Lý thuyết tổng hợp hóa hữu cơ

-1- CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN THƯỜNG GẶP TRONG HÓA HỌC VÀ TRONG KỸ THUẬT TỔNG HỢP HÓA HỌC 1.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN THUYẾT ĐIỆN TỬ Nguyên tử cấu tạo gồm hạt nhân mang điện tích dương, khối lượng chiếm hầu hết khối lượng nguyên tử và điện tử mang điện tích âm với khối lượng không đáng kể. Nguyên tử trung hòa về điện nên tổng số proton trong hạt nhân bằng tổng số electron trong lớp vỏ: Số proton = số electron Các electron chuyển động quanh hạt nhân thành đám mây chia thành nhiều lớp theo một quy luật nhất định, những electron ở lớp trong liên kết với hạt nhân bền chặt hơn những electron ở lớp ngoài. Do đó năng lượng electron ở lớp trong thấp hơn năng lượng electron ở lớp ngoài. Và các lớp từ trong ra ngoài được kí hiệu K, L, M… Lớp electron hóa trị- lớp electron ngoài cùng là lớp electron tham gia vào việc tạo thành liên kết, quyết định tính chất hóa học của nguyên tử. Lớp này thay đổi từ 1 đến 8. Nguyên lý cơ bản của thuyết điện tử: Tất cả biến đổi hóa học của nguyên tử đều do sự biến đổi của lớp điện tử ngoài cùng của nguyên tử. Khi lớp ngoài cùng đã đủ 8 điện tử (trừ hidro chỉ có 2) thì không xảy ra phản ứng nữa. Trong hóa học gọi quy tắc này là “quy tắc bát tử” (8 điện tử). 1.2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT HOÁ HỌC Theo nguyên lí của thuyết điện tử, các nguyên tử có khuynh hướng thu xếp thế nào để lớp ngoài cùng có đủ 8 điện tử để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm. Vì vậy chúng liên kết với nhau. Vì vậy nguyên tử có hai các sắp xếp điện tử ứng với việc tạo hai liên kết như sau: -2- Sự phát triển của lý thuyết về liên kết hóa học được hai nhà hóa học đưa ra: năm 1926, nhà hóa học Kosen (Đức) đưa ra thuyết liên kết ion và nhà bác học Luit đã đưa ra thuyết liên kết cộng hóa trị. 1.2.1. Liên kết ion Liên kết giữa hai nguyên tử có thể hình thành bằng sự chuyển một hay nhiều điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác bằng lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện trái dấu tạo thành liên kết ion. Trong nguyên tử, hạt nhân mang điện tích dương được bao quanh bởi các điện tử phân bố thành các lớp khác nhau. Trên mỗi lớp có số điện tử nhất định: 2 điện tử ở lớp thứ nhất, 8 hoặc 18 trên lớp thứ 3…Sự tạo thành hợp chất là kết quả của sự tạo thành lớp bão hòa. Ví dụ trong phân tử LiF, LiCl: Li + Cl Li + + Cl - Cl Li Hoặc trong phân tử LiCl có thể biểu diễn cụ thể hơn: -e Li + Li e + Li Li + +e F - F + e F F - Li + + F - LiF Liên kết ion chỉ áp dụng đối với kim loại điển hình và phi kim điển hình nghĩa là độ lệch độ âm điện lớn. 1.2.2. Liên kết cộng hoá trị -3- Liên kết giữa hai nguyên tử do sự góp electron để tạo cặp electron dùng chung cho hai nguyên tử. Ví dụ trong phân tử H 2 , C 2 H 4 , N 2 : HH C C N N Hoặc trong phân tử HCl có thể biểu diễn cụ thể hơn dựa vào số điện tử lớp ngoài cùng mà hai nguyên tử góp chung điện tử thế nào để đạt cấu hình bền vững của khí hiếm. + Cl Cl H H Như vậy liên kết cộng hóa trị hình thành giữa những phân tử của cùng một nguyên tử hoặc những nguyên tử có độ lệch độ âm điện không lớn. Tuy