CHUYÊN đề TỔNG hợp hữu cơ

CHUYÊN đề TỔNG hợp hữu cơ

CHUYÊN ĐỀ: TỔNG HỢP HỮU CƠ

Trường THPT chuyên Hà Nội - Amsterđam

A MỘT SỐ VẤN ĐỀ LÝ THUYẾT:

I Các phương pháp làm tăng mạch Cacbon:

1 Các phương pháp ankyl hóa bằng hợp chất cơ magie (RMgX):

+ R X'  R-R’

3

1) 2)

CO

H O

 RCOOH

+ 1) O RCH2CH2OH

RMgX +

3

1) 2)

HCHO

H O

 RCH2OH

+

3

1) ' 2)

R CHO

H O

 RCH(OH)R’

+

3

1) ' '' 2)

R COR

H O

 R(R’)C(OH)R’’

+

3

1) ' hoac ' '' 2)

R COOH R COOR

H O

 RCOR’  (R)2C(OH)R’

* Học sinh cần lưu ý:

+ Hợp chất cơ magie RMgX rất dễ phản ứng với các hợp chất có hidro linh động (H2O, NH3, ancol, amin…)  bảo quản và tiến hành phản ứng trong ete khan

+ Lập thể của phản ứng cộng RMgX vào hợp chất cacbonyl: quy tắc Crammer

2 Phương pháp anky hóa ion axetilua:

R – C  CH NaNH2 /NH3long

R – C  CNa+ R X'  R – C  C – R’

3 Các phương pháp ankyl và axyl hóa hợp chất thơm:

a) Các phản ứng ankyl hóa:

R

+ anken/ xt: HCl/AlCl3 hoặc axit protonic (HF > H2SO4 > H3PO4) + ancol/ xt: axit protonic hoặc Al2O3

b) Các phản ứng axyl hóa:

R

2) H 3 O +

O

R’

L

tb N

R

-O

-R’

L

R

+ dẫn xuất halogen/ xt: axit Lewis (AlCl3 > FeCl3 > BF3 > ZnCl2)

+ dẫn xuất của axit cacboxylic (RCOX > (RCO)2O > RCOOR’)/ xt: AlCl3

 Một số phản ứng formyl hóa (thường dùng để gắn nhóm – CHO vào phenol, ete thơm hoặc nhân thơm

giàu electron)

-

CO + HCl AlCl3

(Phản ứng Gatterman – Koch)

-

HCN + HCl/ AlCl3

H2O

(Phản ứng Gatterman)

-

HCO-N(R)2 POCl3 hoac COCl2

(Phản ứng Vilsmeier)

-

CHCl3 NaOH

O

OHC (Phản ứng Reimer – Tiemann)

* Học sinh cần lưu ý:

+ Cơ chế của các phản ứng ankyl và axyl hóa nhân thơm là cơ chế SE2(Ar); trong đó chú ý cơ chế tạo tác nhân electronfin

+ Các phản ứng ankyl hóa thường tạo thành hỗn hợp mono và poliankyl  muốn thu được sản phẩm mono cần lấy dư chất phản ứng

+ Hướng chính của phản ứng khi thế vào các dẫn xuất của benzen

4 Các phương pháp ankyl và axyl hóa các hợp chất có nhóm metylen hoặc nhóm metyn linh động:

a) Chất phản ứng có dạng X – C  H 2 – Y hoặc X – C  H(R) – Y; với X, Y là –COR’, COOR’, CN,

-NO2…

Do X, Y là các nhóm hút electron mạnh  nguyên tử H rất linh động  dùng bazơ để tách H+, tạo thành cacbanion

H2C

Y

2H5ONa

- C2H5OH

-CH Y

X

Y

2H5ONa 2) RBr R2 C

Y X

1) C2H5ONa 2) R'Br R(R') C

Y X

RCOCl

RCO HC

Y X

* Học sinh cần lưu ý:

+ Khi thế 2 nhóm ankyl R và R’ khác nhau, nhóm ankyl có kích thước nhỏ hơn hoặc có hiệu ứng +I nhỏ hơn sẽ được đưa vào trước

