vật lý .................................................................................................. 119 14.5. Tính chất hóa học ............................................................................................... 120 14.5.1. Đặc điểm chung........................................................................................... 120 4 14.5.2. Tính acid ...................................................................................................... 121 14.5.3. Phản ứng thế nhóm –OH của carboxylic acid............................................. 123 14.6. Ứng dụng của acid carboxylic ........................................................................... 127 14.6.1. Một số acid béo no đơn chức thường gặp ................................................... 127 14.6.2. Một số acid béo không no đơn chức thường gặp ........................................ 128 14.6.3. Các acid thơm thường gặp .......................................................................... 129 BÀI TẬP CHƯƠNG 14 .................................................................................................. 130 CHƯƠNG 15 HỢP CHẤT AMINE – DIAZONIUM..................................................... 139 A. HỢP CHẤT AMINE ............................................................................................ 139 15.1. Cấu tạo chung .................................................................................................... 139 15.2. Danh pháp .......................................................................................................... 139 15.2.1. Tên thông thường ........................................................................................ 139 15.2.2. Tên IUPAC.................................................................................................. 139 15.3. Các phương pháp điều chế ................................................................................. 141 15.3.1. Alkyl hóa NH3 bằng dẫn xuất halogen ........................................................ 141 15.3.2. Alkyl hóa NH3 bằng alcohol ....................................................................... 142 15.3.3. Phương pháp Gabriel................................................................................... 142 15.3.4. Phản ứng chuyển vị Hofmann ..................................................................... 143 15.3.5. Khử hóa hợp chất nitro ................................................................................ 143 15.3.6. Khử hóa các hợp chất chứa nitrogen khác .................................................. 144 15.3.7. Amine hóa – khử các hợp chất carbonyl ..................................................... 145 15.4. Tính chất vật lý .................................................................................................. 145 15.5. Tính chất hóa học ............................................................................................... 146 15.5.1. Tính base ..................................................................................................... 146 15.5.2. Phản ứng alkyl hóa ...................................................................................... 147 15.5.3. Phản ứng acyl hóa ....................................................................................... 148 15.5.4. Phản ứng sulfonyl hóa ................................................................................. 149 15.5.5. Phản ứng oxi hóa ......................................................................................... 149 15.5.6. Phản ứng với HNO2 (nitrous acid) .............................................................. 150 5 15.6. Ứng dụng của hợp chất amine ........................................................................... 152 B. HỢP CHẤT DIAZONIUM .................................................................................. 152 15.7. Điều chế muối diazonium .................................................................................. 153 15.8. Phản ứng thế nhóm diazonium (giải phóng N2)................................................. 153 15.8.1. Phản ứng thủy phân ..................................................................................... 153 15.8.2. Phản ứng halogen hóa ................................................................................. 154 15.8.3. Phản ứng nitrile hóa .................................................................................... 154 15.8.4. Phản ứng khử nhóm diazonium .................................................................. 154 15.9. Phản ứng ghép đôi azo ....................................................................................... 155 BÀI TẬP CHƯƠNG 15 .................................................................................................. 157 CHƯƠNG 16 HỢP CHẤT CHỨA LƯU HUỲNH – PHOSPHO .................................. 172 A. HỢP CHẤT CHỨA LƯU HUỲNH ..................................................................... 172 16.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 172 16.2. Thiol và sulfide .................................................................................................. 172 16.3. Acid sulfonic ...................................................................................................... 173 B. HỢP CHẤT CHỨA PHOSPHO .......................................................................... 175 16.4. Hợp chất chứa phospho ...................................................................................... 175 16.4.1. Phosphine .................................................................................................... 175 16.4.2. Các alkyl của acid chứa phosphor ............................................................... 175 16.4.3. Các ester của acid chứa phosphor ............................................................... 176 CHƯƠNG 17 HỢP CHẤT HALOGENOACID, HYDROACID ................................... 178 A. HỢP CHẤT HALOGENOACID ......................................................................... 178 17.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 178 17.2. Phương pháp điều chế ........................................................................................ 178 17.2.1. Halogen hóa acid carboxylic ....................................................................... 178 17.2.2. Cộng hợp HX vào acid chưa no .................................................................. 179 17.3. Tính chất hóa học ............................................................................................... 179 17.3.1. Phản ứng thế ái nhân – phản ứng thủy phân ............................................... 179 17.3.2. Phản ứng thế ái nhân – phản ứng thủy phân ............................................... 179 6 17.4. Một số halogenoacid điển hình .......................................................................... 179 17.4.1. Monochloro acetic acid ............................................................................... 179 17.4.2. Dichloro acetic (Cl2CHCOOH)................................................................... 180 17.4.3. Trichloro acetic (Cl3C-COOH) ................................................................... 180 B. HỢP CHẤT HYDROXYACID ........................................................................... 180 17.5. Giới thiệu chung ................................................................................................. 180 17.6. Danh pháp .......................................................................................................... 181 17.7. Phương pháp điều chế ........................................................................................ 181 17.7.1. Tổng hợp α-hydroxy acid ........................................................................... 182 17.7.2. Tổng hợp β-hydroxy acid ............................................................................ 182 17.7.3. Tổng hợp γ-hydroxy acid ............................................................................ 183 17.8. Tính chất vật lý .................................................................................................. 184 17.9. Tính chất hóa học ............................................................................................... 184 17.9.1. Tính chất của nhóm carboxyl ...................................................................... 184 17.9.2. Tính chất của nhóm hydroxyl ..................................................................... 184 17.9.3. Phản ứng đặc trưng của hydroxy acid ......................................................... 185 17.10. Một số hydroxy acid điển hình ....................................................................... 187 17.10.1. Acid glycolic (hydroxy acetic acid) ......................................................... 187 17.10.2. Acid latic (2-hydroxypropanoic acid) ...................................................... 187 17.10.3. Một số acid khác ...................................................................................... 187 BÀI TẬP CHƯƠNG 17 .................................................................................................. 188 CHƯƠNG 18 HỢP CHẤT DỊ VÒNG ............................................................................ 189 18.1. GIỚI THIỆU CHUNG ....................................................................................... 189 18.1.1. Định nghĩa ................................................................................................... 189 18.1.2. Phân loại ...................................................................................................... 189 18.1.3. Danh pháp ................................................................................................... 190 18.2. Tính chất của một số hợp chất dị vòng điển hình .............................................. 197 18.2.1. Nhóm furan ................................................................................................. 197 18.2.2. Nhóm thiophene .......................................................................................... 200 7 18.2.3. Nhóm pyrrole .............................................................................................. 202 18.2.4. Nhóm diazole .............................................................................................. 206 18.2.5. Nhóm thiazole và isothiazole ...................................................................... 208 18.2.6. Nhóm pyridine ............................................................................................ 209 18.2.7. Nhóm diazine .............................................................................................. 216 BÀI TẬP CHƯƠNG 18 .................................................................................................. 219 CHƯƠNG 19 CARBONHYDRATE (GLUCID) ........................................................... 222 19.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 222 19.2. Monosaccharide ................................................................................................. 222 19.2.1. Danh pháp ................................................................................................... 222 19.2.2. Đồng phân của monosaccharide.................................................................. 225 19.2.3. Tính chất của monosaccharide .................................................................... 228 19.2.4. Một số monosaccharide điển hình............................................................... 236 19.3. Oligosaccharide .................................................................................................. 237 19.3.1. Disaccharide khử ......................................................................................... 238 19.3.2. Disaccharide không khử .............................................................................. 239 19.4. Polysaccharide ................................................................................................... 240 19.4.1. Tinh bột ....................................................................................................... 240 19.4.2. Cellulose ...................................................................................................... 241 CHƯƠNG 20 ACID NUCLEIC, TERPEN, STEROID.................................................. 244 A. ACID NUCLEIC .................................................................................................. 244 20.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 244 20.1.1. Phần đường trong acid nucleic .................................................................... 244 20.1.2. Phần base của acid nucleic .......................................................................... 245 20.1.3. Cấu tạo của của Nucleoside ........................................................................ 246 20.1.4. Cấu tạo của nucleotide ................................................................................ 247 20.1.5. Cấu tạo của acid nucleic .............................................................................. 247 B. STEROID ............................................................................................................. 249 20.2. Giới thiệu steroid ............................................................................................... 249 8 20.2.1. Định nghĩa và cấu tạo .................................................................................. 249 20.2.2. Hóa học lập thể của steroid ......................................................................... 250 20.2.3. Danh pháp steroid ....................................................................................... 251 20.2.4. Các steroid điển hình ................................................................................... 253 C. TERPENE............................................................................................................. 256 20.3. Giới thiệu terpene............................................................................................... 256 20.3.1. Định nghĩa và phân loại .............................................................................. 256 20.3.2. Monoterpene ............................................................................................... 257 20.3.3. Sesquiterpene .............................................................................................. 268 20.3.4. Polyterpene .................................................................................................. 269 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 271 9 CHƯƠNG 11 CÁC DẪN XUẤT HALOGEN VÀ HỢP CHẤT CƠ KIM A. CÁC DẪN XUẤT HALOGEN 11.1. Cấu tạo chung của các dẫn xuất halogen Khi thay thế một hay nhiều nguyên tử hydrogen trong phân tử hydrocarbon bằng các nguyên tử halogen (F, Cl, Br, I) sẽ thu được các dẫn xuất halogen tương ứng. Tùy theo cấu tạo của gốc hydrocarbon, dẫn xuất halogen có thể được chia thành: - Dẫn xuất halogen no (nguyên tử halogen liên kết với gốc hydrocarbon no) - Dẫn xuất halogen không no (nguyên tử halogen liên kết với gốc hydrocarbon không no) - Dẫn xuất halogen thơm (nguyên tử halogen liên kết với gốc hydrocarbon thơm) - Ngoài ra, tùy theo số nguyên tử halogen có trong phân tử, các dẫn xuất halogen có thể được chia thành • Dẫn xuất monohalogen • Dẫn xuất dihalogen • Dẫn xuất polyhalogen - Dựa vào bậc của nguyên tử carbon liên kết với nguyên tử halogen có thể chia thành • Dẫn xuất halogen bậc một • Dẫn xuất halogen bậc hai 10 • Dẫn xuất halogen bậc ba 11.2. Danh pháp 11.2.1.Tên thông thường Tên gốc alkyl (liên kết trực tiếp với nguyên tử halogen) + halide Tên thông thường chỉ được sử dụng trong trường hợp các dẫn xuất halogen đơn giản. n-butyl bromide isopropyl chloride benzyl chloride Một số tên thông thường của dẫn xuất halogen được IUPAC sử dụng, ví dụ: fluoroform (CHCF3), chloroform (CHCl3), bromoform (CHBr3), iodoform (CHI3), carbon tetrachloride (CCl4) 11.2.2.Tên IUPAC Nguyên tắc: halogen được xem là nhóm thế halo (fluoro, chloro, bromo, iodo) gắn vào mạch carbon. Theo cách gọi tên như vậy, các alkyl halide (halogenua) sẽ có tên IUPAC là haloalkane. Các nguyên tắc gọi tên trong trường hợp này cũng tương tự như trường hợp gọi tên IUPAC của alkane, alkene hoặc alkyne, bao gồm các bước sau: - Chọn mạch carbon dài nhất có chứa nguyên tử halogen làm mạch chính - Đánh số thứ tự sao cho nhóm thế chỉ số nhỏ nhất, bất kể nhóm đó là nhóm thế halo- hay alkyl- - Khi có nhiều nhóm thế giống nhau, dùng các tiếp đầu ngữ di-, tri-, tetra- để chỉ số lượng nhóm thế 11 - Nếu có nhiều nhóm thế halo- khác nhau, sắp xếp các nhóm thế theo thứ tự của bảng chữ cái Nếu mạch chính có thể đánh số thứ tự từ hai đầu, ưu tiên nhóm thế đứng trước theo - thứ tự bảng chữ cái - Gọi tên theo thứ tự sau: Số chỉ vị trí và tên halogen + Số chỉ vị trí và tên mạch nhánh + Tên hydrocarbon tương ứng với mạch chính Ví dụ 11.3. Tính chất vật lý • Phần lớn các dẫn xuất halogen là chất lỏng, không màu (trừ một số dẫn xuất iodide), hoặc chất rắn • Các dẫn xuất halogen thường có nhiệt độ sôi cao hơn các alkane tương ứng có cùng bộ khung carbon, do các dẫn xuất halogen có trọng lượng phân tử lớn hơn và là những hợp chất phân cực. • Khi có cùng một gốc hydrocarbon, nhiệt độ sôi của dẫn xuất halogen tăng từ RF đến RI • Mặc dù là những hợp chất phân cực, các dẫn xuất halogen lại không tan trong nước, do không tạo được liên kết hydrogen với nước, tuy nhiên các dẫn xuất halogen tan được trong nhiều dung môi hữu cơ như benzene, ether, chloroform. 11.4. Tính chất hóa học 11.4.1.Đặc điểm chung Liên kết C-X giữa nguyên tử halogen và nguyên tử carbon là liên kết cộng hóa trị phân cực. Tuy nhiên, do độ âm điện của nguyên tử halogen lớn hơn nên đôi điện tử dùng 12 chung của liên kết bị lệch về phía nguyên tử halogen. Kết quả là mật độ điện tử ở nguyên tử carbon giảm xuống, còn mật độ điện tử ở nguyên tử halogen tăng lên. Hoạt tính của dẫn xuất halogen phụ thuộc bản chất của halogen và đặc điểm cấu tạo của gốc hydrocarbon liên kết với halogen. Cụ thể: Nếu gốc hydrocarbon giống nhau, khả năng tham gia phản ứng của các dẫn xuất halogen tăng dần theo trật tự: R-F alkyl bậc 1 > alkyl bậc 2 > alkyl bậc 3 Nếu nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nguyên tử halogen có tính bất đối xứng, phản ứng thế SN2 xảy ra kèm theo sự thay đổi cấu hình ban đầu, gọi là sự nghịch đảo Walden (Walden inversion) Ví dụ: 11.4.2.2. Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử (SN1) Ở giai đoạn chậm (giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng) không có sự tham gia của tác nhân ái nhân, đây là giai đoạn ion hóa, hình thành carbocation trung gian có cấu trúc phẳng (hoặc gần phẳng). Tiếp theo là giai đoạn tấn công của tác nhân ái nhân vào trung tâm tích điện dương, giai đoạn này xảy ra rất nhanh, không quyết định tốc độ phản ứng Tốc độ phản ứng: r = k[R-X] ⇒ Tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độ của dẫn xuất halogen mà không phụ thuộc vào nồng độ của tác nhân ái nhân. Khả năng phản ứng giảm theo thứ tự: Allyl > benzyl > alkyl bậc 3 > alkyl bậc 2 > alkyl bậc 1 > CH3X 15 Nếu nguyên tử carbon liên kết với nguyên tử halogen có tính bất đối xứng, phản ứng SN1 sẽ cho khoảng 50% sản phẩm có cấu hình giống với cấu hình của nguyên liệu ban đầu và khoảng 50% sản phẩm có cấu hình ngược lại. Ví dụ: 11.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng thế ái nhân a) Cấu tạo gốc hydrocarbon • Các dẫn xuất alkyl halide bậc một thường xảy ra theo cơ chế SN2 • Các dẫn xuất bậc 3 thường xảy ra theo cơ chế SN1 • Các dẫn xuất bậc 2 có thể xảy ra theo cơ chế SN1 hoặc SN2 tùy thuộc vào điều kiện phản ứng • Gốc hydrocarbon là allyl hoặc benzyl, phản ứng SN1 và SN2 đều xảy ra dễ dàng và ngược lại đối với gốc phenyl và vinyl b) Ảnh hưởng của dung môi - Nếu không có dung môi thì hầu như phản ứng thế ái nhân không xảy ra - Phản ứng SN1 xảy ra nhanh trong dung môi phân cực có proton như H2O, alcohol…do các dung môi này có khả năng solvate hóa cả carbocation và anion halide trung gian. Thay đổi độ phân cực của dung môi sẽ làm thay đổi tốc độ phản ứng SN1 - Các dung môi phân cực không có proton như: N,N-dimethylformalmide (DMF), dimethylsulfoxide (DMSO) không có khả năng solvate hóa anion halide bằng các liên kết hydrogen, thường không thuận lợi cho phản ứng SN1 và thường được sử dụng để nghiên cứu các phản ứng SN2 c) Ảnh hưởng của tác nhân ái nhân 16 Phản ứng thế ái nhân SN1 hầu như không phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của tác nhân ái nhân, do giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng không có sự tham gia của tác nhân ái nhân. Phản ứng thế ái nhân SN2 phụ thuộc nhiều vào bản chất và nồng độ của tác nhân ái nhân, các tác nhân ái nhân mạnh như OH-, OR- thuận lợi cho phản ứng SN2 d) Ảnh hưởng của bản chất nguyên tử halogen Phản ứng thế ái nhân của các dẫn xuất halogen, cho dù xảy ra theo cơ chế SN1 hay SN2 đều phụ thuộc vào bản chất của nguyên tử halogen. Với cùng một gốc alkyl, tốc độ phản ứng thế ái nhân giảm dần theo trật tự: R-I > R-Br> R-Cl > R-F 11.4.2.4. Các phản ứng thế ái nhân tiêu biểu của dẫn xuất halogen a) Phản ứng thủy phân Các dẫn xuất alkyl halide (halogenua) tham gia phản ứng thủy phân, thường thực hiện trong môi trường kiềm hình thành các alcol tương ứng. b) Phản ứng tạo ether (phản ứng Williamson) Phản ứng này được xem là một trong những phương pháp tốt nhất để điều chế ether. Đây là phản ứng thế ái nhân giữa dẫn xuất alkyl halide (halogenua) và ion alkoxide RO-. Phản ứng xảy ra theo cơ chế SN2 vì đòi hỏi phải sử dụng một lượng lớn tác nhân ái nhân mạnh RO- Ví dụ: c) Phản ứng tạo amine Phản ứng giữa NH3 và các dẫn xuất alkyl halide (halogenua) RX có thể được sử dụng để tổng hợp các amine. 17 Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế ái nhân vào nguyên tử carbon no của dẫn xuất RX. Thực tế phản ứng alkyl hóa NH3 rất khó dừng lại ở giai đoạn hình thành amine bậc 1 do amine vừa mới hình thành lại có tính ái nhân cao hơn NH3. Phản ứng thế tiếp tục xảy ra, dẫn đến hình thành một hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau: amine bậc một, bậc hai, bậc ba và muối ammonium bậc bốn. Khi sử dụng một lượng dư NH3 trong phản ứng alkyl hóa, có thể hạn chế sự hình thành có amine bậc cao và làm tăng hiệu suất của amine bậc một Ví dụ: d) Phản ứng tạo hợp chất nitrile Các dẫn xuất alkyl halide tham gia phản ứng với các tác nhân như NaCN hoặc KCN hình thành các hợp chất nitrile. Các hợp chất nitrile có thể bị thủy phân trong môi trường acid hoặc base mạnh ở nhiệt độ cao để hình thành các carboxylic acid tương ứng ⇒ Có thể xem đây là phương pháp điều chế carboxylic acid từ dẫn xuất alkyl halide Lưu ý: Phương pháp này chỉ thích hợp để điều chế acid từ dẫn xuất alkyl halide bậc một. Ví dụ 18 11.4.3. Phản ứng tách loại - Các dẫn xuất alkyl halide có thể tham gia phản ứng tách loại HX khi có mặt một base mạnh để hình thành các alkene tương ứng. - Khi có tác dụng của base, nguyên tử hydro ở vị trí Cα bị tách ra cùng với nguyên tử halogen tạo ra liên kết đôi >C=C< - Các base mạnh thường được sử dụng gồm: RO-, OH-, NH2- - Phản ứng tách loại của dẫn xuất halogen có thể xảy ra theo cơ chế tách loại lưỡng phân tử hoặc đơn phân tử, tùy thuộc vào cấu trúc của gốc hydrocarbon cũng như điều kiện thực hiện phản ứng. 11.4.3.1. Phản ứng tách loại lưỡng phân tử (E2) Cơ chế - Ở giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng, có sự tham gia đồng thời cả dẫn xuất halogen và base Y-. - Nồng độ base sử dụng cho quá trình tách loại có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Tốc độ phản ứng E2 như sau: r = k[R-X].[Y-] - Phản ứng E2 có tính lập thể rõ ràng, phản ứng chỉ xảy ra khi hai liên kết của hai nhóm đi ra nằm trong cùng một mặt phẳng, tính đồng phẳng này sẽ đạt được khi hai nhóm thế đi ra phải ở vị trí trans hoặc anti với nhau 19 11.4.3.2. Phản ứng tách loại đơn phân tử (E1) Cơ chế phản ứng Giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn hình thành carbocation trung gian, ở giai đoạn này không có sự tham gia của base. Ở giai đoạn tiếp theo base sẽ tách nguyên tử hydrogen ở carbon β so với C-X, hình thành sản phẩm tách loại là alkene. Tốc độ phản ứng E1 không phụ thuộc vào nồng độ của base sử dụng: r = k.