chuyên đề tổng hợp hữu cơ, trường thpt chuyên hà nội amsterdam

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’ + 2 3 1) 2) CO H O + → RCOOH + 1) O RCH 2 CH 2 OH RMgX + 3 1) 2) HCHO H O + → RCH 2 OH + 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) 2 C(OH)R’ * Học sinh cần lưu ý: + Hợp chất cơ magie RMgX rất dễ phản ứng với các hợp chất có hidro linh động (H 2 O, NH 3 , 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 2 3 / long NaNH NH → 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/AlCl 3 hoặc axit protonic (HF > H 2 SO 4 > H 3 PO 4 ) + ancol/ xt: axit protonic hoặc Al 2 O 3 . b) Các phản ứng axyl hóa: R ∆ Một số phản ứng formyl hóa (thường dùng để gắn nhóm – CHO vào phenol, ete thơm hoặc nhân thơm giàu electron) - CO + HCl AlCl 3 R R CHO (Phản ứng Gatterman – Koch) - HCN + HCl/ AlCl 3 H 2 O R R CHO (Phản ứng Gatterman) - HCO-N(R) 2 POCl 3 hoac COCl 2 R R CHO (Phản ứng Vilsmeier) - CHCl 3 NaOH OH OH OHC (Phản ứng Reimer – Tiemann) * Học sinh cần lưu ý: 1 2) H 3 O + O R’ L tb N R - O - R’ L tb N R + dẫn xuất halogen/ xt: axit Lewis (AlCl 3 > FeCl 3 > BF 3 > ZnCl 2 ) + dẫn xuất của axit cacboxylic (RCOX > (RCO) 2 O > RCOOR’)/ xt: AlCl 3 + Cơ chế của các phản ứng ankyl và axyl hóa nhân thơm là cơ chế S E 2(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 α H 2 – Y hoặc X – C α H(R) – Y ; với X, Y là –COR’, -COOR’, -CN, -NO 2 … Do X, Y là các nhóm hút electron mạnh → nguyên tử H α rất linh động → dùng bazơ để tách H + , tạo thành cacbanion. H 2 C Y X C 2 H 5 ONa - C 2 H 5 OH - CH Y X Na + RBr R HC Y X 1) C 2 H 5 ONa 2) RBr R 2 C Y X 1) C 2 H 5 ONa 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 α 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 + RCO - C Y X + H 2 C 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, - NO 2 … Các phản ứng được tiến hành tương tự, nhưng phải sử dụng xúc tác là bazơ rất mạnh (NaNH 2 ; C 2 H 5 ONa…) do nguyên tử H α 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 + C C C C H H OH H H O C C C C H H H O H + hoac OH - H + hoac OH - * Học sinh cần lưu ý: + Cơ chế của giai đoạn cộng andol: A N + Giai đoạn croton hóa có thể xảy ra theo cơ chế E 1 hoặc E 1 cb (khi có H β 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 H α linh động hơn. b) Phản ứng ngưng tụ của anđehit, xeton với các hợp chất có nhóm metylen hoặc metyn linh động: H 2 C Y X - CH Y X B - - BH C O C HC O - Y X BH - B - C HC OH Y X C C Y X - H 2 O * 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. 2 C 6 H 5 – CH=O + (CH 3 CO) 2 O 3 3 OO OOH khan CH C Na CH C− → C 6 H 5 – 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: H 2 C Y X - CH Y X B - - BH H 2 C CH CH O H 2 C - CH CH O CH Y X BH - B - H 2 C CH 2 CH O CH Y X * Học sinh cần lưu ý: + Xúc tác bazơ có thể là C 2 H 5 ONa (nhiệt độ phòng); piperidin (nhiệt độ cao hơn). + Có thể thay thế hợp chất cacbonyl-α,β-không no bằng các hợp chất nitro (NO 2 ) 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: CH 3 –COO–C 2 H 5 + CH 3 –COO–C 2 H 5 2 5 C H ONa → CH 3 –CO–CH 2 –COO–C 2 H 5 + C 2 H 5 OH Cơ chế phản ứng:                                                                  + Phản ứng ngưng tụ este với hợp chất nitril: CH 3 –COO–C 2 H 5 + R–CH 2 –CN 2 5 C H ONa → CH 3 –CO–CH 2 (R)–CN + C 2 H 5 OH + Phản ứng ngưng tụ este với anđehit hoặc xeton: CH 3 –COO–C 2 H 5 + CH 3 –CO–CH 3 2 5 C H ONa → CH 3 –CO–CH 2 –CO–CH 3 + C 2 H 5 OH 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 + Na 