Tiểu luận: Ứng dụng hợp chất cơ nguyên tố trong tổng hợp hữu cơ doc

Tiểu Luận Ứng dụng hợp chất cơ nguyên tố trong tổng hợp hữu cơ MỤC LỤC  2 Phần I. MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề Mặc dù ra đời muộn hơn các chuyên ngành hóa học khác nhưng sau hơn hai thế kỷ ra đời hóa học hữu cơ đã có những bước phát triển nhanh chóng và đóng góp to lớn vào tất cả các lĩnh vực của đời sống sản xuất. Ngành hóa hữu cơ khi mới ra đời mang ý nghĩa là ngành hóa học nghiên cứu về những hợp chất có trong cơ thể sống. Hiện nay nó mang ý nghĩa rộng hơn là ngành hóa học nghiên cứu về các hợp chất của cacbon (trừ CO 2 , CO, muối cacbonat, xianua, cacbua). Tổng hợp hữu cơ là một bộ phận quan trọng của hóa học hữu cơ, bản thân nó có lịch sử phát triển khá lâu dài. Đây là một lĩnh vực rộng lớn và hấp dẫn, lôi cuốn được khá nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật cũng như các lĩnh vực khác của hóa học, ngày càng có nhiều hơn các phương pháp mới để tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Tổng hợp hữu cơ có thể xem là một nhiệm vụ quan trọng của hóa học hữu cơ, nó không những tạo ra những hợp chất quan trọng cho đời sống và sản xuất, mà còn trang bị cho người học những kiến thức lý thuyết cơ bản về phản ứng hữu cơ. Muốn tổng hợp thành công một hợp chất hữu cơ, cần nắm vững tính chất hóa học của các hợp chất khác nhau, sự chuyển hóa giữa các nhóm chức đồng thời vận dụng linh hoạt vào từng trường hợp cụ thể để có thể đạt hiệu suất cao nhất. Hợp chất cơ nguyên tố là những tác nhân có tính chất hóa học đa dạng và khả năng phản ứng cao. Xuất phát từ các hợp chất cơ nguyên tố, người ta có thể tổng hợp và điều chế được nhiều hợp chất khác nhau. Có thể nói đây là con đường tổng hợp hữu cơ cho hiệu suất tối ưu nhất. Với những lý do đó tôi đã chọn đề tài: “Ứng dụng hợp chất cơ nguyên tố trong tổng hợp hữu cơ”. Tuy nhiên trong giới hạn của một niên luận đề tài này chỉ trình bày ứng dụng cơ bản trong tổng hợp và điều chế của một số hợp chất cơ nguyên tố điển hình: Cơ magie, cơ liti và cơ photpho. II. Đối tượng nghiên cứu - Tính chất hóa học của các hợp chất cơ nguyên tố và ứng dụng trong tổng hợp và điều chế hữu cơ. 3 - Phương pháp giải các bài tập về tổng hợp và điều chế hữu cơ. - Hệ thống câu hỏi và bài tập về tổng hợp và điều chế hữu cơ. III. Mục tiêu nghiên cứu - Góp phần rèn luyện khả năng giải các bài tập tổng hợp và điều chế hữu cơ bằng nhiều con đường khác nhau từ đó bồi dưỡng ý thức yêu thích môn học. IV. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của đề tài. - Nghiên cứu các tài liệu khoa học có liên quan đến đề tài. 4 Phần II. NỘI DUNG I. Tổng quan lý thuyết 1. Hợp chất cơ nguyên tố 1.1 Khái niệm và phân loại - Hợp chất cơ nguyên tố là những hợp chất mà trong phân tử có chứa liên kết C-E trong đó E không phải là các nguyên tố organogen (C, H, O, N, S, Halogen ) - Tùy thuộc vào bản chất của nguyên tố E trong liên kết C-E mà người ta phân ra hợp chất cơ kim và hợp chất cơ phi kim. Tuy nhiên sự phân chia này không có một ranh giới rõ rệt. 1.2 