[R-X] Lưu ý: Các yếu tố thuận lợi cho phản ứng thế ái nhân đơn phân tử sẽ đồng thời thuận lợi cho phản ứng tách loại đơn phân tử 11.4.3.3. Hướng của phản ứng tách loại Phản ứng tách loại thường xảy ra theo một quy tắc thực nghiệm “hydro luôn bị tách ra từ carbon có ít hydro nhất” (quy tắc Zaitsev) Ví dụ: 20 Tăng nhiệt độ phản ứng làm tăng khả năng phản ứng tách loại và do đó giảm tỷ lệ sản phẩm thế. 11.4.4.Phản ứng với kim loại • Các dẫn xuất halogen có khả năng tham gia phản ứng với một số kim loại trong môi trường ether khan, hình thành hợp chất cơ kim (organometallic compound). • Các kim loại thường sử dụng trong phản ứng này là: Mg, Li, Na, Zn, Hg… • Đây là phương pháp thông dụng nhất để điều chế các hợp chất cơ kim, khả năng tham gia phản ứng với kim loại của dẫn xuất halogen như sau: R-I > R-Br > R-Cl > R-F • Phản ứng cần được thực hiện trong môi trường ether khan hoặc các dung môi không có nguyên tử hydro linh động và không chứa những nhóm chức hoạt động khác. • Phản ứng phải được thực hiện trong môi trường khí trơ như nitrogen hay argon vì hơi nước, CO2, hoặc O2 đều tham gia phản ứng dễ dàng với các hợp chất cơ kim sinh ra • Trong các dẫn xuất cơ kim, dẫn xuất cơ magnesium (hợp chất Grignard) là có ý nghĩa quan trọng nhất Ví dụ: 21 Riêng phản ứng giữa dẫn xuất halogen và Na không dừng lại ở giai đoạn tạo dẫn xuất cơ kim mà thường hình thành sản phẩm alkane (phản ứng Wurtz) 11.4.5.Phản ứng tạo hydrocarbon a) Khử hóa xúc tác b) Khử bằng hydro mới sinh 11.5. Các phương pháp điều chế 11.5.1. Từ hydrocarbon a) Tác dụng trực tiếp halogen với hydrocarbon no ở nhiệt độ cao b) Từ alkene và alkyne - Cộng hợp hydro halogenid hoặc halogen 22 - Halogen hóa allylic (dẫn xuất thế) c) Halogen hóa trực tiếp hydrocarbon thơm Ví dụ: d) Từ muối diazoni (phản ứng Sandmeyer) Ví dụ 23 11.5.2. Từ Alcol - Alcol có thể chuyển hóa thành dẫn xuất alkyl halide bằng cách sử dụng nhiều tác nhân khác nhau, trong đó thông dụng nhất là hydrogen halide (HCl, HBr, HI). Ngoài ra có thể sử dụng các tác nhân khác như phosphorous trichloride (PCl3), phosphorous pentachloride (PCl5) hoặc thionyl chloride (SOCl2) - Phản ứng giữa alcol và hydrogen halide là phản ứng thuận nghịch, muốn cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận, người ta thường sử dụng H2SO4 hay ZnCl2 khan làm xúc tác và cũng là tác nhân hút nước từ phản ứng. - Khả năng phản ứng của các hydrogen halide giảm dần: HI > HBr > HCl - Alcol bậc ba tham gia phản ứng tốt hơn alcol bậc hai và bậc một. 11.5.3.Đi từ hợp chất carbonyl (aldehyd, ceton) 11.5.4.Trao đổi halogen Điều chế dẫn xuất iod và flour từ các dẫn xuất halogen 11.6. Một số ứng dụng của các dẫn xuất halogen Các dẫn xuất halogen có độ hoạt động cao nên được sử dụng nhiều trong tổng hợp hữu cơ, chẳng hạn như làm tác nhân alkyl hóa vào nhân thơm để điều chế các dẫn xuất alkylarene, hoặc sử dụng để điều chế ether theo phương pháp Williamson. Ngoài ra, các dẫn xuất halogen cũng được sử dụng phổ biến cho các mục đích như: 24 o Sát trùng, trừ mối mọt: CH3Br o Công nghiệp đông lạnh: CH3Cl, Các dẫn xuất của chlorofluorocarbon (CFC) o Dung môi: CH3Cl, CCl4 o Thuốc trừ sâu: p,p’-dichlorodiphenyltrichloroethane: DDT B. HỢP CHẤT CƠ KIM 11.7. Cấu tạo chung của hợp chất cơ kim - Hợp chất cơ kim là những hợp chất hữu cơ có nguyên tử kim loại liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon trong gốc hydrocarbon, có thể ở dạng khí, dạng lỏng hoặc dạng rắn. Các hợp chất cơ kim rắn có nhiệt độ nóng chảy thấp - Hợp chất cơ kim tan được trong các dung môi ít phân cực như hydrocarbon, ether - Tùy theo độ phân cực của liên kết carbon và kim loại, có thể chia thành 3 nhóm - Các gốc hữu cơ có thể là alkyl, alkenyl, alkynyl, aryl 11.8. Cấu tạo chung của hợp chất cơ kim - Tên gốc hydrocarbon + tên kim loại - Nếu hóa trị của kim loại ngoài liên kết với gốc hydrocarbon, còn liên kết với halogen, thì đọc tên theo thứ tự sau: Tên gốc hydrocarbon + Tên kim loại + Tên halogenide 11.9. Phương pháp điều chế 11.9.1.Tác dụng của kim loại với dẫn xuất halogen Phương pháp này được sử dụng để điều chế các hợp chất cơ lithium, magnesium, kẽm 25 Phản ứng được tiến hành trong môi trường khí trơ (nitrogen hoặc helium), trong dung môi dialkyl ether hoặc hydrocarbon. Ví dụ: 11.9.2. Trao đổi halogen bằng kim loại Phương pháp này được áp dụng để điều chế các hợp chất cơ lithium với những dẫn xuất halogen có khả năng phản ứng yếu như aryl, vinyl, ethynyl halogenid 11.9.3.Thay thế kim loại Phương pháp này được sử dụng để điều chế những hợp chất cơ kim có khả năng phản ứng cao từ những hợp chất cơ kim có khả năng phản ứng thấp 11.9.4.Tác dụng của hợp chất cơ kim với halogenid kim loại Hợp chất cơ magnesium và alkyl lithium phản ứng với halogenid kim loại có tính điện dương yếu hơn magnesium, lithium tạo ra các hợp chất cơ kim mới (thủy ngân, kẽm, đồng, silic…) Ví dụ: 11.10. Tính chất chung của các hợp chất cơ kim Tính chất vật lý và hóa học thay đổi trong phạm vi rộng phụ thuộc vào mức độ ion hóa của liên kết giữa carbon và kim loại Trong liên kết C-M, nếu tính điện dương của kim loại càng lớn thì mức độ phân cực của liên kết C-M càng tăng, khi này carbon là cực âm của lưỡng cực 26 Khả năng phản ứng của hợp chất cơ kim tăng theo sự tăng tính ion hóa của liên kết C-M Những hợp chất cơ natri và kali có khả năng phản ứng cao nhất, vì liên kết giữa carbon với các kim loại này phân cực mạnh. Các hợp chất cơ kim khó tan trong dung môi không phân cực, tự bốc cháy ngoài không khí, tham gia phản ứng rất mạnh với nước, CO2 11.10.1. Tính chất hóa học của hợp chất cơ Magnesium 11.10.1.1. Phản ứng với các hợp chất chứa hydrogen linh động - Hợp chất cơ magnesium do có tính base mạnh, có thể tham gia phản ứng với các hợp chất chứa nguyên tử hydrogen linh động rất dễ dàng. - Phản ứng xảy ra mãnh liệt và thường tỏa nhiều nhiệt. - Các hợp chất chứa hydrogen linh động: nước, alcol, phenol, các acid vô cơ và hữu cơ, các amine bậc 1, 2, các hợp chất amide, các dẫn xuất mercaptan, các alkyne đầu mạch. - Gốc hydrocarbon của hợp chất cơ magnesium kết hợp với nguyên tử hydrogen linh động, hình thành các hợp chất hydrocarbon tương ứng và muối magnesium. Ví dụ: → Phản ứng này chủ yếu được sử dụng để định tính và định lượng nguyên tử hydrogen linh động trong các hợp chất hữu cơ, gọi là phương pháp Zerewitinoff. 27 11.10.1.2. Phản ứng với các hợp chất chứa nhóm carbonyl a) Phản ứng với aldehyde và ketone - Đây là phản ứng của hợp chất cơ magnesium được sử dụng nhiều nhất trong tổng hợp hữu cơ. - Phản ứng hình thành một liên kết carbon- carbon mới, góp phần xây dựng bộ khung carbon phức tạp từ những phân tử đơn giản. - Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân: nguyên tử carbon trong liên kết CMg tích một phần điện âm đóng vai trò tác nhân ái nhân, sẽ tấn công vào nguyên tử carbon tích một phần điện dương trong nhóm carbonyl hình thành một liên kết C-C mới. Phản ứng hình thành sản phẩm trung gian là alkoxymagnesium halide, thủy phân sản phẩm trung gian này trong môi trường acid sẽ thu được alcol tương ứng Ví dụ: Bậc của sản phẩm alcohol thu được trong phản ứng này phụ thuộc vào bản chất của hợp chất carbonyl. Cụ thể: • Phản ứng giữa hợp chất cơ magnesium với formaldehyde sau khi thủy phân cho sản phẩm cuối cùng là alcohol bậc 1. • Các hợp chất aldehyde còn lại khi phản ứng sẽ hình thành alcohol bậc hai, các ketone cho sản phẩm là alcohol bậc ba. 28 b) Phản ứng với dẫn xuất của carboxylic acid - Các hợp chất cơ magnesium có khả năng tham gia phản ứng dễ dàng với các dẫn xuất của acid như acid chloride, anhydride, ester. - Giai đoạn đầu của phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân, sản phẩm trung gian cũng là những hợp chất alkoxymagnesium halide không bền, sẽ chuyển hóa thành các hợp chất carbonyl tương ứng. c) Phản ứng với CO2 Hợp chất cơ magnesium tham gia phản ứng với CO2 theo cơ chế cộng hợp ái nhân, tương tự như trường hợp hợp chất carbonyl. Sau giai đoạn thủy phân trong môi trường 29 acid, sản phẩm thu được là hợp chất acid carboxylic. Chính vì lý do này, các phản ứng điều chế hợp chất cơ magnesium hoặc là các quá trình tổng hợp hữu cơ trên cơ sở hợp chất cơ magnesium cần phải được thực hiện trong môi trường khí trơ không có mặt CO2. Cơ chế phản ứng với CO2 có thể được tóm tắt như sau: ⇒ Phản ứng này được ứng dụng để điều chế acid carboxylic có mạch carbon dài hơn nguyên liệu ban đầu một nguyên tử carbon 11.10.1.3. Phản ứng với các hợp chất nitrile Hợp chất cơ magnesium có khả năng tham gia phản ứng vào nhóm liên kết ba C≡N. Do sự khác biệt về độ âm điện giữa nguyên tử nitrogen và carbon, liên kết C≡N cũng bị phân cực, tương tự như trường hợp hợp chất carbonyl Cơ chế phản ứng: Ví dụ: 30 11.10.1.4. Phản ứng mở vòng epoxide Các hợp chất cơ magnesium tham gia phản ứng dễ dàng với ethylene oxide cho sản phẩm trung gian alkoxymagnesium halide. Thủy phân sản phẩm trung gian này trong môi trường acid sẽ thu được alcohol tương ứng. Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế ái nhân lưỡng phân tử ⇒ Phản ứng này được ứng dụng để điều chế các alcohol có mạch carbon dài hơn nguyên liệu ban đầu hai nguyên tử carbon. BÀI TẬP CHƯƠNG 11 Bài 1. Gọi tên các dẫn xuất halogen sau đây theo hệ danh pháp IUPAC 31 32 Bài 2: Xác định công thức cấu tạo của các dẫn xuất halogen có tên sau đây (để đơn giản có thể sử dụng công thức Zigzag trong đó các nguyên tử hydrogen không cần viết đầy đủ) a) 2-bromo-7-chloro-8-methyl-5-(3-methylbutan-2-yl)decane b) 3-iodo-6-isopropyl-9-(2-methylpentan-3-yl)tetradecane c) (2E,12E)-8-bromo-6-isopropyl-3-methyl-9-(2-methylpentan-3-yl)-12tetradecadien-2,12 d) (E ) -9-sec-butyl-5chloro-12-methyl-6-(2-methylpentan-3-yl)-12-tetradecen-1-yne e) 7-bromo-5,11-dichloro-4-isopropyl-8-(3-methylpentan-2-yl)-8-tetradecen-1-yne f) (Z)-9-(3-bromobutan-2-yl)-5,11-diiodo-6-(3-methylbutan-2-yl)-8-tetradecen-1-yne g) (E)-4-chloro-9-(chloromethyl)-7-(3-(iodopentan-2-yl)-5-tetradecen-1-yne) h) 1-(9-(chloromethyl)-7-(3-iodopentan-2-yl)tetradecan-4-yl)-3-methylcyclohexane i) 3-(9-(2-bromobutyl)-7-(3-iodopentan-2-yl)tetradecan-4-yl)-1-methyl-1cyclohexene j) 1-(9-(2-bromobutyl)-7-(3-iodohexan-2-yl)-1-tetradecen-4yl)-3-methylcyclohex-1ene. 33 Bài 3: Các tác nhân ái nhân nào được sử dụng để phản ứng với butyl iodide trong quá trình điều chế các chất sau đây: Bài 4. Trong các cặp phản ứng thế ái nhân sau đây, phản ứng nào dễ xảy ra hơn? a) b) c) d) e) Bài 5. Trong các cặp phản ứng thế ái nhân sau đây, phản ứng nào dễ xảy ra hơn? 34 H CH2CH3 H CH2CH3 CH3OH CH3CHCH2 H + HBr CH3CHCH2 Br H CH3O d) H CH2CH3 CH3OH CH3CH2CH H H CH3CH2CH Br OCH3 35 CH2CH3 H + HBr Bài 6. Xác định các sản phẩm thế thu được khi từng chất sau được thêm vào dung dịch CH3COONa trong acid acetic a) 2-chloro-2-methyl-3-hexene b) 3-bromo-1-methylcyclohexene Bài 7. Xác định các sản phẩm có thể hình thành từ các phản ứng thế sau đây (không tính các đồng phân lập thể của sản phẩm phản ứng) Bài 8. Hoàn thành các phản ứng thế ái nhân sau đây, xác định các đồng phân lập thể của sản phẩm 36 Bài 9. Trong các phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử sau đây, khi tăng độ phân cực của dung môi sử dụng, tốc độ phản ứng sẽ thay đổi như thế nào? Bài 10. Xác định các sản phẩm có thể hình thành từ các phản ứng tách loại sau: 37 Bài 11. Hoàn thành các phản ứng sau đây, chỉ rõ phản ứng xảy ra theo cơ chế nào? 38 Bài 12. Hãy thực hiện các quá trình điều chế sau đây, sử dụng thêm các hợp chất hữu cơ chức không quá hai nguyên tử carbon và hợp chất vô cơ tự chọn 39 Bài 13. Hoàn thành các phản ứng sau đây. 40 Bài 14. Hoàn thành các chuỗi phản ứng sau đây. 41 Bài 14. Chỉ được sử dụng benzene, acetylene, CH3OH, H2, Pd, BaCO3, FeCl3, Mg, ether khan, H2O, H2SO4, Br2, CH3COCl, CH3CH2COCl, HgSO4, NaNH2, HBr. Hãy điều chế “2-phenyl-2-butanol” theo 4 phương pháp khác nhau. Cho biết công thức cấu tạo của 2-phenyl-2-butanol: Bài 15. Chỉ sử dụng benzene, CH3CH2Br, (CH3)2COCl, AlCl3, Br2, NaCN, HCl, H2O, Zn, Hg, Mg, ether khan, ethylene oxide, HBr, H2SO4 và pyridine hãy điều chế các chất sau: Bài 16. Chỉ sử dụng benzene, CH3CH2COCl, AlCl3, Br2, FeBr3, NH2NH2, NaOH, CO2, Zn, Mg, ether khan, ethylene oxide, KMnO4, H2O, HBr, PBr3 và pyridine hãy điều chế các chất sau: 42 43 CHƯƠNG 12 CÁC HỢP CHẤT ALCOHOL VÀ PHENOL A. CÁC HỢP CHẤT ALCOHOL 12.1. Giới thiệu chung 12.1.1.Cấu tạo chung Alcohol (alcol) là những hợp chất chứa nhóm chức hydroxyl ( OH) liên kết với gốc R. Công thức chung: ROH (gốc R là alkyl hoặc alkyl thế, alkyl bậc 1, 2, 3, gốc vòng no hoặc vòng thơm Nhóm chức hydroxyl (OH) xác định tính chất đặc trưng của hợp chất này, sự thay đổi cấu trúc gốc R có thể ảnh hưởng đến tốc độ của một số phản ứng của alcohol và ngay cả trong một số ít trường hợp ảnh hưởng đến kiểu của phản ứng. 12.1.2.Phân loại Dựa vào cấu tạo của hydrocarbon (gốc R), phân loại thành: alcohol no và alcohol không no Dựa vào bậc của gốc hydrocarbon liên kết trực tiếp với nhóm hydroxyl, phân loại thành: alcohol bậc 1, bậc 2, bậc ba Dựa vào số lượng nhóm hydroxyl có trong phân tử, phân loại thành: alcohol đơn chức (monoalcol), alcohol đa chức (polyalcol) 44 12.2. Danh pháp 12.2.1.Danh pháp thông thường Tên gốc alkyl + alcohol Ví dụ: 12.2.2.Danh pháp Kolbe Các alcol được xem như là dẫn xuất của CH3OH. Trong trường hợp này CH3OH có tên gọi là carbinol, các hợp chất alcol khác là dẫn xuất của carbinol Ví dụ: 12.2.3.Danh pháp IUPAC Theo cách gọi tên IUPAC, các hợp chất alcol được gọi tên dựa trên tên của alkane tương ứng, sau đó đổi tiếp vị ngữ “-ane” thành “-anol” Theo cách gọi tên này alcol có tên gọi IUPAC là “alkanol” Nguyên tắc gọi tên alcol theo IUPAC: - Chọn mạch chính là mạch carbon dài nhất có chứa nhóm hydroxyl (-OH) - Đánh số thứ tự sao cho nhóm hydroxyl có chỉ số nhỏ nhất (đánh số gần nhóm OH nhất). - Nếu có nhiều nhóm thế khác nhau trong hệ danh pháp IUPAC được sắp xếp theo trật tự: -COOH > -CHO > C=O > OH > -NH2 > -Cl, - Br… 45 - Trong trường hợp có nhiều nhóm hydroxyl trong phân tử (polyalcol), cách gọi tên các alcolhol đa chức cũng tương tự như trên, trước tiếp vị ngữ “-ol” thêm các từ di, tri-, tetra- tương ứng với số lượng nhóm hydroxyl có trong phân tử Ví dụ 12.3. Các phương pháp điều chế 12.3.1. Cộng hợp nước vào alkene (hydrat hóa alkene) Phản ứng cộng hợp nước vào alkene chỉ xảy ra khi có mặc của các xúc tác là dung dịch acid trong nước, phổ biến nhất là dung dịch H2SO4 50%. Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái điện tử thông thường, tạo thành alcohol theo quy tắc cộng hợp Markonikov Ví dụ: 12.3.2.Thủy phân dẫn xuất halogen Các dẫn xuất alkyl halide tham gia phản ứng thủy phân bằng dung dịch kiềm (phản ứng thế ái nhân) hình thành các alcohol tương ứng Ví dụ 46 12.3.3.Khử hóa các hợp chất carbonyl Khi có mặt các tác nhân khử hóa như LiAlH4 hay NaBH4 hoặc trong điều kiện hydrogen hóa xúc tác, các hợp chất aldehyde hoặc ketone (ceton) sẽ bị khử thành các alcohol bậc 1 và bậc hai tương ứng. 12.3.4.Khử hóa acid carboxylic và ester Phản ứng khử hóa các acid béo mạch dài thành các hợp chất alcohol tương ứng là một phản ứng quan trọng. Carboxylic acid tương đối trơ với nhiều tác nhân khử, chỉ có thể bị khử thành các alcohol tương ứng khi có mặt tác nhân khử mạnh như LiAlH4 Các ester khi bị khử hóa tạo ra hai alcohol bậc nhất 12.3.5.Đi từ hợp chất cơ Magnesium Phản ứng giữa hợp chất cơ magnesium và các aldehyde hoặc ketone (ceton) sẽ hình thành sản phẩm trung gian là alkoxymagnesium halide. Thủy phân sản phẩm trung gian 47 này trong môi trường acid sẽ thu được alcohol tương ứng. Bậc của sản phẩm thu được tùy thuộc vào bản chất của hợp chất carbonyl Chỉ có phản ứng của hợp chất cơ magnesium với formaldehyde sau khi thủy phân cho sản phẩm cuối cùng là alcohol bậc một, các aldehyde còn lại sau khi thủy phân cho alcohol bậc hai, còn hợp chất ketone cho sản phẩm là alcohol bậc ba. 12.3.6.Phản ứng hydrobo hóa – oxy hóa hình thành alcohol Áp dụng trong trường hợp cần phải điều chế alcohol từ alkene tương ứng với phản ứng cộng hợp nước theo quy tắc trái với quy tắc Markonikov. Phản ứng này do nhà bác học Herbert C. Brown tìm ra năm 1959 và công trình này được trao giải Nobel hóa học năm 1979. Phản ứng hydrobo hóa – oxy hóa gồm giai đoạn cộng diboran vào alkene, tiếp theo là oxy hóa sản phẩm trung gian bằng H2O2 trong môi trường kiềm để thu alcohol 12.4. Tính chất vật lý - Các hợp chất alcohol có tính chất vật lý khác với các hydrocarbon tương ứng do trong phân tử có chứa nhóm –OH có khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh. 48 - Vì vậy, alcohol có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao hơn các hydrocarbon tương ứng do khi chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng hoặc trạng thái hơi, cần phải có năng lượng để phá vỡ các liên kết hydrogen này. - Nhiệt độ sôi của các alcohol tăng theo trọng lượng phân tử - Nhóm –OH có tính ái nước, gốc alkyl có tính kỵ nước, do đó độ tan của alcohol phụ thuộc vào gốc alkyl. 12.5. Tính chất hóa học 12.5.1.Đặc điểm chung • Do nguyên tử oxygen trong phân tử alcohol có độ âm điện lớn hơn so với nguyên tử carbon và hydrogen, cả hai liên kết C-H và O-H đều bị phân cực, đôi điện tử của liên kết bị lệch về phía oxygen • Tùy theo bản chất của gốc hydrocarbon, độ phân cực và khả năng phân ly của liên kết C−O có thể tăng hay giảm, nghịch biến với độ phân cực và khả năng phân li của liên kết O−H • Do đó, các hợp chất alcohol có khả năng tham gia hai loại phản ứng: phản ứng làm gãy liên kết O−H và phản ứng làm gãy liên kết C−O. • Khả năng phản ứng làm gãy liên kết O−H: chỉ xảy ra trong môi trường base mạnh, khi có mặt các tác nhân tách được proton, hoặc các kim loại mạnh như Na, K…. • Khả năng phản ứng làm gãy liên kết C−O: chỉ xảy ra trong môi trường acid, do liên kết C−O là một liên kết bền 12.5.2.Tính acid – base của alcohol o Alcohol là hợp chất lưỡng tính, có khả năng nhận thêm một proton hình thành cation trung gian dạng RO+H2 và cũng có khả năng cho đi một proton hình thành anion RO-. Tuy nhiên tính acid và base của alcohol đều rất yếu, độ phân ly của alcohol yếu hơn nước. o Tính acid của alcohol phụ thuộc vào cấu tạo gốc R, nếu gốc R có hiệu ứng hút điện tử (-I) thì tính acid của alcohol tăng, ngược lại thì tính acid giảm. 49 o Do có tính acid yếu nên các alcohol không có khả năng phản ứng với các base như Na2CO3 hay NaOH. Tính acid của alcohol yếu hơn nước nên phản ứng giữa alcol và NaOH không xảy ra mà cân bằng dịch chuyển theo chiều ngược lại. o Alcohol chỉ tham gia phản ứng với các base mạnh như: kim loại kiềm, hợp chất cơ magnesium, các base như NaH hoặc NaNH2 12.5.3.Các phản ứng do sự phân cắt liên kết O – H của alcohol a) Tác dụng với kim loại hoạt động tạo alcolate kim loại Với M: Na, K, Mg, Al…. b) Tạo ether oxyde Đun nóng alcohol với sự có mặt của acid sulfuric thu được ether oxyd Ví dụ: c) Tạo ester - Ester có thể được điều chế trực tiếp từ alcohol bằng phản ứng với carboxylic acid khi có mặt xúc tác acid mạnh như: H2SO4 hoặc khí HCl. Đây là phản ứng thuận nghịch, hình thành ester kèm theo sản phẩm phụ là nước. - Có thể sử dụng acid chloride hoặc anhydride thay cho carboxylic acid để điều chế ester, phản ứng xảy ra theo một chiều và không cần phải sử dụng xúc tác acid 12.5.4.Các phản ứng do phân cắt liên kết C –O của alcohol 50 a) Tác dụng với hydrogen halide (HX) tạo ra alkyl halide Alcohol có thể chuyển hóa thành dẫn xuất alkyl halide bằng cách sử dụng nhiều tác nhân khác nhau, trong đó thông dụng nhất là hydrogen halide (HCl, HBr, HI) Đây là phản ứng thuận nghịch, phản ứng chỉ xảy ra với tốc độ đáng kể nếu có mặt acid sulfuric (cân bằng dịch chuyển về phía tạo alkyl halide). Ví dụ: Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế ái nhân, SN1 hoặc SN2 phụ thuộc vào cấu trúc của alcohol, cụ thể: - Cơ chế SN1: đối với alcohol bậc hai và bậc ba - Cơ chế SN2: đối với methanol và alcohol bậc 1. b) Tác dụng với PX3, PX5, SOX2 Các phản ứng này thường được thực hiện trong dung môi pyridine. Pyridine đóng vai trò là một base, trung hòa HCl, HBr sinh ra, tránh xảy ra phản ứng chuyển vị, ngoài ra pyridine còn là một tác nhân ái nhân yếu, không tham gia phản ứng thế ái nhân hình thành các sản phẩm phụ. c) Phản ứng tách nước tạo alkene Khi đun nóng alcohol với các acid vô cơ như: H2SO4 hay H3PO4 ở nhiệt độ khoảng dưới 200 0C, hoặc cho hơi alcohol đi qua các acid Lewis rắn như Al2O3 hay các xúc tác acid rắn trên cơ sở zeolite ở nhiệt độ cao hơn 350 ÷ 400 0C, alcohol sẽ thực hiện phản ứng tách nước tạo ra alkene tương ứng 51 Tương tự như các phản ứng tách loại khác, tốc độ phản ứng tách nước của các hợp chất alcohol giảm dần theo trật tự: alcohol bậc ba > alcohol bậc hai > alcohol bậc 1. Ví dụ: 12.5.5.Phản ứng oxi hóa Các hợp chất alcohol bậc một và bậc hai khi bị oxi hóa sẽ cho hợp chất carbonyl và ngược lại khi khử các hợp chất carbonyl sẽ thu được các alcohol tương ứng. Các tác nhân oxi hóa thường sử dụng: KMnO4, K2Cr2O7, CrO3, Na2Cr2O7… trong môi trường acid như H2SO4 ⇒ Các alcohol bậc một khi bị oxi hóa thành aldehyde sẽ dễ dàng bị oxy hóa thành acid carboxylic tương ứng ⇒ Các alcohol bậc hai bị oxi hóa thành ceton 52 ⇒ Alcohol bậc 3 rất khó bị oxi hóa, khi bị oxi hóa trong điều kiện mãnh liệt thì alcohol bậc 3 bị dehydrate hóa thành alkene, sau đó alkene bị oxi hóa tiếp theo với sự cắt mạch carbon để tạo thành ceton và acid carboxylic 12.6. Một số ứng dụng của alcohol - Chất điển hình nhất là ethanol, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. - Trong công nghiệp, ethanol được sử dụng làm dung môi cho nhiều quá trình sản xuất như: sơn mài, verni…, ngoài ra còn được sử dụng trong quá trình kết tinh và kết tinh lại để tinh chế các chất rắn và còn là hợp chất trung gian để tổng hợp các hợp chất khác (ethyl acetate, ethylamine) - Trong công nghiệp thực phẩm, ethanol là một thành phần quan trọng trong nhiều sản phẩm thực phẩm và đồ uống. - Một alcohol khác cũng khá phổ biến là methanol, tương tự như ethanol, methanol cũng được sử dụng như là dung môi và là hợp chất trung gian để tổng hợp các hợp chất khác như: formaldehyde, tert-butyl methyl ether [TBME] (chất chống kích nổ cho động cơ đốt trong). Tuy nhiên cần lưu ý là methanol rất độc, khi vào cơ thể sẽ gây mù mắt, thậm chí tử vong. Tóm lại, alcohol là dung môi quan trọng cho nhiều quá trình khác nhau. Từ alcohol có thể điều chế nhiều hóa chất quan trọng như aldehyde, amine, carboxylic acid, ester… - Alcohol còn là tác nhân alkyl hóa để sản xuất các dẫn xuất alkylbenzene, từ đó sản xuất ra nhiều hóa chất quan trọng khác. 53 - Các alcohol mạch dài còn là nguyên liệu để sản xuất ra các chất hoạt động bề mặt (là một thành phần quan trọng trong các sản phẩm tẩy rửa và chăm sóc cá nhân). - Bên cạnh đó, một số alcohol có nguồn gốc tự nhiên như: terpineol, geraniol, citronellol, linalol… được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nước hoa, mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm. B. CÁC HỢP CHẤT PHENOL 12.7. Cấu tạo chung • Phenol là các hợp chất thơm, trong phân tử có chứa một hay nhiều nhóm hydroxyl (-OH) liên kết trực tiếp với nhân thơm. • Điểm khác biệt cơ bản giữa các hợp chất alcohol và phenol là trong phân tử alcohol, nhóm hydroxyl liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon lai hóa sp3, trong khi đó nhóm hydroxyl của phenol liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon của nhân thơm lai hóa sp2 12.8. Danh pháp 12.8.1.Tên thông thường Phần lớn các hợp chất phenol thông dụng đều có tên thông thường, các tên thông thường này đều được IUPAC chấp nhận sử dụng. 54 12.8.2.Tên IUPAC Hydroxyl + tên hydrocarbon tương ứng Lưu ý: Đối với hợp chất phenol thì tên riêng được dùng nhiều hơn 12.9. Các phương pháp điều chế 12.9.1.Điều chế phenol trong công nghiệp a) Oxy hóa cumene Oxi hóa cumene trong điều kiện không có không khí ở nhiệt độ cao để tạo thành cumene hydroperoxide, sau đó thủy phân trong môi trường acid (thường là H2SO4 loãng) thu được phenol và acetone. Đây là một trong những phương pháp phổ biến nhất để điều chế phenol trong ngành công nghiệp chế biến các sản phẩm dầu mỏ 55 b) Thủy phân chlorobenzene Đây cũng là một phương pháp phổ biến để điều chế phenol trong công nghiệp, phương pháp này gồm hai giai đoạn: chlor hóa benzene thành chlorobenzene, sau đó thủy phân chlorobenzene bằng dung dịch NaOH đậm đặc ở nhiệt độ cao và áp suất cao. c) Phương pháp kiềm chảy o Đây là phương pháp cổ điển nhất để điều chế phenol từ benzene o Thực hiện phản ứng sulfo hóa benzene bằng các tác nhân như H2SO4 đậm đặc hoặc oleum thu được sulfonic acid o Sau đó đun nóng chảy sulfonic acid với NaOH, KOH hoặc Ca(OH)2 rắn thì nhóm −SO3H sẽ bị thay thế bằng nhóm –ONa o Cuối cùng thủy phân muối phenolate trong môi trường acid để thu phenol d) Chưng cất nhựa than đá 56 Chưng cất phân đoạn nhựa than đá có nhiệt độ sôi khoảng 170 ÷ 240 0C. Phenol được tách khỏi hỗn hợp các hợp chất hydrocarbon bằng cách xử lý với dung dịch NaOH, chuyển phenol thành dạng muối phenolate tan trong nước. Sau đó sục khí CO2 vào để hoàn nguyên phenol từ phenolate. 