2 CO 3 3. Phản ứng Hunzdicker: RCOOAg + Br 2 4 o CCl t → RBr + CO 2 + AgBr 4. Phản ứng halofom:RCOCH 3 + 3X 2 + 4NaOH → RCOONa + CHX 3 + 3NaX + 3H 2 O 5. Phản ứng thoái phân Hoffman: R – CO – NH 2 2 2 , , o Br NaOH t CO − → RNH 2 6. Các phản ứng oxi hóa làm gãy mạch Cacbon: a) Các phản ứng làm gãy liên kết liên kết đôi C=C: + 4 , o KMnO t → CH 3 –COOH + CH 3 –CO–CH 3 HC O O C O CH 3 CH 3 H 3 C b) Các phản ứng làm gãy liên kết C – C vic -điol: C C OH OH C O C O + HIO 4 hoac Pb(OOCCH 3 ) c) Phản ứng oxi hóa ankyl, ankenyl hoặc dẫn xuất của benzen: KMnO 4 hoac K 2 Cr 2 O 7 H + R COOH * 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. + Nếu dùng Na 2 Cr 2 O 7 (không có H + ) sẽ tạo thành xeton mà không bị cắt mạch 3 + 3 O → CH 3 –CH=O + CH 3 –CO–CH 3 CH 3 –COOH + CH 3 –CO–CH 3 CH 3 –CH= C(CH 3 ) 2 CH 2 R C R O Na 2 Cr 2 O 7 250 o C, 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) CH R 2 C R 2 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 + X X R R + X R X R + X 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: Pb 4+ , SeO 2 … C C CH 2 C C CH OH c) Các phản ứng oxi hóa ankyl, ankenyl hoặc dẫn xuất của benzen d) Các phản ứng oxi hóa ancol: + Ancol bậc I [ ]O → anđehit + Ancol bậc II [ ]O → xeton (Quá trình oxi hóa ancol bậc I thành anđehit cần khống chế cẩn thận để không chuyển thành axit). 4 Tác nhân oxi hóa: CuO, K 2 Cr 2 O 7 /H + , CrO 3 /H + … + vic-điol 4 HIO → cacbonyl. e) Các phản ứng oxi hóa anđehit, xeton: + Anđêhit [ ]O → axit cacboxylic Tác nhân oxi hóa: O 2 /xt, [Ag(NH 3 ) 2 ] + , KMnO 4 /H + , K 2 Cr 2 O 7 /H + … + Xeton [ ]O → bị cắt mạch thành axit cacboxylic và xeton Tác nhân oxi hóa: KMnO 4 /H + , HNO 3 … 2. Các phản ứng khử: a) Phương pháp hidro hóa xúc tác: Tác nhân khử: + H 2 / Ni, Pt, Pd: C C C C C C RCOCl → RCH=O RCH=O → RCH 2 OH R-CO-R’ → R-CH(OH)-R’ R-COO-R’ → RCH 2 OH + R’OH RX → RH RNO 2 → RNH 2 R-C≡N → R-CH 2 NH 2 R-CO-NHR’ → RCH 2 NHR’ + H 2 / Pd/ BaSO 4 , BaCO 3 … (xúc tác Lindlar): khử lựa chọn liên kết ba về liên kết đôi C C C C + 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. * 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 LiAlH 4 , NaBH 4 RCOCl → RCH 2 OH RCH=O → RCH 2 OH R-CO-R’ → R-CH(OH)-R’ RCOOH → RCH 2 OH R-COO-R’ → RCH 2 OH + R’OH Epoxit → 1,2-điol RX → RH RNO 2 → RNH 2 R-C≡N → R-CH 2 NH 2 R-CO-NHR’ → RCH 2 NHR’ * Học sinh cần lưu ý: phản ứng khử xảy ra theo cơ chế cộng A N . c) Các phương pháp khử bằng kim loại hòa tan: Tác nhân khử: + Na/NH 3 lỏng: C C C C (lập thể: cộng trans) + Na/ C 2 H 5 OH: RCOOH → RCH 2 OH R-COO-R’ → RCH 2 OH + R’OH + Zn (Hg)/ HCl: R-CO-R’ → R-CH 2 -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: C OH C O R C OH HI b) Chuyển thành nhóm este (nhóm este tương đối bền trong môi trường axit): 5 Không khử được bằng NaBH 4 C OH C OCO R C OH NaOH 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 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) 2 O N CO R OH - NH Ph-CH 2 -OCOCl N OCO-CH 2 -Ph H 2 /Pd Ph 3 -CCl N C-Ph 3 CH 3 COOH khan B. MỘT SỐ BÀI LUYỆN TẬP: Bài 1: Cho sơ đồ chuyển hóa: OH 1) CH 3 MgBr A D H 2 SO 4 H 2 / Ni (¸p suÊt) H 2 O CrO 3 OHH 3 C C E (H 3 C) 2 C= CH 2 B 2) H 2 O H + , t 0 1) O 3 2) H 2 O/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 H 2 SO 4 60%, đun nóng tới 80 0 C 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 C 10 H 20 . 