Đặc điểm cấu tạo và tính chất chung 1.2.1 Hợp chất cơ kim - Các hợp chất cơ kim có thể có 2 dạng cấu tạo khác nhau: R-Me (1) và R-Me-Hal (2) Trong đó Me là các nguyên tố kim loại, Hal- là các halogen (Cl, Br, I). Tùy thuộc vào bản chất của kim loại, halogen, R- mà hợp chất cơ kim có những loại liên kết khác nhau:  Liên kết C-Me có thể là liên kết ion ở mức độ nào đó (Me: K, Na, Li, Ca, Mg )  Liên kết C-Me có thể là liên kết cộng hóa trị (Me: Pb, Hg ) - Do bản chất liên kết C-Me trong các hợp chất cơ kim là khác nhau do đó các hợp chất cơ kim có những tính chất vật lý và hóa học khác nhau. Về mặt hóa học các hợp chất cơ kim thể hiện 2 tính chất chính:  Tính chất bazơ: Các hợp chất cơ kim dễ dàng tác dụng với các hợp chất có H linh động như: HOH, ROH, HX  Tính nucleophin: Các hợp chất cơ kim đóng vai trò là một tác nhân nucleophin mạnh. Các tính chất này có sự thể hiện cụ thể ở từng tác nhân khác nhau. 1.2.2 Hợp chất cơ phi kim - Là những hợp chất hữu cơ mà phân tử có liên kết C-E (E là các phi kim P, S, Si ) trong đó quan trọng hợp cả là hợp chất cơ - photpho và cơ - silic. 1.3 Một số hợp chất cơ nguyên tố tiêu biểu 1.3.1 Hợp chất cơ magie - Các hợp chất cơ magie có cấu tạo khá phức tạp, song để đơn giản người ta dùng công thức RMgX (R là gốc hidrocacbon, X là halogen). 5 - Hợp chất cơ magie được tổng hợp đầu tiên bởi Barbier vào năm 1899. Năm 1900 học trò của Barbier là Grignard đã đưa ra quy trình tổng hợp hợp chất cơ - magie đi từ dẫn xuất halogen trong môi trường ete khan cho hiệu suất cao (Thuốc thử Grignard). RX + Mg → ete RMgX R- có thể là gốc ankyl bậc 1, bậc 2 hay gốc ankyl bậc 3. Nó cũng có thể là gốc xycloankyl, ankenyl, aryl. Đietyl ete khan là dung môi thường sử dụng trong phản ứng điều chế hợp chất cơ magie theo phương pháp trên, tuy nhiên trong trường hợp vinyl- và arylclorua thì dung môi sử dụng là THF (tetrahiđrofuran). - Nhờ có khả năng phản ứng cao và tính chất hóa học đa dạng cho nên các hợp chất cơ- magie được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp và điều chế hữu cơ. - Hai phản ứng cơ bản của hợp chất cơ-magie là: Phản ứng thế MgX bởi H linh động và phản ứng cộng RMgX vào liên kết >C=O trong hợp chất cacbonyl. Nhược điểm cơ bản của thuốc thử Grignard chính là tính bazơ mạnh của nó do đó trong các phản ứng hóa học nó dễ bị thủy phân bởi các axit yếu (HOH, ROH, RNH 2 …) 1.3.2 Hợp chất cơ liti - Hợp chất cơ liti (RLi) được điều chế từ dẫn xuất halogen và liti kim loại trong dung môi ete khan hoặc hexan. RX + 2Li  → hexan RLi + LiX - Các hợp chất cơ liti tham gia các phản ứng tương tự hợp chất cơ magie nhưng khả năng phản ứng cao hơn. 1.3.3 Hợp chất cơ đồng (Liti điankylcuprat) - Liti điankylcuprat được điều chế từ hợp chất cơ liti và muối Cu (I) halogenua: 2RLi + CuX → R 2 CuLi + LiX (X là Cl, Br, I) - R 2 CuLi (tương đối dễ tan trong nước) là hợp chất quan trọng trong quá trình tổng hợp, điều chế các hiđrocacbon bất đối xứng (Phương pháp Corey-House). 