12.9.2.Điều chế phenol trong phòng thí nghiệm Tạo muối diazonium từ amine thơm, sau đó thủy phân để hình thành phenol kèm theo sự giải phóng N2 tự do. 12.10. Tính chất vật lý Các hợp chất phenol đơn giản là chất lỏng hoặc chất rắn có nhiệt độ nóng chảy thấp, đa số các phenol ít tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Tính chất vật lý của phenol chịu ảnh hưởng nhiều của nhóm hydroxyl (−OH). Nhóm –OH có khả năng hình thành liên kết hydrogen giữa các phân tử phenol với nhau và hình thành liên kết hydrogen với nước. ⇒ Vì vậy phenol có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao hơn các dẫn xuất aryl halide hoặc alcohol có trọng lượng phân tử tương đương. 12.11. Tính chất hóa học 12.11.1. Tính acid 57 • Phenol có tính acid mạnh hơn so với các hợp chất alcohol và nước do hiệu ứng +C giữa nhóm –OH và nhân thơm, liên kết O –H của alcohol, anion phenolate (C6H5O) bền do điện tích âm được giải toản vào nhân thơm nhờ hiệu ứng liên hợp. • Các nhóm thế khác nhau có mặt trong nhân thơm sẽ làm thay đổi tính acid của phenol một cách rõ rệt, cụ thể: • Các nhóm thế hút điện tử trên nhân thơm sẽ làm tăng độ phân cực của liên kết O – H cũng như giải tỏa điện tích âm của ion phenolate ⇒ làm tăng tính acid. • Ngược lại, các nhóm thế đẩy điện tử có trên nhân thơm sẽ làm giảm độ phân cực của liên kết O –H cũng như làm cho anion phenolate càng kém ổn định ⇒ làm giảm tính acid. • Các nhóm thế có khả năng tạo liên kết hydrogen nội phân tử với nhóm –OH khi ở vị trí ortho- sẽ làm giảm tính acid so với khi ở vị trí para-, trong khi các nhóm thế có hiệu ứng liên hợp hay siêu liên hợp, khi ở vị trí meta- sẽ ảnh hưởng đến tính acid kém hơn so với trường hợp ở vị trí ortho- và para-. 12.11.2. Tính chất của hydro trong nhóm –OH a) Phản ứng với Na kim loại và NaOH Các phenol đều có tính acid yếu. Phenol tác dụng với Natri kim loại và NaOH để tạo phenolate. b) Phản ứng tạo ether 58 - Dehydrate hóa giữa các phân tử phenol ở nhiệt độ cao ở pha hơi trên các xúc tác kim loại, tạo ra ether. - Phenol phản ứng với các dẫn xuất halogen trong môi trường kiềm (quy trình tổng hợp Williamson để điều chế ether). c) Phản ứng ester hóa - Phenol tác dụng trực tiếp với acid hữu cơ tạo ra ester với hiệu suất rất thấp. Trong thực tế, các ester của phenol được điều chế nhờ phản ứng ester hóa giữa phenol và các dẫn xuất của acid là acid chloride hoặc acid anhydride. 59 - Cần lưu ý những ester của phenol khi đun nóng với AlCl3, ZnCl2, FeCl3… thì xảy ra phản ứng chuyển vị nhóm acyl từ oxy của nhóm OH phenolic đến vị trí orthor và para của nhân thơm để tạo ceton-phenol (chuyển vị Fries). Phản ứng này hình thành một hỗn hợp hai đồng phân, trong đó ở nhiệt độ cao, đồng phân ortho- sẽ chiếm ưu thế và ở nhiệt độ thấp, đồng phân para- sẽ chiếm ưu thế. 12.11.3. Tính chất của nhóm –OH Liên kết C –O của phenol và dẫn xuất phenol rất khó bị cắt đứt trong các phản ứng. a) Phản ứng thế nhóm –OH bằng halogen Thay thế nhóm –OH bằng Cl khi cho phenol tác dụng vớp PCl5 xảy ra khó khăn hơn nhiều so với alcohol, phản ứng cho hiệu suất rất thấp b) Thế nhóm –OH bằng nhóm NH2 Khi đun nóng một số phenol (naphtol, diphenol) ở áp suất và nhiệt độ cao với sự có mặt của muối amoni tạo thành các amin thơm 12.11.4. Tính chất của nhân thơm 60 a) Oxy hóa Phenol dễ bị oxy hóa, ngay cả dưới tác dụng của oxi không khí. Khi đó, phenol bị chuyển thành màu hồng, đỏ hồng rồi đỏ nâu. Giai đoạn đầu của sự oxi hóa là tách hydro ra khỏi nhóm OH để tạo gốc phenoxyl Các gốc này không bền, tham gia vào những phản ứng khác nhau, trong đó có phản ứng tạo dime và polymer. b) Hydro hóa Khi có mặt Ni làm chất xúc tác, nhân phenol bị hydro hóa tạo ra cyclohexanol c) Thế ái điện tử Do nhóm –OH có hiệu ứng liên hợp đẩy điện tử vào nhân thơm (+C) nên nhân thơm của phenol được tăng hoạt. Phản ứng thế ái điện tử vào nhân thơm của phenol xảy ra dễ dàng hơn so với trường hợp benzene, cho sản phẩm thế ở vị trí orthor- và para-. Các phản ứng thế ái điện tử thường gặp gồm: - Halogen hóa Phản ứng chlor hóa và brom hóa phenol xảy ra ở nhiệt độ thấp mà không cần có mặt xúc tác acid. Để thu sản phẩm thế một lần, cần phải tiến hành phản ứng brom hóa trong dung môi như ClCH2CH2Cl hay CS2 ở nhiệt độ khoảng 0 oC. Nếu dung môi là nước ngay cả ở nhiệt độ phòng phản ứng brom hóa xảy ra rất nhanh và cho sản phẩm thế ba lần vào cả hai vị trí ortho- và para-. 61 - Nitro hóa: Phản ứng nitro hóa phenol xảy ra trong điều kiện nhẹ nhàng hơn so với phản ứng nitro hóa benzene. Phenol phản ứng với dung dịch HNO3 lãng ở nhiệt độ thường cho hỗn hợp hai sản phẩm thế vào vị trí ortho- và para-, hai sản phẩm này có thể phân lập bằng cách chưng cất lôi cuốn hơi nước vì đồng phân o-nitrophenol có liên kết hydrogen nội phân tử giữa nhóm −NO2 và –OH nên không tan trong nước Phản ứng nitro hóa phenol thường được sử dụng để điều chế 2,4,6,-trinitrophenol (piric acid) với hiệu suất thấp vì phenol bị oxi hóa một phần 62 - Sulfo hóa Phản ứng sulfo hóa phenol xảy ra dễ dàng cho sản phẩm thế vào vị trí ortho- hay para-, tùy thuộc vào nhiệt độ thực hiện phản ứng. Cụ thể: • Ở nhiệt độ thường, sẽ thu được chủ yếu là đồng phân ortho• Ở nhiệt độ khoảng 100 oC, sẽ thu chủ yếu là đồng phân para-. • Sau khi thu đồng phân ortho- ở nhiệt độ thường, nếu đun nóng hỗn hợp phản ứng đến 100 oC thì cũng sẽ thu được chủ yếu là đồng phân paraOH SO3H OH 15 - 20 oC H2SO4 100 oC H2SO4 OH 100 oC SO3H - Phản ứng alkyl hóa và acyl hóa ( phản ứng Friedel – Craffs) 63 Phản ứng alkyl hóa vào nhân thơm của phenol khi có mặt xúc tác acid có thể tiến hành với các tác nhân như alcohol hay alkene. Tuy nhiên, khách với phản ứng alkyl hóa benzene, trong trường hợp này không dùng xúc tác lewis acid như AlCl3 vì sẽ tạo muối không hoạt động C6H5OAlCl2 làm giảm hiệu quả của quá trình, thông thường xúc tác acid sử dụng cho phản ứng alkyl hóa vào nhân thơm của phenol là H3PO4, H2SO4, HF - Phản ứng với formaldehyde Phenol phản ứng với formaldehyde trong điều kiện có mặt xúc tác acid hoặc xúc tác base tạo thành hỗn hợp hai sản phẩm o-hydroxymethylphenol. 12.12. Ứng dụng của phenol 64 - Phenol có nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày - Từ phenol có thể tổng hợp được BHT (ditert-butylhydroxytoluene) và BHA (tertbutylhydroxyanisole) là những chất chống oxi hóa dùng để bảo quản các sản phẩm dầu mỡ trong thực phẩm hay mỹ phẩm. - Phenol là nguyên liệu để tổng hợp nên acid salicylic là một chất diệt nấm và là một nguyên liệu quan trọng để tổng hợp aspirin. - Phenol được ứng dụng để điều chế một số chất diệt cỏ như 2,4-D (2,4dichlorophenoxyacetic acid) và 2,4,5-T (2,4,5-trichlorophenoxyacetic acid). Các chất này hiện nay đã bị cấm sử dụng trên một số nước. - Ngoài ra, nhiều dẫn xuất của phenol có trong tự nhiên như eugenol, thymol.. có hoạt tính sinh học, được sử dụng trong công nghiệp sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm hoặc trong y học. BÀI TẬP CHƯƠNG 12 Bài 1. Gọi tên các hợp chất alcol hoặc phenol sau đây theo hệ danh pháp IUPAC 65 66 Bài 2. Xác định công thức cấu tạo của các hợp chất alcohol hay phenol có tên sau đây, để đơn giản có thể sử dụng công thức Zigzag trong đó các nguyên tử hydrogen không cần viết đầy đủ. a) 11-isopropyl-5-(3-methylbutan-2-yl)-8-(3-methylpentan-2-yl)-2-tetradecanol b) 2-(1-bromo-2-hydroxybutyl)-4-(2-bromopentan-3-yl)-6-polyphenol c) 2-(7-bromo-3-(3-methylbutan-2-yl)heptyl)-4-nitro-6(pentan-2-yl)phenol. 67 d) (Z)-8-(4-bromo-2-methylhexan-3-yl)-5-(3-methylpentan-2-yl)-11-propyl-7tetradecen-2-ol e) (Z)-8-(4-bromo-2-methylhexan-3-yl)-13-methyl-5-(3-methylpentan-2-yl)-11(prop-2-ynyl)-7-penadecen-2-ol) Bài 3. Hoàn thành các phương trình phản ứng sau đây: 68 Bài 4. Khi các cặp hợp chất alcol sau đây được xử lý với H2SO4 đậm đặc ở nhiệt độ cao, hợp chất nào tham gia phản ứng tách loại hình thành alkene dễ dàng. 69 70 Bài 5. Viết các phương trình phản ứng chỉ rõ các tác nhân cần thiết phải sử dụng để điều chế 1-butanol bằng các phương pháp sau đây: a) Phương pháp hydrobo – oxi hóa alkene b) Phương pháp sử dụng tác nhân Grignard c) Phương pháp đi từ acid carboxylic d) Phương pháp đi từ ester e) Phương pháp đi từ aldehyde Bài 6. Viết các phương trình phản ứng, chỉ rõ các phương pháp điều chế 1phenylethanol từ một trong các tác chất sau đây, sử dụng thêm các hóa chất tự chọn khác. a) Bromobenzene b) Benzaldehyde c) Benzyl alcohol d) Acetophenone Bài 7. Thực hiện các chuyển hóa sau đây, sử dụng thêm hóa chất hữu cơ hoặc vô cơ tự chọn khác: a) Cycloheptanol từ cycloheptanone b) Cyclohetanone từ cycloheptanol c) Benzyl alcohol từ benzaldehyde d) 3,5-dimethylcyclohexanol thành 1,3,5-trimethylcyclohexanol e) Butyl bromide thành pentyl alcohol f) Benzaldehyde thành styrene g) Cycloheptanone thành cycloheptyl bromide h) Propene thành 1-hepten-4-ol Bài 8. Sử dụng tác chất đã cho, cùng với các chất hữu cơ tự chọn chứa không quá hai nguyên tử carbon và các chất vô cơ tự chọn, hãy thực hiện các quá trình tổng hợp sau đây: 71 Bài 9. Sử dụng tác chất đã cho, cùng với các chất hữu cơ tự chọn chứa không quá hai nguyên tử carbon và các chất vô cơ tự chọn, hãy thực hiện các quá trình tổng hợp sau đây: Bài 10. Những tác nhân tốt nhất nên sử dụng để thực hiện các chuyển hóa sau đây là gì? Giải thích? 72 Bài 11. Trình bày các phản ứng trong quy trình tổng hợp các hợp chất sau đây từ alcohol chứa không quá bốn nguyên tử carbon cùng với các tác nhân hữu cơ và vô cơ tự chọn khác: a) 1-butanethiol b) 1-hexanol c) 2-hexanol d) Hexanal e) 2-hexanone f) Hexanoic acid g) Ethyl hexanoate h) 2-methyl-1,2-propanediol i) 2,2-dimethylpropanal Bài 12. Xác định sản phẩm chính từ phản ứng giữa o-cresol với các chất sau đây a) Dung dịch NaOH trong nước b) Dung dịch NaHCO3 trong nước c) HBr đậm đặc và nóng d) Methyl sulfate, trong dung dịch NaOH với dung môi là nước e) Benzyl bromide trong dung dịch NaOH với dung môi là nước f) Bromobezene trong dung dịch NaOH với dung môi là nước g) 2,4-dinitrochlorobenzene, trong dung dịch NaOH với dung môi là nước h) Acetic acid có mặt H2SO4 i) Acetic anhydride j) Phthalic anhydride 73 k) P-nitrobenzoyl chloride có mặt pyridine l) Benzenesulfonyl chloride trong dung dịch NaOH với dung môi là nước m) Thionyl chloride n) Hydrogen, có mặt xúc tác Ni ở áp suất 20 atm và nhiệt độ 200 oC o) Dung dịch HNO3 loãng ở nhiệt độ thấp p) H2SO4 ở 15 oC q) H2SO4 ở 100 oC r) Dung dịch nước Br s) Br2 trong dung môi CS2 t) CO2, có mặt NaOH, ở nhiệt độ 125 oC và áp suất 5 atm u) CHCl3, trong dung dịch NaOH với dung môi là nước ở 70 oC Bài 13. Hoàn thành các phương trình phản ứng sau đây: 74 75 Bài 14. Viết các phương trình phản ứng thực hiện chuyển hóa sau đây, sử dụng thêm các hóa chất tự chọn khác. 76 77 CHƯƠNG 13 CÁC HỢP CHẤT CARBONYL (ALDEHYDE – CETON) 13.1. Cấu tạo chung - Các hợp chất carbonyl, thường được dùng để gọi các hợp chất aldehyde và ketone, là tên gọi chung của nhóm hợp chất có chứa nhóm carbonyl >C=O trong phân tử. - Trong hợp chất aldehyde, nhóm carbonyl liên kết với một gốc hydrocarbon và một nguyên tử hydrogen, nếu nhóm carbonyl liên kết với cả hai gốc hydrocarbon sẽ có hợp chất ketone. - Các gốc hydrocarbon có thể là gốc hydrocarbon no, không no, hoặc gốc hydrocarbon thơm. - Tùy theo số lượng nhóm carbonyl có trong phân tử, có thể phân loại thành các hợp chất carbonyl đơn chức hay đa chức 13.2. Danh pháp 13.2.1.Danh pháp hợp chất aldehyde 13.2.1.1. Tên thông thường - Các hợp chất aldehyde được gọi tên dựa theo tên thông thường của các acid carboxylic tương ứng, trong đó tiếp đầu ngữ “ic acid” trong acid thành “aldehyde”. Lưu ý: khi gọi tên thông thường, vị trí của nhóm thế đươc xác định bằng các chữ số Hy Lạp như α, β, γ… trong đó nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nhóm carbonyl là Cα 78 13.2.1.2. Tên IUPAC → Đối với aldehyde mạch hở, đơn giản: đổi tiếp vị ngữ “-e” trong alkane thành “-al” → Khi gọi tên chọn mạch chính là mạch carbon dài nhất có chứa nhóm carbonyl, trong đó nguyên tử carbon của nhóm carbonyl được đánh số 1 → Đối với các aldehyde có hai nhóm carbonyl có tên gọi IUPAC là alkanedial → Trong trường hợp aldehyde có nhóm carbonyl liên kết trực tiếp với gốc hydrocarbon mạch vòng, thì tên IUPAC của aldehyde được gọi bằng cách thêm tiếp vị ngữ “carbaldehyde” → Trong trường hợp có nhiều hơn một nhóm chức trong phân tử, nhóm chức ít ưu tiên hơn phải được xem là nhóm thế của hợp chất chứa nhóm chức ưu tiên hơn. Mức độ ưu tiên như sau: −COOH > −COO-> −CHO >> C=O > −OH > −NH2. 79 → Khi nhóm –CHO là nhóm thế, nếu là một phần của mạch chính, sẽ có tên gọi là nhóm “oxo”, nếu không tham gia vào mạch chính, sẽ có tên gọi là nhóm “formyl” 13.2.2.Danh pháp hợp chất ketone 13.2.2.1. Danh pháp thông thường Các ketone thường được gọi tên bằng cách gọi tên hai gốc hydrocarbon theo thứ tự của bản chữ cái, sau đó thêm tiếp vị ngữ ketone. → Đối với các ketone thơm, tên thông thường được gọi dựa trên tên của carboxylic acid tương ứng, trong đó thay thế “ic acid” thành “ophenone” 13.2.2.2. Danh pháp IUPAC Tên hydrocarbon tương ứng với mạch chính, sau đó đổi tiếp vị ngữ -e trong alkane thành “-one” ⇒ ketone có tên IUPAC là alkanone. → Chọn mạch chính là mạch hydrocarbon dài nhất có chứa nhóm carbonyl, và đánh số thứ tự sao cho nhóm carbonyl có số thứ tự nhỏ nhất. 80 → Các ketone có chứa hai nhóm carbonyl trong phân tử có tên gọi là alkanedione 13.3. Các phương pháp điều chế 13.3.1.Oxy hóa hydrocarbon Các hợp chất alkene, khi được oxy hóa trong những điều kiện thích hợp sẽ tạo thành các hơp chất aldehyde hoặc ketone (ceton) tương ứng. 13.3.2.Oxy hóa alcohol Oxy hóa các alcohol bậc một và bậc hai thu được aldehyde và ketone có số nguyên tử carbon giống như alcohol ban đầu. Các tác nhân oxi hóa thường sử dụng: KMnO4, K2Cr2O7, CrO3, Na2Cr2O7… trong môi trường acid như H2SO4. 81 Các alcohol bậc một khi bị oxi hóa thành aldehyde sẽ dễ dàng bị oxi hóa tiếp tục thành carboxylic acid tương ứng. Các alcohol bậc hai khi bị oxi hóa sẽ hình thành các ketone tương ứng. Ketone sinh ra bền với các chất oxi hóa sử dụng trong quá trình này. Tuy nhiên, khi tiếp xúc lâu dài với các hợp chất oxy hóa mạnh, ketone cũng bị oxi hóa bẻ gãy mạch carbon, hình thành hỗn hợp acid carboxylic có mạch carbon ngắn hơn alcohol ban đầu. 13.3.3.Dehydro hóa alcohol Dehydro hóa các hợp chất alcohol bậc một ở nhiệt độ cao với sự có mặt của xúc tác đồng kim loại trong điều kiện thiếu không khí, hình thành sản phẩm aldehyde tương ứng Các alcohol bậc hai tham gia phản ứng tương tự hình thành hợp chất ketone tương ứng. 13.3.4.Đi từ hợp chất alkyne Từ hợp chất alkyne tương ứng có thể điều chế hợp chất carbonyl theo hai cách khác nhau: - Thông thường sử dụng phản ứng cộng hợp nước vào alkyne có mặt xúc tác thích hợp. Các alkyne tham gia phản ứng cộng hợp với nước với sự hiện diện của xúc tác HgSO4 trong H2SO4 trước tiên tạo thành sản phẩm alcohol theo quy tắc Markonikov. Tuy nhiên, alcohol này có nhóm –OH liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon của liên kết đôi C=C (enol) nên không bền, sẽ chuyển hóa thành hợp chất carbonyl tương ứng. 82 - Có thể điều chế các hợp chất carbonyl từ alkyne theo phương pháp sử dụng các hợp chất borane. Sản phẩm của phản ứng tương ứng với trường hợp cộng hợp nước vào alkyne theo quy tắc ngược với Markonikov. Phản ứng thường thực hiện ở nhiệt độ thấp (0 oC). Các hợp chất borane có tính chất của acid Lewis, tấn công vào nguyên tử carbon của liên kết ba C≡C có mật độ điện tử lớn hơn, cho sản phẩm trung gian là các hợp chất vinyl borane. Sau khi phản ứng kết thúc, nếu trong hỗn hợp phản ứng có mặt chất oxy hóa như H2O2 trong môi trường kiềm, sản phẩm vinyl borane sẽ bị oxy hóa thành hợp chất enol (nhóm thế borane của sản phẩm trung gian được thay thế bằng nhóm –OH). Các enol không bền, sẽ chuyển hóa nhanh thành hợp chất carbonyl tương ứng. 13.3.5.Đi từ hợp chất alkene a) Ozone hóa alkene 83 Có thể điều chế các hợp chất carbonyl từ các hợp chất alkene bằng phản ứng ozone hóa vào liên kết C=C. Khi cho dòng khí ozone đi qua dung dịch alkene trong dung môi trơ như CCl4 ở nhiệt độ thấp (-78 0C) thu được hợp chất ozonide. Thủy phân hợp chất ozonide sẽ thu được hợp chất carbonyl b) Phản ứng hydroformyl hóa Từ ethylene và các hợp chất alkene đầu mạch, có thể điều chế các hợp chất aldehyde tương ứng bằng quá trình hydroformyl hóa, thu được aldehyde có mạch carbon dài hơn nguyên liệu ban đầu. Phản ứng được thực hiện bằng cách đun nóng alkene với hỗn hợp khí CO và hydrogen trong điều kiện có mặt xúc tác Co2(CO)8 13.3.6.Đi từ dẫn xuất acid carboxylic Các dẫn xuất của acid chloride (clorua) có khả năng tham gia phản ứng với các hợp chất cơ magnesium, hình thành các hợp chất ketone 13.3.7.Phản ứng acyl hóa Fridel – Crafts Là phản ứng giữa hydrocarbon thơm với acid chloride hoặc acid anhydride với sự có mặt của xúc tác Lewis acid như AlCl3, FeCl3… Đây là phương pháp quan trọng nhất để điều chế các hợp chất carbonyl thơm. 84 13.4. Tính chất vật lý - Aldehyde, ketone (ceton) là những chất lỏng hoặc rắn, trừ aldehyde formic là chất khí - Aldehyde formic, aldehyde acetic, aceton tan vô hạn trong nước. - Aldedhyde, ceton có nhiệt độ sôi thấp hơn alcol và acid tương ứng (do không có khả năng tạo liên kết hydro) - Các aldehyde thấp có mùi khó chịu, những aldehyde tiếp theo có mùi dễ chịu như mùi hoa. Ví dụ: nonanal (9C) có mùi hoa hồng, dodecanal (12C) mùi hoa tím - Các ketone đầu dãy có mùi đặc trưng, các đồng đẳng trung bình có mùi dễ chịu. 13.5. Tính chất hóa học Nhóm carbonyl trong phân tử làm cho các hợp chất aldehyde và ketone (ceton) có khả năng tham gia các phản ứng đặc trưng như sau: → Phản ứng cộng hợp ái nhân vào nhóm carbonyl → Phản ứng của các nguyên tử hydrogen ở vị trí carbon α → Các phản ứng oxi hóa khử 13.5.1.Phản ứng cộng hợp ái nhân vào nhóm carbonyl Phản ứng tổng quát: Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân lưỡng phân tử, bao gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: tác nhân ái nhân Y- tấn công vào nguyên tử carbon của các tác nhân ái nhân, hình thành carbanion trung gian với điện tích âm trên nguyên tử oxygen. Đây là giai đoạn chậm, quyết định tốc độ của phản ứng. 85 Giai đoạn 2: X+ của tác chất X-Y sẽ tấn công vào nguyên tử oxygen tích điện âm của carbanion trung gian, hình thành sản phẩm cộng hợp. Giai đoạn này phản ứng xảy ra nhanh Khả năng phản ứng cộng hợp ái nhân phụ thuộc vào cấu tạo của hợp chất carbonyl được sắp xếp theo thứ tự: Do hiệu ứng đẩy điện tử (+I) và hiệu ứng không gian của các gốc R là nguyên nhân làm giảm khả năng cộng hợp vào nhóm carbonyl. 13.5.2.Phản ứng cộng hợp ái nhân trên cơ sở carbon 13.5.2.1. Phản ứng với các hợp chất cơ magnesium Đây là một trong những phương pháp quan trọng để hình thành các liên kết carbon – carbon. - Phản ứng hình thành nhiều hợp chất có cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc của hợp chất cơ magnesium cũng như hợp chất carbonyl ban đầu. - Phản ứng sẽ hình thành sản phẩm trung gian là alkoxymagnesium halide (halogenua). Thủy phân sản phẩm trung gian này trong môi trường acid sẽ thu được alcohol tương ứng - Bậc của sản phẩm alcohol thu được trong phản ứng tùy thuộc vào bản chất của hợp chất carbonyl. Chỉ có phản ứng giữa hợp chất cơ magnesium với foramaldehyde sau khi thủy phân cho ra alcohol bậc một. Các hợp chất aldehyde còn lại cho sản 86 phẩm là alcolhol bậc 2, các ketone (ceton) cho sản phẩm là alcohol bậc ba. Các phản ứng xảy ra dễ dàng và cho hiệu suất cao. → Phản ứng tổng quát Ví dụ: 13.5.2.2. Phản ứng với hydrogen cyanide Các hợp chất aldehyde và ketone có khả năng tham gia phản ứng với hydrogen cyanide hình thành sản phẩm cyanohydrin. Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân thông thường bao gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn đầu: tác nhân ái nhân CN- tấn công vào nguyên tử carbon mang một phần điện tích dương của nhóm carbonyl, hình thành anion alkoxide - Sau đó, anion alkoxide được proton hóa bằng proton từ HCN, hình thành cyanohydrin 87 13.5.3.Phản ứng với các tác nhân ái nhân trên cơ sở oxygen 13.5.3.1. Phản ứng với nước Khi hòa tan các aldehyde hay ketone vào nước, sẽ xảy ra phản ứng cộng hợp nước vào nhóm carbonyl, hình thành hợp chất hydrate gọi là gem-diol (gem đi từ geminus, trong tiếng Latin có nghĩa là một đôi). Thông thường các gem-diol không bền, dễ bị tách nước để trở thành hợp chất carbonyl ban đầu Do nước là tác nhân ái nhân yếu, phản ứng cộng hợp nước và aldehyde và ketone xảy ra rất chậm, có thể sử dụng xúc tác acid hay base để làm tăng tốc độ phản ứng. Cơ chế phản ứng: Mức độ tham gia phản ứng hydrate hóa của các aldehyde và ketone phụ thuộc vào bản chất của các gốc hydrocarbon liên kết với nhóm carbonyl. Ví dụ: 88 13.5.3.2. Phản ứng với alcohol - Các hợp chất alcohol có khả năng tham gia phản ứng cộng với với aldehyde và ketone. - Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể, phản ứng của aldehyde có thể thu được sản phẩm cộng hợp một lần, gọi là bán acetal (hemiacetal) hoặc sản phẩm cộng hợp hai lần (acetal). - Phản ứng của ketone sẽ thu được bán ketal (semiketal) hay ketal. - Tương tự như nước, alcohol là các tác nhân ái nhân yếu, vì vậy cần sử dụng xúc tác, thường sử dụng khí HCl khan làm xúc tác cho phản ứng này. 13.5.4.Phản ứng với các tác nhân ái nhân trên cơ sở nitrogen 13.5.4.1. Phản ứng với amine bậc 1 Các hợp chất aldehyde, ketone tham gia phản ứng với các amine bậc một hình thành sản phẩm chứa nhóm chứa C=N gọi là các hợp chất imine, hay còn gọi là hợp chất base Schift Phản ứng giữa hợp chất amine và hợp chất carbonyl bao gồm hai giai đoạn: cộng hợp ái nhân và tách loại. 89 O R + C NH2 R R' H O- H C N+ H H OH H R R' N R' H carbinolamine H H+ C H O+ H R C N H R' -H2O R C N+ H H R' -H+ R C N R' H Ví dụ: 13.5.4.2. Phản ứng với amine bậc hai Aldehyde, ketone phản ứng với các amine bậc hai hình thành hợp chất enamine (hợp chất chứa nhóm C=C-N) 13.5.4.3. Phản ứng hình thành các dẫn xuất imine 90 Các hợp chất aldehyde và ketone có khả năng tham gia phản ứng với các hợp chất như hydroxylamine (NH2OH), hydrazine (NH2NH2), semicarbazide (NH2NHCONH2). Phản ứng hình thành sản phẩm có chứa nhóm C=N. Tuy nhiên, nguyên tử nitrogen không liên kết với các gốc alkyl mà liên kết với các nhóm chức khác nên gọi là dẫn xuất imine. 13.5.5.Phản ứng với các tác nhân ái nhân trên cơ sở lưu huỳnh 13.5.5.1. Phản ứng với hợp chất thiol Các hợp chất aldehyde hay ketone có khả năng tham gia phản ứng với các hợp chất thiol (RSH). Cơ chế của phản ứng tương tự như trường hợp phản ứng giữa alcohol và hợp chất carbonyl trong đó nguyên tử oxygen của alcohol được thay thế bằng nguyên tử lưu huỳnh. Sản phẩm của phản ứng trong trường hợp dùng xúc tác acid gọi là hợp chất thioacetal nếu đi từ aldehyde và hợp chất thioketal nếu đi từ ketone. 