nhiên có một trường hợp đặc biệt là đôi điện tử dùng chung không phải là do mỗi nguyên tử góp một điện tử mà chỉ do một nguyên tử cho. Và liên kết như vậy gọi là liên kết phối trí hay liên kết cho nhận. Chẳng hạn phân tử NH 4 Cl: H H H N + H Cl N H H Cl H H (+) (-) Nitơ thừa điện tử nên khi hình thành liên kết nó cho H của HCl tạo NH 4 + . Khi đó nguyên tử Cl thành Cl - . hai ion này kết hợp với nhau tạo thành phân tử NH 4 Cl. Liên kết phối trí được biểu diễn bằng mũi tên hướng về phía nguyên tử nhận. Phân tử có thể biểu diễn như sau: (+) (-) N H H H H Cl Thuyết liên kết ion và thuyết liên kết cộng hóa trị đều tuân theo quy tắc bát tử: sự cho hoặc nhận electron, sự góp chung electron đều đảm bảo electron của khí hiếm. -4- 1.3. HIỆU ỨNG HOÁ HỌC Hiệu ứng nghĩa là sự ảnh hưởng lên nhau của của các nguyên tử trong cùng một phân tử gây nên sự thay đổi sự phân bố điện tích trong phân tử. Tùy loại liên kết mà gây ra các hiệu ứng khác nhau. 1.3.1. Sự phân cực liên kết cộng hóa trị - Hiệu ứng I 1.3.1.1. Khái niệm về hiệu ứng cảm ứng Là sự phân cực của liên kết cộng hóa trị do sự dịch chuyển đôi điện tử về phía một trong hai nguyên tử tạo thành một phân tử có cực với điện tích khác nhau rất nhỏ gọi là điện tích riêng phần. Nếu một phân tử gồm những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử giống nhau thì đôi điện tử phân bố đều giữa hai nguyên tử, đám mây điện tử phân bố đều giữa hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử. Chẳng hạn phân tử Cl 2 hoặc C 2 H 6 Cl Cl Cl Cl CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 Nhưng nếu hai nguyên tử khác nhau thì đôi điện tử sẽ bị lệch về một phía, đám mây điện tử không phân bố đều giữa hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử mà lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Ví dụ trong phân tử sau: H Cl H Cl H Cl Hoặc H δ(+) - Cl δ (-) Với phân tử CH 3 Cl: CH 3 Cl CH 3 Cl CH 3 Cl -5- CH 3 Cl hoặc CH 3 δ(+) - Cl δ (-) Vậy sự phân cực của các liên kết xích ma σ là nguyên nhân gây ra hiệu ứng cảm ứng, chiều chuyển dịch điện tử được miêu tả bằng mũi tên 1.3.1.1. Quy luật về hiệu ứng cảm ứng Mômen lưỡng cực μ đánh giá một cách định lượng mức độ phân cực đo bằng D(Đebai). Nếu lấy sự phân cực của H trong phân tử H 2 làm chuẩn thì nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử hút điện tử mạnh hơn H sẽ có giá trị hiệu ứng âm ký hiệu là –I, ngược lại nguyên tử hay nhóm nguyên tử hút điện tử yếu hơn H sẽ có giá trị hiệu ứng dương kí hiệu +I. Quy luật: a. Các nhóm mang điện tích dương có hiệu ứng –I, các nhóm mang điện tích âm có hiệu ứng +I Ví dụ: nhóm –N + R 3 là nhóm –I mạnh, nhóm –O- là nhóm +I mạnh b. Nếu các nguyên tử của cùng một nguyên tố cùng một chu kì nhỏ hay phân nhóm chính đều có hiệu ứng –I thì hiệu ứng –I tăng từ trái sang phải và giảm từ trên xuống dưới theo chiều tăng của điện tích hạt nhân. Có thể biểu diễn như sau: -I Cl < N < O < F CH 3 < NH 2 < OR < F I < Br < Cl < F -6- c. Các nhóm ankyl luôn có hiệu ứng +I và tăng theo bậc của nhóm: CH 3 < CH 3 CH 2 < CH(CH 3 ) 2 < C(CH 3 ) 3 d.Trạng thái lai hóa của cacbon có –I biến đổi: C sp > C sp2 > C sp3 Tức là : RC C- R 2 C CR- C 