Tài liệu luyện thi hóa hữu cơ lớp văn bằng 2 dược sĩ đại học

LỚP VB2 DƯỢC Chương 1: Cấu trúc điện tử nguyên tử carbon Sự tạo thành liên kết hợp chất hữu 1 Cấu trúc điện tử 1.1 Thuyết tứ diện (Vant Hoff-Le Bel) C C 109o28' Nguyên tử C có hóa trị Bốn hóa trị hướng đỉnh tứ diện Tâm tứ diện nguyên tử C Các góc hóa trị tâm 109o28’ Khi nguyên tử C liên kết với ngun tử hay nhóm giống tứ diện 1.2 Cấu trúc điện tử nguyên tử C 1.2.1 Trạng thái Cấu hình C 1s22s22p2 = 1s22s22px12py1 px py pz 1s22s22p2 Cịn orbital trống (pz) 1.2.2 Trạng thái kích thích C* 1s22s12px12py12pz1 = 1s22s12p3 1s2 2s2 2p2 1s 2s 2p3 C có điện tử đơn độc tạo liên kết C có hóa trị Bốn điện tử kích thích có lượng khác liên kết phải khác → trái với thuyết tứ diện (trái với thực tế) 1.2.3 Carbon trạng thái lai hóa Mơ hình khơng gian lai hóa sp3 Mơ hình khơng gian lai hóa sp2 Mơ hình khơng gian lai hóa sp Lai hóa sp3 O Lai hóa sp3 N Sự tạo thành liên kết 2.1 Liên kết cộng hóa trị- σ π - Liên kết hình thành xen phủ cực đại orbital nguyên tử thành orbital phân tử - Khi vùng xen phủ orbital nguyên tử lớn liên kết tạo thành bền - Xen phủ trục → liên kết σ - Xen phủ bên → liên kết π 2.2 Liên kết σ π hóa hữu 2.2.1 Liên kết σ: xen phủ - Hs-Csp3,Csp2,Csp → σC-H - Csp3,Csp2,Csp-Csp3,Csp2,Csp → σC-C - O, Nsp- Hs → σO-H; σN-H - O, Nsp-Csp3,Csp2,Csp → σO-C; σN-C 2.2.2 Liên kết π: xen phủ - Cpy,Cpz-Cpy,Cpz → πC-C (C=C; C≡C) - Op,Np-Cp → πO-C, πN-C (C=O; C=N; C≡N) 2.3 Tính chất liên kết 2.3.1 Sự phân cực liên kết Phân tử dạng A-A (H-H; CH3-CH3) Phân tử dạng A-B (H-Cl; C2H5OH) liên kết cộng hóa trị khơng phân cực liên kết cộng hóa trị phân cực (do chênh lệch ĐAĐ) Sự phân cực xảy liên kết   : mũi tên thẳng ( ) Chiều mũi tên chiều chuyển dịch điện tử : mũi tên cong ( )   Ví dụ H2 C O CH3 Cl H3C Cl 2.3.2 Độ tan Liên kết cộng hóa trị - Ít khơng tan nước - Tan tốt DM HC - Thường không dẫn điện H2C O Liên kết ion - Dễ tan nước - Khơng tan DM HC - Dung dịch dẫn điện 2.4 Một số liên kết yếu liên kết cộng hóa trị: 2.4.1 Liên kết hydro: liên kết yếu sức hút tĩnh điện nguyên tử H nguyên tử khác có cặp điện tử tự Năng lượng liên kết nhỏ (3-8 kcal/mol) X-Hδ+ Y δĐiều kiện hình thành liên kết hydro: X có ĐAĐ lớn H cho X-H phân cực Y có cặp điện tử tự X, Y thường F, O, N Nếu Cl, S yếu O H CH3 O H CH3 H3C C O H CH3 O O O C CH3 Liên kết hydro liên phân tử H C H N O HO OH O H CH3 O O O H Liên kết hydro nội phân tử Có loại liên kết hydro