MỘT SỐ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP ANCOL – PHENOL – ANDEHIT –XETON – AXIT CACBOXYLIC ĐƠNCHỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG,GIẢM MẠCH CACBON

Với andehit fomic thì ta thu được ancol bậc 1 có số nguyên tử C trong mạch hơn tác nhân Grignard một nguyên tử C, với đồng đẳng của andehit fomic ta thu được ancol bậc 2, với xeton, este

TRƯỜNG THPT CHUYÊN VÕ NGUYÊN GIÁP

MỘT SỐ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP ANCOL – PHENOL – ANDEHIT – XETON – AXIT CACBOXYLIC ĐƠN CHỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG,

GIẢM MẠCH CACBON

OH OH

OH

I TỔNG HỢP ANCOL - PHENOL.

1 Tổng hợp ancol.

a Tổng hợp từ dẫn xuất cơ Mg:

Victor Grignard phát hiện và mở rộng ứng dụng hợp chất cơ magie trong tổng hợp hữu cơ Nhờ thành công đó ông được nhận giải Nobel năm 1912

Tác nhân Grignard dùng nhiều nhất trong tổng hợp để tạo thành liên kết C-C do sự cộng hợp vào liên kết đôi, đặc biệt là liên kết đôi cacbonyl Trong mỗi trường hợp, Mg di chuyển từ C tới nguyên tố âm điện hơn Phản ứng xảy

ra theo cơ chế cộng nucleofin

-- +

Hiệu suất của sản phẩm cộng thường cao với số lớn hợp chất cacbonyl

Sự thủy phân sản phẩm cộng thu được ancol tương ứng Với andehit fomic thì

ta thu được ancol bậc 1 có số nguyên tử C trong mạch hơn tác nhân Grignard một nguyên tử C, với đồng đẳng của andehit fomic ta thu được ancol bậc 2, với xeton, este, clorua axit thì cho ancol bậc 3

Với xeton:

O

R' OMgX

R''

R' OH

R''

H3O +

; Với este:

R C R' OH

R

H3O +

O

R'

O +

R C R' OMgX

R

R MgX

; Với clorua axit:

R C R' OH

R

H3O+

O

R'

O +

R C R' OMgX

R

R MgX

Thí dụ:

H3C MgI

CH2O

C6H5CHO

C6H5COC2H5

CH3CH2OMgI CH3CH2OH

C6H5 CH OMgI

CH3

H2O,H +

H2O,H +

C6H5 CH OH

CH3

H3C C OMgI

C6H5

H2O,H +

C2H5

H3C C OH

C6H5

C2H5

Có thể thay tác nhân R-MgX bằng R-Li, phản ứng xảy ra theo cơ chế

AN

R'

R''

R'

R''

R C OH R' R''

Thí dụ:

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 Li

O

OH

CH3CH2CH2CH2

(74%)

O

OCH3

H2O 2CH 3 Li

CH3

CH3

OH

(70%)

Nếu dùng axetylua hay ankinyl liti hoặc ankinyl magie tác dụng với andehit hoặc xeton thì thu được ancol chưa no:

HC C Li H 3 C C

O

CH 3

C OLi

CH 3

C OH

CH 3

H 2 O,H+ +

C C MgBr H3C C

O

CH3 C H

CH3 C H OH

H2O,H +

+

Nếu cho dẫn xuất Grignard tác dụng với etylen oxit thì ta thu được sản phẩm là ancol bậc 1 tăng thêm 2 nguyên tử C; với propylen oxit thì ta thu được sản phẩm là ancol bậc 1 tăng thêm 3 nguyên tử C, phản ứng diễn ra theo cơ chế

SN2:

O

R CH2CH2OMgX H2O,H R CH2CH2OH

+ +

O

H3O +

R CH2CH2CH2OH

Chú ý:

Nếu dùng tác nhân là hợp chất cơ đồng liti hoặc cơ cadimi tác dụng với clorua axit thì sản phẩm chỉ dừng lại ở sự tạo thành andehit do tính chọn lọc cao của các tác nhân này

O

R'

O +

+

R' C O

R'

O +

b Hidrobo hóa – cacbonyl hóa – oxi hóa anken:

Phương pháp này đi từ sản phẩm triankyl bo của anken và boran, cho phản ứng với CO sau đó cho phản ứng với H2O2 trong môi trường kiềm thu được triankyl cacbinol, phản ứng này xảy ra nhanh và dùng để điều chế triankyl cacbinol đối xứng

3

3

COH

OH

-H2O2

Thí dụ:

CH3CH CH2 BH3 (CH 3 CH 2 CH 2 ) 3 B CO

OH

-H 2 O 2

100 0 C

(CH3CH2CH2)3COH

3

B CO

OH

-H2O2

100 0 C

BH3

3

COH (85%)

3

B CO

OH

-H2O2

100 0 C

BH 3

3

COH

2 Tổng hợp phenol.

Phenol là sản phẩm chủ yếu thu được từ quá trình chưng cất than đá Trong công nghiệp, phenol được tổng hợp cùng với axeton từ sản phẩm dầu mỏ cumen:

C 6 H 5 CH(CH 3 ) 2 C 6 H 5 C(CH 3 ) 2 C 6 H 5 C(CH 3 ) 2

O O

C6H5C(CH3)2 + C6H5C(CH3)2

O OH

C6H5CH(CH3)2

O OH

CH3

CH3

C

O OH2

CH3

CH3

O

CH3

CH3

nhanh

O C CH3

CH3

O C CH3

CH3

H2O

OH2

O C CH3

CH3 -H +

OH

CH3

O

-H +

+

phản ứng xảy ra qua cơ chế gốc, trong đó quá trình chuyển vị gọi là chuyển vị hidroperoxit

II TỔNG HỢP ANDEHIT - XETON.

1 Phản ứng của hợp chất Grignard:

* Phản ứng của hợp chất Grignard với hợp chất có nhóm cacbonyl:

- Sự hóa hợp của tác nhân Grignard với clorua axit thường xả ra theo hai giai đoạn:

R C O

Cl

OMgX

R Cl

-R C R

O +

Sản phẩm trung gian là chất kém bền nó phân hủy tức thời thành xeton

và MgXCl, sau đó xeton tạo thành tiếp tục phản ứng nhanh với tác nhân Grignard cho muối của ancol bậc 3, sự thủy phân muối này cho ancol bậc 3 tương ứng

R C R

O + R MgX- R C

OMgX

R

OH

R R

H2O, H +

Với lý do trên nên trong thực tế người ta không dùng phản ứng cộng của tác nhân Grignard với clorua axit không dùng tổng hợp xeton

Nếu dùng tác nhân là hợp chất cơ đồng liti hoặc cơ cadimi tác dụng với clorua axit thì sản phẩm chỉ dừng lại ở sự tạo thành andehit do tính chọn lọc cao của các tác nhân này

O

R'

O +

+

R' C O

R'

O +

- Với amit có hai nhóm thế theo tỷ lệ 1:1 tạo ra xeton:

R MgX R' C

O

N(CH3)2 R C

R' N(CH3)2

OMgX +

H2O, HCl

R C R'

(CH3)2NH2Cl

- Với nitrin:

R'

N +

R'

O MgX H3O

+

Phản ứng chỉ dừng lại ở xeton

- Phản ứng với các andehit, xeton α,β-không no:

-+

tương tự như ankadien-1,3 có phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4

Sự cạnh tranh giữa phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4 chịu sự chi phối rất mạnh của hiệu ứng không gian Nếu ở cacbon β của andehit α,β-không no có ít nhất một nhóm thế thì có phản ứng cộng 1,2 tức là phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl (C=O)

Thí dụ:

H3C CH CH C

O

H + C2H5 MgX H3C CH CH CH

OH

C2H5

Đối với penten-3-on-2 thì tỷ lệ sản phẩm cộng 1,4 và 1,2 là 3:1

H3C CH CH C

O

CH3 + C2H5 MgBr

H3C CH CH C

OH

C2H5

CH3

H3C CH CH2 C

O

CH3

C2H5

+

25%

75%

Nếu có thêm một nhóm –CH3 ở cacbon β, tức trong trường hợp 4-Metylpenten-3-on-2 thì hoàn toàn có sản phẩm cộng 1,2 tức chỉ xảy ra phản ứng của hợp chất Grignard với xeton:

H3C C CH C

O

CH3 + C2H5 MgBr H3C C CH C

OH

C2H5

CH3

2 Phản ứng Reimer-Tiemann:

Điều chế andehit thơm có nhóm –OH đính ở vị trí octo so với nhóm – CHO Cho phenol tác dụng với clorofom trong môi trường kiềm, đun nóng:

OH

NaOH, H 2 O 60-70 0 C + CHCl3

OH

CHO

(phản ứng công nghiệp sản xuất Salixylandehit)

3 Phản ứng Gattermann:

Là phản ứng fomyl hóa hợp chất thơm có khả năng phản ứng cao trong phản ứng SE như phenol, este của phenol và hidrocacbon khác Tác nhân được

sử dụng là hidroxianua, hidroclorua và xúc tác là ZnCl2 hay AlCl3 khan hoặc cải tiến bằng cách dùng Zn(CN)2 và hidroclorua Thủy phân các sản phẩm sẽ tạo ra các andehit

OH + HCN + HCl 1) ZnCl2, ete

2) H2O

OH CHO

+ NH4Cl

4 Phản ứng Friedel-Crapts:

Axyl hóa vòng thơm dùng clorua axit có xúc tác axit lewis, hay dùng nhất là AlCl3 khan

R C Cl O

C O

R

Phản ứng này thường tiến hành trong dung môi CS2 hoặc nitrobenzen, thường phải dùng xúc tác nhiều hơn do xeton tạo phức với xúc tác Phản ứng dừng lại ở giai đoạn thế một lần

5 Phản ứng Gattermann-Koch:

Là phản ứng điều chế andehit thơm bằng cách cho oxit cacbon CO tác dụng với hidrocacbon thơm khi có mặt Hidroclorua và Nhôm clorua khan Phản ứng xảy ra ở áp suất thường chỉ cần dùng thêm CuCl, nếu ở áp suất cao thì không cần CuCl

Thí dụ:

CH

H3C

H3C

H3C

H3C

CHO AlCl3, HCl

+ CO AlCl3, HCl

Cu2Cl2, 35-40 0 C

CHO

73%

6.Phản ứng ankyl hóa Haller-Bauer:

Xeton có chứa hidro α tác dụng với alkyl halogenua khi có mặt của bazo mạnh như NaNH2, KNH2 tạo ra xeton có nhóm ankyl ở cacbon α Phản ứng này điều chế các đồng đẳng của xeton

R C CH3

O

R C

O

CH2

NaNH2 (-NH3)

R'-X

R C CH2

O

R'

Phản ứng này có sự cạnh tranh của phản ứng O-ankyl hóa do sự chuyển hóa giữa hai dạng cộng hưởng của anion trung gian trên:

O

CH2

O

CH2

O

CH2 Nếu dẫn xuất ankylhalogenua có độ hoạt động hóa học cao thì sản phẩm O-ankyl hóa là sản phẩm chính, ngược lại nếu dẫn xuất ankylhalogenua có độ hoạt động hóa học yếu thì sản phẩm C-ankyl hóa là sản phẩm chủ yếu

R C CH3

O

O

CH 2

NaNH 2

(-NH3)

R'-X

R C CH2 OR'

Phản ứng ankyl hóa theo Haller-Bauer ít được áp dụng để tổng hợp các

dẫn xuất của các xeton đơn giản, trừ khi cần tổng hợp xeton có nhiều nhóm thế

là các gốc ankyl mà các dẫn xuất loại này điều chế bằng các phương pháp khác rất khó khăn

Thí dụ:

(H3C)3C C CH3

O

+ 3CH3I + 3NaNH2 (H3C)3C C C(CH3)3

O

+ 3NaI + 3NH3

7 Phản ứng cộng Diels-Alder:

Khi tác dụng với butadien, andehit hay xeton chưa no đóng vai trò của một dienophin:

1000C +

Đây là phản éng cộng vòng với số electron (4n+2)

8 Một số phản ứng giảm mạch cacbon:

a Phản ứng oxi hóa:

Tác nhân thường dùng để cắt đứt nối đôi cacbon-cacbon là ozon Phản ứng này được thực hiện theo hai giai đoạn: đầu tiên, sự cộng ozon vào nối đôi

cacbon-cacbon cho hợp chất ozonit; sau đó, sự thủy phân hợp chất ozonit cho sản phẩm cắt đứt là hợp chất cacbonyl, trong phản ứng này người ta thường dùng chất khử là Zn để khử sản phẩm phụ là H2O2 để tránh phản ứng oxi hóa nhóm andehit thành nhóm axit cacboxylic Phản ứng này được dùng để xác định vị trí liên kết đôi trong phân tử anken