6 H 5 - 1.3.1.1. Đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng Hiệu ứng cảm ứng giảm nhanh khi kéo dài mạch truyền ảnh hưởng và thực tế hiệu ứng này không lan qua cacbon thứ ba trong mạch thẳng. Chẳng hạn: δ- δ+ δδ+ δδδ+ Cl – CH 2 – CH 2 – CH 2 – CH 3 1.3.2. Sự chuyển dịch của điện tử trong các liên kết kép – Hiệu ứng C 1.3.2.1. Khái niệm Khác với hiệu ứng cảm ứng sự chuyển dịch điện tử trên liên kết cacbon- cacbon, hiệu ứng liên hợp - E là sự chuyển dịch điện tử xảy ra trên liên kết Π. Trong một phân tử có chứa liên kết kép thì các điện tử không những dịch chuyển trên trục liên kết (liên kết σ) mà còn dịch chuyển ngoài trục liên kết (liên kết Π). Liên kết bền vững, còn liên kết Π thì không bền dễ bị phá vỡ. Ví dụ trong liên kết C=O của một xeton gồm hai cặp điện tử chung. Trong đó một cặp tạo liên kết σ bền vững, liên kết này nằm trên trục liên kết giữa nguyên tử C và O, còn một cặp điện tử tạo thành liên kết Π ở ngoài trục: C R R O C R R O (+) (-) C O R R Sự dịch chuyển điện tử trên liên kết Π được ký hiệu bằng mũi tên cong : -7- - Nhóm đẩy điện tử có hiệu ứng +C: - Nhóm hút điện tử có hiêụ ứng – C: Vì vậy hiệu ứng liên hợp xảy ra khi có liên kết kép ( nối đôi, nối ba) và thể hiện khi tham gia liên kết. 1.3.2.2. Quan hệ giữa cấu tạo của nhóm thế với hiệu ứng liên hợp a. Các nhóm +C: có cặp điện tử chưa tham gia liên kết -O - , -S - , -OH, -SH, - NH 2 , NR 2 , -NHCOCH 3 , -F, -Cl, -Br. Hầu hết các nhóm +C đồng thời có hiệu ứng –I ở mức độ khác nhau. Ví dụ: CH 3 O- vừa có hiệu ứng +C do O còn cặp điện tử chưa liên kết, vừa có hiệu ứng –I do O có độ âm điện lớn hơn C nên hút điện tử về phía nó. CH 3 O +C -I Thực nghiệm chứng minh +C > -I CH 3 O CH 2 CH CH CH 2 +C -I Một số nhóm lại có +C < -I. Ví dụ: clo, flo… Cl CH 2 CH CH CH 2 +C -I * Đối với các nhóm nguyên tử hay nhóm nguyên tử có hiệu ứng +C thì nguyên tử mang điện tích âm có hiệu ứng +C nguyên tử tương tự không mang điện. -8- -O - > -OR -S - > -SR - Trong một chu kì, hiệu ứng +C yếu dần từ trái sang phải: -NR2 > -OR > -F - Trong một phân nhóm chính +C giảm từ trên xuống dưới: -F > -Cl > -Br > -I -OR > -SR > -SeR * Các nhóm –C: Đa số các nhóm này là những nhóm không no: -NO 2 , -C=N, -CHO, -COR, -COOH,-CONH 2 … Thường các nhóm –C có cả hiệu ứng –I. - Các nhóm –C=Z có lực –C phụ thuộc vào Z, nếu Z càng ở bên phải chu kì thì lực –C càng lớn: C CR 2 C NR C O - Các nhóm mang điện tích dương có –C lớn hơn nhóm không mang điện: C N + R 2 C NR * Các nhóm mang hiệu ứng C với dấu không cố định: Loại này thường là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử chưa no như: vinyl, phenyl, Ví dụ: Tùy nhóm nguyên tử gắn vào phenyl mà nó có hiệu ứng +C hay –C như phân tử nitrobenzene và anilin: NH 2 NO 2 +C -C -C +C -9- 1.3.2.3. Đặc điểm của hiệu ứng liên hợp Khác với hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp thay đổi tương đối ít khi thay kéo dài mạch liên hợp và nó chỉ có hiệu lực mạnh khi hệ liên hợp phẳng N N X X Hệ Π, p phẳng Hệ Π, p không phẳng 1.4. MỘT SỐ QUI TẮC THẾ TRONG NHÂN BENZEN. ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG I VÀ E Nhân benzene có rất nhiều nguyên tử hidro ở những vị trí khác nhau, vì vậy có nhiều qui tắc khi đưa nguyên tử hay nhóm nguyên tử (nhóm chức) khác nhau vào thế những hidro đó. 1.4.1. Khi nhân thơm chưa có nhóm thế Với nhân benzen chưa có nhóm thế thì phản ứng thế S E (phản ứng thế ái điện tử) sẽ thế được hidro của nhân benzen bằng các nhóm thế ái điện tử X (+) . Nhóm thế này sẽ thế vào bất cứ vị trí nào trong nhân benzen. Ví dụ: X X + 1.4.2. Khi nhân thơm đã có sẵn một nhóm thế: * Khi ở vòng benzene có sẵn một nhóm đẩy electron (nhóm thế loại I: -OH, -NH 2 , -hal như –Cl, -Br, -NR 2 , -OR …) làm mật độ electron ở các vị trí ortho và -10- para tăng, phản ứng thế sẽ dễ dàng hơn và ưu tiên xảy ra ở các vị trí ortho và para trong nhân benzen Ví dụ: Khi nitro hóa toluen (nhân chứa nhóm metyl thuộc loại I) sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm chính là o- và p-nitrotoluen. CH 3 CH 3 NO 2 CH 3 NO 2 + HNO 3 + * Ngược lại, nếu ở vòng benzene đã có sẵn nhóm hút electron (nhóm thế loại II: -NO 2 , -COOH, -SO 3 H, -NR 3 , -CHO, -COR …) thì phản ứng thế vào vòng benzene sẽ khó hơn và ưu tiên xảy ra ở vị trí meta trong nhân benzen. Ví dụ: Khi nitro hóa nitrotoluen (nhân chứa sẵn nhóm –NO 2 thuộc loại II) sẽ thu được sản phẩm chính là m-dinitrobenzen. NO 2 + HNO 3 NO 2 NO 2 Sau đây là bảng phân loại các nhóm thế loại I và II. Nhóm thế loại I (đa số là các nhóm thế chứa liên kết đơn) Nhóm thế loại II (đa số là các nhóm thế chứa liên kết kép) - F, Cl, Br, I -OH, OR, OAc - NH 2 , NHR, NR 2 - R, CH 2 R, CHR 2 , CR 3 - NO 2 - SO 3 H, SO 2 R - CHO, CH=COOH - COOH, COOAr, CONH 2 , CONHR [...]... thêm vào hỗn hợp phản ứng chất ức chế hoặc chất tải gốc, mục đích là hạn chế hoặc kết thúc các phản ứng dây chuyền A + A A-A A + B A-B -29- R + A R-A R + B R-B R + R R-R c Các loại phản ứng liệt kê sau đây thường xảy ra theo cơ chế gốc: - Cloro hóa, bromo hóa các hợp chất hydrocacbon no mạch thẳng ở nhiệt độ cao bắng quang hóa - Cloro hóa mạch nhánh các hợp chất thơm bằng đèn quang hóa - Oxy hóa các hydrocacbon... R-SR’ + X- Tioete hóa + NH2R’  R-NHR’ + HX Ankyl hóa các amin +NHR2’  R-NHR2’ + HX Ankyl hóa các amin + NR3’  R-N+R3X- Ankyl hóa các amin +CN-  R-CN + X- Xiano hóa + NO2-  R-NO2 + X- Nitro hóa + X’-  R-X’ + X- Phản ứng Finkelstein , + CH COR ,, , - RX R COR + CH Ankyl hóa beta-dixeton COR ,, COR (-) + X + AlCl3 R -26- HX Friden-Crafts ankyl hóa Theo cơ chế phản ứng ta có thể chia phản ứng thế ái... nghĩa trong hóa học các hợp chất mạch thẳng Các loại phản ứng ghi trong bảng dưới đây đếu thuộc loiaj phản ứng thế ái nhân: Phản ứng Tên loại phản ứng R-OH + HX  R-X + H2O Este hóa ancol bằng các axit vô cơ + R’-OH  R-OR’ + H2O Ete hóa R-X + OH-  R-OH + X – Thủy phân R-X + R’O-  R-OR’ + X- Williamson + R’COO-  R’COOR + X- Este hóa +SH-  R-SH + X- Mercaptan hóa + -SR’  R-SR’ + X- Tioete hóa + NH2R’... điểm của cơ chế gốc SR Nguyên tử hydro dính vào cacbon no được thay thế bằng nhóm halogen hoặc bằng một nhóm nguyên tử khác Quan trọng hơn cả là phản ứng halogen hóa theo cơ chế gốc Sơ đồ phản ứng theo cơ chế gốc tự do: R-H + XY → RX + HY XY: halogen, SO2Cl2, R3C-OCl, CCl3Br, CF3I Phản ứng xảy ra khi có chiếu sang hoặc có chất khơi mào