+ Sản phẩm của phản ứng axyl hóa cũng có nguyên tử H linh động, có thể dễ dàng bị tách H+ bởi

chính cacbanion

-CH Y

X

 có phản ứng cạnh tranh:

-CH Y

X RCO HC

Y

X

Y

X + H2C

Y X

Để ngăn phản ứng phụ nói trên, người ta dùng bazơ mạnh (mạnh hơn cacbanion) với lượng dư

b) Chất phản ứng có dạng R – CH 2 – X hoặc R 2 – CH – X; với X là – COR’, - COOR’, - CN, - NO2… Các phản ứng được tiến hành tương tự, nhưng phải sử dụng xúc tác là bazơ rất mạnh (NaNH2;

C2H5ONa…) do nguyên tử H kém linh động hơn so với trường hợp có 2 nhóm X, Y hút electron

5 Các phương pháp ngưng tụ:

a) Phản ứng andol – croton hóa của anđehit và xeton:

C C

H

H

O

C C H

H O

H

H

OH H

H O

C C C C H

O

H+ hoac OH- H+ hoac OH

-* Học sinh cần lưu ý:

+ Cơ chế của giai đoạn cộng andol: AN

+ Giai đoạn croton hóa có thể xảy ra theo cơ chế E1 hoặc E1cb (khi có Hβ linh động, xt bazơ mạnh) + Khi thực hiện phản ứng andol – croton hóa từ 2 cấu tử khác nhau có thể tạo ra hỗn hợp sản phẩm, trong đó sản phẩm chính là sản phẩm ngưng tụ giữa:

- cấu tử cacbonyl có tính electrophin cao hơn

- cấu tử metylen có Hα linh động hơn

b) Phản ứng ngưng tụ của anđehit, xeton với các hợp chất có nhóm metylen hoặc metyn linh động:

Y

-CH Y

X

B

BH

C O

C HC

- B

-C H-C

X

Y

X

- H2O

* Học sinh cần lưu ý:

+ Xúc tác dùng trong các phản ứng này thường là các bazơ hữu cơ yếu, có thể ngăn chặn được phản ứng tự ngưng tụ với nhau của các anđehit, xeton

+ Phản ứng ngưng tụ anđehit thơm với anhidrit axit tạo thành axit α,β – không no (phản ứng ngưng

tụ Perkin) cũng có cơ chế tương tự như trên

C6H5 – CH=O + (CH3CO)2O 3

3

OO OOH

khan

CH C Na

CH C



 C6H5 – CH= CH – COOH c) Phản ứng cộng Micheal - cộng các hợp chất có nhóm metylen hoặc metyn linh động vào hợp chất cacbonyl-α,β-không no:

H2C

Y

-CH Y

X

BH

CH Y X

BH

CH Y X

* Học sinh cần lưu ý:

+ Xúc tác bazơ có thể là C2H5ONa (nhiệt độ phòng); piperidin (nhiệt độ cao hơn)

+ Có thể thay thế hợp chất cacbonyl-α,β-không no bằng các hợp chất nitro (NO2) hoặc nitril (CN)-α,β-không no

d) Phản ứng ngưng tụ Claisen – ngưng tụ este với các hợp chất có nhóm metylen linh động:

+ Phản ứng ngưng tụ giữa các este với nhau:

CH3–COO–C2H5 + CH3–COO–C2H5 C H ONa2 5  CH3–CO–CH2–COO–C2H5 + C2H5OH

Cơ chế phản ứng:

H CH2 C OC2H5

O

C2H5O

O

OC2H5

CH2 C -C2H5OH

CH3 C

O

OC2H5

CH3 C OC2H5 O

CH2COOC2H5

CH3 C CH2 COOC2H5 O

- C2H5O

+ Phản ứng ngưng tụ este với hợp chất nitril:

CH3–COO–C2H5 + R–CH2–CN C H ONa2 5

 CH3–CO–CH2(R)–CN + C2H5OH + Phản ứng ngưng tụ este với anđehit hoặc xeton:

CH3–COO–C2H5 + CH3–CO–CH3 C H ONa2 5

 CH3–CO–CH2–CO–CH3 + C2H5OH

II Các phương pháp làm giảm mạch Cacbon:

1 Phản ứng đecacboxyl hóa bởi nhiệt: xảy ra khi nhóm COOH gắn với nhóm có khả năng hút electron

mạnh

2 Phương pháp vôi tôi xút: RCOONa + NaOH o

CaO t

RH + Na2CO3

3 Phản ứng Hunzdicker: RCOOAg + Br2 CCl t 4RBr + CO2 + AgBr

4 Phản ứng halofom:RCOCH3 + 3X2 + 4NaOH  RCOONa + CHX3 + 3NaX + 3H2O

5 Phản ứng thoái phân Hoffman: R – CO – NH2 2

2 , ,o

Br NaOH t CO



RNH2

6 Các phản ứng oxi hóa làm gãy mạch Cacbon:

a) Các phản ứng làm gãy liên kết liên kết đôi C=C:

+ KMnO t4 ,o

 CH3–COOH + CH3–CO–CH3

HC O O C O

CH3

CH3

H3C

b) Các phản ứng làm gãy liên kết C – C vic-điol:

C C

OH OH

C O

C O +

HIO4 hoac Pb(OOCCH3)

c) Phản ứng oxi hóa ankyl, ankenyl hoặc dẫn xuất của benzen:

KMnO4 hoac K2Cr2O7

H+

* Học sinh cần lưu ý:

+ Nếu vị trí α của mạch bên không còn H thì phản ứng oxi hóa hầu như không xảy ra

+ O3

2 / ,

H O HZn

CH3–CH=O + CH3–CO–CH3

2 2 /

H O H

 CH3–COOH + CH3–CO–CH3

CH3–CH= C(CH3)2

+ Nếu dùng Na2Cr2O7 (không có H+) sẽ tạo thành xeton mà không bị cắt mạch

O

Na2Cr2O7

250oC, p

+ Nếu vị trí α của mạch bên chỉ còn 1 nguyên tử H thì phản ứng sẽ tạo ra ancol bậc 3 (không cắt mạch cacbon)

OH

III Các phương pháp tạo vòng:

1 Các phương pháp ankyl, axyl hóa và ngưng tụ nội phân tử: nguyên tắc tương tự như các phản ứng

ankyl, axyl hóa và ngưng tụ đã nêu ở trên

2 Phản ứng cộng Diels – Alder:

+

đien đienophin

* Học sinh cần lưu ý:

+ Đien phải ở cấu dạng s-cis; dạng s-trans (Ví dụ: ) không phản ứng

+ Các nhóm thế ở vị trí cis đầu mạch đien gây cản trở không gian  khó phản ứng

+ Đien có nhóm thế đẩy electron (không gây cản trở không gian)  tăng khả năng phản ứng

+ Đienophin có nhóm thế hút electron  tăng khả năng phản ứng

+ Cấu hình của sản phẩm giống với cấu hình của đienophin

+ Hướng của phản ứng:

R

+

R

R

+

X

R

R X

R

+

R

X X

IV Các phản ứng oxi hóa và khử trong tổng hợp hữu cơ:

1 Các phản ứng oxi hóa:

a) Các phản ứng oxi hóa anken

b) Phản ứng oxi hóa nguyên tử H ở vị trí allyl:

Tác nhân oxi hóa: Pb4+, SeO2…

O H

c) Các phản ứng oxi hóa ankyl, ankenyl hoặc dẫn xuất của benzen

d) Các phản ứng oxi hóa ancol:

+ Ancol bậc I  anđehit [ ]O

+ Ancol bậc II  xeton [ ]O

(Quá trình oxi hóa ancol bậc I thành anđehit cần khống chế cẩn thận để không chuyển thành axit)

+ vic-điol HIO4

 cacbonyl

e) Các phản ứng oxi hóa anđehit, xeton:

+ Anđêhit  axit cacboxylic [ ]O

Tác nhân oxi hóa: O2/xt, [Ag(NH3)2]+, KMnO4/H+, K2Cr2O7/H+…

+ Xeton  bị cắt mạch thành axit cacboxylic và xeton [ ]O

Tác nhân oxi hóa: KMnO4/H+, HNO3…

2 Các phản ứng khử:

a) Phương pháp hidro hóa xúc tác:

Tác nhân khử:

+ H 2 / Ni, Pt, Pd:

RCOCl  RCH=O RCH=O  RCH2OH R-CO-R’  R-CH(OH)-R’

R-COO-R’  RCH2OH + R’OH

RNO2  RNH2 R-CN  R-CH2NH2 R-CO-NHR’  RCH2NHR’

+ H 2 / Pd/ BaSO 4 , BaCO 3 … (xúc tác Lindlar): khử lựa chọn liên kết ba về liên kết đôi

+ H 2 / [(C 6 H 5 ) 3 P] 3 RhCl: khử lựa chọn liên kết đôi C=C chỉ chứa 1 hoặc 2 nhóm thế

Tác nhân oxi hóa: CuO, K2Cr2O7/H+, CrO3/H+…

* Học sinh cần lưu ý: đặc thù lập thể của các phản ứng này đều là cộng syn

b) Phương pháp khử bằng hidrua kim loại:

Tác nhân khử: thường dùng LiAlH4, NaBH4

RCOCl  RCH2OH RCH=O  RCH2OH R-CO-R’  R-CH(OH)-R’

RCOOH  RCH2OH R-COO-R’  RCH2OH + R’OH Epoxit  1,2-điol

RNO2  RNH2 R-CN  R-CH2NH2 R-CO-NHR’  RCH2NHR’

* Học sinh cần lưu ý: phản ứng khử xảy ra theo cơ chế cộng AN

c) Các phương pháp khử bằng kim loại hòa tan:

Tác nhân khử:

+ Na/NH3 lỏng: C C C C (lập thể: cộng trans)

+ Na/ C2H5OH: RCOOH  RCH2OH

R-COO-R’  RCH2OH + R’OH + Zn (Hg)/ HCl: R-CO-R’  R-CH2-R’

V Bảo vệ nhóm chức:

* Điều kiện của nhóm bảo vệ:

+ Được tạo ra trong điều kiện nhẹ nhàng

+ Ổn định trong suốt quá trình phản ứng ở các trung tâm phản ứng khác

+ Dễ tái sinh nhóm chức ban đầu

1 Bảo vệ nhóm ancol:

a) Chuyển thành nhóm ete:

b) Chuyển thành nhóm este (nhóm este tương đối bền trong môi trường axit):

c) Chuyển thành nhóm axetal hoặc xetal (bảo vệ các điol):

C

C

OH

OH

+ O C

R

R

C R

R C

C

O O

H+

C C

OH OH

Không khử được bằng NaBH4

2 Bảo vệ nhóm cacbonyl:

Tạo thành axetal hoặc xetal tương tự như bảo vệ các điol; thường sử dụng etilen glycol

3 Bảo vệ nhóm cacboxyl:

Chuyển thành nhóm este; thường tạo thành tert-butyl este (dễ loại bằng H+) hoặc benzyl este (dễ loại bằng hidro phân)

4 Bảo vệ nhóm amino:

NH

RCOCl hoac (RCO)2O

-NH Ph-CH2-OCOCl

Ph3-CCl

B MỘT SỐ BÀI LUYỆN TẬP:

Bài 1: Cho sơ đồ chuyển hóa:

OH

1) CH3MgBr

H 2 SO 4

H 2 / Ni

CrO 3

OH

H3C

(H 3 C) 2 C= CH 2

B

2) H2O

H+, t0 1) O 3

2) H2O/Zn

a) Hãy viết cấu tạo các chất từ A đến E

b) Hãy viết cơ chế phản ứng từ phenol tạo thành A

Bài 2: Khi cho isobutilen vào dung dịch H2SO4 60%, đun nóng tới 800C thu được một hỗn hợp gọi tắt là đi - isobutilen gồm hai chất đồng phân của nhau A và B Hiđro hoá hỗn hợp này được hợp chất C (quen gọi là isooctan) C là chất được dùng để đánh giá chất lượng nhiên liệu lỏng