Tính chất LK hydro liên phân tử LK hydro nội phân tử Độ tan Tăng DM phân cực Tăng DM không phân cực tnc, ts Tăng Ít ảnh hưởng Pha lỗng Trong DM trơ bị cắt đứt Khơng ảnh hưởng Độ bền Ít/khơng ảnh hưởng Bền vững tạo thành vòng 5, đặc biệt H H C Cl Cl C H H bền (anti) H H C Cl H C H Cl (syn) H OH H C C H OH H (anti) H H H C C H OH OH bền (syn) 10 2.4.2 Liên kết phức chuyển điện tích Do chuyển phần mật độ điện tử từ phân tử cho sang phân tử hay ion nhận điện tử Phức chuyển điện tích chuyển dịch mật độ điện tử  gọi phức  Liên kết phức chuyển điện tích liên kết yếu Khi tạo phức chuyển điện tích có thay đổi độ phân cực màu sắc chất ban đầu CH3 CH3 NO2 O2N H3C NO2 CH3 H3C CH3 CH3 NC CN NC CN 11 Chương Các hiệu ứng hóa hữu 12 Độ âm điện khả hút điện tử tham gia liên kết H 2,1 ĐỘ ÂM ĐIỆN MỘT SỐ NGUYÊN TỐ C 2,5 N 3,0 O 3,5 F 4,0 S 2,5 Cl 3,0 Br 2,8 I 2,5 13 Sự phân cực Xét nhóm C O   C O   C O H H N -N H C OH C O N H -N H Do ĐAĐO > ĐAĐC nên oxi có khuynh hướng hút đơi e phía Trong liên kết cộng hóa trị, đôi e liên kết không phân bố đối xứng, ngun tử có ĐAĐ lớn kéo đơi điện tử phía 14 Hiệu ứng cảm ứng (I: Inductive effect) - Do phân cực hay chuyển dịch mật độ e liên kết  - Điện tử phân bố không đều, nguyên tử có ĐAĐ lớn hút e - Hiệu ứng I quan trọng khác biệt ĐAĐ lớn - Để phân loại nhóm cảm ứng, quy ước H C-H có I=0 - Nguyên tử/ nhóm nguyên tử có khả hút e mạnh H có hiệu ứng -I, ngược lại +I * Hiệu ứng cảm ứng +I - Các nhóm alkyl: H < CH3 < CH3CH2 < (CH3)2CH < (CH3)3C Gốc dài, phân nhánh hiệu ứng +I lớn - Nhóm mang điện tích âm: C- > N- > O-; O- < S- < Se15 * Hiệu ứng cảm ứng –I - Những nguyên tố có ĐAĐ lớn C F > O > N > C (I tăng từ trái sang phải chu kỳ) F > Cl > Br > I (I giảm từ xuống nhóm) - Nhóm mang điện tích dương O+ > N+ > S+ ; O+R2 > N+R2 O+R2 > OR ; S+ > Se+ - Nhóm chưa no C≡C > C6H6 > C=C > C-C Csp > Csp2 > Csp3 C≡N > C=N > C-N; C=O > C=N; C≡N > C≡C NO2, SO3H Nói chung, ĐAĐ tăng –I lớn 16 * Tính chất: - Hiệu ứng I có tính thường trực (trạng thái tĩnh) - Hiệu ứng I truyền dây nối  (mạch C) sức mạnh giảm dần * Ứng dụng: a Độ mạnh acid R COOH R COO + H Ka = [ R C O O -] [ H + ] [R C O O H ] Ka: số phân ly p K a = - lg K a Ka lớn, pKa nhỏ tính acid mạnh R C O O H Tính acid mạnh đôi e liên kết O-H bị kéo lệch phía O làm H+ dễ tách Do nhóm gây –I làm tăng tính acid ClCH2COOH > HCOOH > CH3COOH > CH3CH2COOH 17 b Độ mạnh base R NH R' H N H H H N H CH3 N - m e t y l a m in H