91 13.5.5.2. Phản ứng với natri bisulphide (NaHSO3) - Các hợp chất aldehyde, ketone có khả năng tham gia phản ứng cộng hợp với dung dịch NaHSO3 bão hòa trong nước tạo sản phẩm rắn, không tan và có khả năng kết tinh trong lượng thừa dung dịch NaHSO3 - Do phản ứng có tính chất thuận nghịch, sản phẩm cộng của phản ứng dễ dàng bị thủy phân trong môi trường acid hoặc trong môi trường kiềm cho ra aldehyde hoặc ketone ban đầu. - Người ta dựa vào tính chất này để tách các hợp chất carbonyl ra khỏi hỗn hợp với các hợp chất khác bằng cách xử lý hỗn hợp với dung dịch NaHSO3 bão hòa, sau đó tách sản phẩm rắn ra khỏi hỗn hợp và hoàn nguyên aldehyde hay ketone ban đầu bằng cách thủy phân trong môi trường acid hay base Cơ chế phản ứng: 13.5.6.Phản ứng oxi hóa – khử 13.5.6.1. Phản ứng oxi hóa - Các aldehyde dễ dàng bị oxi hóa thành các acid tương ứng bằng các tác nhân như KMnO4 trong môi trường kiềm, K2Cr2O7 trong H2SO4 - Các ketone thường bền với các tác nhân oxi hóa và phản ứng oxi hóa ketone ít có giá trị trong tổng hợp hữu cơ. - Các phản ứng oxi hóa aldehyde thành acid carboxylic tương ứng có giá trị về mặt tổng hợp, đặc biệt là trong trường hợp điều chế các acid không no từ aldehyde không no tương ứng. Trong trường hợp này, phải sử dụng tác nhân Tollens Ag(NH3)2+/NH3 do tac nhân này không có khả năng phản ứng với liên kết đôi C=C 92 13.5.6.2. Phản ứng khử thành hydrocarbon Aldehyde và ketone có thể được khử thành hydrocarbon theo hai cách khác nhau. → Khi đun nóng aldehyde hoặc ketone với hỗn hợp hydrazine và kiềm, nhóm carbonyl được chuyển hóa thành methylene tương ứng (phản ứng khử Wolff – Kishener) → Nếu tác nhân khử là là Zn trong HCl với sự có mặt của Hg, cũng thu được các hợp chất hydrocarbon tương ứng, gọi là phản ứng khử Clemmensen. Tùy vào bản chất của hợp chất carbonyl, khi hợp chất carbonyl có các nhóm thế không bền trong môi trường base, thì sử dụng phản ứng Clemmensen và ngược lại hoặc có thể sử dụng cả hai phương pháp. 13.5.6.3. Phản ứng khử thành alcohol Khi có mặt các tác nhân khử như LiAlH4 hay NaBH4, hoặc trong điều kiện hydro hóa xúc tác, các hợp chất aldehyde hoặc ketone sẽ bị khử thành các alcohol bậc một và alcohol bậc hai tương ứng. Ví dụ: 93 13.5.7.Phản ứng aldol hóa 13.5.7.1. Phản ứng aldol hóa của hai phân tử carbonyl như nhau - Trong môi trường base như NaOH, Na2CO3, KOH… các hợp chất aldehyde hay ketone có nguyên tử hydrogen ở vị trí carbon α có khả năng phản ứng với nhau, gọi là phản ứng aldol hóa. - Sản phẩm hình thành là các hợp chất β-hydroxyl aldehyde, là hợp chất tạp chức chứa nhóm alcohol và nhóm aldehyde, tuy nhiên sản phẩm này trong điều kiện phản ứng sẽ tách nước, hình thành các hợp chất aldehyde không no có liên kết đôi C=C liên hợp với nhóm carbonyl. - Phản ứng aldol hóa của ketone xảy ra với tốc độ chậm hơn trường hợp aldehyde và cho hiệu suất thấp hơn. Cũng cho sản phẩm cuối cùng là những hợp chất carbonyl không no, có nhóm C=C liên hợp với nhóm carbonyl. 13.5.7.2. Phản ứng aldol hóa của hai phân tử carbonyl khác nhau Phản ứng này còn được gọi là phản ứng aldol chéo. Thông thường phản ứng có khả năng hình thành bốn sản phẩm khác nhau, gồm: - Hai sản phẩm hình thành do phân tử carbonyl tự phản ứng với nhau 94 - Hai sản phẩm hình thành do một trong hai carbonyl đóng vai trò hình thành carbanion và cộng hợp ái nhân vào nhóm carbonyl còn lại. 13.5.7.3. Phản ứng aldol hóa nội phân tử Phản ứng aldol hóa có thể xảy ra ngay trong cùng một phân tử nếu có hai nhóm carbonyl trong phân tử ở vị trí thích hợp. Sản phẩm của phản ứng aldol hóa nội phân tử là các hợp chất dạng vòng. Do các vòng năm, sáu cạnh thường bền hơn các vòng ba, bốn hay bảy cạnh, phản ứng aldol hóa nội phân tử sẽ xảy ra theo hướng ưu tiên hình thành các vòng năm hay sáu cạnh. 13.5.8.Phản ứng Cannizzaro Khi có mặt các base mạnh, các hợp chất aldehyde không có nguyên tử hydrogen α không có khả năng tham gia phản ứng ngưng tụ aldol nhưng có khả năng tham gia phản ứng tự oxy hóa – tự khử, gọi là phản ứng Cannizzaro tạo sản phẩm là hỗn hợp alcohol và carboxylic acid tương ứng từ quá trình tự khử và tự oxi hóa. 95 Phản ứng thường được thực hiện trong dung môi nước hay alcohol ở nhiệt độ phòng với sự có mặt của NaOH. ⇒ Lưu ý: thông thường, một hỗn hợp hai aldehyde khi tham gia phản ứng Cannizzaro có khả năng hình thành 4 sản phẩm, trong đó có hai sản phẩm alcohol do quá trình khử và hai sản phẩm carboxylic acid do quá trình oxi hóa. Tuy nhiên nếu một trong hai aldehyde ban đầu là formaldehyde, luôn luôn xảy ra phản ứng oxi hóa formaldehyde thành acid formic, kèm theo quá trình khử aldehyde thứ hai thành alcohol tương ứng. 13.5.9.Phản ứng halogen hóa vào carbon α Nguyên tử hydrogen ở vị trí carbon α so với nhóm carbonyl có khả năng bị thay thế bằng một hay nhiều nguyên tử halogen, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng. → Khi cho Br2, Cl2, I2, vào dung dịch aldehyde hay ketone trong môi trường acid thường chỉ một nguyên tử hydrogen ở vị trí carbon α bị thay thế bằng nguyên tử halogen → Khi thực hiện phản ứng trong môi trường base với lượng dư halogen, tất cả các nguyên tử hydrogen ở vị trí carbon α đều bị thay thế bằng halogen 96 13.6. Một số hợp chất aldehyde và ketone điển hình và ứng dụng 13.6.1.Formaldehyde (aldehyde formic, methanal) o Là chất khí không màu, mùi xốc, tan vô hạn trong nước. Dung dịch 40% formaldehyde trong nước gọi là formol (formalin) o Formaldehyde có tính chất sát trùng ngay cả ở nồng độ rất thấp, vì vậy được sử dụng trong việc bảo quản xác ướp, tấy uế, sát trùng, dùng trong công nghiệp thuộc da. Ngoài ra, formaldehyde còn là hợp chất trung gian trong công nghiệp sản xuất phẩm nhuộm, sản xuất chất nổ hay sản xuất dược phẩm. 13.6.2.Acetaldehyde o Là chất lỏng dễ bay hơi, có mùi khó chịu, khi pha loãng có mùi táo. 97 o Acetaldehyde cũng có khả năng trùng ngưng với phenol hay amine tạo thành các loại nhựa có giá trị sử dụng cao. Đặc biệt acetaldehyde là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nhiều hóa chất quan trọng như acetic acid, anhydride acetic, ethanol. Aceton (dimethyl ceton, propanon) o Là chất lỏng không màu, sôi ở 560C, dễ cháy, có mùi đặc biệt, tan vô hạn trong nước, có khả năng hòa tan tốt nhiều chất hữu cơ khác nhau, kể cả một số polymer. o Acetone được ứng dụng làm dung môi trong sản xuất tơ nhân tạo, thuốc súng không khói hay dung môi pha sơn, mực in. Ngoài ra, acetone còn là nguyên liệu trung gian dùng trong sản xuất thủy tinh hữu cơ, sản xuất một số dược phẩm hay một số hương liệu cũng như nhiều hợp chất hữu cơ khác. 13.6.3.Benzaldehyde o Là chất lỏng không màu, sôi ở 179 oC, có mùi hạnh nhân, ít tan trong nước, thường được sử dụng làm nguyên liệu để điều chế phẩm màu, tổng hợp hương liệu và tổng hợp dược phẩm. Ngoài ra, nhiều hợp chất carbonyl có nguồn gốc từ thiên nhiên như geralnial, neral, citronellal, vaniline… có mùi thơm đặc trưng, dễ chịu thường được sử dụng trong công nghệ sản xuất hương liệu. BÀI TẬP CHƯƠNG 13 Bài 1. Gọi tên các hợp chất aldehyde hoặc ketone sau đây theo hệ danh pháp IUPAC 98 99 100 Bài 2. Xác định công thức cấu tạo của các hợp chất aldehyde hoặc ketone có tên sau đây, để đơn giản có thể sử dụng công thức Zigzag trong đó các nguyên tử hydrogen không cần viết đầy đủ. a) 5,9,10-triisobutyl-6-(1,2,3-trichloropentyl)tetradecanal b) 9-(1-chloroethyl)-3-(3-hydroxybutan-2-yl)-7,8-dimethyl-2-propyldodecanal c) (E)-8-bromo-3-(1-bromo-3-hydroxybutan-2-yl)-9-(1-chloroethyl)-7-methyl-2propyldodec-4-enal d) (E)-5-(1-bromo-3-hydroxybutan-2-yl)-11-(1-chloroethyl)-9-iodo-10-(3methoxyphenyl)-6-tetradecen-4-one) e) 5-(9-bromododecan-5-yl)-2-(3-methylbut-3-en-2-yl)-3-cyclohexenone. f) 10-bromo-8-(4-(2-bromopent-1-en-3-yl)cyclohexyl)-6-methoxydodeca-1,11-dien3-one. Bài 3. Hoàn thành các phản ứng sau đây: 101 Bài 4. Những hợp chất nào trong những alcohol sau đây có thể được điều chế từ phản ứng giữa hợp chất ketone và hợp chất cơ magnesium, hoặc từ phản ứng của hợp chất ester và một lượng thừa cơ magnesium? Xác định cấu trúc của những hợp chất ketone và cơ magnesium được sử dụng trong những trường hợp đó Bài 5. Xác định sản phẩm của phản ứng giữa propanol với các hợp chất sau đây: a) Lithium aluminum hydride b) Sodium borohydride c) Hydrogen (có mặt xúc tác nickel) d) Methylmagnesium iodide, sau đó thủy phân với xúc tác acid 102 e) Sodium acetylide, sau đó thủy phân với xúc tác acid f) Phenyllithium, sau đó thủy phân với xúc tác acid g) Methanol, có mặt khí hydrogen chloride hòa tan h) Ethylene glycol, có mặt p-toluenesulfonic acid trong benzene i) Hydroxyamine j) Hydrazine k) Sodium cyanide, có mặt acid sulfuric Bài 5. Xác định sản phẩm của phản ứng giữa cyclopentanoe với các hợp chất sau đây, (cho biết công thức cấu tạo của cyclopentanone) a) Lithium aluminum hydride b) Sodium borohydride c) Hydrogen (có mặt xúc tác nickel) d) Methylmagnesium iodide, sau đó thủy phân với xúc tác acid e) Sodium acetylide, sau đó thủy phân với xúc tác acid f) Phenyllithium, sau đó thủy phân với xúc tác acid g) Methanol, có mặt khí hydrogen chloride hòa tan h) Ethylene glycol, có mặt p-toluenesulfonic acid trong benzene i) Hydroxyamine j) Hydrazine k) Sodium cyanide, có mặt acid sulfuric Bài 6. Xác định cấu trúc tác chất và các điều kiện thích hợp để thực hiện các chuyển hóa sau đây. 103 Bài 7. Sử dụng cyclohexanone làm tác chất ban đầu, viết các phương trình phản ứng điều chế các chất sau đây, sử dụng thêm các hóa chất tự chọn khác. (Cho biết, công thức cấu tạo của cyclohexanone) 104 Bài 8. Xác định sản phẩm chính của các phản ứng sau đây. 105 Bài 9. Thực hiện các quá trình điều chế sau đây, sử dụng thêm các hóa chất hữu cơ và vô cơ tự chọn khác. 106 Bài 10. Hoàn thành các phương trình phản ứng sử dụng trong quá trình điều chế những hợp chất sau đây từ benzene và hợp chất alcohol chứa bốn hay ít hơn bốn nguyên tử carbon, sử dụng thêm những tác nhân hữu cơ và vô cơ tự chọn khác. a) 2,3-dimethyl-2-butanol b) 2-phenyl-2-propanol c) 2-methyl-1-butene d) 3-hexanol e) 2-bromo-2-methylhexane f) (1-bromobutyl)benzene g) 1-p-bromophenyl-1-phenyl-1-propanol h) 3-nitro-4’-methylbenzophenone Bài 11. Hoàn thành các phản ứng ngưng tụ aldol sau đây 107 108 Bài 12. Chỉ sử dụng phương pháp tổng hợp hữu cơ dựa trên phản ứng giữa hợp chất cơ magnesium và hợp chất aldehyde hoặc ketone, trình bày các phương pháp có thể sử dụng để điều chế các hợp chất alcohol sau đây từ các hydrocarbon tương ứng. Bài 13. Các tác nhân nào nên được sử dụng để thực hiện các chuyển hóa sau đây? Bài 14. Hoàn thành các phản ứng sau đây. 109 110 Bài 15. Xác định các tác nhân thích hợp sử dụng cho quá trình chuyển hóa sau đây. 111 CHƯƠNG 14 HỢP CHẤT CARBOXYLIC ACID 14.1. Cấu tạo chung - Acid carboxylic là tên gọi chung của những hợp chất hữu cơ có chứa nhóm carboxyl (COOH) trong phân tử. , R có thể là H, gốc hydrocarbon (no, chưa no), gốc aryl (Ar) - Căn cứ vào bản chất của gốc R trong công thức chung, có thể phân lại thành carboxylic acid no, không no, acid carboxylic thơm. - Tùy theo số lượng nhóm carboxyl, có thể phân loại thành các monocarboxylic acid (acid đơn chức), các dicarboxylic acid, các tricarboxylic acid và polycarboxylic acid. Ngoài ra, nếu trong phân tử carboxylic acid còn chứa thêm nhóm chức khác sẽ được gọi là acid tạp chức. - Thông thường, người ta biểu diễn cấu tạo của nhóm carbonyl trong phân tử carboxylic acid như sau: - Trong đó nhóm hydroxyl gắn trực tiếp với nhóm carbonyl, chịu ảnh hưởng cảm ứng của nhóm carbonyl, đồng thời đôi điện tử không phân chia của oxy ở nhóm hydroxyl liên hợp với liên kết π của nhóm carbonyl. Cả hai hiệu ứng này đều có tác dụng làm liên kết O-H phân cực về phía oxy nên proton phân ly dễ dàng hơn.Do đó, tính acid của acid carboxylic mạnh hơn alcohol rất nhiều. 14.2. Danh pháp 14.2.1.Tên thông thường 112 Rất nhiều carboxylic acid được gọi theo tên thông thường, có xuất xứ từ nguồn gốc của chúng. Chẳng hạn như: - Acid formic có mùi của kiến (tiếng Latin: formica có nghĩa là kiến) - Acid acetic có mùi dấm (tiếng Latin: acetum có nghĩa là dấm) - Acid butyric có mùi đặc trưng của bơ oi (tiếng Latin: butyrum có nghĩa là bơ) - Caproic acid, caprylic acid, capric acid được tìm thấy trong mỡ dê (Latin: caper có nghĩa là dê) - Acid lactic được tìm thấy trong sữa chua (Latin: lac có nghĩa là sữa) - Acid stearic được tìm thấy trong nhiều loại mỡ, chất béo (tiếng Hy Lạp: stear nghĩa là mỡ, chất béo - Oleic acid được tìm thấy trong nhiều loại dầu thực vật (Latin: oleum có nghĩa là dầu) Các acid thơm thường được gọi tên như là dẫn xuất của benzoic acid, riêng methylbenzoic acid có tên là toluic acid. Để chỉ vị trí các nhóm thế trên nhân thơm so với nhóm carboxyl, có thể sử dụng các tiếp đầu ngữ ortho, meta, para Một số carboxylic acid có thể được gọi tên như là dẫn xuất của acetic acid 113 Acid có nhánh được gọi tên như là dẫn xuất của acid mạch thẳng, dùng các chữ cái Hy Lạp như α, β, γ, δ để chỉ vị trí nhánh trên mạch chính. Carbon α là nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nhóm carboxyl 14.2.2.Tên IUPAC Cách gọi tên: • Đối với acid carboxylic mạch hở đơn giản Tên alkane bỏ (-e) +oic acid Cần lưu ý: Chọn mạch chính là mạch carbon dài nhất có chứa nhóm carboxyl, trong đó nguyên tử carbon của nhóm carboxyl được đánh số 1. • Phân tử acid có chứa hai nhóm carboxyl được gọi tên Tên alkane bỏ (-e) +dioic acid 114 • Các acid carboxylic mạch hở chứa ba hoặc nhiều hơn ba nhóm –COOH và các acid carboxylic mạch vòng chứa một hoặc nhiều hơn một nhóm –COOH được gọi tên dựa trên hydrocarbon tương ứng (không tính nguyên tử carbon của nhóm – COOH), sau đó thêm carboxylic acid, dicarboxylic acid, tricarboxylic acid. ⇒ Lưu ý: mức độ ưu tiên thứ tự các nhóm thế khác nhau trong hệ danh pháp IUPAC được sắp xếp theo thứ tự. COOH > CHO >> C=O > OH > NH2 Do đó, khi trong phân tử acid có chứa nhiều nhóm chức khác nhau thì các nhóm NH2, CHO, C=O… được xem là nhóm thế của acid. 14.3. Các phương pháp điều chế 14.3.1.Oxy hóa alkene Các acid carboxylic có thể được điều chế từ alkene bằng phản ứng oxy hóa với KMnO4 đậm đặc trong môi trường kiềm hoặc acid ở nhiệt độ cao. Trong điều kiện này, 115 phản ứng oxy hóa alkene xảy ra kèm theo quá trình cắt mạch carbon, hình thành các acid carboxylic tương ứng (với điều kiện alkene có nguyên tử hydrogen ở liên kết đôi C=C). → Nếu phản ứng được thực hiện trong môi trường acid, sản phẩm acid thu được sẽ ở dạng RCOOH → Nếu phản ứng được thực hiện trong môi trường kiềm, sản phẩm thu được sẽ ở dạng muối carboxylate RCOO- 14.3.2.Oxy hóa alkylbenzene Các gốc alkyl có chứa nguyên tử hydrogen benzyl (ở carbon α) trong điều kiện thích hợp có thể bị oxi hóa thành nhóm –COOH. Tác nhân oxi hóa thường sử dụng là KMnO4, Na2Cr2O7 hay acid nitric loãng 14.3.3.Oxy hóa alcohol bậc một và aldehyde Các hợp chất aldehyde và alcohol bậc một dễ tham gia phản ứng oxy hóa hình thành acid carboxylic tương ứng. 116 Tác nhân oxi hóa thường sử dụng là KMnO4 trong môi trường kiềm, phản ứng hình thành MnO2 ở dạng rắn, có thể tách khỏi hỗn hợp phản ứng dễ dàng. Acid hóa hỗn hợp phản ứng sẽ thu được acid carboxylic tương ứng. Tương tự, các aldehyde cũng dễ dàng bị oxi hóa thành các acid tương ứng bằng các tác nhân như KMnO4 trong môi trường kiềm, K2Cr2O7 trong H2SO4 14.3.4.Sử dụng tác nhân Grignard - Phương pháp này được ứng dụng để điều chế acid carboxylic có mạch carbon dài hơn nguyên liệu ban đầu một nguyên tử carbon. - Phản ứng thường được thực hiện bằng cách sục khí CO2 vào dung dịch ether của hợp chất cơ magnesium. - Thủy phân sản phẩm của phản ứng trng môi trường acid sẽ thu được acid carboxylic tương ứng. - Phương pháp này được sử dụng để điều chế acid carboxylic từ các dẫn xuất halide (halogenua) bậc một, bậc hai, bậc ba, allyl, benzyl, aryl. 117 14.3.5.Thủy phân các hợp chất nitrile Các hợp chất nitrile có thể bị thủy phân trong môi trường acid hoặc base mạnh ở nhiệt độ cao để hình thành acid carboxylic tương ứng. 14.3.6.Thủy phân các dẫn xuất của acid carboxylic và các dẫn xuất gem – trihalogen - Thủy phân các dẫn xuất của acid carboxylic như: ester, amide, chloride acid trong môi trường acid hoặc kiềm sẽ hình thành các acid carboxylic tương ứng. - Các dẫn xuất trihalogen của alkane trong đó ba nguyên tử halogen liên kết với cùng một nguyên tử carbon khi bị thủy phân trong môi trường kiềm đậm đặc ở nhiệt độ cao sẽ hình thành các acid carboxylic tương ứng. ⇒ Phản ứng này được ứng dụng để điều chế acid benzoic từ toluene thông qua phản ứng halogen hóa ba lần nhóm –CH3 của toluene kết hợp với giai đoạn thủy phân trong kiềm đặc 118 14.3.7.Alkyl hóa malonate ester - Đây là phương pháp điều chế carboxylic acid từ dẫn xuất alkyl halide (halogenua), trong đó mạch carbon của acid dài hơn nguyên liệu ban đầu hai nguyên tử carbon. - Phản ứng được thực hiện với sự có mặt của xúc tác base mạnh, dưới tác dụng của xúc tác, malonate ester sẽ chuyển thành carbanion tương ứng và tham gia phản ứng thế với dẫn xuất alkyl halide hình thành các alkylmalonate ester. Đun nóng hợp chất này trong môi trường acid, phản ứng thủy phân ester và phản ứng decarboxyl hóa sẽ xảy ra, hình thành acid carboxylic tương ứng. 14.4. Tính chất vật lý - Do cấu tạo của nhóm carboxyl, nên acid có khả năng tạo thành liên kết hydro bền vững hơn cả alcohol (vì liên kết O-H trong phân tử acid phân cực mạnh hơn), vì vậy nó ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật lý của acid. 119 - Ở điều kiện thường, các acid thấp (1C – 4C) là chất lỏng linh động, không màu, mùi xốc kích thích. Từ 5 – 11C là chất lỏng sánh như dầu, các acid cao là chất rắn không mùi, các acid thơm đều ở dạng rắn. - Nhiệt độ sôi của các acid có cấu trúc mạch thẳng tăng lên khi số carbon trong phân tử tăng. Các acid có số carbon chẵn có nhiệt độ nóng chảy cao hơn acid có số carbon lẻ trước và sau nó. - Các acid mạch hở thấp (acid formic, acetic, propionic) tan vô hạn trong nước, do các phân tử nước có thể solvat hóa nhóm carboxyl tạo liên kết hydro. Khi chiều dài mạch carbon tăng và mức độ phân nhánh của gốc R tăng lên thì độ tan giảm đi nhiều. Các acid có số carbon > 11 hoàn toàn không tan trong nước - Các acid carboxylic tan được trong nhiều dung môi hữu cơ như ether, alcohol, benzene. 14.5. Tính chất hóa học 14.5.1.Đặc điểm chung Nhóm carboxy là tổ hợp của nhóm carbonyl và nhóm hydroxyl. O C OH Tuy nhiên, tính chất của carboxylic acid không phải là sự kết hợp đơn giản giữa tính chất của một hợp chất aldehyde hoặc ketone với một hợp chất alcohol hoặc phenol. Sự kết hợp của hai nhóm chức này làm xuất hiện hiệu ứng liên hợp giữa đôi điện tử tự do trên nguyên tử oxigen của nhóm hydroxyl và các điện tử π của nhóm carbonyl. Kết quả là khả năng tham giả phản ứng cộng hợp ái nhân của carboxylic acid vốn là phản ứng đặc trưng của hợp chất carbonyl hầu như không xảy ra một cách đáng kể. Ngoài ra, do ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp và hiệu ứng cảm ứng hút điện tử của nhóm carbonyl, liên kết O-H ở nhóm carboxyl trở nên phân cực hơn, proton ở nhóm carbonyl dễ tách hơn so với các hợp chất alcohol và phenol 120 14.5.2.Tính acid - Carboxylic acid có tính acid mạnh hơn nhiều so với các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm –OH khác. Dung dịch carboxylic acid có khả năng làm đổi màu chất chỉ thị, tác dụng với các kim loại đứng trước hydrogen trong dãy hoạt động hóa học, tác dụng với base… - Trong dung dịch nước, acid carboxylic phân ly thành carboxylate anion và proton dưới dạng H3O+ - Cấu tạo gốc hydrocarbon cũng như bản chất của nhóm thế ảnh hưởng rất lớn đến tính acid của carboxylic acid, các gốc hydrocarbon chứa các nhóm thế hút điện tử làm liên kết O-H càng phân cực, proton càng dễ tách ra, carboxylate anion sinh ra càng bền, tính acid sẽ tăng lên. - Ngược lại, gốc hydrocarbon đẩy điện tử làm giảm khả năng phân ly proton cũng như carboxylate anion sinh ra càng kém bền, tính acid sẽ giảm xuống. 14.5.2.1. Tính acid của các acid béo no Khi thay thế nguyên tử hydrogen trong HCOOH bằng các gốc alkyl, tính acid giảm xuống. Tăng chiều dài mạch carbon, tính acid càng giảm Acid carboxylic có số lượng nguyên tử carbon lớn hơn 8 có tính acid thay đổi đáng kể. - Trong phân tử chứa nhóm thế hút điện tử càng mạnh, tính acid càng tăng 121 - Nhóm thế hút điện tử càng gần nhóm carboxyl thì tính acid càng tăng, do hiệu ứng cảm ứng giảm nhanh theo sự tăng chiều dài mạch carbon 14.5.2.2. Tính acid của các acid béo không no - Do ảnh hưởng của hiệu ứng cảm ứng hút điện tử (-I), các acid carboxylic béo không no thường có tính acid mạnh hơn các acid béo no tương ứng. - Liên kết đôi càng gần nhóm carboxyl thì tính acid càng tăng, do hiệu ứng cảm ứng giảm dần theo sự tăng chiều dài mạch carbon. Cần lưu ý, nếu liên kết đôi C=C ở vị trí Cα và C thì xuất hiện sự liên hợp giữa nhóm C=C và nhóm C=O, do ảnh hưởng của hiệu ứng +C của nhóm C=C, tính acid giảm so với trường hợp không liên hợp. - Trong các acid béo có liên kết đôi C=C tại vị trí Cα và Cβ, thực nghiệm cho thấy đồng phân cis- thường có tính acid mạnh hơn đồng phân trans- - Trong trường hợp acid có liên kết ba C≡C, cho dù liên kết ba ở vị trí Cα và Cβ thì cũng làm tăng tính acid do hiệu ứng cảm ứng hút điện tử (-I) của nhóm C≡C lớn hơn so với nhóm C=C 14.5.2.3. Các acid thơm 122 - Khi thay thế nguyên tử hydrogen trong HCOOH bằng gốc phenyl, tính acid giảm xuống do hiệu ứng liên hợp đẩy điện tử (+C). Cần lưu ý, gốc phenyl còn có hiệu ứng cảm ứng hút điện tử (-I), do đó tính acid của C6H5COOH mạnh hơn CH3COOH. Thực nghiệm cho thấy tính acid được sắp xếp như sau: - Khi trong nhân thơm có chứa các nhóm thế, tính acid sẽ thay đổi tùy thuộc vào bản chất cũng như vị trí các nhóm thế đó. Lưu ý: nhóm thế ở vị trí ortho- cho dù hút điện tử hay đẩy điện tử đều làm tăng tính acid so với benzoic acid - Các nhóm thế đẩy điện tử có các hiệu ứng +C hay +I hay +H ở vị trí meta-, và para- đều làm giảm tính acid so với benzoic acid. - Các nhóm thế hút điện tử theo hiệu ứng –C, -I (-NO2) luôn làm tăng tính acid - Đối với các nhóm thế có hiệu ứng –I và +C (-OH, -OR), chỉ có ở vị trí para- thì hiệu ứng +C mới phát huy được tác dụng nên tính acid giảm so với trường hợp ở vị trí meta- - Riêng dãy halogen, cho dù ở vị trí nào cũng có hiệu ứng –I mạnh hơn +C nên tính acid tăng, trong đó nhóm thế halogen ở vị trí meta- làm tăng tính acid so với vị trí para- do hiệu ứng +C phát huy được tác dụng ở vị trí para- 14.5.3.Phản ứng thế nhóm –OH của carboxylic acid 14.5.3.1. Phản ứng tạo thành acid chloride Tác chất thường sử dụng: thionyl chloride (SOCl2), phosphorus trichloride (PCl3), phosphorus pentachloride (PCl5) 123 → Thực tế, thường sử dụng thionyl chloride do các sản phẩm phụ tạo ra ngoài acid chloride đều là chất khí, dễ tách khỏi sản phẩm chính. 14.5.3.2. Phản ứng tạo thành amide Amide là dẫn xuất của acid carboxylic trong đó nhóm –OH được thay thế bằng nhóm –NH2 (amide bậc một), hoặc nhóm –NHR (amide bậc hai), -NR (amide bậc ba). Carboxylic acid khi tác dụng với NH3 hoặc amine bậc một, bậc hai sẽ hình thành muối ammonium, khi đun nóng sẽ chuyển hóa thành các amide tương ứng. Cả hai giai đoạn này có thể tiến hành trong cùng một bình phản ứng. 14.5.3.3. Phản ứng tạo thành anhydride Anhydride thường gặp nhất là acetic anhydride, là một dẫn xuất quan trọng của acetic acid. Dẫn xuất này được điều chế từ phản ứng giữa acetic acid với ketene (CH2=C=O). Trong đó, ketene được điều chế từ phản ứng tách nước của chính acetic acid 124 14.5.3.4. Phản ứng tạo thành ester Ester có thể được điều chế trực tiếp từ carboxylic acid bằng phản ứng với alcohol khi có mặc xúc tác acid mạnh như H2SO4 hoặc khí HCl khan. Cũng có thể sử dụng tác chất khác như: acid chloride hoặc anhydride thay cho carboxylic để điều chế ester. Cơ chế phản ứng ester hóa giữa acid carboxylic và alcohol gồm các giai đoạn sau: → Nhóm carbonyl được proton hóa, hình thành cation trung gian → Nguyên tử oxygen trên alcohol tấn công vào cation trung gian, kèm theo giai đoạn proton hóa và tách nước → Tách proton tái sinh xúc tác và hình thành sản phẩm 125 R' R C OH + H+ OH C+ R OH O H O+ R' R C OH R O R' C OH OH2 OH R OH O R' C+ OH S R O R' C O 14.5.3.5. Phản ứng thế Hα (phản ứng Hell-Vohard-Zelinsky) Phản ứng này xảy ra khi cho acid carboxylic tác dụng với Br2 hoặc Cl2 và phosphor đỏ (hoặc các dẫn xuất PCl3, PBr3), khi đó sẽ xảy ra phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vị trí Cα bằng nguyên tử Br hoặc Cl. Phản ứng thế này có thể xảy ra nhiều lần để hình thành các dẫn xuất thế tương ứng, tuy nhiên cần lưu ý là phản ứng chỉ xảy ra ở vị trí Cα 14.5.3.6. Phản ứng khử carboxylic acid thành alcohol Đây là một phản ứng quan trọng, thông thường các hợp chất alcohol mạch ngắn thường dễ điều chế hơn các acid tương ứng. Tuy nhiên, các acid béo mạch dài lại dễ dàng tìm thấy hơn trong tự nhiên dưới dạng dầu mỡ. Carboxylic acid tương đối trơ với nhiều 126 tác nhân khử, chỉ có thể bị khử thành alcohol tương ứng khi có mặt các tác nhân khử mạnh như LiAlH4. Tác nhân khử LiAlH4 có khả năng khử hầu hết các nhóm chức không no, trừ alkene và alkyne. Do đó, phản ứng khử các carboxylic acid không no thành alcohol không no bằng LiAlH4 sẽ bảo toàn các liên kết đôi C=C, C≡C 14.5.3.7. Phản ứng loại nhóm carboxyl Trong những điều kiện thích hợp, nhóm –COOH hoặc COO- của acid carboxylic hoặc muối carboxylate có thể bị loại ra khỏi phân tử dưới dạng CO2, hình thành sản phẩm alkane tương ứng. - Phản ứng này phụ thuộc nhiều vào cấu tạo gốc hydrocarbon trong phân tử acid, các acid carboxylic đơn giản thường khó xảy ra phản ứng này do đó ít được sử dụng. - Thông thường phản ứng chỉ xảy ra tốt trong trường hợp malonic acid (HOOCCH2COOH) và các dẫn xuất của nó. - Nếu nhiệt phân muối carboxylate natri trong NaOH cũng sẽ thu được alkane. Thực nghiệm cho thấy chỉ những muối của các carboxylic acid đơn giản như CH3COONa, CH3CH2COONa, C6H5COONa mới cho hiệu suất cao trong phản ứng này. Phương pháp này thường được sử dụng để điều chế methane trong phòng thí nghiệm. 