C cũng có thể được điều chế bằng phản ứng trực tiếp của isobutilen với isobutan khi có mặt axit vô

cơ làm xúc tác

Hãy gọi tên C theo IUPAC và viết các phương trình phản ứng giải thích sự tạo thành A, B, C

Bài 3: Tiến hành phản ứng đime hoá trimetyletilen có H+ xúc tác thu được hỗn hợp sản phẩm là các đồng phân có công thức phân tử C10H20 Cho biết các sản phẩm tạo thành dựa vào cơ chế phản ứng

Khi ozon hoá hỗn hợp thu được sau phản ứng đime hoá trên , ngoài các anđehit và xeton của sản phẩm dự kiến còn thu được một lượng đáng kể butan -2-on, giải thích cơ chế hình thành butan-2-on trong các phản ứng trên

Bài 4: Đun nóng Stiren với axit H2SO4 ta thu được hợp chất:

Hãy giải thích quá trình hình thành sản phẩm trên

Bài 5:

Từ isopren hãy viết các phương trình phản ứng điều chế trans - 2 - metylxiclohexanol

Bài 6: Viết các phương trình phản ứng( dạng cấu tạo) tạo thành A, B, C, D, M, N theo sơ đồ sau:

a) BrCH2CH2CH2CH=O

0

dd NaOH, t

b) BrCH2 CH2CH2COOH

0

2)

ddNaOH t ddHCl

  C H,t0

  D

c) HOCH2(CHOH)4CH=O Br ,H O2 2

  M

0

,

Ht

  N

Bài 7: Cho sơ đồ chuyển hóa:

OH

OCH3

H

OCH3

COOC2H5

(D)

E F G

(COOC2H5)2

HCOOC2H5

(C2H5O)2CO

C2H5OH KCN

H+

a) Cho biết cấu tạo của các chất từ A đến G

b) Giải thích sự hình thành các chất E, F, G

Bài 8: Từ propilen và các chất vô cơ cần thiết, viết sơ đồ phản ứng điều chế:

a) Axit 2,5-đimetyladipic b) Axit hept-2-inoic

Bài 9: Từ xiclopentanol điều chế axit 2-oxoxiclopentancacboxylic

Bài 10: Từ benzen và các hợp chất  2 C, hãy tổng hợp:

a)

b)

c)

O

O

d)

Cl

N

e)

NH

f)

O

H

O

H

OH

g)

O H

O

O H

O H

Bài 11: Từ benzen và các chất  3 C, tổng hợp:

a) H3C CH3 b)

O O

O

Bài 12: Từ CH3CH2CH2CH2OH và các chất vô cơ, tổng hợp

C

O

C 2 H 5 ONa

Bài 13:

Từ

OH

C

C

COOH

và các chất vô cơ, điều chế

O

Bài 14: Từ H2N-CH3 và CH2=CH-COOC2H5, tổng hợp

C

H3

Bài 15: Khi cho isobutanal tác dụng với axit malonic có mặt piriđin thu được hợp chất A Đun nóng A trong

môi trường axit để thực hiện phản ứng đecacboxyl hoá thu được hai sản phẩm A1 và A2 là đồng phân của nhau

(A5 bÒn h¬n)

A5, A6

H3PO4

A4

HCl

A1

A3

LiAlH4

A1

(hîp chÊt no)

Biết rằng A2 khi bị oxi hoá tạo thành axit oxalic A1 là lacton

Xác định cấu tạo của A1, ,A6 và viết các phương trình phản ứng

Bài 16: Có một số dẫn xuất ở gốc CH3 của axit axetic biểu hiện hoạt tính tăng trưởng cây trồng

2 COOH Cl

Cl

OCH2COOH Cl

Cl Cl

1 Gọi tên A, B, C

2 A được điều chế từ naphtalen và axit cloaxetic có mặt chất xúc tác ở 180 - 2150C Viết phương trình phản ứng và gọi tên cơ chế của phản ứng