là các peoxit b Cơ chế phản ứng -28- Trong các phản ứng hóa học... cùng tự ổn định hóa bằng cách loại proton khỏi phức –xichma để tạo thành phân tử trung hòa chứa nhóm thế E c Các loại phản ứng liệt kê trong bảng sau đây đếu xảy ra theo cơ chế phản ứng thế ái điện tử: Phản ứng ArH + Tên loại phản ứng HNO3  ArNO2 + H2O Nitro hóa ArH + H2SO4  Ar-SO3 + H2O Sunfo hóa ArH + X2  Ar-X + HX Halogen hóa (X=Cl, Br) ArH +R-X  Ar-R +HX Frieden-Crafts- ankyl hóa ArH + R-COCl... hydrocacbon no mạch thẳng ở nhiệt độ phòng bằng oxy - Sunfo-cloro hóa các hydrocacbon mạch thẳng mạch cacbon dài bằng khí clo và sunfua dioxit ( trong công nghiệp sản xuất xà phòng) - Nitro hóa thể tích các hydrocacbon no mạch thẳng co mạch cacbon không lớn bằng axit nitric ở nhiệt độ cao 1.5.2.3 Cơ chế phản ứng tách loại (E) 1.5.2.3.1 Lý thuyết về cơ chế các phản ứng tách Phản ứng tách loại là phản ứng loại... acyl hóa ArH + CO  Ar-CHO Galtermann-Koch -24- ArH + HCN + HCl  Ar- Galtermann CH=N+ H2Cl Ar-CHO ArH + R-CN+HCl  ArCOR Houben-Hoesch ArH + C6H5-N(CH3)-CHO  ArCHO Vilsmeir + C6H5-N-CH3 ArH + CH2O  Ar-CH2OH Hydroxymetyl hóa ArH + CH2O + HNR2  Ar-CH2NR2 + Mannich ( aminometyl hóa) H2O ArH + CH2O + HCl  Ar-CH2Cl + Clometyl hóa H2O ArH + CO2  ArCOOH Kolbe-Schmit ArH + HNO2  Ar-NO2 + H2O Nitrozo hóa. .. tác peoxit, năng lượng chiếu xạ,…) từ các tác nhân cộng hợp các gốc tạ do được tạo ra, các gốc này liên kết với điện tử π hình thành nên những gốc mới và gốc mới tiếp tục liên kết với những gốc tự do khác cho ta sản phẩm cộng hợp Tác nhân của phản ứng gồm Phản ứng cộng hợp xảy ra ở liên kết π, chẳng hạn phản ứng cộng hợp của anken xảy ra theo sơ đồ tổng quát sau: -21- X (-) (+) C C + - + X Y C C Y Ở đây... ra theo cơ chế E1 càng dễ dàng + Ảnh hưởng của nhóm bazo: Bazơ không đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng E1 do nó không hề tham gia vào biểu thức tốc độ phản ứng Tuy nhiên nếu bazơ càng mạnh thì phản ứng xảy ra theo E2 càng dễ Phản ứng tách E1 thường dùng cho các hợp chất ancol trong môi trường axit mạnh để tổng hợp anken qua cacbocation hơn là các dẫn xuất halogen hay sunfonat cho hỗn hợp sản... dễ -34- - Cacbocation hình thành phải bền vững c Cơ chế cacbanion E1cb: Theo cơ chế E1, nhóm X bị tách trước proton Trong cơ chế E2, nhóm X và H bị tách đồng thời Trong cơ chế E1cb thì xảy ra 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: H bị tách bởi bazo tạo ra cacbation - Giai đoạn 2: X tách ra tạo thành sản phẩm chưa no H C - C C C X + - Y C X C C C + + X HY _ - X +Cơ chế E1cb xảy ra dễ dàng khi X kém hoạt động còn . -1- CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN THƯỜNG GẶP TRONG HÓA HỌC VÀ TRONG KỸ THUẬT TỔNG HỢP HÓA HỌC 1.1 NGUYÊN LÝ CƠ BẢN THUYẾT ĐIỆN TỬ Nguyên tử cấu tạo gồm hạt nhân mang. triển của lý thuyết về liên kết hóa học được hai nhà hóa học đưa ra: năm 1926, nhà hóa học Kosen (Đức) đưa ra thuyết liên kết ion và nhà bác học Luit đã đưa ra thuyết liên kết cộng hóa trị electron hóa trị- lớp electron ngoài cùng là lớp electron tham gia vào việc tạo thành liên kết, quyết định tính chất hóa học của nguyên tử. Lớp này thay đổi từ 1 đến 8. Nguyên lý cơ bản của thuyết