R2

R 3

R2 C

O 3 H2O,Zn

+

R1

R4

R1

O

R4 C

R3

O

Đối với phản ứng ozon hóa người ta cho ozon đi qua dung dịch anken trong dung môi trơ như CCl4 sau đó làm bay hơi dung môi thu được hợp chất ozonit dưới dạng dầu sệt Chất này không bền, dễ nổ do đó không được tinh chế mà chế hóa trực tiếp với nước có mặt của chất khử ta thu được andehit hoặc xeton

Thí dụ:

O3, CH2Cl2 -780C

CHO Zn

62%

b Phản ứng Decacboxyl hóa axit:

Cho hơi axit đi qua MnO hay ThO ở 3000C:

R C

2

O

O

R + CO2 + H2O MnO, 300 0 C

O

O

H + CO2 + H2O

MnO, 300 0 C + HCOOH

có thể dùng muối axit:

(RCOO) 2 Ca t0C R C

O

R + CaCO3

(HCOO)2Ca t0C R C

O

H + 2CaCO 3

Decacboxyl hóa diaxit tạo thành xeton vòng:

COOH COOH

O Ba(OH)2

295 0 C

III TỔNG HỢP AXIT CACBOXYLIC.

1 Phương pháp cacbonyl hóa:

a Tổng hợp từ hợp chất Grignard:

Phản ứng của tác nhân Grignard với CO2 cho sản phẩm là muối của axit cacboxylic, sau đó thủy phân muối này thu được axit cacboxylic

-- +

O

-O

O OH

H3O +

Tuy nhiên, sản phẩm muối của axit cacboxylic chứa nối đôi C=O do đó tiếp tục phản ứng với tác nhân Grignard

R C O

OMgX

OMgX

R OMgX

-Trong thực nghiệm có thể loại bỏ phản ứng này bằng cách đổ dung dịch Grignard vào CO2 rắn mịn (nước đá khô)

Phương pháp Grignard này dùng thích hợp cho dẫn xuất halogen không

có khả năng phản ứng theo cơ chế SN2 Phản ứng ưu việt hơn với dẫn xuất halogen bậc 1 hoặc bậc 2 do ảnh hưởng của hiệu ứng không gian

- Ta có thể điều chế axit cacboxylic từ hợp chất cơ kim khác như cơ liti:

R Li + CO 2

H3O +

R COOH Thí dụ:

Li

+ CO 2

COO-Li+ COOH

H3O +

- Muối của axit cacboxylic cũng thu được khi cho oxit cacbon CO phản ứng với kiềm hay ancolat dưới áp suất 6atm ở 120-1300C, sau đó thủy phân muối này thu được axit cacboxylic tương ứng:

NaOH + CO H C ONa

O

H C OH O

H3O +

6atm, 120-130 0 C

+ CO H C ONa

O

H C OH O

H3O+ 6atm,

120-130 0 C

R ONa

b Phản ứng Reppe:

Cho khí etylen hay olefin tác dụng với khí CO và H2O khi có xúc tác cacbonyl niken Ni(CO)4:

C C + CO Ni(CO)4 C C

C O

H2O

C C COOH

Thí dụ:

H2C CH2 + CO Ni(CO)4 H2C CH2

C O

H2O

H3C CH2 COOH

- Có thể cho khí etylen hay olefin tác dụng với khí CO trong dung dịch axit sunfuric đặc:

C C + CO + H 2 O H2SO4 C C COOH

Thí dụ:

CH CH 2

R + CO + H2O H2SO4 R CH 2 CH 2 COOH

2 Phản ứng với các este α,β-không no:

-+

Phản ứng này tương tự như ankadien-1,3 có phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4

Các este không no của axit α,β-không no khi phản ứng với hợp chất Grignard cho sản phẩm cộng 1,4:

OR'

-+

+ R MgX

- +

C C C OMgX

OR' R

H3O +

C CH C O

OH R

Sự cạnh tranh giữa phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4 chịu sự chi phối rất mạnh của hiệu ứng không gian