1.3.4 Hợp chất cơ photpho - Hợp chất cơ photpho là loại hợp chất cơ phi kim được nghiên cứu nhiều nhất và có nhiều ứng dụng rộng rãi nhất. 6 Chưng khan Người ta phân chia hợp chất cơ photpho thành 2 loại lớn: Loại có liên kết C-P và loại có liên kết gián tiếp P và C qua một nguyên tố khác. Thực tế thì cả hai loại này đều có nhiều ứng dụng trong thực tế. 1.3.5 Một số hợp chất cơ nguyên tố khác. Ngoài những hợp chất cơ nguyên tố đã nêu ở trên còn rất nhiều những hợp chất cơ nguyên tố khác: - Hợp chất cơ Na, K: Về cả tính chất và cấu tạo giống với hợp chất cơ Liti - Hợp chất cơ kẽm: Có thể có 2 dạng RZnR hay RZnX và được điều chế từ dẫn xuất halogen và kẽm: R-I + Zn → RZnI 2RZnI RZnR + ZnI 2 Về tính chất hóa học, hợp chất cơ kẽm tương tự hợp chất cơ magie nhưng khả năng phản ứng kém hơn nhiều đồng thời việc điều chế nó gặp khá nhiều khó khăn do đó nó ít được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ hơn các hợp chất cơ-magie. - Hợp chất cơ thủy ngân: Nhiều hợp chất cơ thủy ngân đã được điều chế và sử dụng trong thực tế vi hoạt tính sinh học cao. Tuy nhiên hợp chất cơ thủy ngân rất độc. 2. Phản ứng thế nucleophin (S N ) 2.1 Cơ chế S N 1 - Qua 2 giai đoạn:  Giai đoạn chậm: Tạo cacbocation R +  Giai đoạn nhanh: Cacbocation kết hợp với một tác nhân nucleophin trong hỗn hợp phản ứng tạo ra sản phẩm. - Hóa lập thể: Do cấu tạo của gốc cacbocation phẳng nên đa số các trương hợp nếu xuất phát từ hợp chất quang hoạt sẽ thu được một biến thể raxemic. Tuy nhiên nếu cacbocation sinh ra không hoàn toàn tự do thì sản phẩm sinh ra là biến thể raxemic và quay cấu hình một phần. 2.2 Cơ chế S N 2 - Là cơ chế 1 giai đoạn đi qua trạng thái chuyển tiếp Y - + R-X [ Y R X] → Y-R + X - - Hóa lập thể: Về phương diện không gian trong phản ứng S N 2 tác nhân Y - tấn công vào nguyên tử C trung tâm từ phía đối diện của X do đó nếu đi từ dẫn xuất quang hoạt thì sản phẩm thu được có cấu hình ngược với dẫn xuất ban đầu (Sự quay cấu hình). 7 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng 2.3.1 Ảnh hưởng của gốc hidrocacbon (R-) - Cấu tạo của gốc R- có ảnh hưởng đến phản ứng thế nucleophin: + Các gốc ankyl có bậc càng cao thì khả năng phản ứng S N 1 tăng, phản ứng S N 2 giảm. + Các dẫn xuất anlyl và benzyl thuận lợi cho cả cơ chế S N 2 và S N 1 + Các dẫn xuất phenyl và vinyl thường tham gia phản ứng thế nucleophin khó khăn. 2.3.2 Ảnh hưởng của nhóm bị thay thế - Khả năng phản ứng của các dẫn xuất R-X trong phản ứng S N 1 và S N 2 không chỉ phụ thuộc vào cấu tạo của gốc R- mà còn phụ thuộc vào bản chất của nhóm bị thay thế X- Ví dụ: I - > Br - > Cl - >> F - 2.3.3 Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin - Phản ứng xảy ra theo cơ chế S N 1 thì tốc độ phản ứng hầu như không phụ thuộc vào nồng độ và bản chất của tác nhân nucleophin còn theo cơ chế S N 2 thì tốc độ phản ứng lại phụ thuộc vào nồng độ và lực nucleophin của tác nhân. 2.3.4 Ảnh hưởng của dung môi - Sự ảnh hưởng của dung môi đến phản ứng thế nucleophin là khá phức tạp, khi chuyển từ dung môi này qua dung môi khác tốc độ phản ứng sẽ thay đổi và có khi làm thay đổi cả cơ chế của phản ứng. Tuy nhiên trong các