14.6. Ứng dụng của acid carboxylic 14.6.1.Một số acid béo no đơn chức thường gặp a) Acid acetic (CH3COOH) 127 - Là chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng gây cay mắt và đau họng, dễ gây bỏng da, đông đặc ở 16,7 oC thành những tinh thể giống như nước đá gọi là “acid acetic băng” (glacial acid acetic). - Acid acetic có khả năng ăn mòn kim loại, là nguồn nguyên liệu để sản xuất ra rất nhiều loại hóa chất như: vinylacetate monomer (CH3COOCH=CH2), ethylacetate, isoamylacetate, chất diệt cỏ (ClCH2COONa), aspirin - Ngoài ra, acid acetic còn được sử dụng làm dung môi chẳng hạn như làm dung môi cho phản ứng tổng hợp terephthalic acid, là nguyên liệu để sản xuất nhựa polyethylene phathalate (PET). b) Acid formic (HCOOH) - Là chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, được tìm thấy từ thế kỷ 15 trong loài kiến đỏ Formica rufa (vì vậy được gọi là formic acid). - Acid formic được ứng dụng làm chất bảo quản, ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật, ngoài ra còn được sử dụng trong công nghiệp dệt để làm dung môi và chất giữ màu trong nhuộm len, lụa trong môi trường acid, công nghiệp thuộc da và tổng hợp hữu cơ. - Acid formic có đầy đủ các tính chất hóa học của một acid hữu cơ, đặc biệt có tính khử, có khả năng khử được KMnO4, thuốc thử tollen, thuốc thử Fehling. c) Các acid béo đơn chức mạch dài Thường gặp trong tự nhiên là stearic acid (n-C17H35COOH), palmitic acid (C15H31COOH), lauric acid (C11H23COOH). - Đây là những thành phần chính của mỡ động vật và dầu thực vật dưới dạng triglyceride với glycerol. Thủy phân dầu mỡ trong acid sẽ thu được các acid béo mạch dài và glycerol, trong kiềm sẽ thu được xà phòng (RCOONa) và glycerol. - Các acid béo mạch dài này được sử dụng để sản xuất xà phòng hoặc được khử thành các alcohol mạch dài tương ứng, là nguồn nguyên liệu để sản xuất các chất hoạt động bề mặt quan trọng. 14.6.2.Một số acid béo không no đơn chức thường gặp 128 Là những acid carboxylic có chứa liên kết đôi C=C hoặc C≡C trong phân tử, mang đầy đủ các tính chất của acid hữu cơ, ngoài ra do có liên kết π trong phân tử chúng có khả năng tham gia các phản ứng đặc trưng của alkene, alkyne như: hydro hóa xúc tác, cộng hợp halogen, cộng hợp nước, oxi hóa bằng KMnO4, phản ứng trùng hợp và đồng trùng hợp với các monomer khác… Thường gặp nhất là acrylic acid (CH2=CHCOOH) và metacrylic acid (CH2=C(CH3)COOH, là những chất lỏng không màu có mùi sốc đặc trưng. 14.6.3. Các acid thơm thường gặp a) Acid benzoic (C6H5COOH) - Là acid carboxylic thơm đơn giản nhất, là chất rắn không màu, không tan trong nước lạnh (3,4 g/l ở 25 oC) nhưng tan trong nước sôi. - Acid benzoic mang đầy đủ tính chất của acid hữu cơ và là acid mạnh hơn acid acetic. Ngoài ra, nhân thơm của benzoic acid cũng có khả năng tham gia các phản ứng thế ái điện tử như: nitro hóa, sulfo hóa, halogen hóa… - Acid benzoic có khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm nên được sử dụng làm chất bảo quản thực phẩm dưới dạng muối Na, K, Ca. b) Dicarboxylic acid thơm - Terephthalic acid (p-C6H4(COOH)2) là một monomer quan trọng của ngành công nghệ sản xuất xơ sợi tổng hợp (sợi polyester) và sản xuất chất dẻo (PET) - Phthalic acid (o-C6H4(COOH)2) được sử dụng để điều chế các amine bậc một theo phương pháp tổng hợp Gabriel 129 BÀI TẬP CHƯƠNG 14 Bài 1. Gọi tên các hợp chất carboxylic acid sau đây theo hệ danh pháp IUPAC 130 131 Bài 2. Xác định công thức cấu tạo của các hợp chất carboxylic acid sau đây a) 2,3-dimethyldodecanoic acid b) 2,3,4,5,6-pentahidroxyoctanoic acid c) 1,2-cyclopentane dicarboxylic acid d) 2,3-dihydroxy-4-methoxybenzoic acid e) Heptandioic acid f) Hexa-2-en-4-inoic acid g) 4-ethyl-2-propyloctanoic acid h) 3-chlorophthalic acid i) Triphenylacetic acid j) 5,11-diisopropyl-8-(3-methylpentan-2-yl)tetradecanoic acid k) 5-bromo-4-(3-methoxybutan-2-yl)-6-methyl-8-dodecynoic acid l) 5-bromo-6-(3-hydroxycyclohexyl)-4-(2-methoxypropyl)-11-dodecynoic acid m) 3-bromo-4-(3-bromobutan-2-yl)-6-(1-methoxyethyl)-2-methylbenzoic acid Bài 3. Có một hỗn hợp gồm naphthalene và acid benzoic. Hãy dựa vào tính acid của một trong hai chất để tách riêng hai chất ra. Đề xuất quy trình? Bài 4. Viết phương trình phản ứng của pentanoic acid với các tác nhân sau đây: a) Sodium hydroxide b) Sodium bicarbonate c) Thionyl chloride d) Phosphorus tribromide e) Benzyl alcohol, có mặt xúc tác acid sulfurid f) Chlorine, có mặt xúc tác phosphorus tribromide g) Bromine, có mặt xúc tác phosphorus tribromide h) Sản phẩm của câu c), xử lý với sodium iodide trong acetone 132 i) Sản phẩm của câu g), xử lý với dung dịch ammonia trong nước j) Phenylmagnesium bromide Bài 5. Trình bày các phương trình phản ứng chuyển hóa butanoic acid thành các chất sau đây. a) 1-butanol b) Butanal c) 1-chlorobutane d) Butanoyl chloride e) Phenyl propyl ketone f) 4-octanone g) 2-bromobutanoic acid h) 2-butenoic acid Bài 6. Hoàn thành các phản ứng sau đây. a) Cinnamic acid + KMnO4/OH-/to b) 4-methylbenzoic acid + HNO3 + H2SO4 c) Succinic acid + LiAlH4, sau đó xử lý với H3O+ d) Benzoic acid + benzyl alcohol, có mặt xúc tác H2SO4 e) n-butyric acid + Br2, có mặt xúc tác P f) cyclohexylmagnesium chloride + CO2, sau đó xử lý với H3O+ g) salicylic acid + Br2, xúc tác bột Fe h) oleic acid + KMnO4/to i) benzoic acid + H2, có mặt xúc tác Ni ở nhiệt độ cao và áp suất cao j) benzoic acid + 1,2-ethanediol (2:1), có mặt xúc tác H2SO4 k) phthalic acid + ethanol (1:2), có mặt xúc tác H2SO4 Bài 7. Hoàn thành các phương trình phản ứng sau đây. 133 Bài 8. Hoàn thành các phương trình phản ứng sau đây. 134 Bài 9. Hoàn thành các phương trình phản ứng sau đây. Bài 10. Viết các phương trình phản ứng hoàn thành các quy trình tổng hợp sau đây từ nguyên liệu đã cho, sử dụng thêm các tác chất hữu cơ chứa không quá bốn nguyên tử carbon và tác chất vô cơ tự chọn khác. 135 Bài 11. Thực hiện các quá trình điều chế sau đây, chỉ được sử dụng các hóa chất đã cho. a) Ethyl propanoate từ acetylene, H2, HBr, KCN, H2O, H2SO4, NaOH, xúc tác Lindlar Pd từ cyclopentane, Br2, NaOH, H2O, H2CrO4, HBr, KCN từ benzene, butylryl chloride, AlCl3, Cl2, HCl, Zn, Hg, Mg, ether khan, ethylene oxide, H2O, KMnO4 136 O CCH3 d) CH2OH từ benzene, acetyl chloride, AlCl3, Br2, FeBr3, HCl, ethylene glycol, Mg, ether khan, HCHO, H2O Bài 12. Hoàn thành chuỗi phản ứng sau đây. CH3 Br2 h (A) PCC NaOH CH2Cl2 H2O O NaOH/H2O to 1. LiAlH4 2. H3O+ 1. H3O+ NaCN H2SO4 (C) COCl (D) OH-, to (E) (F) AlCl3 (G) (K) (N) SOCl2 SOCl2 H3O+ (H) (L) (O) NaCN 1. NaBH4 2. H3O+ 1. LiAlH4 (I) (M) (P) + 2. H3O Bài 13. Viết các phương trình phản ứng điều chế các hợp chất sau đây từ cyclohexanone 137 138 CHƯƠNG 15 HỢP CHẤT AMINE – DIAZONIUM A. HỢP CHẤT AMINE 15.1. Cấu tạo chung Amine là tên gọi chung của các hợp chất hữu cơ được hình thành bằng cách thay thế một hay nhiều nguyên tử hydrogen của NH3 bằng các gốc hydrocarbon (có thể là gốc hydrocarbon no, không no, thơm). Tùy thuộc vào số lượng gốc hydrocarbon liên kết với nguyên tử nitrogen của amine, người ta chia amine thành ba loại: amine bậc một, bậc hai, bậc ba. Amine bậc 1 Amine bậc 2 Amine bậc 3 15.2. Danh pháp 15.2.1.Tên thông thường Tên gốc akyl (liên kết trực tiếp với Nitrogen) + amine = alkylamine 15.2.2.Tên IUPAC - Các amine không chứa các nhóm chức khác trong phân tử Đổi tên alkane tương ứng thành alkanamine → Đánh số mạch carbon sao cho nguyên tử carbon liên kết với nitrogen có số thứ tự nhỏ nhất 139 → Các nhóm alkyl còn lại liên kết trực tiếp với nitrogen được thêm tiếp đầu ngữ Nđể không nhầm lẫn với các gốc alkyl liên kết với carbon → Các nhóm thế hydrocarbon hay các nhóm thế halogen sẽ được sắp xếp theo trật tự của bảng chữ cái, bất kể các nhóm này liên kết với nguyên tử nitrogen hay với mạch carbon. → Nếu hợp chất amine có nhiều nhóm amine, dùng tiếp vị ngữ diamine, triamine, tetraamine… sau tên alkane tương ứng. → Mức độ ưu tiên thứ tự các nhóm thế khác nhau trong hệ danh pháp IUPAC được sắp xếp theo trật tự: COOH > CHO > C=O > OH > NH2 ⇒ Do đó, nếu trong phân tử amine có chứa các nhóm chức ưu tiên thì nhóm –NH2 chỉ được xem là một nhóm thế của các hợp chất tương ứng, gọi là nhóm –amino 140 → Các amine thơm thường được gọi tên như là dẫn xuất của amine thơm đơn giản nhất là aniline (C6H5NH2). Một số tên thông thường của amine thơm được IUPAC sử dụng làm tên chính thức. 15.3. Các phương pháp điều chế 15.3.1.Alkyl hóa NH3 bằng dẫn xuất halogen Phản ứng này xảy ra thoe cơ chế thế ái nhân vào nguyên tử carbon no của dẫn xuất RX. Trong thực tế phản ứng alkyl hóa NH3 thường rất khó dùng lại ở giai đoạn hình thành amine bậc một, do amine vừa hình thành có tính ái nhân cao hơn NH3 vì vậy phản ứng tiếp tục xảy ra và hình thành một hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau gồm: amine bậc một, bậc hai, bậc 3 và muối ammonium bậc 4. Có thể hạn chế sự hình thành amine bậc cao và tăng hiệu suất amine bậc 1 bằng cách sử dụng một lượng dư NH3 trong phản ứng alkyl hóa. Phản ứng tổng quát như sau: Ví dụ: 141 15.3.2.Alkyl hóa NH3 bằng alcohol Phản ứng xảy ra với sự có mặt của xúc tác Al2O3 ở nhiệt độ khoảng 400 – 500 0C, hình thành các amine tương ứng. Phản ứng này cũng có khả năng hình thành nhiều sản phẩm amine bậc khác nhau tương tự như phản ứng alkyl hóa bằng RX. 15.3.3.Phương pháp Gabriel Phương pháp Gabriel hay còn gọi là phương pháp alkyl hóa gián tiếp, được sử dụng để điều chế các amine bậc một. Phương pháp này cho sản phẩm duy nhất là amine bậc một mà không hình thành amine bậc hai hoặc ba. Phản ứng xảy ra giữa muối kali của phthalimide với dẫn xuất alkylhalide, tạo ra sản phẩm không có khả năng phản ứng tiếp mà dễ dàng thủy phân trong môi trường acid hay base để hình thành amine bậc một tương ứng 142 15.3.4.Phản ứng chuyển vị Hofmann Phản ứng chuyển vị Hofmann chuyển hóa amide bậc một thành amine bậc một tương ứng dưới tác dụng của Br2 hay Cl2 trong dung dịch kiềm, thường là NaOH.Sản phẩm amine hình thành sẽ ít hơn imide ban đầu một nguyên tử carbon. 15.3.5.Khử hóa hợp chất nitro Đây là phương pháp quan trọng để điều chế các amine thơm (aniline và dẫn xuất) từ các hợp chất nitro thơm tương ứng. → Tác nhân khử sử dụng có thể là hydrogen với xúc tác là các kim loại chuyển tiếp như Ni, Pt, Pd hoặc hỗn hợp của HCl với kim loại như Fe hoặc Sn. Cần lưu ý là nếu trong phân tử của hợp chất nitro ban đầu có các nhóm chức dễ bị hydro hóa như C=C hay C=O thì không sử dụng phương pháp này. 143 15.3.6.Khử hóa các hợp chất chứa nitrogen khác a) Từ hợp chất nitrile (C≡ ≡N) Từ hợp chất nitrile có thể điều chế được các amine bậc một bằng cách thực hiện phản ứng khử bằng hydrogen với sự có mặt của xúc tác kim loại chuyển tiếp như Ni, Pd, Pt hoặc bằng tác nhân khử LiAlH4. Đây là phương pháp điều chế amine bậc một từ các dẫn xuất alkyl halide tương ứng trong đó phân tử có thêm một nguyên tử carbon. b) Từ amide Có thể điều chế amine từ amide bằng phương pháp khử, sử dụng tác nhân khử là LiAlH4 cho sản phẩm có số lượng nguyên tử carbon tương đương với amide ban đầu. Và có thể dùng để điều chế amine bậc một, bậc hai, bậc ba tùy thuộc vào bậc của amide ban đầu 144 15.3.7.Amine hóa – khử các hợp chất carbonyl → Các amine bậc một có thể được điều chế bằng phản ứng giữa aldehyde hoặc ketone và một lượng dư NH3, với sự có mặt của hydrogen và xúc tác Ni, Pt hoặc Pd. → Trong phản ứng imine hóa – khử này, nếu thay NH3 bằng các amine bậc một, bậc hai thì sẽ thu được các amine bậc hai, bậc ba tương ứng 15.4. Tính chất vật lý • Cả amine bậc một, bậc hai, bậc ba đều có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước. Do đó các amine có trọng lượng phân tử thấp (C1 – C6) đều tan trong nước. 145 • Các amine có trọng lượng phân tử lớn hơn khó tan trong nước, tuy nhiên có khả năng tan được trong các dung môi ít phân cực hơn nước như ether, alcohol hay dung môi phân cực kém như benzene. • Methylamine và ethylamine có mùi giống với NH3, các amine khác thường có mùi tanh của cá. • Các amine thơm thường có độc tính cao, dễ bị hấp thu qua da và có khả năng gây chết người. Phần lớn amine thơm ở dạng tinh khiết thường không màu, tuy nhiên chúng dễ bị oxi hóa bởi oxygen không khí. Các amine thơm rất ít tan trong nước. • Giữa các amine là đồng phân của nhau, amine bậc ba có nhiệt độ sôi thấp nhất do không có khả năng tạo liên kết hydrogen với nhau (liên kết hydrogen liên phân tử). • Amine bậc một luôn có nhiệt độ sôi cao nhất, do có nhiều liên kết hydrogen hơn. • Các amine có nhiệt độ sôi cao hơn các hợp chất không phân cực có cùng trọng lượng phân tử, và có nhiệt độ sôi thấp hơn các hợp chất alcohol tương ứng do khả năng tạo liên kết hydrogen liên phân tử của amine yếu hơn so với alcohol. 15.5. Tính chất hóa học 15.5.1.Tính base - Các hợp chất amine có tính base do còn một cặp điện tử không liên kết trên nguyên tử nitrogen. - Các amine có khả năng nhận proton H+ từ các acid để hình thành các muối amoni tương ứng. - Do nguyên tử nitrogen có độ âm điện nhỏ hơn so với oxygen, tính base của amine lớn hơn so với base của các alcohol tương ứng và các hợp chất ether hay nước Trong dung dịch nước, amine có cân bằng sau: [R − NH ][OH ] = + Kb − 3 [R − NH 2 ] pK b = − log K b 146 Kb = [R − NH 2 ][H 3O + ] [R − NH ] + 3 pK a = − log K a Ka và Kb ở đây có mối liên hệ: pKa + pKb = 14 - Thực nghiệm cho thấy tính base của các amine phụ thuộc vào cấu tạo của phân tử, tức là phụ thuộc vào bản chất của các nhóm thế liên kết với nguyên tử nitrogen.Thông thường, các nhóm thế đẩy điện tử sẽ làm tăng mật độ điện tử trên nguyên tử nitrogen, do đó làm tăng tính base. Ngược lại, các nhóm thế hút điện tử sẽ làm giảm tính base. - Các amine thơm, do ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp hút điện tử (-M) của nhân thơm nên tính base giảm đi ⇒ Như vậy, tính base của amine mạch hở mạnh hơn NH3 và tăng theo thứ tự: amine bậc hai mạnh hơn amine bậc 1 và amine bậc 1 mạnh hơn NH3. Amine bậc 3 ngoài hiệu ứng +I của gốc alkyl còn có ảnh hưởng của hiệu ứng không gian làm giảm tính base nên tính base không tuân theo quy luật như amine bậc một và hai. Các amine thơm có tính base yếu hơn amine mạch hở và amine thơm bậc một yếu hơn NH3 15.5.2.Phản ứng alkyl hóa - Các amine bậc một, bậc hai, bậc 3 có thể tham gia phản ứng thế ái nhân với các dẫn xuất alkyl halide (halogenua), hình thành các amine có bậc cao hơn. 147 - Dung dịch muối ammonium bậc bốn khi tác dụng với bạc oxide Ag2O trong nước sẽ hình thành kết tủa AgX và dung dịch hydroxide của ammonium bậc bốn tương ứng R4N+OH-. Dung dịch này có tính base mạnh, khi đun nóng ở nhiệt độ khoảng 125 oC hoặc cao hơn sẽ tham gia phản ứng tách loại tạo alkene đầu mạch và amine bậc ba tương ứng (phản ứng tách loại Hofmann, xảy ra theo cơ chế lưỡng phân tử E2, hình thành alkene chứa ít nhóm thế ở liên kết đôi. 15.5.3.Phản ứng acyl hóa Các amine bậc một và amine bậc hai có khả năng tham gia phản ứng với các dẫn xuất acid chloride (clorua) hoặc anhydride hình thành các amide tương ứng. Trong khi đó các amine bậc ba không tham gia phản ứng này do không còn proton trên nguyên tử nitrogen. Đây là một trong những phản ứng đặc trưng của amine thơm và thường được sử dụng để bảo vệ nhóm –NH2 trong các quá trình tổng hợp hữu cơ. 148 ⇒ Cơ chế phản ứng acyl hóa của amine bậc 1 và bậc 2 15.5.4.Phản ứng sulfonyl hóa Các amine bậc một và bậc hai có khả năng tham gia phản ứng với các dẫn xuất sulfonyl chloride (clorua) như C6H5SO2Cl hình thành các hợp chất sulfonamide. Các amine bậc ba không tham gia phản ứng này. Sản phẩm phản ứng sulfonyl hóa của amine bậc một có khả năng tan trong dung dịch kiềm như NaOH hay KOH, trong khi sản phẩm của amine bậc hai lại không tan. Phản ứng này được sử dụng để phân biệt các amine bậc một, bậc hai và bậc ba (phản ứng Hinsberg) Không tan trong kiềm Tan trong kiềm 15.5.5.Phản ứng oxi hóa Phản ứng oxi hóa amine diễn ra theo nhiều giai đoạn khác nhau, tùy thuộc bản chất amine, tác nhân oxi hóa cũng như điều kiện phản ứng mà thu được sản phẩm khác nhau. 149 → Amine mạch hở bị oxi hóa tạo thành các sản phẩm khác nhau tùy theo bậc của amine → Amine dị vòng thơm dễ bị oxy hóa tạo thành các hợp chất có màu tùy theo tác nhân oxi hóa → Amine thơm dễ bị oxi hóa tùy theo điều kiện và tác nhân phản ứng. 15.5.6.Phản ứng với HNO2 (nitrous acid) Khi amine phản ứng với nitrous acid thì tùy theo cấu tạo của amine sẽ tạo thành các sản phẩm khác nhau: → Các amine thơm bậc một có mang nhóm thế trên vòng benzene khi phản ứng với HNO2 sẽ hình thành hợp chất diazonium gọi là phản ứng diazo hóa. Phản ứng thường được tiến hành với hỗn hợp NaNO2 và HCl ở nhiệt độ thấp 0 – 5 oC để tránh phân hủy muối diazonium 150 → Các amine hở bậc một cũng tham gia phản ứng với HNO3 hình thành các hợp chất diazonium tương ứng. Tuy nhiên, các muối diazonium của các amine béo không bền, phân hủy ngay ở nhiệt độ thấp, hình thành carbocation và giải phóng nitrogen. Từ đó hình thành các sản phẩm như alkene và alcohol. Phản ứng này được dùng để định lượng amine hở bậc một bằng cách đo thể tích nitrogen được giải phóng. → Các hợp chất amine thơm bậc hai và amine béo bậc hai có khả năng tham gia phản ứng với HNO2 để hình thành các hợp chất nitroamine. → Các amine béo bậc ba không tham gia phản ứng với HNO2 vì không còn proton trên nguyên tử nitrogen để bền hóa sản phẩm hình thành. → Các amine thơm bậc ba có khả năng tham gia phản ứng với HNO2 nhưng không phải vào nitrogen của nhóm chứa amine mà xảy ra phản ứng thế nhóm nitroso vào vị trí para của nhân thơm so với nhóm amine 151 15.6. Ứng dụng của hợp chất amine Hợp chất amine là những hợp chất trung gian quan trọng cho các ngành công nghiệp sản xuất phẩm nhuộm, các chất lưu hóa cao su, đặc biệt là ngành sản xuất dược phẩm… Rất nhiều loại dược phẩm là dẫn xuất của các amine có tác dụng nâng cao chất lượng cuộc sống, tuy nhiên có những amine là chất gây nghiện. Một số amine có hoạt tính sinh học quan trọng gồm: CH2CH2NH2 COOH N N H serotonin CH3 N nicotine B. HỢP CHẤT DIAZONIUM 152 N nicotinic acid 15.7. Điều chế muối diazonium Các muối diazonium của amine béo không bền nên ít có giá trị sử dụng trong tổng hợp hữu cơ. Ngược lại, các muối diazonium của amine thơm bền ở nhiệt độ thấp, là hợp chất trung gian quan trọng cho nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ. - Muối diazonium được điều chế từ các amine thơm bậc một bằng phản ứng với HNO2 (trong thực tế sử dụng hỗn hợp NaNO2 và một acid như HCl) ở nhiệt độ 0 – 5 oC - Trong môi trường acid, muối diazoni của amine thơm có cấu trúc ion (hay Ar-N2+) , gọi là arenediazonium ion. - Trong môi trường trung tính và môi trường base, arenediazonium ion tồn tại ở trạng thái cân bằng với arenediazohydroxide (aryldiazenol) và arenediazoate ion - Khi điều chế muối diazonium, thường sử dụng một lượng dư acid để giữ môi trường acid cho hỗn hợp phản ứng, ngăn chặn các phản ứng phụ. - Do HNO2 có thể mất dưới dạng NO hoặc NO2 trong quá trình phản ứng, cần kiểm tra sự có mặt của HNO2 bằng KI và hồ tinh bột (HNO2 oxi hóa I- thành I2 tự do, phản ứng với tinh bột cho màu xanh rất đặc trưng). Ngoài ra, phản ứng diazo hóa là phản ứng tỏa nhiệt mạnh, cần phải khống chế nhiệt độ hỗn hợp phản ứng trong khoảng 0 – 5 oC để tránh sự phân hủy muối diazonium 15.8. Phản ứng thế nhóm diazonium (giải phóng N2) 15.8.1. Phản ứng thủy phân Muối diazonium của amine thơm bị thủy phân hình thành phenol kèm theo sự giải phóng nitrogen tự do. Phản ứng xảy ra chậm ở nhiệt độ thấp và tốc độ phản ứng tăng 153 nhanh khi đun nóng. Phương pháp này được sử dụng để điều chế phenol trong phòng thí nghiệm. 15.8.2.Phản ứng halogen hóa Phản ứng giữa muối diazonium và KI được xem là phương pháp chuẩn để điều chế C6H5I và dẫn xuất từ benzene cũng như từ các hợp chất hydrocarbon thơm khác. Do anion I- có tính ái nhân mạnh hơn ion Cl-, vẫn có thể dùng HCl trong phản ứng diazo hóa và sau đó dùng KI trong phản ứng điều chế C6H5I. Thông thường dung dịch KI được cho vào dung dịch muối diazonium, sau đó hỗn hợp được đưa về nhiệt độ phòng hoặc gia nhiệt thêm để tăng tốc độ phản ứng. 15.8.3.Phản ứng nitrile hóa Đây là phương pháp điều chế hợp chất nitrile thơm rất hiệu quả. 15.8.4.Phản ứng khử nhóm diazonium 154 Nhóm diazonium trên nhân thơm có thể được thay thế bằng nguyên tử hydrogen dưới tác dụng của hydrophosphorus acid, H3PO2. Cũng có thể thay thế H3PO2 bằng ethanol khan hoặc NaBH4. 15.9. Phản ứng ghép đôi azo Các muối diazonium là các tác nhân ái điện tử tương đối yếu, chúng có thể tham gia phản ứng thế ái điện tử vào nhân thơm của các dẫn xuất hydrocarbon thơm có chứa nhóm tăng hoạt (như –OH, -OR, -NH2, -NHR…). Phản ứng hình thành sản phẩm chứa nhóm azo –N=N-, gọi là phản ứng ghép đôi azo. Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế ái điện tử thông thường, không kèm theo sự giải phóng N2. → Phản ứng ghép đôi giữa muối diazonium với phenol và các dẫn xuất xảy ra tốt nhất trong môi trường kiềm nhẹ. Trong điều kiện này, phenol tồn tại chủ yếu ở dạng ion phenolate (phenoxide ion), ArO-. Dưới tác dụng của hiệu ứng đẩy điện tử của nhóm thế -O-, ion phenolate được tăng hoạt mạnh hơn so với phenol. Do đó phản ứng thế ái điện tử xảy ra dễ dàng hơn. → Phản ứng ghép đôi azo giữa muối diazonium với các amine xảy ra tốt nhất trong môi trường acid nhẹ (pH = 5 – 7). Trong điều kiện này, nồng độ của ion diazonium sẽ lớn nhất, trong khi đó một lượng lớn amine tự do không bị chuyển về dạng muối ammonium tương ứng. Ở pH < 5, amine thơm tồn tại chủ yếu ở dạng muối ammonium không tham gia phản ứng ghép đôi. 155 → Khả năng tham gia phản ứng ghép đôi của các muối diazonium tăng khi trong phân tử chứa những nhóm thế hút điện tử mạnh như: -NO2, -SO3H… Khả năng tham gia phản ứng ghép đôi azo được sắp xếp theo trật tự. Các hợp chất azo Ar-N=N-Ar là những chất màu, màu của các hợp chất azo phụ thuộc vào: • Bản chất của các gốc hydrocarbon thơm • Bản chất của các nhóm thế • pH của môi trường. Một số phẩm nhuộm azo thông dụng được cho dưới đây: 156 BÀI TẬP CHƯƠNG 15 Bài 1. Cho biết các công thức sau là amine bậc mấy? Bài 2. Gọi tên các hợp chất sau đây. 157 158 159 Bài 3. Xác định công thức cấu tạo của các hợp chất amine có tên sau đây. a) 8-tert-butyl-5-(2-methylpentan-3-yl)-1-tridecanamine b) 5-(4-bromo-2-methylhexan-3-yl)-8-(3-methylpentan-3-yl)-1-tetradecanamine c) 5-(3-bromo-5-ethylheptan-4-yl)-8-(3-methoxypentan-3-yl)-10-tetradecen-1-amine. d) 4-amino-5-(3-bromo-5-ethylheptan-4-yl)-8-(3-(hydroxypentan-3yl)tetradecanamine e) 2-bromo-3-(4-bromo-1-chlorobutyl)-6-(5-(3-bromopropyl)-6-methoxy-8methylnonan-2-yl)cyclohexanamine Bài 4. Xác định sản phẩm chính từ phương trình phản ứng giữa benzyl amine với các tác nhân sau đây a) Hydrogen bromide b) Sulfuric acid c) Aceti acid ở nhiệt độ thường d) Acetyl chloride e) Acetic anhydride f) Acetone g) Acetone, sau đó với hydrogen có mặt xúc tác nickel h) Ethylene oxide 160 i) 1,2-epoxypropane j) Một lượng dư methyl iodide k) Sodium nitrile và dung dịch HCl loãng Bài 5. Từ butanol, điều chế mỗi chất sau a) Butylamine b) Dibutylamine c) Propylamine d) Pentylamine Bài 6. Xác định sản phẩm chính từ phương trình phản ứng giữa aniline với các tác nhân sau đây. a) Hydrogen bromide b) Một lượng dư methyl iodide c) Acetaldehyde d) Acetaldehyde và sau đó với hydrogen có mặt xúc tác nickel e) Acetic anhydride f) Benzoyl chloride g) Sodium nitrile trong dung dịch acid sulfuric loãng, ở 0 – 5 oC Bài 7. Hoàn thành các phản ứng sau đây. 161 162 Bài 8. Viết các phương trình phản ứng điều chế các hợp chất sau đây từ benzene, toluene và các hợp chất alcohol chứa bốn hay ít hơn bốn nguyên tử carbon, cùng với các tác nhân vô cơ và hữu cơ tự chọn khác. 163 Bài 9. Các tác nhân nào nên được sử dụng để thực hiện các chuyển hóa sau đây. 164 Bài 10. Trình bày phương pháp điều chế các hợp chất sau đây từ các nguyên liệu ban đầu đã cho, sử dụng thêm các tác nhân hữu cơ và vô cơ tự chọn khác. Bài 11. Xác định sản phẩm chính hình thành khi xử lý p-methylbenzamide với các tác nhân sau đây a) Hỗn hợp Br2 trong dung dịch NaOH đặc b) Br2 có mặt xúc tác FeBr3 165 c) Br2 có mặt ánh sáng tử ngoại d) Br2 trong dung môi CCl4 và thực hiện trong bóng tối Cho công thức cấu tạo của p-methylbenzamide Bài 12. Hoàn thành các phản ứng sau đây 166 Bài 13. Viết các phương trình phản ứng thực hiện các chuyển hóa sau đây, sử dụng thêm các hóa chất hữu cơ và vô cơ tự chọn khác. 167 Bài 14. Viết các phương trình phản ứng thực hiện các chuyển hóa sau đây, sử dụng thêm các hóa chất hữu cơ và vô cơ tự chọn khác. 168 Bài 15. Hoàn thành các chuỗi phản ứng sau đây. 169 170 171 CHƯƠNG 16 HỢP CHẤT CHỨA LƯU HUỲNH – PHOSPHO A. HỢP CHẤT CHỨA LƯU HUỲNH 16.1. Giới thiệu chung Các hợp chất chứa lưu huỳnh bao gồm các hợp chất sau: Bảng 16.1. Các hợp chất chứa lưu huỳnh Hợp chất Công thức Ví dụ Thiol, mercaptan RSH, ArSH Metanthiol: CH3SH Sulfid RSR, ArSR Diethysulfid: C2H5SC2H5 Sulfoxyd RSOR Dimethylsulfoxyd: Acid sulfenic RSOH Acid 1 propen sulfenic Acid sulfinic RSO2H Metansulfinic CH3SO2H Acid sulfonic RSO3H Metansulfonic CH3SO3H Sulfohalogenid RSO2X Benzensulfoclorid: C6H5SO2Cl 16.2. Thiol và sulfide a) Cấu tạo • Thiol gồm có thioalcol (R-SH) và thiophenol (Ar-SH) • Nhóm –SH được gọi là nhóm chức thiol hoặc mercptan b) Danh pháp • Tên hydrocarbon tương ứng và thêm thiol • Tên gốc hydrocarbon tương ứng và thêm mercaptan Đối với thiophenol: có thể gọi Thio + tên của phenol có số carbon tương ứng hoặc mercaptoaren 172 Các hợp chất thiol và sulfid có nhiều ứng dụng trong y dược, công nghiệp và nông nghiệp. Trong hóa hóa học các hợp chất thiol có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ. 