3 B cũng được điều chế từ nguyên liệu trên qua chất trung gian là 1 - naphtol Viết sơ đồ các phản ứng và nêu cơ chế

4 C cũng được điều chế từ phenol và axit axetic Viết sơ đồ phản ứng

5 Khác với C, D được điều chế từ một dẫn xuất tetraclobenzen(X) theo sơ đồ:

X NaOH metanol

ClCH2COOH

H+

1

2

D a) Hoàn thành sơ đồ trên

b) Trong quá trình sản xuất D đã sinh ra một lượng nhỏ đioxin là chất cực kì độc có công thức:

O O

Cl Cl

Cl Cl

Giải thích sự tạo thành đioxin

C BÀI GIẢI:

Bài 1:

a)

(A)

CH3

OH

CH3

H3C

(B)

CH3 OH

CH3

H3C

(C)

O

H3C

(D)

H3C

(E)

O

H3C

O

b)

H+ C+

OH

OH H

+

OH

Bài 2:

+

CH3

CH3 C

CH3 H

CH3

CH2 C

CH3

CH3 C

CH2

CH3

CH3

C

CH3 +

CH3

CH3 C

CH3

CH3

CH2 C

CH3 C

CH3

CH3

CH2 C CH3

CH3

CH3 C CH C CH3

CH3

CH3

CH3 (A) (> 80%)

(< 20%) (B)

CH3

CH3

CH3

CH2

CH2 C C

CH3

Zaixep

- H

(A)

CH3

CH3

CH3

CH3 C

CH C

CH3

CH3

CH2 CH CH3

CH3 Isooctan(C) 2,2,4 - trimetylpentan (Qui ­íc cã chØ sè octan lµ 100)

* Isobutilen với isobutan khi có mặt axit vô cơ làm xúc tác cũng tạo ra C:

Cơ chế của quá trình tương tự phản ứng trên trong giai đoạn (1) và (2), sau đó:

-

+

CH3 C

CH2

CH3

CH3

C

CH3

CH3

CH2 CH CH3

CH3

CH3 CH CH3

CH3

+

(C) + CH3 C

CH3

CH3

H3C C CH3

CH3

sinh ra l¹i lÆp l¹i (2) Cø nh­ vËy

Bài 3: * Sản phẩm tạo thành khi đime hóa trimetyletilen:

CH2

CH3

H+

CH3

CH3 CH C

CH3

CH3 CH3

CH3 C CH

CH3

CH3 C

CH2

CH3

CH3

+

CH3

CH3 C

CH3 CH2 C

CH3

CH3

CH C CH2

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3 C

C

CH3

CH3 C

CH2

CH3

-H+

CH3 CH2 C

CH3

CH3

CH C CH3

CH3

CH3

* Ozon phân hỗn hợp trên thu được:

vµ HCHO

O C CH3

CH3

O

CH3 CH3

C CH

CH3

CH3 C

CH2

CH3

CH3 CH2 C

CH3

CH3

C O

CH3 ozon ph©n

CH3 CH2 C

CH3

CH3

CH C CH2

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3 C

C

CH3

CH3 C

CH2

CH3

* Sự tạo thành một lượng đáng kể butanon - 2 là do có sự đồng phân hóa trimetyletilen, tạo thành sản phẩm phụ:

CH3 C CH CH3

CH3

H+

CH3

CH3 C

CH3 CH2 CH2 C CH2 CH3

CH3

H+

-CH2

CH3 C CH3

CH3 C

CH2 CH2 + CH3 CH2 C CH2 C CH2 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH2 C CH C CH2 CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3

CH2 C

CH2 C

CH2

CH3

H+

Khi đó:

CH3

CH3

CH3CH2CCHO

CH3

O C

CH2

CH3

CH3

CH3 CH2 C CH C CH2 CH3

CH3

CH3

CH3

+

vµ HCHO

ozon ph©n

CH3 C

CH2 CH2

Bài 4:

CH = CH2

+

CH3

CH = CH2

C

CH2

CH3

C

H +

Bài 5:

H3C +

CH2

CH2

CH2

CH2

H3C

t 0 ,p

CH3

H2B H

CH3 H

BH2

CH3 H 3 B

H2O2/OH

- H3BO3

CH3 H OH

HiÖu suÊt 75%

+

- 

-

+