trường hợp lý tưởng người ta bỏ qua sự tương tác của dung môi. 3. Phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl (>C=O) 3.1 Cơ chế A N (CO) Phản ứng tổng quát: Trong đó X-Y có thể là: HOH, ROH, HCN, HSO 3 Na, R-MgX Phản ứng diễn ra qua 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Y - + → - Giai đoạn 2: + X + → 3.2 Hóa lập thể. 8 R O L N Tb Hướng chính - Về mặt hóa lập thể, phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl (trong anđehit, xeton) không có tính đặc thù vì nguyên tử C trong nhóm cacbonyl ở dạng phẳng. Nếu phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl dẫn tới sản phẩm có cacbon bất đối thì đó phải là biến thể raxemic. - Nếu nhóm >C=O liên kết với một nguyên tử C bất đối thì phản ứng sẽ ưu tiên tạo thành một đồng phân quang học không đối quang (đồng phân đia) theo quy tắc Cram Nội dung: Nếu một phân tử mà trong đó nhóm cacbonyl liên kết trực tiếp với một nguyên tử cacbon bất đối có ba nhóm thế với kích thước khác nhau (Lớn ‘L’, Trung bình ‘Tb’, Nhỏ ‘N’) thì trong phản ứng cộng nucleophin tác nhân Y - sẽ ưu tiên tấn công từ phía ít bị án ngữ không gian hơn. - Tuy nhiên quy tắc Cram không phải hoàn toàn nghiệm đúng, tỷ lệ sản phẩm theo quy tắc Cram và ngược quy tắc Cram phụ thuộc vào kích thước không gian của các nhóm thế trong hợp chất cacbonyl cũng như kích thước của tác nhân nucleophin. Để xác định sản phẩm chính của phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl người ta sử dụng mô hình Felkin- Anh. Đây là mô hình dựa trên tính toán lý thuyết và phù hợp rộng rãi với các kết quả thực nghiệm. 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng 3.3.1 Hiệu ứng electron - Trong phản ứng cộng nucleophin nếu điện tích trên nguyên tử C trung tâm càng lớn thì tác nhân nucleophin càng dễ tấn công, phản ứng càng dễ xảy ra. Như vậy các nhóm thế đẩy electron (có hiệu ứng +I, +C) nối với nguyên tử cacbon-cacbonyl sẽ làm giảm điện tích dương và khả năng phản ứng giảm đi. Trái lại các nhóm thế hút electron (có hiệu ứng -I, -C) có tác dụng ngược lại nghĩa là làm tăng điện tích dương trên nguyên tử cacbon-cacbonyl do đó khả năng phản ứng tăng lên. Ví dụ: CCl 3 -CHO > HCHO > CH 3 -CHO > (CH 3 ) 2 CO 3.3.2 Hiệu ứng không gian 9 - Tác nhân nucleophin trong phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl thường có kích thước khá cồng kềnh do đó sẽ có sự ảnh hưởng của hiệu ứng không gian loại I tới khả năng phản ứng. Nếu các nhóm thế liên kết trực tiếp với nguyên tử cacbon-cacbonyl có kích thước càng cồng kềnh thì sẽ làm cho tác nhân nucleophin khó tấn công vào nguyên tử cacbon trung tâm hơn, mặt khác trạng thái chuyển tiếp tạo thành kém bền do đó khả năng phản ứng giảm. 4. Bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ 4.1 Khái niệm bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ - Trong quá trình tổng hợp hữu cơ thường xảy ra sự cần thiết phải chuyển hóa các nhóm chức này mà không tác động tới nhóm chức khác trong phân tử nghĩa là cần phải bảo vệ nhóm chức này trong quá trình chuyển hóa nhóm chức kia. Để