16.3. Acid sulfonic a) Định nghĩa Là hợp chất có chứa nhóm chức –SO3H gồm có các loại sau: R-SO3H và Ar-SO3H b) Danh pháp Tên hydrocarbon tương ứng + sulfonic c) Điều chế acid sulfonic Bằng phương pháp sulfon hóa các hydrocarbon tương ứng. 173 d) Tính chất vật lý Hợp chất sulfonic acid là những hợp chất có tính chất vật lý đặc trưng của hợp chất phân cực mạnh. Chúng là những chất dễ kết tinh, dễ tan trong nước hơn các hợp chất hữu cơ khác, rất ít bay hơi, khi đun nóng bị phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi. Sufonic acid là acid mạnh, ion hóa hoàn toàn trong dung dịch nước Sulfonic acid tan trong một số dung môi phân cực như acid sulfuric, nhưng không tan trong các môi hữu cơ thông thường. Muối của sulfonic acid dễ dàng được tạo thành khi tác dụng với base e) Tính chất hóa học Sulfonic acid thơm có những tính chất sau: → Tính acid Sulfonic acid là acid mạnh gần bằng acid sulfuric. Tính acid là do ảnh hưởng của nhóm sulfo ArSO2-, với sự có mặt của hai nguyên tử oxy, vì thế điện tích âm của ion sulfonate được phân phối giữa ba nguyên tử oxy. → Khả năng tạo muối 174 B. HỢP CHẤT CHỨA PHOSPHO 16.4. Hợp chất chứa phospho Các hợp chất hữu cơ chứa phospho như là dẫn xuất của các hợp chất sau: - Phosphine: PH3 - Phosphorane: PH5 - Phosphorus oxoacid H3PO2 - Phosphorous acid: H3PO3 - Acid phosphoric: H3PO4 Các hợp chất hữu cơ chứa phosphor thường được chia thành hai nhóm - Hợp chất có nguyên tử phosphor liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon P-C - Hợp chất có nguyên tử phosphor không liên kết trực tiếp với carbon P-O-C 16.4.1.Phosphine Phosphine có 3 loại o Monoalkylphosphine: RPH2 o Dialkylphosphine: R2PH o Trialkylphosphien: R3P 16.4.2.Các alkyl của acid chứa phosphor 175 a) Acid dialkylphosphophinic b) Acid alkylphosphonic 16.4.3.Các ester của acid chứa phosphor a) Ester của acid phosphonic b) Các phosphite c) Ester của acid phosphoric 176 d) Ester của acid pyrophosphoric 177 CHƯƠNG 17 HỢP CHẤT HALOGENOACID, HYDROACID A. HỢP CHẤT HALOGENOACID 17.1. Giới thiệu chung Halogenide acid là những hợp chất được tạo thành do sự thay thế một hay nhiều nguyên tử hydro trên gốc hydrocarbon của acid carboxylic bằng các nguyên tử halogen. 17.2. Phương pháp điều chế 17.2.1.Halogen hóa acid carboxylic → Halogen hóa trực tiếp acid α-monocarboxylic bằng fluor (F2), chlor (Cl2), brom (Br2) khi có mặt của acid chứa proton, acid Lewis. Nếu có xúc tác ánh sáng (hγ), phản ứng thế xảy ra theo cơ chế thế gốc và không thế vào vị trí α → Halogen hóa acid benzoic bằng halogen có xúc tác Lewis tạo acid meta halogenobenzoic 178 17.2.2.Cộng hợp HX vào acid chưa no Cộng hợp HX vào acid carboxylic chưa no thu được halogenoacid. Phản ứng xảy ra trái với quy tắc Markonikov 17.3. Tính chất hóa học 17.3.1.Phản ứng thế ái nhân – phản ứng thủy phân - Halogenoacid là acid mạnh hơn acid carboxylic, nguyên tử halogen của halogenoacid thuộc dãy aliphatic tham gia phản ứng thế ái nhân - Halogenoacid rất dễ thủy phân 17.3.2.Phản ứng thế ái nhân – phản ứng thủy phân Trong môi trường kiềm đặc – alcohol, xảy ra phản ứng loại HX 17.4. Một số halogenoacid điển hình 17.4.1.Monochloro acetic acid Monochloro acetic acid được điều chế bằng cách chlor hóa acid acetic trong hỗn hợp anhydride acetic và acid sulfuric đậm đặc hoặc thủy phân trichloroetylene bằng acid sulfuric 75% ở 140 oC Monochloro acetic là tinh thể, có nhiệt độ nóng chảy 63 oC, dễ tan trong nước và etanol, được sử dụng để tổng hợp acid malonic, ester malonate và các chất màu. 179 17.4.2.Dichloro acetic (Cl2CHCOOH) → Được điều chế bằng cách đun chloralhydrate với calcium carbonate có xúc tác là sodiumcyanide (NaCN) → Hoặc thủy phân tetrachloroethylene bằng hơi nước 17.4.3.Trichloro acetic (Cl3C-COOH) Được điều chế bằng cách oxi hóa chloralhydrate bằng acid nitric đậm đặc Trichloroacetic là một acid mạnh, khi đun nóng với dung dịch kiềm loãng hoặc hơi nước sẽ thu được chloroform. B. HỢP CHẤT HYDROXYACID 17.5. Giới thiệu chung Hydroxy acid có thể được coi như dẫn xuất của acid carboxylic do thay thế một hay nhiều nguyên tử hydro của gốc R bằng một hay nhiều nhóm hydroxyl. Hydroxy acid có công thức chung như sau: Tùy thuộc vào số lượng nhóm carboxyl trong phân tử, người ta chia ra: - Hydroxy acid monocarboxylic: có một nhóm –COOH - Hydroxy acid dicarboxylic: có hai nhóm –COOH - Hydroxy acid tricarboxylic: có ba nhóm –COOH Cũng có thể dựa vào số lượng nhóm hydroxyl có trong phân tử, để chia thành 180 - Monohydroxy acid: có một nhóm –OH - Dihydroxy acid: có hai nhóm –OH - Trihydroxy acid: có ba nhóm –OH 17.6. Danh pháp - Nhiều hydroxy acid vẫn được gọi tên chỉ nguồn gốc đã phân lập được chúng Acid lactic (CH3-CHOH-COOH) lần đầu tiên được tìm thấy trong sữa chua lên men, acid citric có trong chanh - Có thể dùng chữ cái Hy Lạp α, β, γ… để chỉ vị trí của nhóm hydroxy - Theo danh pháp quốc tế, gọi tên như sau: Tên và vị trí nhóm OH + tên acid tương ứng 17.7. Phương pháp điều chế Nhiều hydroxy acid có trong thực vật như acid tartric trong nho, acid malic trong táo Nhiều hydroxyl acid được tạo ra do phản ứng lên men: acid lactic, acid citric. Một số hydroxy acid có thể điều chế bằng phương pháp sinh tổng hợp 181 17.7.1.Tổng hợp α-hydroxy acid a) Oxy hóa hoàn toàn 1,2-glycol b) Thủy phân α-halogeno acid bằng sodium hydroxide, hay sodium carbonate c) Từ aldehyde hoặc ceton d) Khử hóa α-ceton acid Khử hóa α-ceton acid với tác nhân khử hóa là hydro mới sinh từ hỗn hống natri, hoặc H2 với xúc tác 17.7.2.Tổng hợp β-hydroxy acid 182 a) Oxy hóa aldol b) Cộng hợp nước vào acid α-ethylenic c) Khử hóa β-ceton acid d) Cộng hợp acid hydrocyanic vào ethylene oxide rồi thủy phân nitrile tạo ra e) Phản ứng Reformatsky (1887) Cho ester của α-halogeno acid tác dụng với hợp chất carbonyl (aldehyde hoặc ceton) với sự có mặt của kẽm trong môi trường ether khan, sau đó đem thủy phân. 17.7.3.Tổng hợp γ-hydroxy acid Thủy phân các ester nội (lacton) 183 17.8. Tính chất vật lý - Các hydroxy acid monocarboxylic đơn giản là những chất lỏng sánh hoặc chất rắn. Tất cả hydroxy acid dicarboxylic là những chất kết tinh - Do mang các nhóm ưa nước nên các hydroxy acid rất dễ tan trong nước, nhiều hydroxy acid có tính hoạt quang 17.9. Tính chất hóa học 17.9.1.Tính chất của nhóm carboxyl - Tính acid: hydroxy acid có tính acid mạnh hơn so với acid carboxylic có cùng số carbon tương ứng. - Nhóm carboxyl trong phân tử hydroxy acid cũng có thể tham gia các phản ứng tạo thành muối, ester, clorid acid, amide… 17.9.2.Tính chất của nhóm hydroxyl Nhóm hydroxyl có thể tham gia vào các phản ứng như: ether hóa, ester hóa, oxy hóa… → Khi cho hydroxy acid tác dụng với hydrohalogenic acid thì nhóm –OH bị thay thế bằng halogen → Khi cho hydroxy acid tác dụng với Phosphorus pentachloride (PCl5) hay Thionyl chloride (SOCl2) thì cả hai nhóm chức (-COOH) và –OH) đều phản ứng tạo ra dẫn chất chloro của acyl chloride dễ bị thủy phân chuyển thành chloro acid: 184 → Phản ứng acyl hóa Nhóm –OH có thể chuyển thành ester khi cho tác dụng với anhydride acid (hoặc acyl chloride) → Phản ứng oxy hóa: Hydroxy acid bị oxy hóa trong điều kiện thích hợp, nhóm alcol bậc 1 và bậc 2 chuyển thành nhóm carbonyl 17.9.3.Phản ứng đặc trưng của hydroxy acid a) Phản ứng phân cắt α-hydroxy acid Khi đun nóng với acid sulfuric loãng, phân tử α-hydroxy acid bị phân cắt tạo ra aldehyde (hoặc ceton) và acid formic 185 b) Phản ứng loại nước Khi đun nóng các hydroxy acid dễ dàng tạo thành các sản phẩm khác nhau tùy tuộc vào vị trí tương đối của hai nhóm hydroxyl và carboxyl ⇒ sử dụng phản ứng này để phân biệt các hydroxy acid khác nhau → α-hydroxy acid Khi đun nóng nhẹ dưới áp suất giảm nhẹ thì α-hydroxy acid bị ester hóa kép tạo ra diester vòng 6 cạnh gọi là lactide. Trong quá trình này các nhóm hydroxyl và carboxyl (của hai phân tử) ester hóa lẫn nhau: → β-hydroxy acid β-hydroxy acid khi đun nóng, bị loại ra một phân tử nước tạo ra acid α,β-ethylenic và một lượng nhỏ β,γ-ethylenic → γ- và δ-hydroxy acid 186 γ- và δ-hydroxy acid rất dễ dàng chuyển thành ester nội phân tử có vòng 5 cạnh hoặc 6 cạnh gọi là lacton: 17.10. Một số hydroxy acid điển hình 17.10.1. - Acid glycolic (hydroxy acetic acid) Acid glycolic là chất đơn giản nhất của dãy hydroxy acid, trong tự nhiên acid glycolic có trong quả nho chưa chín, củ cải đường… - Acid glycolic là chất kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy 80 oC, dễ tan trong nước, được dùng làm chất thay thế acid tartric trong nước giải khát 17.10.2. Acid latic (2-hydroxypropanoic acid) Có trong sữa chua lên men và một số sản phẩm lên men chua như: cải, dưa… Acid lactic tồn tại dưới hai dạng đồng phân đối quang và một hỗn hợp racemic • L (+) lactic acid: tnc = 26 oC [α]D = 3,8o • D (+) lactic acid: tnc = 26 oC [α]D = -3,8o • (±) lactic acid: tnc = 18 oC [α]D = 0o 17.10.3. Một số acid khác 187 BÀI TẬP CHƯƠNG 17 Bài 1. Viết công thức cấu tạo và gọi tên theo danh pháp IUPAC các acid sau: a) Acid lactic b) Acid malic c) Acid tartaric d) Acid maldelic e) Acid citric Bài 2. Hãy viết phản ứng các quá trình tổng hợp các acid sau: a) Acid glycolic từ acid acetic b) Acid lactic từ acetylen c) Acid maldelic từ toluene Bài 3. Lập sơ đồ tổng hợp các acid sau đây theo phản ứng Reformatski a) n-valeric acid b) α,γ-dimethylvaleric acid từ ester malonic 188 CHƯƠNG 18 HỢP CHẤT DỊ VÒNG 18.1. GIỚI THIỆU CHUNG 18.1.1.Định nghĩa Là những hợp chất hữu cơ có cấu tạo vòng và trong vòng có chứa một hay nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác ngoài carbon. Các nguyên tố này gọi là dị nguyên tố, thường gặp: N, O, S ngoài ra còn gặp Se, Te, P, Si… 18.1.2.Phân loại Thường được chia thành 3 loại theo tiêu chuẩn sau: - Theo dị nguyên tố: hợp chất dị vòng chứa O, N, S - Theo vòng: vòng 3, 4, 5,6, 7, 8… cạnh. Dị vòng 5, 6 cạnh thường gặp nhiều trong các hợp chất thiên nhiên và chất tổng hợp, nhiều loại có tác dụng sinh học quan trọng và được sử dụng nhiều trong thực tế. - Theo mức độ không no của vòng: dị vòng có tính thơm, dị vòng no, dị vòng chưa no một phần. Với: Dị vòng thơm: là những dị vòng có cấu trúc điện tử của vòng phù hợp với công thức Huckel (4n+2)eπ Dị vòng không thơm: là dị vòng no hoặc chưa no 189 18.1.3. Danh pháp 18.1.3.1. Danh pháp thông thường Có khoảng 60 hợp chất dị vòng được gọi tên theo danh pháp thông thường 18.1.3.2. Danh pháp hệ thống a) Danh pháp của hợp chất dị vòng đơn vòng 190 Cách đọc tên dị vòng thường dựa và 4 yếu tố là: tiếp đầu ngữ, vòng, mức độ không no của vòng và vị trí của dị nguyên tố. • Tiếp đầu ngữ: đọc theo tên của các dị tố Bảng 17.1. Tiếp đầu ngữ chỉ tên các dị tố Dị tố Hóa trị Tiếp đầu ngữ Oxygen O II Oxa Sulphur S II Thia Selenium Se II Selena Tellurium Te II Telura Nitrogen N III Aza Phospho P III Phospha Arsen As III Arsa Sillic Si IV Sila Germani Ge IV Germa Bhor B III Bora Trường hợp trong vòng có nhiều dị tố giống nhau, ghép thêm vào tiếp đầu ngữ để chỉ số lượng các dị tố như: di, tri, tetra… Nếu trong vòng có hai hay nhiều dị tố khác nhau thì ưu tiên dị tố ở nhóm cao nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố và có số nguyên tố nhỏ nhất trong nhóm ấy. Cụ thể thứ tự ưu tiên khi gọi tên các dị nguyên tố: O, S, Se, Te, N, P, As, Sb, Si, Sn, Pb, Hg • Tiếp vị ngữ: Tượng trưng cho số cạnh của vòng và mức độ chưa no của vòng. Mỗi vòng được đặc trưng bằng một vần 191 Bảng 17.2. Các tiếp vị ngữ thông dụng Số cạnh của vòng Từ cơ bản Vòng có nitơ Vòng không có nitơ Có số liên Bão Có số liên kết tối đa hòa kết tối đa 3 -ir- irin 4 -et- et 5 -ol- 6 Bão hòa iren iran etidin et etan ol olidin ol olan -in- in * in an 7 -ep- epin * epin epan 8 -oc- ocin * ocin ocan (*): thêm “pehydro” vào từ cơ bản và tiếp vị ngữ của các hợp chất chưa bão hòa tương ứng. • Cách đánh số Trường hợp dị vòng chứa 1 dị nguyên tố thì ưu tiên số 1 cho dị nguyên tố, có thể dùng chữ cái Hy Lạp như: α, β, γ để chỉ các vị trí vòng. 192 4 5 CH3 3 1 N 2 H 3-methyl pyrrole ( methyl pyrrole) Trường hợp trong vòng có nhiều dị nguyên tố giống nhau thì đánh số sao cho các dị tố có chỉ số nhỏ nhất và tổng các chỉ số mà dị nguyên tố chiếm là một số nhỏ nhất. Nếu một vòng chứa hai dị nguyên tố là nitrogen thì ưu tiên cho nitrogen bậc hai rồi mới đến bậc 3. Trường hợp trong vòng chứa các dị nguyên tố khác nhau thì ưu tiên số một cho dị nguyên tố đứng trước trong cách gọi tên theo hệ thống và đánh số sao cho tổng các chỉ số mà dị nguyên tố chiếm là nhỏ nhất b) Danh pháp hệ dị vòng ngưng tụ Nguyên tắc: chọn một dị vòng trong hệ ngưng tụ làm vòng cơ bản, còn các vòng khác được coi như phần thay thế. • Hệ hai vòng, có một vòng là dị vòng: chọn dị vòng là vòng cơ bản, vòng còn lại là vòng phụ và gọi bằng tiếp đầu ngữ benzo (để gọi vòng benzene). Đối với hệ ngưng 193 tụ này, người ta thường đánh số bắt đầu từ đỉnh bên phải (không bắt đầu từ dị tố) và tiếp tục theo chiều kim đồng hồ theo hệ đa vòng. • Hệ hai dị vòng Chọn vòng cơ bản theo quy tắc: - Nếu cùng cỡ vòng thì ưu tiên vòng chứa dị nguyên tố Nitrogen, sau đó là vòng chứa oxygen rồi mới đến vòng có lưu huỳnh. - Nếu khác cỡ vòng thì vòng lớn hơn được chọn làm vòng chính - Nếu trong các vòng có nhiều dị nguyên tố khác nhau thì vòng nào chứa nhiều dị nguyên tố hơn được chọn làm vòng chính. Cách đánh số: - Các cạnh của dị vòng chính được xác định bằng chữ theo trình tự đánh số bình thường của vòng đó khi đứng một mình - Các đỉnh của dị vòng thế được xác định bằng số theo trình tự đánh số bình thường của vòng khi đứng riêng một mình sao cho các chỉ số có giá trị nhỏ nhất và dị tố gần với cạnh (a) nhất. - Khi các vòng thế chỉ là vòng carbon (không có dị nguyên tố) thì không cần xác định các cạnh như vậy. 194 Trong cách gọi tên chung thì tên của vòng cơ bản được giữ nguyên, còn tên của vòng thế được đổi đuôi thành “o” (Vòng ghép) Vòng chính Vòng chính (vòng chính) (Vòng ghép) Vòng ghép • Hệ ba dị vòng - Phân biệt dị vòng thế thứ nhất và thứ hai bằng cách dùng chữ số có phẩy (vòng ghép) 195 (vòng chính) (vòng ghép) (vòng chính) (vòng ghép 1) (vòng ghép 2) • Hệ thống đa vòng Việc xác định các đỉnh của hệ thống đa dị vòng ngưng tụ phức tạp cần tuân theo một số nguyên tắc sau: - Viết tối đa số vòng theo chiều nằm ngang, còn các vòng khác viết về phía bên phải trục hoành - Đánh số theo chiều kim đồng hồ bắt đầu từ đỉnh của vòng cao nhất ở bên phải sao cho dị tố có chỉ số thấp nhất - Các nguyên tử carbon ở cạnh nối lấy số nguyên tử carbon trước đó và thêm chữ “a” Đúng Sai Đúng Sai 196 18.2. Tính chất của một số hợp chất dị vòng điển hình 18.2.1. Nhóm furan 18.2.1.1. Nguồn gốc thiên nhiên và phương pháp điều chế Furan được tìm thấy trong hắc ín nhựa thông đuôi ngựa và trong kháng sinh do nấm tiết ra. Có thể điều chế furan bằng các phản ứng: → Decarboxyl hóa furfural: Khi đun nóng pentosane trong môi trường acid chlohydride, thủy phân được pentose, tiếp theo là phản ứng loại nước và đóng vòng thu được furfural. Thực hiện phản ứng loại nhóm carbonyl của furfural sẽ thu được furan: → Dehydrate hóa hợp chất 1,4-dicarbonyl: → Ngưng tụ α-halogenoceton với ester của β-ceton acid 197 18.2.1.2. Tính chất Furan có mùi giống như cloroform, không tan trong nước, nhân furan không bền vững với các tác nhân acid mạnh vì trong điều kiện đó, furan dễ dàng bị polymer hóa • Phản ứng thế: dễ xảy ra ở vị trí 2, vì furan không bền trong môi trường acid nên phản ứng này phần nào bị hạn chế. Furan còn tham gia phản ứng thế kim loại ở vị trí α và carbonate hóa ra acid. Br2 + O Br Br 2-bromof uran 2-nitrof uran O NO2 SO3/pyridine f uran Br 2,5-dibromof uran HNO3 f uran-2-sulf onic acid O O O SO3H (CH3CO)2O 2-acetyl f uran AlCl3 O R COCH3 Li+ + CO2 -RH O Li 2-f uryl lithium • Phản ứng cộng: xảy ra dễ dàng hơn so với benzene 198 O COOLi Furoate lithium • Tính bền vững của nhân: nhân furan kém bền vững hơn so với nhân benzene nên có thể phá vỡ vòng bởi phản ứng hydrogen hóa hay oxy hóa hoặc với chì acetate trong môi trường acid acetic: c) Dẫn xuất của furan • Furfural Là chất lỏng, có mùi giống benzaldehyde, được điều chế bằng phản ứng loại nước ở pentose trong môi trường acid ở nhiệt độ cao. • Benzo furan (hay cumaron) 199 18.2.2.Nhóm thiophene 18.2.2.1. Danh pháp nhóm thiophene Cách đánh số vòng thiophene giống như đối với vòng furan, gốc có nhân thiophene đọc là thienyl 18.2.2.2. Nguồn gốc thiên nhiên và phương pháp điều chế a) Nguồn gốc thiophene có trong hắc in than đá, trong quá trình chưng cất than đá, thiophene (T0s = 84 0 C) được tách ra cùng với benzene (T0s = 80 oC) b) Tổng hợp Thiophen được tổng hợp bằng các phương pháp sau: - Ngưng tụ acetylen với lưu huỳnh trên quặng sắt sulfid (pyrit) ở 350 oC) - Người ta thường sử dụng phản ứng ở pha khí giữa lưu huỳnh và butan ở nhiệt độ trên 500 oC (lưu huỳnh là tác nhân loại hydro) 200 c) Tính chất: Thiophene là chất lỏng không tan trong nước, có mùi mạnh và khó chịu, nhiệt độ sôi 84oC • Phản ứng thế ái điện tử Dưới tác dụng của acid, thiophene bền vững hơn furan và pyrrole, điều này cho phép sử dụng các tác nhân acid khi thực hiện phản ứng thế ái điện tử ở vòng thiophene. Nhìn chung, phản ứng thế ái điện tử xảy ra dễ dàng hơn so với benzene và vào vị trí α. I2 HgO 2-iodothiophene S I 2-nitrothiophene HNO3 (CH3CO)2O S NO2 H2SO4 2-thienyl sulf onic acid S S SO3H HCl 2-(chloromethyl)thiophene HCHO S O C6H5COCl AlCl3 CH2Cl C 2-benzoyl thiophene S • Phản ứng cộng Thiophene bị hydrogen hóa với hỗn hống natri trong môi trường ethanol và tạo thành thiophan (thiolan) 201 • Sự bền vững của nhân So với furan và pyrrole thì thiophene bền vững hơn trong phản ứng mở vòng. Thiophene bền vững với các tác nhân oxy hóa mạnh như kalipermaganate nhưng với tác nhân khử hóa thì nhân thiophene bị phá vỡ và loại sulfide • Tính chất của dị nguyên tố Dị nguyên tố ít hoạt tính, dễ dàng tham gia phản ứng thế ái điện tử và nhân bền vững d) Ứng dụng Các dẫn xuất của thiophene thường ít gặp trong thiên nhiên. Thiophene có trong cấu trúc của ichthyol là thuốc chữa bệnh ngoài da. Dẫn xuất 2,5-diiodo thiophene có tác dụng sát khuẩn, tẩy mùi được sử dụng thay thế iodoform 18.2.3.Nhóm pyrrole 18.2.3.1. Danh pháp Cách đánh số của nhân pyrrole giống như furan và thiophene. Gốc pyrrole được gọi là pyrrolyl 18.2.3.2. Điều chế 202 Pyrrole được tạo thành khi cất than đá hay cất xương đã lọc hết mỡ. Nhân pyrrole có trong một số chất màu thiên nhiên như phẩm chàm (indigo), indirubin và trong công thức của chlorophyl, hemoglobin. Có thể điều chế pyrrole bằng các phương pháp sau → Cho furan tác dụng với NH3 ở nhiệt độ cao và xúc tác → Từ acid succinic → Đóng vòng dẫn xuất γ-dicarbonyl 18.2.3.3. Tính chất Pyrrole là chất lỏng không màu, để lâu bị vàng, nâu rồi hóa nhựa. Nhiệt độ sôi 130 o C, ít tan trong nước, dễ tan trong alcol và ether. Pyrrole tham gia các phản ứng hóa học sau: 203 a) Phản ứng thế ái điện tử: Trong môi trường acid mạnh, nhân pyrrole không bền vững nên phản ứng thế ái điện tử khó xảy ra. Phản ứng thế dễ dàng xảy ra ở môi trường kiềm, khi đó nhân pyrrole được hoạt hóa do hiệu ứng cho điện tử tương đương như phenol và aniline. Pyrrole tham gia vào các phản ứng thế ái điện tử sau: • Phản ứng cộng Pyrrole tham gia phản ứng cộng rất khó khăn, tùy theo tác nhân phản ứng mà nhân pyrrole bị hydro hóa một phần hay hoàn toàn. 204 Pyrrolin và pyrrolidine có tính base của amine bậc hai • Tính chất của dị tố Sự phân bố mật độ điện tử làm cho vòng pyrrole bền vững. Cặp điện tử tự do của nitrogen tham gia tạo hệ thống thơm nên nitrogen bị giảm tính base. Do đó pyrrole là một base rất yếu (Kb ~ 10-14) và cũng là một acid yếu, trong môi trường acid mạnh, pyrrole trùng hợp thành nhựa màu đỏ. Trường hợp ở vị trí 1 còn nguyên tử hydro, pyrrole tạo muối K và Mg 18.2.3.4. Dẫn xuất của pyrrole - Bilirubin: là sắc tố mật, được tạo ra bởi 4 nhân pyrrole liên kết bằng mạch carbon 205 - Porphine: gồm có 4 vòng pyrrole liên kết với nhau, khi các đỉnh của porphin chứa các nhóm thế khác nhau gọi là porphirin. ( Z) N NH NH N ( Z) porphine - Indole hay benzo[b]pyrrole: được tìm thấy trong nhân indole trong tinh dầu hoa nhài và trong phân tử của nhiều alkaloid như: reserpin, strichnin và tryptophan, phẩm chàm indigo. 18.2.4.Nhóm diazole - Azole: là tên gọi chung chỉ các dị vòng thơm 5 cạnh chứa hai hay nhiều dị nguyên tố, trong đó có ít nhất một dị nguyên tố là nitrogen - Tiếp đầu ngữ “diaz”: chỉ sự có mặt của hai nguyên tử nitrogen - Tiếp vị ngữ “ole”: chỉ vòng 5 cạnh. Tùy theo vị trí của dị nguyên tố mà ta có 1,2 hay 1,3- diazole. Tuy nhiên, người ta thường gọi các chất này bằng tên riêng. 18.2.4.1. Nguồn gốc thiên nhiên và phương pháp điều chế. 206 Hợp chất chứa vòng imidazole có nhiều trong động vật và trong một số alkaloid, vòng pyrazole không có nhiều trong các hợp chất thiên nhiên. Hai dị vòng này thường được tổng hợp bằng phương pháp sau - Tổng hợp pyrazole bằng cách cho β-diaceton tác dụng với hydrazine thu được vòng pyrazole tương ứng. - Tổng hợp imidazole bằng cách ngưng tụ α-diceton với amoniac và có mặt aldehyde formic 18.2.4.2. Tính chất Pyrazole ở dạng kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy 70 oC, imidazole có nhiệt độ nóng chảy 90 oC • Tính chất hóa học của nhân thơm Hai chất này có những tính chất chung của diazole và tính thơm thể hiện rõ như nhân thơm bền vững với phản ứng oxy hóa và dễ cho phản ứng thế ái điện tử như: sulfo hóa, nitro hóa chủ yếu vào vị trí 4. Tính chất của dị nguyên tố Diazole có tính acid do nhóm NH giống như pyrrole. Nguyên tử nitrogen thứ hai của diazole còn cặp điện tử tự do nên nó tác dụng với nguyên tử hydro của nước và giải phóng ra ion OH- biểu hiện tính base, do đó diazole có tính base giống như pyridine. So sánh tính base như sau: Imidazole > pyrazole > Pyrrole 207 18.2.4.3. Các dẫn xuất của diazole - Dẫn xuất của pyrazole: nhân pyrazole không có nhiều trong các hợp chất thiên nhiên nhưng nhiều dẫn xuất của nó được sử dụng trong y dược. Một số dẫn xuất quan trọng như: Antipyrin (1-phenyl 2,3-dimethyl-5-pyrazolon) được dùng làm thuốc hạ sốt và giảm đau, phenyl butazon là thuốc chống viêm là một dẫn xuất của pyrazolidindion - Dẫn xuất của imidazole: được tìm thấy trong nhiều hợp chất của động vật và thực vật (alkaloid). Nhiều hợp chất của imidazole được sử dụng trong y dược. 18.2.5.Nhóm thiazole và isothiazole Thiazole và isothiazole là dị vòng 5 cạnh có chứa một nguyên tử nitrogen và một nguyên tử lưu huỳnh. 