CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP HỮU CƠ

GS.TS.NGND. ĐÀO HÙNG CƯỜNG CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP HỮU CƠ 2011 1 CHƯƠNG I CÁCH ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ CHẤT HỮU CƠ VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ GIỮA CHÚNG Qúa trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ thực chất là quá trình chuyển hoá từ một hợp chất này thành một hợp chất khác dưới tác dụng của các yếu tố như các tác nhân phản ứng và điều kiện phản ứng. Qúa trình chuyển hoá đó có thể thưựchiện được bằng hai phương pháp cơ bản: - Đưa một nhóm chức vào phân tử của hợp chất hyđrôcacbon. - Chuyển hoá tương hỗ giũa các nhóm chức với nhau. 1.1. ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ HYĐRÔCACBON 1.1.1. ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO ANKAN Để đưa một nhóm chức vào phân tử của các hợp chất ankan có thể sử dụng một trong các phản ứng sau đây tuỳ thuộc vào yêu cầu và mục đích của sự tổng hợp. 1.1.1.1. Phản ứng halogen hoá: C H + X 2 C X + HX Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc (S R ) là thường tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau. Khả năng phản ứng của tác nhân halogen X 2 : Cl 2 > Br 2 ; còn khả năng phản ứng của nguyên tử Hyđrô trong ankan là: Bậc ba > Bậc hai > Bậc một > CH 3 - H 1.1.1.2. Phản ứng mêtylen hoá: C H C CH 2 - H + CH 2 N 2 CH 2 = C = O N 2 CO Phản ứng mêtylen hoá các hợp chất ankan thường tạo ra một hỗn hợp các sản phẩm khác nhau. Mặt khác, phản ứng loại này có thể xảy ra theo 2 cơ chế: 1. Cơ chế mêtylen hoá trực tiếp: C H C CH 2 - H CH 2 + A CH 2 C 250-400 0 c hoặc chiếu sáng hoặc Tia cực tím hoặc 2 2. Cơ chế tách - cộng hợp: C H CH 2 + C + CH 3 C CH 3 1.1.1.3.Phản ứng nitrô hoá: Phản ứng thường được tiến hành trong tướng khí ở nhiệt độ cao với axit nitric hoặc nitơ tetraoxyt làm tác nhân nitro hoá CH 2 + HNO 3 CH 3 - NO 2 + H 2 O 470 C 0 Phản ứng xãy ra thường kèm với oxi hoá ankan tạo thành CO 2 và H 2 O nên có hiệu suất không cao. Mặt khác khi tiến hành phản ứng nitrô hoá với các đồng đẳng của mêtan thường xảy ra sự cắt mạch tạo thành hỗn hợp sản phẩm: HNO 3 , 425 C 0 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 NO 2 + CH 3 - CH - CH 3 NO 2 CH 3 CH 2 NO 2 + CH 3 NO 2 1.1.1.4. Phản ứng synfô hoá Phản ứng này có thể được thực hiện bằng tác nhân sunfô hoá là axit sunfuric đặc: R - H + HO - SO 3 H R - SO 3 H + H 2 O Tuy nhiên phản ứng này đạt hiệu suất rất thấp nên trong thực tế thường sử dụng phản ứng thay thế hyđrô bằng gốc SO 2 Cl tạo thành ankynlsunfôclorua như sau: 0 R - H R - SO 2 Cl + HCl SO 2 , Cl 2 , t C 1.1.1.5. Phản ứng ôxy hoá: Dưới những điều kiện đặc biệt, ankan có thể bị ôxy hoá hợp chất C – H và chuyển về các hợp chất hyđrôxi hoặc các hợp chất cacbonyl. Ví dụ: 3 KMnO 4 C H H 3 C + CH 3 CH 3 C OH CH 3 CH 3 H 3 C R - CH 3 R - CH 2 - OH CH 4 H - CHO 1.1.2. ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO ANKEN: Việc đưa một nhóm chức vào phân tử anken có thể thực hiện được bằng phản ứng cộng hợp electrophin, cộng hợp raddical phản ứng thay thế và oxy hoá. Dưới đây là sơ đồ của một phản ứng cơ bản thường được sử dụng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ. 1.1.2.1. Phản ứng cộng hợp: C = C + XY C C X Y Trong đó XY = H 2 , Br 2 , HCl, HBr, HI, H 2 SO 4 , HOH, HOCl Các phản ứng xảy ra có thể có sự tham gia của các xúc tác thích hợp cũng có khi không cần sự có mặt của xúc tác. Trong đại đa số các trường hợp, phản ứng cộng hợp còn xảy ra theo quy tắc Macôpnhicốp: Phản ứng cộng hợp xảy ra theo cơ chế gốc (khi có sự tham gia của các chất xúc tác có khả năng tạo thành gốc tự do như pêoxit, peaxit ) thì hướng của phản ứng ngược với quy tắc Macôpnhicốp. CH 3 CH = CH 2 CH 3 CHBrCH 3 CH 3 CH 2 CH 2 Br HBr Các phản ứng cộng hợp của một số hợp chất anken rồi hyđrôcacbon hoặc mêtylen sẽ cho sản phẩm ankyl hoá: B 2 O 3 , không khí Không khí, 600 0 C, NO Không có peôxit Có mặt peôxit Theo Macôpnhicốp Phản Macôpnhicốp 4 C C C = C + R H C C H R axit C = C + CH 2 N 2 CH 2 = C = O Hv CH 2 Phản ứng thay thế nguyên tử hyđrô ở vị trí allyl của các hợp chất anken được thực hiện ở nhiệt độ cao (khoảng 600 0 C) với các tác nhân là clo Brôm hoặc N – brômxucximit: C C = C X 2 = Cl 2 , Br 2 C C = C + X 2 H X Ví dụ: 0 CH 3 CH = CH 2 Cl - CH 2 CH = CH 2 Cl 2 , 600 C + Br 2 Br 2 600 C 0 1.1.2.3. Phản ứng oxi hoá: Phản ứng oxy hoá các hợp chất ôlephin thường tạo thành các sản phẩm chứa ôxy là ancol hoặc anđêhyt tuỳ thuộc vào tác nhân ôxy hóa. Ví dụ nếu ôxy hoá các hợp chất ôlephin bằng tác nhân KMnO 4 lạnh và loãng hoặc dung dịch peaxit HCOOOH thì sẽ thu được hợp chất glycol như sau: C = C + KMnO 4 HCOOOH C C OH OH Mặt khác sự khác nhau giữa các phản ứng ôxy hoá của 2 tác nhân này là việc tạo thành các sản phẩm đồng phân hình học khác nhau. Phản ứng ôxy hoá bằng KMnO 4 thường tạo ra các sản phẩm đồng phân Cis – trái lại HCOOOH tạo ra các sản phẩm đồng phân trans. hoặc 5 KMnO 4 H 2 O 2 , HCOOOH H H OH OH cis - xyclopentadiol -1,2 H OH OH H + trans - xyclopentadiol -1,2 Nếu tiến hành phản ứng ôxy hoá bằng tác nhân là hợp chất ôzôn thì sản phẩm thu được là các anđêhyt hoặc xêtôn: C = O + O = C C C C = C + O 3 O O O H 2 O,Zn Ví dụ: CH 3 CH 2 CH = CH 2 CH 3 CH 2 C = O + O = CH C = CH 2 O 3 H 2 O, Zn H H CH 3 O 3 H 2 O, Zn C = O + O = CH CH 3 H CH 3 CH 3 Phản ứng này thường được sử dụng để xác định cấu tạo của phân tử olephin. 1.1.3. Đưa nhóm chức vào phân tử ankin: Tương tự như các phương pháp đưa một nhóm chức vào hợp chất anken, việc đưa một nhóm chức vào phân tử ankin cũng được tiến hành bằng phương pháp cộng hợp hoặc thay thế nguyên tử hyđrôlinh động của ankin. 