N CH3 CH3 N ,N -d im e ty la m i n H 2N N H H 2N O H h y d z in h y d r o x y la m in - Mật độ e N nhiều tính base mạnh - Các nhóm +I làm tăng tính base amin 18 2.4 Khi có nhiệt độ amid diacid dễ tạo thành imid O O CH2 CONH2 to CONH2 CH2 C NH + NH3 CH2 CONH2 NH + NH3 C CONH2 CH2 C Succinamid C to Succinimid O O Phtalamid Phtalimid 2.5 Khử hóa amid LiAlH4: tạo thành amin (giữ nguyên mạch C) O CH3 C NH [4H] LiAlH4 CH3 CH2 NH2 2.6 Chuyển vị Hoffmann: tạo thành amin (giảm C) R CONH2 + Br2 + 4NaOH Br2 + 2NaOH CH3CONH2 + Br2 + 4NaOH R NH2 + Na2CO3 + 2NaBr + 2H2O NaOBr + NaBr + H2O CH3 NH2 + Na2CO3 + 2NaBr + 2H 2O 81 R-COOH RCOX (RCO)2O RCOOR' RCN RNH2 H2 O Acid + amin RNH P2O RNH 200-220oC Amid LiAlH4 RNH2 H2O/H + X2/OH- Nitril Amin Amin giảm 1C 41 NITRIL R – C  N Ar – C  N DANH PHÁP - Danh pháp IUPAC Tên hydrocarbon tương ứng + nitril - Danh pháp thông thường -Tên gốc hydrocarbon tương ứng + cyanid -Tên gốc acyl có số carbon tương ứng + nitril hay (Tên thông thường acid bỏ đuôi IC thay ONITRIL) CH C N Etannitril Acetonitril Metyl cyanid CH3 CH2 C N Propannitril Propionitril Etyl cyanid C N CH2 CH C N Propennitril Acrylonitril Benzonitril Vinyl cyanid C N Cyclopentyl cyanid 83 ĐIỀU CHẾ a Từ dẫn xuất halogen: tác dụng với natri cyanid/ kali cyanid R X + NaCN R C N + NaX CH3CH2Cl + NaCN Etyl clorid C2H5 C N + NaCl Propionitril b Loại nước từ amid O PO R C NH2 200-220oC Amid R C N Nitril + H2O O CH3 C NH Acetamid P2 O5 200-220oC CH3 C N + H2O Acetonitril 84 42 TÍNH CHẤT HĨA HỌC a Thủy phân nitril O + H2O CH3 C N O CH3 C NH + H2O NH3 CH3 C OH b Khử hóa nitril: tạo amin Tác nhân khử: LiAlH4; Na/alcol; H2, xt 4H [LiAlH4] R C N R CH2 NH2 c Với hợp chất kim: tạo ceton R C N + R'MgX R C NMgX + H2O R C O R' R' d Trimer hóa arylcyanid: tạo dị vịng triazin N Ar Ar C N Ar N N Ar 2,4,6-Triaryl-1,3,5-triazin H 2O R-X H2O Acid NaCN LiAlH4 RCONH2 Amid 85 P2O5 Nitril Na/alcol H2,xt Amin 200-220oC RMgX Ceton 43 Sơ đồ chuyển hóa acid dẫn xuất Ester RO o +, t RO H H/ H2O, to ROH/H+ H +/OHto H2O, to Anhydrid RN H 2,to 2H H+ 2O /O , t o H- H3O + to SOCl2 PCl3, PCl5 Acyl halogenid o ,t NH R RNH to RNH2, to Amid P2O 200-220 o H 3O+ , to Nitril H 2O, to Acid H +, t o H/ py rid in, to HỢP CHẤT AMIN CẤU TẠO Xem amin dẫn xuất amoniac NH3 amoniac R2NH RNH2 amin bậc R3N R4N+ amin bậc amin bậc amoni bậc R: gốc alkyl hay aryl 88 44 DANH PHÁP a Danh pháp IUPAC: Tên hydrocarbon + amin b Amin tiếp vị