208 Các thiazole có tính thơm cao hơn các oxazole: nhân bền vững với các tác nhân oxy hóa, phản ứng thế ái điện tử xảy ra khó khăn, tính base yếu. Thiazole thường tạo ra các muối bền vững. 18.2.6.Nhóm pyridine Pyridine là dị vòng 6 cạnh có chứa một dị nguyên tố là nitrogen. Pyridine và các dẫn xuất có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt trong ngành Dược. Các khung pyridine, benzo pyridine và benzoquinoline có trong hợp chất thiên nhiên và một số loại thuốc tổng hợp. 18.2.6.1. Pyridine Pyridine có tính chất giống như các hợp chất thơm, khó cho phản ứng cộng và dễ dàng tham gia phản ứng thế. a) Nguồn gốc thiên nhiên và phương pháp điều chế • Nguồn gốc thiên nhiên Khung pyridine có trong nhiều hợp chất tự nhiên (các alkaloid). Khi đốt nóng than đá hay xương động vật, thu được pyridine và đồng đẳng (methylpyridine và dimethylpyrindine, trimethylpyridine) 209 Pyridine có thể được điều chế từ hắc ín than đá, lấy dầu nhẹ và trung bình cho tác dụng với acid sulfuric tạo thành sulphate tan trong nước, sau đó kiềm hóa dung dịch nước để giải phóng pyridine dưới dạng base. • Phương pháp tổng hợp - Cho hỗn hợp acetylen và acid hydrocyanic đi qua ống đốt nóng. - Tổng hợp dẫn xuất của pyridine bằng cách đóng vòng acrolein với amoniac b) Tính chất Pyridine là một chất lỏng, có mùi khó chịu, nhiệt độ sôi là 115 oC, hòa tan trong nước và các dung môi hữu cơ. Bản thân pyridine cũng là một dung môi. Tính chất đặc trưng nhất của pyridine là tính base, pyridine tham gia các phản ứng bình thường của một vòng thơm (đặc biệt là phản ứng thế ái điện tử) và tham gia cả phản ứng thế ái nhân. Có những phản ứng pyridin tham gia như một base hoặc một tác nhân ái nhân, trong một số phản ứng khác nitrogen tham gia trực tiếp hoặc do đôi điện tử của nó. - Tính chất của nhân Tính thơm của pyridine thể hiện ở phản ứng thế, phản ứng cộng và sự bền vững của nhân. Tuy vậy, so với nhân benzene, các phản ứng của pyridine có sự khác biệt. → Phản ứng thế ái điện tử: Khó tham gia phản ứng thế ái điện tử hơn các dẫn xuất của benzene, tham gia phản ứng sulfon hóa, nitro hóa và halogen hóa với điều kiện rất khó khăn, không tham gia các phản ứng kiểu Friedel – Crafts. 210 → Phản ứng thế ái nhân: dễ dàng vào vị trí 2, 4 và 6 → Phản ứng hydro hóa: khi hydro hóa pyridine có xúc tác thu được hợp chất vòng no là piperidin 211 - Tính chất hóa học của dị nguyên tố → Tính base o Nguyên tử nitrogen tham gia vào hệ thống liên hợp của nhân nhưng không nhường hẳn cặp điện tử tự do, do đó pyridine có tính base rõ rệt. Dung dịch pyridine trong nước làm chuyển màu giấy quỳ. o Pyridine có một đôi điện tử có thể tác dụng với acid và không làm thay đổi tính chất thơm của vòng o Pyridine tạo muối tan trong nước (chlohydrate) hay không tan (picrate) o Nếu cho dung dịch nước pyridine tác dụng với FeCl3 sẽ thu được tủa Fe(OH)3 → Alkyl hóa Giống như các amine khác, pyridine có tính ái nhân và phản ứng với alkyl halogenide cho muối ammonium bậc 4 → Tạo N-Oxide Khi tác dụng với H2O2, pyridine tạo N-oxide bền vững và được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ 212 18.2.6.2. Benzopyridine - Benzopyridine gồm một vòng ngưng tụ với một vòng benzene, nến ngưng tụ ở vị trí 2,3 là quinoline, còn ngưng tụ ở vị trí 3,4 là isoquinoline - Dibenzopyridine gồm một vòng pyridine ngưng tụ với hai vòng benzene ở hai bên (vị trí 2,3 và 5,6 điển hình là acridine a) Quinoline 1 8 N 7 6 2 3 5 4 quinoline • Nguồn gốc thiên nhiên và phương pháp điều chế Quinoline có trong hắc ín than đá. Hiện nay, quinoline và các đồng đẳng được tổng hợp bằng các phương pháp: → Ngưng tụ cấu trúc 3 carbon vào aniline (tổng hợp Skraup) Dùng hỗn hợp aniline, glycerine, nitrobenzene (tác nhân oxi hóa) trong môi trường acid sulfuric đậm đặc, xúc tác là FeSO4 213 → Ngưng tụ cấu trúc 2 carbon vào ortho aminceton (tổng hợp Friedlander và Pfitzinger) Tổng hợp Friedlander: ngưng tụ aniline có nhóm carbonyl (aldehyde hoặc ceton) ở vị trí ortho với một aldehyde hoặc ceton khác. Tổng hợp Pfitzinger: ngưng tụ ceton với acid isatinic (tạo thành bằng cách thủy phân isatin) có nhóm carbonyl ở vị trí ortho đối với nhóm –NH2 • Tính chất Quinoline là chất lỏng không màu, nhiệt độ sôi 238 oC, để lâu chuyển sang màu vàng nâu. Không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ. Cặp điện tử tự do của nitrogen gây ra tính base, dễ dàng tạo muối ammonium bậc 4 và oxy hóa thành N-oxide tương ứng. Phản ứng thế ái điện tử xảy ra khó khăn ở dị vòng (vị trí 3) hoặc ở nhân benzene (vị trí 5, 8). Phản ứng thế ái nhân xảy ra ở vị trí 2 và 4. → Tính chất của dị nguyên tố Tính base của quinoline yếu hơn pyridine, nó có thể tạo muối ammonium bậc 4 với alkyl halogenide 214 → Phản ứng thế ái điện tử: Phản ứng này xảy ra rất khó khăn → Phản ứng thế ái nhân: dưới tách dụng của sodium amide thu được 2aminoquinoline → Phản ứng cộng 215 → Sự bền vững của nhân Nhân pyridine trong phân tử quinoline bền vững hơn nhân benzene. Với tác nhân oxi hóa như KMnO4, hay H2O2, nhân benzene bị phá vỡ tạo ra acid quinolic, chất này dễ bị khử nhóm carboxyl tạo thành acid nicotinic • Ứng dụng của nhân quinoline Quinoline là khung của nhiều alkaloid và thuốc tổng hợp như quinin, plasmocid (thuốc sốt rét tổng hợp), atophan (thuốc chữa thấp khớp và giúp bài tiết acid uric trong bệnh Gout 18.2.7.Nhóm diazine Là nhóm hợp chất dị vòng có hai dị nguyên tố là nitrogen Diazine có 3 đồng phân 18.2.7.1. Pyrimidine a) Điều chế Pyrimidin được điều chế bằng cách ngưng tụ các dẫn xuất β-dicarbonyl hay ester β-ceton hoặc ester malonic với các hợp chất có cấu trúc N-C-N như urea, guanidine, amidine 216 b) Tính chất vật lý Pyrimidine là chất rắn bền vững, không màu, nhiệt độ nóng chảy 22,5 oC và nhiệt độ sôi 124 oC, dễ tan trong nước. c) Tính chất hóa học - Các nguyên tử nitrogen có độ âm điện cao nên làm giảm mật độ điện tử ở các nhóm CH trong nhân, nhất là ở vị trí 2, 4, 6: - Do sự phân bố điện tử không đồng đều nên phản ứng thế ái điện tử gặp khó khăn và chỉ xảy ra ở vị trí 5 không bị nghèo điện tử như ở các vị trí khác. - Phản ứng thế ái nhân có thể xảy ra như pyridine, với sodium amide có thể tạo thành 4 –aminopyrimidine - Nhân thơm bền vững dưới tác dụng của các chất oxy hóa như KMnO4 - Pyrimidin là một base yếu, ở dạng dung dịch nó cho phản ứng trung hòa và chỉ tạo muối với acid mạnh. d) Ứng dụng của pyrimidine Pyrimidine có trong thành phần phân tử acid nucleic (gồm có acid deoxyribonucleic AND và acid ribonucleic ARN), trong đó AND là chất hóa học mang thông tin di truyền của tế bào. Mật mã trong AND của tế bào là toàn bộ thông tin xác định bản chất của tế bào, điều khiển sự phát triển và phân chia của tế bào. 217 18.2.7.2. Thiazine Là hợp chất dị vòng 6 cạnh có hai dị nguyên tố trong đó một dị nguyên tố là nitrogen và một dị nguyên tố là lưu huỳnh. • Điều chế Đun nóng diphenylamine với lưu huỳnh với sự có mặt của AlCl3 hay iode • Tính chất Là tinh thể không màu hoặc màu vàng nhạt, có nhiệt độ nóng chảy 180 oC Tính base rất yếu và không thể tạo muối bền vững. Nguyên tử hydro của nitrogen linh động nên khi tác dụng với sodium amide tạo thành dẫn xuất sodium của phenothiazine, từ đó có thể tạo ra các dẫn xuất alkyl hóa hay aryl hóa. Tác dụng với halogen, phenothiazine có thể tạo muối 218 • Ứng dụng Phenothiazine có trong dãy hợp chất có nhân amimo alkyl hóa ở vị trí số 10. Các chất này có tác dụng giảm áp trên hệ thần kinh trung ương nên được sử dụng làm thuốc an thần, kháng histamin, chống nôn.. Phenothiazine còn là khung của một loạt phẩm nhuộm, trong đó có xanh methylene, nhân phenothizine không màu nhưng do sự có mặt của các nhóm trợ màu amine gắn vào nhân nên có màu trong môi trường acid vì chúng gây nên sự phân cực mạnh trong phân tử. BÀI TẬP CHƯƠNG 18 Bài 1. Gọi tên các chất sau: Bài 2. Vẽ công thức cấu tạo các chất có tên gọi sau: 219 a) 1,8-diazanaphthalene b) 1-oxa-2-azacyclobut-2-ene c) Selenacyclopentane d) 1-thia-3-azacycloheptatriene e) 2H-1,2-benzoxazine f) Thieno[3,4-b]furan g) Furo[3,2-d]pyrimidine h) 4H-[1,3]thiazino[3,4-a]azepine Bài 3. Gọi tên các chất sau theo danh pháp Hantzsch – Widman Bài 4. Viết công thức cấu tạo và gọi tên các sản phẩm tạo thành của các phản ứng sau: a) Thiophene + H2SO4 đđ → b) Thiophene + anhydride acetic, ZnCl2 → c) Thiophene + acetylchloride, TiCl4 → d) Thiophene + acid nitric đđ trong acid acetic → (A) e) (A) + Sn + HCl → f) Thiophene + Br2 → (B) g) (B) + Mg/ether khan → Sản phẩm + CO2 và tiếp tục tác dụng với H+ h) Pyrrole + SO3/pyridine → i) Pyrrole + HO3S-C6H4N2+ → (C) j) (C) + SnCl2/HCl → k) Pyrrole + H2/Ni → C4H9N l) Furfural + Acetone (base) → 220 Bài 5. Viết công thức cấu tạo và gọi tên sản phẩm tạo thành của các phản ứng sau (nếu xảy ra) a) Pyridine + Br2 ở 300 oC b) Pyridine + H2SO4 ở 350 oC c) Pyridine + acetyl chloride, AlCl3 d) Pyridine + KNO3, H2SO4, 300 oC e) Pyridine + NaNH2, đun nóng f) Pyridine + C6H5Li g) Pyridine + HCl loãng h) Pyridine + NaOH loãng i) Pyridine + anhydride acetic j) Pyridine + benzenesulfochloride k) Pyridine + ethylbromide l) Pyridine + benzylchloride m) Pyridine + peracetic acid n) Pyridine + H2, Pt 221 CHƯƠNG 19 CARBONHYDRATE (GLUCID) 19.1. Giới thiệu chung Carbonhydrate còn gọi là các glucid hay saccharide, là các hợp chất hỗn chức polyhydroxyaldehyde, polyhydroxyceton và một số dẫn xuất ngưng tụ của chúng - Thành phần nguyên tố của carbonhydrate gồm có C, H, O. Carbonhydrate có công thức tổng quá là Cm(H2O)n. - Đây là một trong những thành phần quan trọng của cơ thể sinh vật, chiếm tới gần 80% trọng lượng khô của thực vật và khoảng 2% của cơ thể động vật. - Trong thực vật, carbonhydrate được hình thành do quá trình quang hợp xảy ra nhờ năng lượng ánh sáng mặt trời và nhờ xúc tác của chlorophyl có trong lá cây. Còn động vật không có khả năng tổng hợp carbonhydrate mà phải tiếp nhận nó từ các thực phẩm có nguồn gốc thực vật như tinh bột, cellulose.. - Carbonhydrate được xem như là nguồn thực phẩm chính để cung cấp năng lượng cần thiết cho sự sống. - Carbonhydrate được phân loại thành: • Carbonhydrate đơn giản (monosaccharide) • Carbonhydrate phức tạp) 19.2. Monosaccharide → Monosaccharide còn gọi là đường đơn, vì có thành phần đơn giản nhất của carbonhydrate và không bị thủy phân. → Monosaccharide được xem như là sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn của các polyalcol có chứa nhóm chức aldehyde và ceton. 19.2.1.Danh pháp 19.2.1.1. Danh pháp quốc tế - Các carbonhydrate đều có tiếp vị ngữ là “ose” - Monosaccharide có chứa aldehyde gọi là aldose 222 - Monosaccharide có chứa ceton gọi là cetose Ngoài ra còn tùy thuộc vào cấu tạo mà chúng còn có thêm tiếp đầu ngữ khác nhau → Đối với dạng mạch hở: • Nhóm carbonyl của monosaccharide là carbonyl aldehyde thì cộng thêm tiếp đầu ngữ “aldo” còn carbonyl ceton thì thêm “ceto” • Tùy theo vị trí nhóm OH ở nguyên tử carbon bất đối xứng gắn với nhóm OH alcol bậc 1 nhất (nguyên tử carbon bất đối xứng xa nhóm carbonyl nhất) mà có thêm ký hiệu D hay L. Cụ thể Nếu nhóm OH này ở cùng phía với nhóm OH của aldehyde D-glyceric (ở phía phải khung carbon trong công thức hình chiếu Fischer) thì xếp vào dãy D và ngược lại thì xếp vào dãy L. 223 → Đối với dạng vòng bán acetal Tên của monosaccharide được gọi theo tên vòng. Vòng bán acetal 5 cạnh tương ứng với dị vòng furan còn vòng 6 cạnh tương ứng với dị vòng γ-pyran. Cấu tạo tên cho công thức dạng vòng như sau: tên của monosaccharide được gọi theo tên riêng của chúng cộng với tên vòng bán acetal và thêm tiếp vị ngữ “ose” 19.2.1.2. Danh pháp thông thường Tên monosaccharide được gọi theo nguồn gốc: Ví dụ: glucose, galactose, fructose, manose… 19.2.1.3. Danh pháp Kahn-Ingol-Preglog (danh pháp R-S) 224 Danh pháp này thường được sử dụng trong ngành Dược để gọi tên thuốc 19.2.2.Đồng phân của monosaccharide Do đặc điểm cấu tạo, monosaccharide có hai loại đồng phân chính: đồng phân cấu tạo và đồng phân quang học. 19.2.2.1. Đồng phân cấu tạo → Đồng phân hỗ biến Là đồng phân do cân bằng hỗ biến giữa dạng mạch hở carbonyl tự do với dạng vòng bán acetal và giữa vòng lớn với vòng nhỏ. Ví dụ: D-glucose trong dung dịch nước có cân bằng hỗ biến giữa dạng mạch hở carbonyl tự do với dạng vòng bán acetal → Đồng phân epimer 225 Là các đồng phân cấu tạo do sự khác nhau ở cấu hình của một nguyên tử carbon bất đối xứng của monosaccharide. Ví dụ: hexose (C6H12O6) có các đồng phân epimer sau: → Đồng phân anomer (đồng phân α,β β) Đồng phân anomer do sự khác nhau về vị trí nhóm OH bán acetal của monosaccharide trong công thức dạng vòng. Nếu nhóm OH bán acetal ở phía bên phải khung carbon, cùng phía với nhiều nhóm OH hơn trong công thức hình chiếu Fisher hoặc là ở phía dưới mặt phẳng vòng trong công thức vòng Haworth thì gọi là đồng phân α và ngược lại là đồng phân β Ví dụ: D-glucose có 2 đồng phân anomer sau: • α-D-glucopyranose 226 Công thức hình chiếu Fischer Công thức vòng Haworth • β-D-glucopyranose Công thức hình chiếu Fischer Công thức vòng Haworth 19.2.2.2. Đồng phân quang học - Monosaccharide có đồng phân quang học do có carbon bất đối xứng. - Công thức tính số đồng phân quang học theo công thức chung: 2n với n là số carbon bất đối xứng, hình thành các cặp đối quang và hỗn hợp racemic. a) Cấu hình tương đối: Khi xét các đồng phân quang học của monosaccharide, người ta liên hệ với công thức hình chiếu Fischer của monsaccharide đơn giản nhất là aldehyde glyceric. Monosaccharide có nhóm OH của carbon bất đối xứng cuối cùng (carbon bất đối xứng ở xa nhóm carbonyl nhất) cùng phía OH của carbon bất đối xứng của D-glyceric aldehyde (ở phía bên phải khung carbon trong công thức hình chiếu Fischer) thì được xếp vào đồng phân D và ngược lại là đồng phân L. 227 Như vậy, đồng phân D và L của monosaccharide trong công thức hình chiếu Fischer chỉ xét đến vị trí các nhóm thế ở một trung tâm bất đối xứng cuối cùng mà không xét đến các trung tâm bất đối xứng khác. b) Cấu hình tuyệt đối Được thể hiện ở cấu hình của mỗi carbon bất đối xứng theo danh pháp R-S. Ví dụ: 19.2.3.Tính chất của monosaccharide Monosaccharide đều ở trạng thái rắn, kết tinh, phần lớn có vị ngọt, bị phân hủy bởi nhiệt. Dễ tan trong nước, không tan trong dung môi hữu cơ. Dung dịch trong nước có hiện tượng chuyển quay (thay đổi góc quay cực) do có cân bằng giữa 2 dạng đồng phân α,β. Do đặc điểm cấu tạo, monosaccharide có nhiều tính chất hóa học đặc biệt, có thể phân thành 3 nhóm tính chất hóa học chính: • Phản ứng của dạng mạch hở carbonyl tự do • Phản ứng của dạng vòng bán acetal • Phản ứng của toàn bộ phân tử 19.2.3.1. Phản ứng của dạng mạch hở a) Phản ứng oxi hóa Dạng mạch hở do có nhóm carbonyl nên dễ bị oxi hóa, tùy các tác nhân oxi hóa khác nhau có thể tạo thành các sản phẩm khác nhau. → Oxi hóa nhóm carbonyl tạo acid polyalcol (acid aldonic) 228 → Oxi hóa mạnh tạo thành diacid alcol có tên chung là acid aldaric. 229 b) Phản ứng khử hóa Monosaccharide chứa một nhóm carbonyl và nhiều nhóm OH, trong dung dịch luôn ở dạng cân bằng hỗ biến giữa dạng mạch hở với nhóm carbonyl tự do và dạng vòng bán acetal. Tuy tỉ lệ dạng mạch hở (5%) ít hơn dạng vòng bán acetal (95%) nhưng monosaccharide vẫn cho đầy đủ tính chất của nhóm carbonyl tự do. Chúng dễ cho phản ứng khử hóa nhóm carbonyl thành nhóm OH với sự có mặt của tác nhân khử đặc biệt là sodiumborohydride (NaBH4) hoặc LiAlH4. Khi đó các aldose và cetose đều tạo thành một polyalcol đặc biệt gọi là alditol 230 D-glucitol (tên gọi khác là D-sorbitol) là một polyalcol có trong thiên nhiên, có trong thành phần của các quả chín, có vị ngọt được sử dụng làm vị ngọt thay thế đường trong nhiều thực phẩm dùng cho người ăn kiêng đường c) Phản ứng thay thế oxi của nhóm carbonyl Do có nhóm carbonyl nên monosaccharide dễ cho một số phản ứng thay thế oxi của nhóm carbonyl bằng phản ứng cộng ái nhân vào nhóm carbonyl tiếp sau đó là phản ứng loại nước với các hợp chất có công thức H2N-B khác nhau tạo thành các sản phẩm khác nhau. → Phản ứng tạo oxime → Phản ứng tạo osaxon Khi đun nóng monosaccharide với phenyl hydrazine, sẽ tạo thành một chất kết tủa tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định gọi là osazon 231 Osazon là phenyl hydrazone kép ở carbon C1 và C2 của monosaccharide, vì vậy các đồng phân epimer cho cùng một osazon. d) Phản ứng kéo dài phân tử (phản ứng Kiliani- Fischer) Phản ứng này gồm các giai đoạn sau: • Chuyển aldose thành cyanohydrin có số carbon nhiều hơn aldose 1 carbon (Kiliani) • Chuyển cyanohydrin thành aldose mới có số carbon bằng số carbon của cyanohydrin (Fischer) theo trình tự sau: o Thủy phân cyanohydrin thành acid aldonic o Tạo vòng lacton (ester nội) o Khử hóa lacton thành aldose ⇒ Kết quả phản ứng tạo thành một cặp epimer aldose có số carbon nhiều hơn aldose ban đầu 1 carbon. Ví dụ: từ aldopenstose là D-arabinose bằng phản ứng Kiliani – Fischer sẽ tạo thành 2 aldohexoes là D-glucose và D-manose 232 CHO CN CN HCN + CH2OH CH2OH CH2OH Cyanohydrin D-glucose H2O/H+ O CH2OH -H2O + O COOH C O C + O CH2OH CH2OH Lacton H2O/H+ CHO CHO + CH2OH D-manose CH2OH D-glucose e) Phản ứng ngắt phân tử (phản ứng thoái phân Wohl) 233 COOH CH2OH Phản ứng này ngược với phản ứng Kaliani-Fischer, và được ứng dụng để tổng hợp aldose có số carbon ít hơn từ aldose có số carbon nhiều hơn. Phản ứng gồm các giai đoạn sau: • Chuyển nhóm aldehyde của aldose thành nhóm nitrile (tạo cyanohydrin có số nguyên tử carbon bằng aldose ban đầu) • Loại HCN từ cyanohydrin tạo thành aldose có số nguyên tử carbon ít hơn cyanohydrin 1 nguyên tử carbon. Ví dụ: từ D-galactose là một aldohexose có 6 carbon bằng phản ứng Wohl tạo thành một aldose pentose và D-lyxose 19.2.3.2. Phản ứng của dạng vòng bán acetal của monosaccharide a) Phản ứng ester hóa Monosaccharide phản ứng với tác nhân ester hóa (các dẫn xuất của acid như anhydride hay chloride acid) với sự có mặt xúc tác base (pyridine) sẽ xảy ra phản ứng vào tất cả các nhóm OH của monosaccharide ở dạng vòng bán acetal. b) Phản ứng ether hóa 234 Phụ thuộc vào tác nhân ether hóa khác nhau mà cho những sản phẩm khác nhau → Với alkyl halogenide (RX) có mặt xúc tác base yếu (Ag2O) sẽ tạo ether ở cả 5 vị trí → Với alcol có mặt khí HCl thì chỉ có OH bán acetal tham gia phản ứng ether hóa tạo thành acetal 19.2.3.3. Phản ứng của toàn bộ phân tử → Monosaccharide phản ứng với kiềm loãng ở nhiệt độ thường bị epimer hóa → Với kiềm đặc hoặc kiềm loãng và nhiệt độ 235 Mạch carbon của monosaccharide bị bẻ gãy tạo thành hỗn hợp các chất khác nhau dễ bị oxi hóa tạo các sản phẩm tương ứng. Ví dụ: D-glucose và D-fructose khi đun nóng với kiềm tạo thành hỗn hợp các acid hữu cơ như acid lactic (CH3-CHOH-COOH), acid acetic (CH3COOH) và acid formic (HCOOH) 19.2.3.4. Một số phản ứng đặc biệt → Khi đun nóng với acid vô cơ, các pentose bị loại 3 phân tử nước tạo thành furfural. → Phản ứng Xelivanop Dưới tác dụng của HCl đặc và nhiệt độ các ceto hexose và ceto pentose tạo thành hydroxyl methyl furfural và furfural. Các chất này ngưng tụ với resorxin tạo thành phẩm màu ngưng tụ có màu đỏ anh đào. Lưu ý: Các aldose không cho phản ứng này ⇒ phản ứng này được ứng dụng để phân biệt aldose và cetose CH2OH O CH2OH O CH2OH HCl t0 CH2OH OH Sản phẩm HOH2C O OH CHO 19.2.4.Một số monosaccharide điển hình 19.2.4.1. D-glucose 236 ngưng tụ - D-glucose là chất rắn kết tinh, có vị ngọt, bị phân hủy nhiệt, dễ tan trong nước, khó tan trong các dung môi hữu cơ. - D-glucose có thể được điều chế bằng cách đi từ nguyên liệu thiên nhiên là polysaccharide (tinh bột, cellulose) - Glucose được dùng trong ngành Dược để làm thuốc bổ dưới dạng khác nhau: dung dịch 30% trong nước gọi là huyết thanh ngọt ưu trương, còn dung dịch 5% trong nước gọi là huyết thanh ngọt đẳng trương. Ngoài ra, còn được dùng làm tá dược, làm ngọt thuốc và dùng như một thực phẩm. 19.2.4.2. D-fructose - Là một ceto hexose có vị ngọt gấp 3 lần vị ngọt của D-glucose, có nhiệt độ nóng chảy là 102 – 104 oC - Dung dịch trong nước có [α ]20 D oC = −92o , ở thể cân bằng giữa dạng mạch hở với 2 dạng vòng bán acetal D-fructose ở dạng tự do trong quả chín, đặc biệt có nhiều trong mật ong. 19.3. Oligosaccharide Oligosaccharide là những hợp chất hydrocarbon được tạo thành do các phân tử monosaccharide kết hợp với nhau bằng liên kết glycoside. Các phân tử oligosaccharide thường từ (2 – 6) gốc monosaccharide. 237 Trong số các oligosaccharide, quan trọng nhất là nhóm disaccharide. Khi thủy phân disaccharide trong môi trường acid hoặc enzyme thích hợp sẽ thu được 2 phân tử monosaccharide. 19.3.1.Disaccharide khử - Phản ứng loại nước tạo liên kết glycoside giữa một nhóm OH bán acetal của một phân tử monosaccharide với một nhóm OH của alcol của phân tử monosaccharide khác, kết quả tạo thành disaccharide còn lại một nhóm OH bán acetal. Do đó, disaccharide này có khả năng hỗ biến sang dạng mạch hở carbonyl tự do nên có khả năng cho các phản ứng như monosaccharide. - Nhóm các disaccharide này gọi là “disaccharide khử”, các liên kết liên kết glycoside của disaccharide này có thể là α-glycoside hoặc β-glycoside Ví dụ: Celobiose là một disaccharide khử thu được khi thủy phân cellulose, có chứa hai monosaccharide là β-D-glycopyranose, loại nước tạo liên kết 1,4’-β-glycoside Maltose là disaccharide tạo thành do thủy phân tinh bột bằng enzyme có chứa hai monosaccharide là α-D-glycopyranose loại nước tạo liên kết 1,4’-α-glycoside 238 Lactose là disaccharide khử có liên kết 1,4’-β-glycoside nhưng khác với celobisose và maltose, lactose được cấu tạo bởi hai monosaccharide khác nhau là D-glucose và Dgalactose kết hợp với nhau tạo liên kết β-glycoside giữa OH bán acetal ở C1 của β-Dgalactopyranose và OH alcol ở C4 của β-D-glucopyranose 19.3.2.Disaccharide không khử Sự loại nước giữa một nhóm OH bán acetal của một phân tử monosaccharide với một nhóm OH bán acetal của phân tử monosaccharide thứ hai tạo thành disaccharide không còn OH bán acetal do đó không thể hỗ biến sang dạng mạch hở carbonoy tự do. Vì vậy nhóm disaccharide này không cho các phản ứng khử như monosaccharide hay còn gọi là disaccharide không khử. Ví dụ: saccharose là một disaccharide không khử, khi thủy phân với acid tạo thành một phân tử D-glucose và một phân tử D-fructose 239 6 CH2OH 5 O 4 1 D-glucopyranoside 2 3 O 6' CH2OH O 2' 5' 4' 3' D-f ructof uranoside CH2OH 1' Saccharose 19.4. Polysaccharide Polysaccharide là carbonhydrate được cấu tạo bởi rất nhiều gốc monosaccharide kết hợp với nhau bằng liên kết glycoside. Về cấu tạo phân tử, polysaccharide chỉ còn nhóm OH bán acetal ở mắt xích cuối cùng do đó tỷ lệ rất nhỏ so với toàn bộ phân tử nên chúng không còn tính khử, không cho các phản ứng như monosaccharide. Polysaccharide có trong thực vật với các vai trò khác nhau như: - Dự trữ carbonhydrate cho sự phát triển của cây, của hạt: tinh bột, fructosan… - Vai trò làm khung, tăng độ bền vững cơ học cho cây: cellulose 19.4.1.Tinh bột Là một polysaccharide được tạo thành trong tế bào thực vật bằng phản ứng quang hợp giữa CO2 và H2O nhờ có chất diệp lục (chlorophyl) 19.4.1.1. Cấu tạo của tinh bột Tinh bột là hợp chất cao phân tử được cấu tạo bởi các đơn phân tử là D-glucose kết hợp với nhau tạo liên kết α-glycoside. Tinh bột gồm 2 phần là amylose và amylose pectin. 240 - Amylose: chiếm tỉ lệ 20% trong tinh bột, phân tử amylose có thể có từ hàng trăm đến hàng nghìn phân tử D-glucose liên kết với nhau bằng liên kết 1,4’-α-glycoside, vì thế nó không phân nhánh - Amylose pectin: chiếm tỷ lệ cao hơn so với amylose (khoảng 80%). Khác với amylose, amylose pectin không tan trong nước mà chỉ bị trương lên tạo dung dịch hồ tinh bột. Amylosepectin gồm hai phần khác nhau là phần mạch thẳng gồm các D-glucopyranose kết hợp tạo liên kết 1,4’-α-glycoside xen kẽ với liên kết 1,6’-αglycoside 19.4.1.2. Tính chất - Háo nước, dễ hút ẩm - Không tan trong nước lạnh, trong nước nóng thì amylose tan còn amylose pectin trương lên tạo dung dịch keo oC - Góc quay cực [α ]20 D - Tạo phức màu xanh đặc trưng với iod - Khi đun nóng với nước, bị cắt nhỏ hơn tạo thành dextrin, nếu có acid thì phản ứng = +195o xảy ra nhanh hơn tạo thành D-glucose. 19.4.2. Cellulose Cellulose là một polysaccharide có trong thành phần cơ bản của tế bào thực vật. 19.4.2.1. Cấu tạo Cellulose là một polymer được cấu tạo từ những đơn phân tử là β-D-glucopyranose kết hợp với nhau bằng liên kết 1,4’-β-glucoside. 241 Cellulose có cấu tạo không phân nhánh, chỉ khác amylose ở chỗ nó tạo liên kết 1,4’-βglucoside còn amylose tạo liên kết 1,4’-α-glucoside. 