1.1.3.1. Phản ứng cộng hợp: C C C C + YZ C = C Y Z Y Z YZ Trong đó: YZ = H 2 ,Cl 2 , Br 2 , HCl, HI, H 2 O Các phản ứng xảy ra theo hướng đặc thù về mặt lập thể tuỳ thuộc vào việc sử dụng các hợp chất xúc tác. Ví dụ: 6 C C C C + YZ H H H H 2H 2 C C H H C = C H H C = C Phản ứng cộng hợp với nước thường xảy ra với sự có mặt của xúc tác là mối thuỷ phân trong môi trường axit và tạo thành sản phẩm là các hợp chất xêtôn: C C C C + H 2 O H H HgSO 4 , H 2 SO 4 C = C H OH O Ví dụ: C C C C H + H 2 O H H H HgSO 4 , H 2 SO 4 C H H H O H H C C C C H + H 2 O H H H HgSO 4 , H 2 SO 4 O CH 3 1.1.3.2. Phản ứng ankyl hoá: Nguyên tử hyđrô thuộc liên kết nối ba của ankin rất linh động dẫn đến các hợp chất ankin có tính axit yếu. Vì vậy nó có khã năng tham gia với các phản ứng với các kim loại kiềm hoặc với các ion kim loại nặng. Ví dụ: C C H + M C C H + H Ni, H hoặc pd Na hoặc Li,NH 3 H 2 , pd hoặc Ni – B đồng phân trans đồng phân cis 7 Trong đó: M = Ag , Cu Hoặc: C C H + Na C C Na + 1/2H 2 Nếu cho hợp chất axetylua kim loại trên đây tác dụng với các dẫn xuất halogen thì sẽ thu được các sản phẩm ankyl hoá: - C C - M + X - R - C C - R + MX 1.1.4. Đưa một nhóm chức vào phân tử hợp chất thơm Việc đưa một nhóm chức vào nhân thơm của các hợp chất hyddrrocacbon thơm được thực hiện bởi các phản ứng xảy ra theo cơ chế thế electrophin (S E ). Dưới đây là sơ đồ của một số phản ứng cơ bản thường gặp: a, Nitrrô hoá: H 2 SO 4 ArH + HONO 2 ArNO 2 + H 2 O b, Sunfô hoá: SO 3 ArH + HOSO 3 H ArSO 3 + H 2 O c, Halogen hoá ArH + X 2 ArX + HX (X 2 = Cl 2 , Br 2 ) Fe d, Ankyl hoá theo Friđen – Craf: ArH + RCl ArR + HCl AlCl 3 d, Ankyl hoá theo Friđen – Craf: ArH + ROCl ArCOR + HCl AlCl 3 e, Nitrrôzô hoá: ArH + HONO ArN = O + H 2 O NH 3 lỏng 8 g, Azô hoá: ArH + Ar'N 2 X ArN = N - Ar' + HX h, Phản ứng Konbe: + CO 2 COONa OH OH 125 c, 7atm 0 i, Phản ứng Raimơ – Timan: + CO 2 CHO OH OH dung dich NaOH Trong bảng sơ đồ của các phản ứng trên đây, các phản ứng e và g chỉ xảy ra đối với các hợp chất hyđrocacbon thơm hoạt động mạnh, còn các phản ứng h và i chỉ có ý nghĩa khi hợp chất hyđrocacbon thơm tham gia vào phản ứng là phenol. Việc đưa một nhóm chức thứ hai vào nhân thơm của hyđrocacbon thơm được tuân theo một số quy luật định hướng nhất định. Người ta chia các nhóm thế thành 2 loại: - Loại I: Các nhóm tăng hoạt (có khã năng làm tăng mật độ điện tử của nhân thơm) - định hướng octô và para. - Loại II: Các nhóm giảm hoạt (nhóm kéo điện tử của nhân thơm) - định hướng mêta. Khã năng hoạt động của các nhóm thế trong phản ứng thế electrophin rất khác nhau và được sắp xếp theo thứ tự như sau: NHÓM THẾ LOẠI I NHÓM THẾ LOẠI II Tăng hoạt mạnh Định hướng mêta - NH 2 (-NHR, -NH 2 ) - NO 2 - OH - N (+) (CH 3 ) 2 Tăng hoạt vừa - CN - OCH 3 (-OC 2 H 5 ) - COOH (COOR) - NHCOCH 3 - SO 3 H Tăng hoạt yếu - CHO, COR - C 6 H 5 Định hướng Octô, para - CH 3 (-C 2 H 5 , ) - F, - Cl, - Br, - I 9 Việc đưa nhóm chức thứ ba vào nhân thơm khi đã có mặt của 2 nhóm thế sẽ làm phức tạp sự định hướng của phản ứng thế electrophin. Vì vậy ta có thể phân thành các trường hợp sau: 1. Nếu hai nhóm thế cùng định hướng vào một vị trí thì sự định hướng đó sẽ xảy ra theo chiều của các mũi tên sau: CH 3 O 2 N O 2 N SO 3 H CN NHCOOCH 3 2. Nếu hai nhóm thế định hướng khác nhau thì sẽ theo quy tắc: - Ảnh hưởng của nhóm hoạt hoá mạnh (tăng hoặc giảm hoạt) sẽ quyết định hướng của phản ứng S E so với nhóm hoạt hoá yếu. - Ảnh hưởng của nhóm tăng hoạt sẽ quyết định hướng của nhóm phản ứng S E so với nhóm giảm hoạt. Sự ảnh hưởng này được thay đổi theo dãy sắp xếp sau: - NH 2 > - OH > - OCH 3 > - NHCOCH 3 > - C 6 H 5 > - CH 3 > Nhóm định hướng mêta Ví dụ: HO CH 3 HO CH 3 NO 2 HNO 3 /H 2 SO 3 CH 3 CONH CH 3 CH 3 CONH CH 3 Br Br 2 /Fe CHO HO Br 2 /Fe HO CHO + Br Br HO CHO Br 1.1.5. ĐƯA MỘT NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ DỊ VÒNG THƠM ĐƠN GIẢN Việc đưa một nhóm chức vào nhân thơm dị vòng đơn giản được thực hiện bằng phản ứng thế eleectrophin. Các phản ứng thế xảy ra ở các hợp chất furan, tiophen, pirol ưu tiên định hướng vào vị trí số 2. Ví dụ: 10 [...]... photphoni Tiol(mờcaptai) Tiụete(sunfir) R : CH (COOC2 H 5 )2 R : X + : CH3 COCHCOOC2 H 5 Sn phm ancol ancol ete ankin ankan ankyl iụua nitri este amin bc nht amin bc hai amin bc ba Tổng hợp malônic CH 3 COCHCOOC 2 H 5 Tổng hợp axêtôaxetat R Phn ng th nuclờụphin xy ra theo c ch SN1 hoc SN2 tu thuc vo bn cht hoỏ hc ca dn xut halogen S ph thuc ú c hiu qua s bin i sau: Tốc độ phản ứng SN 2 tăng RX = CH3... CH3 O C6 H5NCH3 O n - CH3 C6 H5 SO2 Cl CH 3 - dung dịch NaOH CH3 S-N C2 H 5 d, Phn ng vi axit nit: * Amin thm bc mt: ArNH2 HONO + N Ar - N muối điôfini * Amin bộo bc mt: RNH 2 HONO + R-N N H2O N + hỗn hợp ancol và anken 2 * Amin thm v bộo bc hai: R ArNHR hoặc R 2NH HONO Ar - N - N = O hoặc N - Nitrozamin R2 N - N = O 17 * Amin thm bc ba: HONO NR 2 NR2 O=N * Amin bộo bc ba: R3 N HONO R 2 N - N = O + . GS.TS.NGND. ĐÀO HÙNG CƯỜNG CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP HỮU CƠ 2011 1 CHƯƠNG I CÁCH ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ CHẤT HỮU CƠ VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ GIỮA CHÚNG Qúa trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ thực chất là quá. ứng cộng hợp electrophin, cộng hợp raddical phản ứng thay thế và oxy hoá. Dưới đây là sơ đồ của một phản ứng cơ bản thường được sử dụng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ. 1.1.2.1. Phản ứng cộng hợp: . xúc tác thích hợp cũng có khi không cần sự có mặt của xúc tác. Trong đại đa số các trường hợp, phản ứng cộng hợp còn xảy ra theo quy tắc Macôpnhicốp: Phản ứng cộng hợp xảy ra theo cơ chế gốc (khi