làm được điều này người ta có thể thực hiện theo hai cách cơ bản:  Thứ nhất là sử dụng các tác nhân chọn lọc và điều kiện phản ứng nghiêm ngặt. Ví dụ: Dùng chất khử là LiAlH 4 thay cho H 2 /Ni để khử nhóm cacbonyl mà không tác động tới các liên kết bội  Cách thứ hai là tạm thời chuyển hóa nhóm chức cần bảo vệ thành một nhóm chức khác mà nó sẽ không biến đổi trong suốt quá trình chuyển hóa nhóm chức cần thiết. Cách thứ hai mà ta đang đề cập tới ở đây chính là phương pháp bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ, nhóm chức được tạm thời thay đổi được gọi là nhóm bảo vệ. - Như vậy yêu cầu cơ bản đối với nhóm chức bảo vệ là: + Phải dễ dàng chuyển hóa thành các nhóm chức khác, mà nhóm chức mới này được ổn định và không tham gia vào quá trình phản ứng chuyển hóa nhóm chức cần chuyển hóa. + Sau phản ứng chuyển hóa nhóm chức cần thiết, nhóm bảo vệ lại dễ dàng được chuyển lại nhóm chức cũ trong điều kiện hết sức nhẹ nhàng. 4.2 Bảo vệ nhóm ancol - Chuyển hóa qua nhóm chức ete: Các ete nói chung bền vững với hầu hết các tác nhân oxi hóa trong môi trường trung tính và kiềm. Để tái tạo ancol người ta thủy phân các ete trong môi trường axit. - Chuyển hóa qua nhóm este: Các este tương đối bền trong môi trường axit, do đó nó được ứng dụng trong việc bảo vệ nhóm hyđroxyl trong quá trình nitro hóa, oxi hóa 10 [...]... ancol có thể được tổng hợp từ con đường cơ nguyên tố - Trong trường hợp xeton có thể tổng hợp bằng phản ứng của hợp chất nitrin với hợp chất cơ kim loại sau đó thủy phân sản phẩm sẽ thu được xeton + O R-CN R' MgX → R-C=NMgX H → R-C=O   3 R’ R’ Trong đó hợp chất nitrin được điều chế bằng phản ứng tổng hợp Kolbe 3.2 Tổng hợp axit cacboxylic qua hợp chất cơ nguyên tố - Để tổng hợp các axit cacboxylic... nhiều trong đời sống sản xuất Do yêu cầu đó mà việc tổng hợp và điều chế hữu cơ ngày càng là nhiệm vụ quan trọng của tổng hợp hữu cơ Về mặt lý thuyết việc giải quyết các bài toán về tổng hợp và điều chế hữu cơ giúp người học có thể củng cố lý thuyết cơ bản về phản ứng hữu cơ, tính chất của các hợp chất hữu có nhóm chức Rèn luyện khả năng lựa chọn có hệ thống, vận dụng linh hoạt các kiến thức cơ bản... 1900 học trò của Barbier là Grignard đã đưa ra quy trình tổng hợp hợp chất cơ magie đi từ dẫn xuất halogen trong môi trường ete khan cho hiệu suất cao Dựa trên tính chất đa dạng và khả năng phản ứng cao của hợp chất cơ magie, Grignard và các cộng sự đã tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau Khi cho hợp chất cơ magie tác dụng với các tác nhân thích hợp (Anđehit, xeton, este,…) rồi đem các sản phẩm thu... nhân thường sử dụng hơn là etylen glicol vì các axetal hay xetal vòng bền trong môi trường trung tính và kiềm II Tổng hợp một số hợp chất hữu cơ có nhóm chức qua con đường hợp chất cơ nguyên tố 1 Tổng hợp hiđrocacbon 1.1 Tổng hợp hiđrocacbon giữa nguyên mạch cacbon (phương pháp Grignard) - Để điều chế các hiđrocacbon từ dẫn xuất halogen tương ứng với số cacbon không đổi người ta sử dụng phương pháp... và kỹ năng tư duy Sau một thời gian nghiên cứu đề tài