19.4.2.2. Tính chất của cellulose - Cellulose không có nhiệt độ nóng chảy, khi đun nóng không có không khí cellulose bị than hóa (carbon hóa). - Đun nóng dưới áp suất thấp và ở điều kiện nhất định hình thành β-glucosan - Cellulose không tan trong nước, tan trong một số dung môi đặc biệt như H2SO4 đặc, dung dịch Schweitzer (dung dịch Cu(OH)2 trong NH4OH đặc)… - Khi thủy phân cellulose bằng enzyme tạo ra celobiose, còn nếu cho cellulose tác dụng với H2SO4 đặc sau đó pha loãng với nước và đem đun sôi một thời gian có thể thủy phân tạo thành D-glucose: - Một số động vật bậc thấp (sâu bọ, sên, ốc…) và động vật ăn cỏ nhờ có enzyme celobiose nên có khả năng thủy phân được cellulose. Do được cấu tạo từ các mắc xích là các đơn phân tử β-D-glucopyranose có 3 nhóm OH tự do. Chính các nhóm OH này tham gia các phản ứng ether hóa, ester hóa… 242 - Ether hóa: alkyl hóa cellulose bằng alkyl halogenide trong môi trường kiềm tạo thành ether cellulose. CH2OH O O O CH2 O COOH n Carboxymethylcellulose (CMC) - Nitro hóa: khi cho cellulose tác dụng với hỗn hợp acid sulfuric và nitoric đặc tạo ra trinitrocellulose. - Ester hóa: khi cho cellulose tác dụng với hỗn hợp anhydride acetic và acid acetic có xúc tác H2SO4 tạo thành triacetate cellulose - Ngoài ra, cellulose còn tác dụng với carbon disulfide (CS2) và NaOH tạo thành một chất lỏng có độ nhớt cao gọi là visco dùng để kéo thành sợi visco dùng trong công nghiệp dệt. 243 CHƯƠNG 20 ACID NUCLEIC, TERPEN, STEROID A. ACID NUCLEIC 20.1. Giới thiệu chung Nucleic acid, deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA) là những hợp chất chứa đựng thông tin di truyền của tế bào. Mật mã trong DNA của tế bào là những thông tin xác định bản chất của tế bào, kiểm soát sự phát triển và phân chia tế bào, điều khiển quá trình sinh tổng hợp các enzyme và các protein thiết yếu - Nucleic acid là một polymer sinh học, được cấu tạo bởi các nucleotide liên kết với nhau thành một mạch dài - Mỗi nucleotide bao gồm một nucleoside liên kết với một nhóm phosphate và mỗi nucleoside bao gồm một aldopentose - Nucleoside: là tổ hợp giữa đường ribose hoặc desoxyribose với các base (pyrimidine và purine). Nucleosid là những glycosid. Các loại nucleoside o Adenosin: ribose + adenin o Cytidin: ribose + cytosin o Thymidin: desoxyribose + thymin o Guanosin: ribose + guanin o Uridin: ribose + uracil - Nucleotide: là tổ hợp giữa nucleoside với acid phosphoric ⇒ nucleotide là nucleosid phosphate. Các lại nucleotid gồm: o Adenylic o Guanylic o Cytidilic o Uridilic 20.1.1.Phần đường trong acid nucleic 244 Khi thủy phân acid nucleic thu được hai loại đường pentose là D(-)-ribose và 2-desoxyD-(-) ribose Các nucleic acid được phân loại dựa trên sự có mặt các loại đường này. → Acid nucleic có phần đường là ribose (pentose) thì acid nucleic được gọi là acid ribonucleic (ARN) hay còn gọi là pentonucleic acid. → Acid nucleic chứa desoxyribose (desoxypentose) thì acid nucleic được gọi là acid desoxyribo nucleic (AND). Có các ký hiệu s.ARN, t.ARN, r.ARN và m.ARN → s.ARN ký hiệu các ARN có chức năng chuyển tải acid amin → r.ARN là ký hiệu ARN có trong ribosom, ribosom có trong tế bào là ribonucleoprotein gồm 40 – 50% ARN và 50 – 60% protein. → m.ARN là ký hiệu của ARN được tạo thành từ AND trong quá trình sinh tổng hợp protein (m.ARN là ARN truyền các thông tin) 20.1.2.Phần base của acid nucleic 20.1.2.1. Các base purin Có 2 base purin được phân lập từ acid nucleic là Adenin và Guanin 245 Chúng thường ở dưới dạng 1-methyladenin, 6-methylaminopurin, 2-methylaminoguanin hoặc 2-dimethylaminoguanin. Các base này có trong thành phần của ribosom. 20.1.2.2. Các base pyridine Có 5 base pyrimidin đã tách được từ acid nucleic là uracil, thymin, cytosin, 5methylcytosin và 5-hydroxymethycytosin. 20.1.3.Cấu tạo của của Nucleoside Liên kết giữa đường ribose và base pyrimidin được tạo thành tại vị trí C1 của ribose và nguyên tử N3 của pyrimidin (uracil, thymin, cytosin) 246 Liên kết giữa đường ribose và các base purine (adenine, guanine) được tạo thành tại vị trí C1 của ribose và nguyên tử N9 của purine. 20.1.4.Cấu tạo của nucleotide Nucleotide là nucleoside phosphate. Liên kết ester được tạo thành do nhóm OH tại C3 của đường ribose với acid phosphoric. O NH2 N N N N HOH2C H 9 P 1 H N N HOH2C H O O OH 1 H H OH 9 O H H 3 O O H2N O H N NH P OH OH OH OH Guanilic (guanine + acid phosphoric) adenylic (adenosine + acid phosphoric) 20.1.5.Cấu tạo của acid nucleic 247 - Acid nucleic có cấu trúc polymer gồm 2 mạch cấu trúc bậc 1 xoắn ốc với nhau nhờ liên kết hydro giữa các base với nhau. Mỗi mạch cấu trúc bậc một bao gồm các mắt xích nucleotide. - Nucleoside từ mạch này tạo liên kết hydro với nucleoside của mạch kia được mô tả qua từng cặp adenine – thymine (A-T), guanine – cytosine (G-C) O Base O 5 H H H 3 O O P 1 H OH OH O Base O 5 H H 1 nucleotide O H 3 O P 1 H OH OH OH Hai đơn vị nucleotide trong cấu trúc bậc 1 248 - Thứ tự trao đổi hình thành liên kết hydro giữa các cặp nucleoside với nhau làm biến đổi chức năng của acid nucleic - Acid nucleic đóng vai trò quan trọng trong sinh tổng hợp protein và tính chất di truyền. B. STEROID 20.2. Giới thiệu steroid 20.2.1.Định nghĩa và cấu tạo Steroid là dẫn xuất của một hệ thống 4 vòng ngưng tụ cyclopentanopehydrophenatren. Steroid là một họ chất hữu cơ lớn bao gồm các hợp chất thiên nhiên và bán tổng hợp có chứng khung steroid và thường chúng có hoạt tính sinh học cao. Khung steroid - Khung steroid bao gồm 4 vòng A, B, C, D được đánh số như hình trên - Các nhóm methyl gắn vào vị trí C10, C13 (18CH3 và 19CH3) gọi là các nhóm methyl góc và được dùng làm điểm quy chiếu cho ký hiệu hóa học lập thể. Các steroid được chia thành 5 nhóm nhỏ là: - Sterol 249 - Acid mật - Hormon sinh dục - Glycoside trợ tim - Saponin 20.2.2.Hóa học lập thể của steroid Trong khung steroid cả 3 vòng cyclohexan đều có cấu dạng ghế. Khác với các vòng cyclohexan đơn, steroid có cấu dạng cứng và không thể hỗ biến. - Đa số steroid có các vòng B/C và C/D trans (nghĩa là 2H gắn vào C8 và C9 ở hai phía của vòng và 18CH3 gắn vào C13 và H gắn vào C14 ở 2 phía của vòng) - Các vòng A/B có thể ở dạng cis hay trans Quy ước: • Các nhóm methyl góc 18 CH3 và 19 CH3 nằm phía trên mặt phẳng chung của hệ thống vòng. • Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử nằm cùng phía với nhóm methyl góc được ký hiệu là β, nằm khác phía nhóm methyl góc ký hiệu là α Áp dụng quy ước này với nguyên tử H gắn vào C5 ta thấy nếu A/B trans thì ta có steroid dãy 5α và nếu A/B cis thì ta có steroid dãy 5β. Steroid dãy 5α thường gặp hơn dãy 5β A/B trans ⇒ Steroid dãy 5α 250 A/B cis⇒ Steroid dãy 5β 20.2.3.Danh pháp steroid Trong danh pháp hệ thống, bản chất của gốc R ở vị trí C17 xác định tên của hdyrocabon steroid và đó là tên cơ bản của từng steroid R CH3 18 17 19 H CH3 H H 251 H Bảng 20.1. Tên của hydrocarbon steroid Gốc R Tên H- Androstan H- (và có H thay thế nhóm -19CH3) Estran Pregnan Cholan Cholestan - Tên của steroid dựa trên tên của khung hydrocarbon steroid nêu trên và tùy nhóm thế, có tên tiếp đầu ngữ và nhóm chức, có tên tiếp vị ngữ như đã biết. - Vị trí của nhóm thế được chỉ ra bằng số của nguyên tử carbon mang nhóm thế đó và có thể có chữ α hoặc β để chỉ cấu hình - Có thể gặp tên nor-steroid để chỉ các steroid không có một nhóm methyl góc (ví dụ: nor-19-steroid là steroid không có nhóm 19CH3 - Một vài steroid có vòng D là vòng 6 cạnh thì được gọi là D-homosteroid. 252 H H O H ( Z) H H O H H H 5 -pregnan-3-on 5 -cholest-1-en-3-on OH H H O H (Z) 17 -hydroxyl-4-androsten-3-on 20.2.4.Các steroid điển hình a) Cholesterol Có trong các mô động vật, có nhiều trong sỏi mật, là chất trung gian trong sinh tổng hợp hormon steroid, acid mật. Tuy nhiên, hàm lượng cholesterol cao trong máu sẽ gây xơ cứng động mạnh, nhồi máu cơ tim. 253 H H H OH Cholesterol b) Acid cholic (acid mật) Có nhiều trong mật. Mật được gan tiết ra và dự trữ ở túi mật, khi được tiết vào ruột non, mật nhũ hóa lipid và như vậy hỗ trợ cho quá trình tiêu hóa. c) Hormon sinh dục Gồm có: - Estradiol là hormon sinh dục nữ (estrogen) - Testosteron là hormon sinh dục nam (androgen) - Progesteron là hormon thụ thai (Progestin) 254 OH OH H H H H H O OH H (Z) testosteron estradiol O H H O H (Z) progesteron d) Hormon vỏ thượng thận Hormon vỏ thượng thận có liên quan đến sự điều chỉnh một số lớn hoạt tính sinh học như chuyển hóa carbonhydrate, protein, lipid, cân bằng nước và điện giải và phản ứng với hiện tượng dị ứng và viêm. e) Steroid thiên nhiên 255 Digitoxigenin là một aglycon của glycosid trợ tim có trong lá cây Digitalis purpurea được sử dụng làm thuốc trợ tim O O ( Z) H H OH H H digitoxigenin C. TERPENE 20.3. Giới thiệu terpene 20.3.1.Định nghĩa và phân loại Terpene là những hydrocarbon chưa no, có công thức chung là (C5H8)n với n = 2, 3, 4, 6, 8…n) Nếu không xét đến những sự khác biệt về cấu trúc bên ngoài thì tất cả các terpen có mối liên hệ với nhau. Theo quy tắc isoprene (isoprene rule), terpene được xem như nảy sinh từ sự “cộng hợp đầu – đuôi” của các đơn vị isoprene (C5H8) Đầu Đuôi Đuôi 256 Đầu Terpene được phân loại dựa trên số đơn vị isoprene có trong phân tử, từ công thức tổng quát của terpene (C5H8)n. Nếu - n = 2 ⇔ (C5H8)2 ⇔ C10H16 ⇒ Monoterpene - n = 3 ⇔ (C5H8)3 ⇔ C15H24 ⇒ Sesquiterpene - n = 4 ⇔ (C5H8)4 ⇔ C20H32 ⇒ Diterpene - n = 5 ⇔ (C5H8)5 ⇔ C25H40 ⇒ Sesterterpene - n = 6 ⇔ (C5H8)6 ⇔ C30H48 ⇒ Triterpene - v.v… Một số lưu ý: - Quy tắc isoprene chỉ là hình thức giúp cho việc xác định cấu trúc của terpene, còn bản thân isoprene không phải là tiền chất sinh học của các terpene. - Terpenenoid là các dẫn xuất chứa oxigen của terpene như các alcol, aldehyde, ceton, epoxide và acid. - Các terpenoid có cùng số carbon với các terpene tương ứng, vì vậy, ta có các hợp chất monoterpenoid, sesquiterpenoid, diterpenoid, triterpenoid… Các terpene và terpenoid tồn tại phổ biến trong thiên nhiên, trong tinh dầu tách được từ các bộ phận khác nhau của thực vật (hoa, lá, gỗ…) 20.3.2.Monoterpene Monoterpene là loại terpene trong phân tử có chứa 2 đơn vị isoprene (C5H8)2 Monoterpene được chia thành 3 loại: • Monoterpene mạch hở (có 3 liên kết đôi) • Monoterpene 1 vòng (có 2 liên kết đôi) • Monoterpene 2 vòng (có 1 liên kết đôi) 257 20.3.2.1. Monoterpene mạch hở và dẫn xuất Trong thiên nhiên có 2 monoterpene mạch hở là myrcene và ocimene Myrcene có trong tinh dầu Myrcia acris và các tinh dầu khác, còn Ocimene có trong tinh dầu lá húng (Ocimum basilicum) và các cây khác. Các dẫn xuất đáng chú ý của monoterpene mạch hở là các alcol (geraniol, nerol, citronelol, linalol) và các aldehyde (geranial, neral, citronelal) 258 20.3.2.2. Monoterpene một vòng và dẫn xuất Monoterpene một vòng được xem là dẫn xuất của một hydrocarbon no là p-menthane (1methyl-4-isopropyl cyclohexane), (C10H20) 1 6 2 5 3 4 p-menthane Monoterpene một vòng có công thức C10H16, do đó là các menthadien a) Limonene (p-menthan-1,8-diene Limonene là một trong số các terpene phổ biến nhất, limonene có nguyên tử carbon số 4 là carbon bất đối xứng vì vậy có hai đồng phân đối quang và dạng racemic: Limonene là chất lỏng không màu, mùi chanh 7 1 2 6 5 * 4 3 8 10 9 Limonene 259 Tính chất hóa học của limonene do 2 liên kết đôi quyết định, mức độ hoạt động của mỗi liên kết khác nhau. Sau đây là một số phản ứng chính - Tác dụng của nhiệt và xúc tác: → Ở 500 0C, có Pt làm xúc tác thì phân tử limonene bị bẻ gãy thành 2 phân tử isoprene → Ở 300 0C, xúc tác là Ni sẽ xảy ra phản ứng chuyển 3 phân tử limonene thành 1 phân tử p-menthane và 2 phân tử p-cymene - Phản ứng cộng hợp: Tùy theo điều kiện dung môi và xúc tác sử dụng, limonene có thể bị bão hòa một hay cả hai liên kết đôi, thường liên kết đôi ngoài vòng dễ bị no hóa hơn: → Cộng hợp hydro: với xúc tác Cu, chỉ nối đôi ngoài vòng bị bão hòa, còn xúc tác Ni gây ra sự hydro hóa hoàn toàn 260 → Cộng hợp Brom: trong môi trường acid acetic, 2 phân tử bão hòa 2 liên kết đôi tạo ra 1,2,8,9-tetrabromolimonene → Cộng hợp nước: (+) limonene cộng hợp nước với sự có mặt của acid tạo thành cisterpine 261 → Cộng hợp HCl: tùy theo dung môi sử dụng, phản ứng xảy ra khác nhau như CS2, acid acetic → Cộng hợp nitrosyl chloride: chỉ xảy ra ở liên kết đôi trong vòng, tạo ra sản phẩm kết tinh, trong dung dịch chloroform cho màu xanh, do đó phản ứng này được dùng để xác địn terpene b) Menthol (dẫn xuất alcol terpenic 1 vòng của monoterpene) - Menthol (2-isopropyl-5-methylcyclohexanol) theo tên khung p-menthane là pmenthan-3-ol), là dẫn xuất monoalcol của p-menthane - Phân tử menthol có 3 carbon bất đối xứng (C1, C3, C4), do đó có 23 = 8 chất hoạt quang (4 cặp đối quang) và 4 racemic tương ứng. - Trong thiên nhiên, menthel ở dạng tả truyền, là thành phần chính của tinh dầu Bạc hà (Mentha piperita và Menthaarvencis) 262 - Tinh dầu Bạc hà thường chứa từ 30 – 40% menthol - Có thể điều chế menthol bằng cách cất lấy tinh dầu bạc hà rồi để lạnh, menthol sẽ kết tinh. - Menthol thiên nhiên là chất kết tinh, nhiệt độ nóng chảy 43 oC [α]D = -49 oC, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ - Menthol có nhóm chức alcol bậc 2, có tham gia phản ứng tạo ester hoặc bị oxi hóa tạo thành menthon c) Terpin (p-menthane – 1,8 diol) Là một diol của p-menthane, có hai dạng đồng phân cis và trans, dạng cis bền hơn vì có liên kết hydro nội phân tử. Trong công nghiệp, có thể điều chế terpin bằng cách hydrate hóa pinen có trong tinh dầu thông với acid sulfuric loãng. Cis-terpine là chất kết tinh không màu, nhiệt độ nóng chảy 105 oC, không tan trong nước, tan trong alcol, cis-terpine ngậm một phân tử nước tạo thành terpin hydrate nóng chảy ở 115 – 117 oC được quy định là một loại dược dụng. Trans-terpine là chất kết tinh, nóng chảy ở 156 – 158 oC 263 Dưới tác dụng của acid sulfuric và acid phosphoric, terpin bị tách loại nước và tùy số nhóm –OH tham gia tách loại mà thu được một trong 4 sản phẩm sau, nhưng thường thu được một hỗn hợp cả 4 chất (α-terpineol, β- terpineol, limonene và eucalyptol) Terpin có tác dụng chữa ho, long đàm, còn terpinol được sử dụng trong ngành hương liệu. d) Eucalyptol Còn gọi là cineol là ether oxide nội của cis-terpene. Có cấu trúc dạng thuyền Eucalyptol có nhiều trong tinh dầu bạch đàn, chè đồng. Là chất lỏng không màu, mùi long não, nhiệt độ sôi 170 oC, bền với các tác nhân hóa học. Với acid hydrochloric, hydrobromic và các acid khác, eucalyptol tạo thành muối oxoni bền vững ở môi trường khan nước. Eucalyptol có tác dụng sát trùng đường hô hấp. 20.3.2.3. Monoterpene 2 vòng và dẫn xuất Terpene hai vòng được phân loại thành 7 nhóm chính, theo khung của các hydrocarbon no 2 vòng sau đây 264 a) Nhóm pinane Công thức cấu tạo và cánh đánh số của pinane như sau: - Pinene là đại diện chính của các terpene 2 vòng nhóm pinane - Pinene có 2 dạng đồng phân: α-pinene và β-pinene - Mỗi đồng phân có 2 carbon bất đối xứng tại vị trí C1 và C5 nhưng chúng nối với nhau bằng một cầu carbon, do đó chúng phụ thuộc vào nhau và phân tử ở tình trạng bất đối đồng nhất và mỗi đồng phân chỉ có 2 chất đối quang và 1 hỗn hợp racemic. - Trong tinh dầu thông, α-pinene chiếm 65 – 90% và β-pinene chiếm 5 – 20% 265 • Danh pháp nhóm pinane Theo quy định của danh pháp quốc tế về cách đánh số và gọi tên những hydrocarbon 2 vòng có 2 nguyên tử carbon chung như sau: - Cách đánh số: bắt đầu từ nguyên tử carbon thuộc một trong hai đầu cầu, ưu tiên đầu nào có mang nhóm thế hoặc gần nhóm thế nhất. Số 1 dành cho carbon đầu cầu đã chọn và đánh số tiếp theo cho những carbon nằm trên mạch carbon dài nhất dẫn tới carbon đầu cầu thứ hai. Từ đó lại hướng về đầu cầu thứ nhất, tiếp tục đánh số cho những carbon trên mạch nào dài hơn cả trong 2 mạch còn lại, sau đó đến carbon của mạch thứ ba. - Cách đọc tên: đọc tên các nhóm thế trước, rồi đến từ bicyclo với các con số xếp theo thứ tự từ lớn đến nhỏ viết trong dấu ngoặc vuông, biểu thị số nguyên tử carbon trên mỗi mạch, không kể hai carbon ở hai đầu cầu và cuối cùng là hydrocarbon tương ứng mạch chính và tên các nhóm chức khác. 10 2 1 3 6 7 9 8 4 5 pinene 2,6,6-trimethylbicyclo[3.1.1]-2-heptene • Tính chất vật lý 266 Các pinene đều là chất lỏng, có mùi đặc biệt, α-pinene sôi ở 155 – 156 oC, [α]D = +151o, o o 20 20 d 4 = 0,8590 , β-pinene sôi ở 164 – 166 C, [α]D = ±22 , d 4 = 0,8662 Các pinene không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ. • Tính chất hóa học Các pinene có liên kết đôi C=C, nên tham gia các phản ứng cộng hợp đơn giản, bão hòa liên kết đôi và phản ứng cộng hợp phức tạp làm biến đổi cấu tạo phân tử. - Cộng hợp hydro: với sự có mặt của xúc tác như Pt, α- và β-pinene đều bị hydro hóa liên kết đôi tạo thành pinane - Cộng hợp HCl: ở nhiệt độ -15 oC α- và β-pinene tác dụng với HCl khan tạo thành 2-chloropinane - Phản ứng oxi hóa: α- pinene bị oxi hóa trong không khí tạo thành peroxide, một phần tiếp tục bị oxi hóa giải phóng ra ozone có tính sát trùng, một phần peroxide trở thành xúc tác cho phản ứng trùng hợp các pinene thành khối rắn dùng trong công nghiệp điều chế sơn: b) Nhóm bornane (camphane) và isocamphane 267 Nhóm này có công thức cấu tạo và cách đánh số như sau: c) Borneol và isoborneol Là các alcol dẫn xuất từ bornane, phân tử có 3 carbon bất đối xứng (C1, C2, C4) * 6 1 7 5 8 9 H * 2 OH 3 *4 Chỉ có borneol tồn tại ở dạng tự nhiên. Borneol và isoborneol bị oxi hóa tạo thành camphor. 20.3.3.Sesquiterpene Sesquiterpene được coi như sản phẩm ngưng tụ của 3 phân tử isoprene và khá phổ biến trong tinh dầu. Đa số sesquiterpene có cấu trúc vòng, như các hệ 1 vòng, 2 vòng hoặc 3 vòng. Trong thiên nhiên cũng gặp các dẫn xuất alcol hoặc ceton của sesquiterpene như α-selinene có trong tinh dầu của quả ở cây Apium graviolens. Một dẫn xuất khác có oxi của selinene là 268 santonin là thuốc trị giun đũa, chất này được chiết ra từ lá và hạt của các loài Artemisia cinac 20.3.4.Polyterpene Là nhóm terpene gồm có diterpen (C5H8)4, triterpene (C5H8)6 và các phân tử cao hơn Các polyterpene khá phổ biến trong thiên nhiên và có nhiều ứng dụng trong sinh học và công nghiệp 20.3.4.1. Squalene Là một triterpene, là chất lỏng nhớt, nhiệt độ sôi 245 oC, có nhiều trong dầu gan cá 20.3.4.2. Cao su thiên nhiên Là sản phẩm trùng hợp của nhiều phân tử isoprene có khối lượng phân tử khoảng 400.000. 20.3.4.3. Carotenoid Là những sắc tố thiên nhiên, có cấu tạo tương tự như carotene là sắc tố màu đỏ có trong cà rốt và nhiều thực vật khác cũng như trong mỡ động vật. Có thể coi carotenoid là dẫn xuất của polyterpene tạo nên do sự trùng hợp của nhiều phân tử isoprene. Các carotenoid dễ bị oxi hóa do có nhiều liên kết đôi. Một số carotene thường gặp: - Carotene: C40H56, 269 Lần đầu tiên được tách ra từ cà rốt ở dạng tinh thể màu đỏ vào năm 1831. Ngoài ra, carotene có trong một số loại quả khác như gấc, cà chua, bơ, sữa. Carotene là hỗn hợp của 3 đồng phân: α-carotene (nhiệt độ nóng chảy 187 oC), β-carotene (nhiệt độ nóng chảy 183 oC) và γ-carotene (nhiệt độ nóng chảy 178 oC) trong đó βcarotene chiếm 85% hỗn hợp này. - Licopen: C40H56 Là đồng phân của caroten, nhưng ở 2 đầu mạch không đóng 2 vòng cyclohexene. Licopen là chất kết tinh, màu đỏ tím sẫm, nóng chảy ở 175 0C tan trong benzene và CS2, hầu như không tan trong alcol. Licopen là chất màu có trong loại cà Solanum lycopersicum và nhiều loại quả và các cây khác cũng như trong cơ thể động vật (bơ, huyết thanh, gan) Licopen Vitamin A (axerophtol, retino): C20C30O Là sản phẩm oxi hóa lưỡng phân của caroten, chất kết tinh vàng nhạt, điểm chảy 63 – 64 o C, có trong dầu cá. Vitamin A đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa của động vật và người, thiếu vitamin A, sẽ bị bệnh khô mắt, quáng gà, giảm sức đề kháng của cơ thể. 270 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phan Thanh Sơn Nam, Trần Thị Việt Hoa, Hóa Hữu Cơ, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2010 [2]. Phan Thanh Sơn Nam, Bài tập Hóa Hữu Cơ, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2010 [3]. Trần Mạnh Bình, Nguyễn Quang Đạt, Hóa học Hữu cơ, NXB Y học, tập 1, 2007 [4]. Trần Mạnh Bình, Nguyễn Quang Đạt, Hóa học Hữu cơ, NXB Y học, tập 2, 2007 [5]. Trương Thế Kỷ, Hóa Hữu cơ – Hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức, NXB Y học, tập 1, 2006 [6]. Trương Thế Kỷ, Hóa Hữu cơ – Hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức, NXB Y học, tập 2, 2006 [7]. Nguyễn Kim Phi Phụng, Hóa Hữu cơ, Bài tập – bài giải, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2006 271 [...]... trừ sâu: p,p’-dichlorodiphenyltrichloroethane: DDT B HỢP CHẤT CƠ KIM 11.7 Cấu tạo chung của hợp chất cơ kim - Hợp chất cơ kim là những hợp chất hữu cơ có nguyên tử kim loại liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon trong gốc hydrocarbon, có thể ở dạng khí, dạng lỏng hoặc dạng rắn Các hợp chất cơ kim rắn có nhiệt độ nóng chảy thấp - Hợp chất cơ kim tan được trong các dung môi ít phân cực như hydrocarbon,... chất cơ kim có khả năng phản ứng cao từ những hợp chất cơ kim có khả năng phản ứng thấp 11.9.4.Tác dụng của hợp chất cơ kim với halogenid kim loại Hợp chất cơ magnesium và alkyl lithium phản ứng với halogenid kim loại có tính điện dương yếu hơn magnesium, lithium tạo ra các hợp chất cơ kim mới (thủy ngân, kẽm, đồng, silic…) Ví dụ: 11.10 Tính chất chung của các hợp chất cơ kim Tính chất vật lý và hóa. .. phản ứng của hợp chất cơ magnesium được sử dụng nhiều nhất trong tổng hợp hữu cơ - Phản ứng hình thành một liên kết carbon- carbon mới, góp phần xây dựng bộ khung carbon phức tạp từ những phân tử đơn giản - Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân: nguyên tử carbon trong liên kết CMg tích một phần điện âm đóng vai trò tác nhân ái nhân, sẽ tấn công vào nguyên tử carbon tích một phần điện dương trong... chế hợp chất cơ magnesium hoặc là các quá trình tổng hợp hữu cơ trên cơ sở hợp chất cơ magnesium cần phải được thực hiện trong môi trường khí trơ không có mặt CO2 Cơ chế phản ứng với CO2 có thể được tóm tắt như sau: ⇒ Phản ứng này được ứng dụng để điều chế acid carboxylic có mạch carbon dài hơn nguyên liệu ban đầu một nguyên tử carbon 11.10.1.3 Phản ứng với các hợp chất nitrile Hợp chất cơ magnesium... phenol, các acid vô cơ và hữu cơ, các amine bậc 1, 2, các hợp chất amide, các dẫn xuất mercaptan, các alkyne đầu mạch - Gốc hydrocarbon của hợp chất cơ magnesium kết hợp với nguyên tử hydrogen linh động, hình thành các hợp chất hydrocarbon tương ứng và muối magnesium Ví dụ: → Phản ứng này chủ yếu được sử dụng để định tính và định lượng nguyên tử hydrogen linh động trong các hợp chất hữu cơ, gọi là phương... đều tham gia phản ứng dễ dàng với các hợp chất cơ kim sinh ra • Trong các dẫn xuất cơ kim, dẫn xuất cơ magnesium (hợp chất Grignard) là có ý nghĩa quan trọng nhất Ví dụ: 21 Riêng phản ứng giữa dẫn xuất halogen và Na không dừng lại ở giai đoạn tạo dẫn xuất cơ kim mà thường hình thành sản phẩm alkane (phản ứng Wurtz) 11.4.5.Phản ứng tạo hydrocarbon a) Khử hóa xúc tác b) Khử bằng hydro mới sinh 11.5 Các... cao nhất, vì liên kết giữa carbon với các kim loại này phân cực mạnh Các hợp chất cơ kim khó tan trong dung môi không phân cực, tự bốc cháy ngoài không khí, tham gia phản ứng rất mạnh với nước, CO2 11.10.1 Tính chất hóa học của hợp chất cơ Magnesium 11.10.1.1 Phản ứng với các hợp chất chứa hydrogen linh động - Hợp chất cơ magnesium do có tính base mạnh, có thể tham gia phản ứng với các hợp chất chứa... các dung môi ít phân cực như hydrocarbon, ether - Tùy theo độ phân cực của liên kết carbon và kim loại, có thể chia thành 3 nhóm - Các gốc hữu cơ có thể là alkyl, alkenyl, alkynyl, aryl 11.8 Cấu tạo chung của hợp chất cơ kim - Tên gốc hydrocarbon + tên kim loại - Nếu hóa trị của kim loại ngoài liên kết với gốc hydrocarbon, còn liên kết với halogen, thì đọc tên theo thứ tự sau: Tên gốc hydrocarbon + Tên... tan trong nước, do không tạo được liên kết hydrogen với nước, tuy nhiên các dẫn xuất halogen tan được trong nhiều dung môi hữu cơ như benzene, ether, chloroform 11.4 Tính chất hóa học 11.4.1.Đặc điểm chung Liên kết C-X giữa nguyên tử halogen và nguyên tử carbon là liên kết cộng hóa trị phân cực Tuy nhiên, do độ âm điện của nguyên tử halogen lớn hơn nên đôi điện tử dùng 12 chung của liên kết bị lệch... xuất của acid như acid chloride, anhydride, ester - Giai đoạn đầu của phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái nhân, sản phẩm trung gian cũng là những hợp chất alkoxymagnesium halide không bền, sẽ chuyển hóa thành các hợp chất carbonyl tương ứng c) Phản ứng với CO2 Hợp chất cơ magnesium tham gia phản ứng với CO2 theo cơ chế cộng hợp ái nhân, tương tự như trường hợp hợp chất carbonyl Sau giai đoạn thủy phân ... 146 15.5.2 Phản ứng alkyl hóa 147 15.5.3 Phản ứng acyl hóa 148 15.5.4 Phản ứng sulfonyl hóa 149 15.5.5 Phản ứng oxi hóa 149 15.5.6 Phản ứng... Bài 11 Hoàn thành phản ứng sau đây, rõ phản ứng xảy theo chế nào? 38 Bài 12 Hãy thực trình điều chế sau đây, sử dụng thêm hợp chất hữu chức không hai nguyên tử carbon hợp chất vô tự chọn 39 Bài. .. 12.3.3.Khử hóa hợp chất carbonyl Khi có mặt tác nhân khử hóa LiAlH4 hay NaBH4 điều kiện hydrogen hóa xúc tác, hợp chất aldehyde ketone (ceton) bị khử thành alcohol bậc bậc hai tương ứng 12.3.4.Khử hóa