ngữ: c Amino tiếp đầu ngữ: Tên gốc hydrocarbon + amin Amino + tên hydrocarbon tương ứng d Danh pháp amin thơm: Qui ước aminobenzen anilin CH3CH2 CH3 NH2 Metylamin Metanamin CH3CH2 CH3CH2 NH N CH2CH3 CH3 H3C NH(CH3)2 Benzenamin Anilin NH2 H3CO 4-Metylanilin P-Toluidin N,N-Dimetylanilin NH2 3-Aminopropen Allylamin Dietylamin Dietylmetylamin N-Etyletanamin N-Etyl-N-metyletanamin NH2 CH2 CH CH2 NH2 NH2 p-Anisidin NH2 COOH HO3S Acid o-aminobenzoic Acid anthranilic NH2 Acid p-aminobenzensulfonic Acid sulfanilic Br m-Bromoanilin 89 ĐIỀU CHẾ 3.1 Alkyl hóa trực tiếp amoniac amin khác: Cơ chế SN2 R X +NH3 HX R NH2 + RX HX R NH R + RX HX R3N Anilin tác dụng RX chủ yếu amin bậc hai NH2 NHCH2C 6H5 + C6H5CH2Cl 3.2 Tổng hợp Gabriel: tạo amin bậc O O C N H C O OH H2O O C C O O C RX N X C O C N R H2O/HO COO R NH2 + C O COO O CH3CH2 Br N K KBr C N CH2CH3 H2O/HO CH3CH2NH2 C O 90 45 3.3 Khử hóa hợp chất nitro: Chất khử kim loại/H+, H2/xt ArNO2 + 3Fe + 6HCl ArNH2 + 3FeCl3 + 2H2O 3.4 Khử hóa hợp chất nitril: tạo amin bậc CH3 C N H2/xt CH3 CH2 NH2 hay LiAlH4 3.5 Khử hóa hợp chất imin RCH=NH CH O + NH3 H2O CH NH H2/xt CH NH 3.6 Khử hóa hợp chất amid RCONH2 O R C LiAlH4 NH2 R CH2 NH2 3.7 Phương pháp chuyển vị Hoffmann CH3CH2CONH2 NaOCl X2/NaOH CH3CH2NH2 + NaCl + CO2 91 TÍNH CHẤT HĨA HỌC 4.1 Tính base amin Các arylamin có tính base yếu alkylamin Tính base cịn phụ thuộc nhóm hiệu ứng không gian 4.2 Phản ứng tạo amid: amin bậc 1, tham gia R NH2 + R'COX halogenid acid R NH2 + (R'CO) 2O anhydrid acid NH + (CH3CO)2O CH3COOH R NHCOR' + HX R NHCOR' + NHCOCH R'COOH + CH 3COOH + CH3NH2 + CH2 CH C Cl O CH3NH C CH CH2 + CH3 NH 3Cl O 92 46 4.3 Với arylsulfonylclorid: tạo sulfonamid-Phản ứng Hinsberg a Amin bậc nhất: tạo sản phẩm tan kiềm O R NH2 + O Ar S Cl Ar S NH R + HCl O Arylsulfonylclorid O Arylsulfonamid b Amin bậc hai: tạo sản phẩm không tan kiềm Ar R N H + ArSO2Cl Ar Ar SO2 N + HCl R c Amin bậc ba: không phản ứng 4.4 Phản ứng với acid nitrơ HNO2 a Với amin bậc  Amin aliphatic bậc nhất: tạo alcol R NH + NaNO + HCl 2H2 O NaCl CH3CH2NH2 + NaNO + HCl + +H2O R N N Cl ROH + N2 + HCl CH 3CH2OH + N + NaCl + H2O 93  Amin thơm bậc nhất: tạo muối diazoni bền < oC Ar NH2 + NaNO2 + HCl _ 5OC + Ar N N Cl + NaCl + 2H 2O Arendiazoniclorid HO NaNO2 + HCl NH2 _ 5OC HO3S HO3S + N N Cl HO NaOH HO3S N N b Với amin bậc hai: tạo N-nitroso amin có màu vàng N + NaNO2 + HCl N N O + NaCl + H2O c Với amin bậc ba: Các arylamin