bản thân tôi thu được một số kết quả sau: - Tổng quan lý thuyết về hợp chất cơ ngyên tố - Các phản ứng chuyển hóa trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ có nhóm chức thông qua hợp chất cơ nguyên tố - Hệ thống bài tập vận dụng Mặc dù đã rất cố gắng nhưng trong quá trình thực hiện đề tài này sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng... Có thể sử dụng các dẫn xuât khác của axit cacboxylic RCOZ (với Z là Cl-, -OCOR’), trong các trường hợp đó ta luôn thu được ancol bậc 3 với số cacbon tăng thêm ≥3 3 Tổng hợp các hợp chất cacbonyl qua con đường hợp chất cơ nguyên tố 3.1 Tổng hợp anđehit – xeton - Thông thường người ta thường điều chế anđehit – xeton bằng cách oxi hóa nhẹ ancol tương ứng bằng các tác nhân oxi hóa thích hợp Trong đó ancol... ancol hoặc anđehit, xeton tương ứng với tác nhân oxi hóa thích hợp Ngoài ra người ta có thể tổng hợp trực tiếp axit bằng cách cho hợp chất cơ kim tác dụng với CO 2 sau đó đem sản phẩm thủy phân sản phẩm thu được + O RMgX CO R-COOMgX H → RCOOH →   2 3 III Phương pháp giải bài tập tổng hợp hữu cơ nhiều giai đoạn 1 Phương pháp giải chung - Việc tổng hợp và điều chế hữu cơ là một công việc rất khó khăn,... phản ứng với dẫn xuất Brom vì dẫn xuất Brom có khả năng phản ứng cao hơn các dẫn xuất Clo c Liti Điankylcuprat phản ứng với dẫn xuất halogen bậc 3 cho hiệu suất rất thấp do vậy trong thực tế người ta không sử dụng phản ứng của Liti Điankylcuprat với các dẫn xuất halogen bậc 2, 3 để tổng hợp các ankan bất đối xứng Bài 3: Từ các hợp chất hữu cơ có số cacbon ≤ 2 và các hóa chất vô cần thiết hãy tổng hợp. .. CH3CH2CH(OMgCl)CH3 + HOH → CH3CH2CH(OH)CH3 + Mg(OH)Cl 3CH3CH2CH(OH)CH3 + 2CrO3 + 6H+ → 3CH3CH2COCH3 + 2Cr3+ + 6H2O Bài 9*: Đi từ hợp chất hữu cơ duy nhất là etanol, bằng phương pháp tổng hợp qua hợp chất cơ nguyên tố hãy lập sơ đồ tổng hợp 3,3,5-trimetylheptan-1-ol với các tác nhân vô cơ và điều kiện phản ứng có đủ Giải: CH3CH2OH SOCl → CH3CH2Cl Mg /→ CH3CH2-MgCl  ete   2 o Al O , 400 C O / Ag  CH3CH2OH  ... hiểu bài và vận dụng kiến thức liên quan của người học - Thông thường quá trình giải một bài tập tổng hợp hữu cơ nhiều giai đoạn tiến hành qua các bước cơ bản sau: Bước 1: Xác định công thức cấu tạo của chất ban đầu và sản phẩm cần tổng hợp Bước 2: Xác định nhóm chức và cấu tạo của chất cần tổng hợp, xem xét mối quan hệ với chất đầu Bước 3: Tìm các phương pháp khác nhau có thể dùng để tổng hợp trực tiếp . nguyên tố trong tổng hợp hữu cơ . Tuy nhiên trong giới hạn của một niên luận đề tài này chỉ trình bày ứng dụng cơ bản trong tổng hợp và điều chế của một số hợp chất cơ nguyên tố điển hình: Cơ magie,. magie, cơ liti và cơ photpho. II. Đối tượng nghiên cứu - Tính chất hóa học của các hợp chất cơ nguyên tố và ứng dụng trong tổng hợp và điều chế hữu cơ. 3 - Phương pháp giải các bài tập về tổng hợp. ứng cao và tính chất hóa học đa dạng cho nên các hợp chất cơ- magie được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp và điều chế hữu cơ. - Hai phản ứng cơ bản của hợp chất cơ- magie là: Phản ứng thế MgX bởi