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 H 2 SO 4 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) BrCH 2 CH 2 CH 2 CH=O 0 dd NaOH, t → A 3 CH OH,HCl khan → B 6 b) BrCH 2 CH 2 CH 2 COOH 0 1) , 2) ddNaOH t ddHCl → C 0 ,H t + → D c) HOCH 2 (CHOH) 4 CH=O 2 2 Br ,H O → M 0 ,H t + → N Bài 7: Cho sơ đồ chuyển hóa: OH OCH 3 A B C H OCH 3 COOC 2 H 5 (D) E F G (COOC 2 H 5 ) 2 HCOOC 2 H 5 (C 2 H 5 O) 2 CO C 2 H 5 OH KCN PBr 3 H + 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) CH 2 CH 2 NH CH 3 b) CH CH OH NHCH 3 CH 3 c) NH C O C 2 H 5 O CH 3 d) Cl SO 2 NH 2 NH 2 e) NH C 4 H 9 COO CH 2 CH 2 N(CH 3 ) 2 f) CH CH 2 NH 2 OH OH OH g) CH 2 CH 2 NH 2 OH OH h) CH CH CH 3 OH OH OH NH 2 Bài 11: Từ benzen và các chất ≤ 3 C, tổng hợp: a) CH 3 CH 3 b) O O O c) OH C(CH 3 ) 2 OH Bài 12: Từ CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH và các chất vô cơ, tổng hợp CH 3 CH 3 CONH 2 O Bài 13: Từ H 3 CO H 3 CO OH CH 3 CH 3 COOH và các chất vô cơ, điều chế H 3 CO H 3 CO O CH 3 CH 3 Bài 14: Từ H 2 N-CH 3 và CH 2 =CH-COOC 2 H 5 , tổng hợp N O CH 3 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 A 1 và A 2 là đồng phân của nhau.                        Biết rằng A 2 khi bị oxi hoá tạo thành axit oxalic. A 1 là lacton. 7 C 2 H 5 ONa Xác định cấu tạo của A 1 , ,A 6 và viết các phương trình phản ứng. Bài 16: Có một số dẫn xuất ở gốc CH 3 của axit axetic biểu hiện hoạt tính tăng trưởng cây trồng. CH 2 COOH OCH 2 COOH OCH 2 COOH Cl Cl OCH 2 COOH Cl Cl Cl (A) (B) (C) (D) 1. Gọi tên A, B, C. 2. A được điều chế từ naphtalen và axit cloaxetic có mặt chất xúc tác ở 180 - 215 0 C. 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:  ! "#!     $ % % & 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) CH 3 OH CH 3 H 3 C (B) CH 3 OH CH 3 H 3 C (C) CH 3 O CH 3 H 3 C (D) CH 3 CH 3 H 3 C CH 3 (E) CH 3 O CH 3 H 3 C CH 3 O b) H + C + OH OH H + - H + OH Bài 2: $                            $               8 δ - δ +                             '()* +)* ,              -!.#                /                01! 2"#3#! 4567891:!;)) * 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:                                  $  $                12!<=<%>6?@3% Bài 3: * Sản phẩm tạo thành khi đime hóa trimetyletilen:           $                              $                                          $                  * Ozon phân hỗn hợp trên thu được: 9 ?;                                  AB                                 * Sự tạo thành một lượng đáng kể butanon - 2 là do có sự đồng phân hóa trimetyletilen, tạo thành sản phẩm phụ:          $                   $                   $                                                     $ Khi đó:                                   $ ?; A B       Bài 4: 10 [...]... C2H5O2C C C OC2H5 O OMe OMe OMe OMe (F) (G) O C2H5O2C O C2H5O2C C C H OC2H5 OMe OMe b) Giải thích sự hình thành của: OC2H5 COOC2H5 H COOC2H5 - HC δ+ H 5 C 2O C O H5C2OOC H 5 C 2O C O C 2H5ONa - C O COOC2H5 O H5C2OOC - C 2H 5O COOC2H5 - OCH3 OCH3 OCH3 E: OCH3 Tương tự, giải thích được sự hình thành F và G Bài 8: Cl2 HBr Na ,t 0 → a) CH2 = CH – CH3  CH2 = CH – CH2Cl  CH2 = CH – CH2 – CH2 – CH = . 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. CH CH CH 3 OH OH OH NH 2 Bài 11: Từ benzen và các chất ≤ 3 C, tổng hợp: a) CH 3 CH 3 b) O O O c) OH C(CH 3 ) 2 OH Bài 12: Từ CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH và các chất vô cơ, tổng hợp CH 3 CH 3 CONH 2 O Bài 13: Từ H 3 CO H 3 CO OH CH 3 CH 3 COOH . 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 C 10 H 20 . Cho biết các sản phẩm tạo thành