3 Tổng hợp Arndt-Eister:

Clorua axit tác dụng với diazometan, phân hủy sản phẩm bằng cách đun nóng với Ag2O tạo ra xeten, cho xeten tác dụng với nước được axit có số nguyên tử cacbon tăng 1 so với clorua axit ban đầu:

R C

Cl

O + 2CH2N2 -(CH3Cl, N2)

R C CHN2 O + Ag2O

- N2

R CH C O

H2O

CH2 C OH

O R

80%

92%

4 Tổng hợp malonic :

+ CO

- COOH

R -

o

t COOH

COOH

R - CH

+

H3O COOC2H5

COOC2H5

R - CH

C 2 H 5 OH

C 2 H 5 ONa

RX + CH2(COOC2H5)2

Phản ứng được dùng để điều chế các axit ankyl axetic R – CH2COOH, diankyl axetic RR’CHCOOH hoặc các diaxit kiểu HOOC – (CH2)n – COOH

5 Phản ứng oxi hóa cắt mạch:

a Phản ứng halofom:

Các α-halogenandehit hay xeton có tính axit cao hơn andehit và xeton ban đầu do hiệu ứng –I của halogen nên dẽ thu được dẫn xuất trihalogen trong môi trường kiềm Dẫn xuất trihalogen này dễ bị tấn công bởi kiềm làm phân cắt liên kết C-C để tạo thành sản phẩn halofom (clorofom, bromofom, iodofom)

H 3 C C

O CBr 3 H 3 C C

O CBr 3

OH

-OH

H 3 C C

O

OH + CBr3 H 3 C C

O

O + CHBr3 Phản ứng này ngoài việc điều chế các axit cacboxylic từ andehit còn để định tính các metylxeton, nhất là phản ứng iodofom

R C

O

O OH 1) Br2, OH - ,H2O

2) H+ Thí dụ:

C

O

O

OH (85%) 1) Br2, OH - ,H2O

2) H+

C CH

H3C

H3C

C

O

CH 3

1) Cl 2 , OH-,H 2 O

H3C

H3C

C

O OH (50%)

So với ankyl haogenua, các α-halogenandehit và α-halogenxeton tỏ ra trơ với cơ chế SN1 nhưng lại linh động trong phản ứng SN2

b Oxi hóa anken:

Các liên kết đôi C=C dễ bị oxi hóa cắt mạch bởi các tác nhân oxi hóa mạnh tạo thành axit cacboxylic:

R CH CH R' 1) O3

O

O +

tác nhân thường dùng cho phản ứng này là ozon O3

Hoặc oxi hóa anken bằng KMnO4 đặc, nóng:

RCOOH + R'COOH

[ O ]

RCH = CHR'

c Oxi hóa ankylbenzen:

Các ankylbenzen bị oxi hóa cắt mạch bởi các tác nhân oxi hóa mạnh tại

Cα khi phân tử còn Hα tạo thành axit benzoic Các tác nhân oxi hóa thường dùng là dung dịch KMnO4 và đun nóng

R

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] PGS.TSKH Phan Đình Châu – Các quá trình cơ bản tổng hợp hữu cơ – NXB KH&KT – 2005

[2] Nguyễn Minh Thảo – Tổng hợp hữu cơ – NXB ĐHQG Hà Nội – 2005 [3] PGS.TS Thái Doãn Tĩnh – Cơ sở Hóa học hữu cơ - Tập 1 – NXB KH&KT – 2005

[4] PGS.TS Thái Doãn Tĩnh – Cơ sở lý thuyết Hóa hữu cơ - Tập 2 – NXB KH&KT– 2005

[5] Nguyễn Ngọc Sương – Cơ sở Hóa học hữu cơ – Phần 2 – NXB ĐHQG TP HCM – 2000

[6] Nguyễn Ngọc Sương – Cơ sở Hóa học hữu cơ – Phần 3 – NXB ĐHQG TP HCM – 2000

[7] Một số chuyên đề hóa học bồi dưỡng học sinh giỏi THPT (tài liệu dùng cho lớp bồi dưỡng giáo viên THPT chuyên – hè 2005) - Hà Nội – 2005 (PGS.TS Trần Thạch Văn - Chuyên đề Một số phản ứng hữu cơ mang tên người – Hà Nội 2005)