bậc vị trí para cịn trống: (CH3 )2 N H + HO N O (CH 3) 2N N O + H2O 4.5 Phản ứng với halogen Amin bậc kiềm loãng tạo N-halogenoamin R NH + X2 (Na2CO3, H2O) HX R NH X + X2 HX X R N X 94 47 4.6 Phản ứng oxy hóa *Amin aliphatic bậc nhất: tạo hỗn hợp sản phẩm R CH NH OH R CH R CH N [O] H2SO5 NH N-alkylhydroxylamin Oxim OH R CH N O R NH2 K 2Cr 2O7 / H + Nitrosoalkan Nitroalkan CH NO NH K 2Cr 2O7 / H + O O O *Amin bậc hai: tạo N,N-dialkylhydroxylamin R [O] N H R' R N OH R' *Amin bậc ba: tạo N-oxid amin N + H2O2 CH3 COOH Pyridin N O N-oxidpyridin 95 4.7 Phản ứng SE vào nhân thơm: NH2 nhóm loại 1-tăng hoạt NH2 NH2 + 3Br2 COOH Acid m-aminobenzoic Br Br + 3HBr COOH Br Acid 3-amino-2,4,6-tribromobenzoic 96 48 • Nitro hóa amin thơm bậc ba: cho hiệu suất cao/acid acetic N(CH3 )2 HNO3 CH3COOH N(CH3)2 NO2 N(CH 3)2 + N(CH3)2 NO2 + NO2 NO • Phản ứng sulfon hóa NH2 NH2 + H2SO4 185OC + H2O SO3H •Phản ứng Vilsmeier: đưa nhóm CHO vào amin thơm bậc ba O N(CH 3)2 + H C N(CH3)2 N(CH 3)2 + CH3NH OHC 97  Khi thực điện tử vào nhân thơm thường phải bảo vệ chức amin phản ứng acyl hóa nhóm amin Phản ứng acyl hóa nhóm NH2 có hai mục đích - Bảo vệ chức amin khỏi bị oxy hóa - Giảm bớt hoạt tính nhân thơm (so với nhóm -NH2) NH2 NHCOCH (CH3CO)2O CH3COOH CH3 Br2 CH3 NHCOCH Br + NH 3Cl Br HCl CH3 NH Br NaOH CH3 CH3 98 49 Tính base Tạo muối với acid RCOX Amid (RCO)2 O/H+ Amin bậc NH3, to ArSO2Cl Amin bậc R-X Phtalimid/OH- [H] RCH=NH Amin bậc Amin HNO2 Amin bậc NaNO2/H+ [H] Amin bậc LiAlH4 Amin bậc R-CN Amid Sulf onamid không tan/OH- Amin bậc Fe, Sn/H+ (NH4)2S Ar-NO2 Sulf onamid tan/OH- X2/OH- [O] Amin bậc Không phản ứng Amin thẳng: alcol Amin thơm: muối diazo Dẫn xuất N-nitroso Amin thơm: para Amin thẳng: d xuất N* Amin thơm: quinon N-dialkylhydroxylamin Amin bậc Dẫn xuất N*: hydroxylamin, oxim, nitroalkan, nitrosoalkan Amin thơm: SE N-oxid amin Thế para: NO2, X2, SO3H AMIN ĐA CHỨC - POLYAMIN Etylendiamin p-Phenylendiamin o-Phenylendiamin Piperazin 1,8-Diaminonaphtalen m-Phenylendiamin Polyamin có tính chất đặc trưng cuả amin O-Phenylendiamin tác dụng với acid nitrơ tạo benzotriazol NH2 NH2 N + HNO2 o-Phenylendiamin N H N + 2H O Benzotriazol 100 50 HỢP CHẤT DIAZO & AZOIC 101 ĐỊNH NGHĨA VÀ DANH PHÁP * Định nghĩa - Hợp chất diazo: Hợp chất có nguyên tử Nitơ liên kết với nhân thơm gốc acid N N + X- N N X N+ N X - - Hợp chất azoic: Hợp chất có nguyên tử Nitơ liên kết với nhân thơm R2 N N R1 102 51 * DANH PHÁP - Diazo: Tên vị trí nhóm + tên nhân thơm + diazoni + gốc acid Ví dụ: N+ N Cl - Benzen diazoni clorid p -Sulfonylbenzen diazoni clorid N+ N HSO4 - H3C N+ N Cl - HO3S N+ N Cl - HO p-Toluen diazoni hydrosulfat p-Hydroxybenzen diazoni clorid 103 - Azoic: Tên vị trí nhóm + azobenzen Nhóm + azo + hợp chất Ví dụ: H3C N N H3C N N OH N N H2N Azobenzen p -Hydroxy-p '-metylazobenzen o-Amino-m'-metylazobenzen OH HO N N CH3 N CH3 N,N-Dimetylaminophenyl azo  naphthol N N SO3H p -Sulfonylphenyl azo  naphthol 104 52 PHẢN ỨNG DIAZO HÓA - Phản ứng amin thơm bậc với acid nitrơ NH2 + NaNO2 + 2HCl 0-5 oC N+ N Cl - + NaCl + 2H2O 105 TÍNH CHẤT HĨA HỌC HỢP CHẤT DIAZO A Phản ứng tách loại nitơ A.1 Thế nitơ nhóm –OH H2 O t > 50oC N+ N Cl OH + N2 + HCl - CH3 OH to OCH3 + N2 + HCl A.2 Thế nitơ hydro N+ N Cl - HCOOH/ H3 PO2 + N2 A.3 Thế nitơ nhóm nitro N+ N Cl - NaNO2/ H+ NO2 + N2 + HCl 106 53 A.4 Thế nitơ halogen-phản ứng Sandmeyer CuCl/ HCl Cl CuCN/ + N2 + KCl + N2 + BF3 CN + H+ N2 F NaBF4 + I KI N+ N X - N2 Br CuBr/ HCl + N2 Đây phản ứng gắn trực tiếp Flor, Iod vào nhân thơm 107 B Phản ứng không tách loại nitơ B.1 Phản ứng khử N+ N Cl - Ni Raney NH-NH2 NaHSO3 + HCl B.2 Phản ứng ghép đôi OH N N N+ N Cl - NH2 H+ OH N N OH- NH2 - Phản ứng theo chế SE N+ N N N+ OH N N OH 108 54 - Tạo hợp chất azoic có màu - Hợp chất diazoni hay ghép polyphenol/ polyamin - Trên hợp chất diazoni có nhóm hút o, p dễ xảy NO2 H3C N+ O2N N Cl - O2N NO2 CH3 N CH3 + H3C N N H3C N+ N Cl - HO3S CH3 + NO2 NO2 H+ CH3 H3C CH3 HO3S N N N CH3 - Phản ứng dùng để xác định cấu trúc azoic OH OH N N SO3H SnCl2/ H+ NH2 + H2N SO3H 109 CẤU TẠO CHẤT MÀU Các hợp chất màu hữu chủ yếu có nhóm Nhóm mang màu (chromophore) O -N=O; N ; N N ; O Nhóm trợ màu (auxochrome) -COOH, -OH, -SO3H - NH2, NHR, NR2 Nhóm hịa tan (muối hóa) -SO3H 110 55 ... 1 .2 Cấu trúc điện tử nguyên tử C 1 .2. 1 Trạng thái Cấu hình C 1s22s22p2 = 1s22s22px12py1 px py pz 1s22s22p2 Còn orbital trống (pz) 1 .2. 2 Trạng thái kích thích C* 1s22s12px12py12pz1 = 1s22s12p3... 1,3-Butadien CH2=C-CH=CH2 CH3 Isopren Tổng hợp alkadien 2. 1 Dehydro hóa alkan CH3-CH-CH2-CH3 -2H2 CH3 CH2=C-CH=CH2 CH3 2. 2 Từ alcol 2CH3CH2OH Al2O3 450 oC CH2=CH-CH=CH2 + H2 + 2H2O 2. 3 Từ dẫn xuất... CH3CH2CH2- methyl Các gốc bậc ethyl n-propyl CH3CH2CH2CH2n-butyl CH CH3CH2CH2CH 2CH 2- CH3CHCH2CH2CH3CHCH2CH isobutyl n-pentyl CH isopentyl CH3CCH2CH3 neopentyl CH3 CH 3CH 2CH 2CH 2CH 2CH2n-hexyl