CHUYÊN đề hợp CHẤT THIÊN NHIÊN

Ngày nay, với sự hỗ trợ của các phương pháp phân tích hiện đại, ngành hóa học các hợp chất thiên nhiên phát triển mạnh mẽ và trở thành khoa học độc lập Nghiên cứu các hợp chất hữu cơ thi

CHUYÊN ĐỀ: HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN

A Mở đầu

1 Lí do chọn đề tài

Hợp chất thiên nhiên là các chất hóa học có nguồn gốc từ thiên nhiên hoặc được con người tách ra từ các loại động vật, thực vật trong tự nhiên

Trong cơ thể động thực vật không chỉ có hợp chất hữu cơ mà còn có nhiều hợp chất vô

cơ như muối khoáng và trong phần này chỉ đề cập đến các hợp chất hữu cơ có trong động - thực vật

Nhiều hợp chất hữu cơ thiên nhiên như đường mía, đường củ cải, tinh dầu thơm, v.v …

đã được sử dụng từ rất lâu Y học cổ truyền đã biết đến tác dụng và độc tính của nhiều chất có nguồn gốc động – thực vật và sử dụng chúng làm thuốc chữa bệnh Ngày nay, với sự hỗ trợ của các phương pháp phân tích hiện đại, ngành hóa học các hợp chất thiên nhiên phát triển mạnh mẽ

và trở thành khoa học độc lập

Nghiên cứu các hợp chất hữu cơ thiên nhiên là một trong những lĩnh vực rất thú vị trong Hoá học Hữu cơ Lĩnh vực này nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất của những hợp chất thiên nhiên và cách tách lấy chúng từ nguồn thiên nhiên vô tận Trên cơ sở đó, người ta còn nghiên cứu về một số phương pháp tổng hợp chúng thay vì phải tách chúng từ các cây cỏ, động - thực vật trong tự nhiên

Các hợp chất hữu cơ thiên nhiên rất đa dạng và phong phú Chúng có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, hóa mĩ phẩm, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, thuốc kích thích sinh trưởng, … nhờ tính chất hóa học, đặc biệt là hoạt tính sinh lí của chúng

2 Mục đích của đề tài

Trong các vấn đề liên quan đến hợp chất thiên nhiên như nghiên cứu về các loại hợp chất thiên nhiên, các phương pháp chiết xuất, tách biệt, phân tích cũng như tổng hợp chúng thì quan trọng nhất là phải biết được chúng có cấu trúc như thế nào, hiểu được hoạt tính của chúng

ra sao để ứng dụng vào thực tiễn Do đó trong khuôn khổ của chuyên đề này chúng tôi chỉ nghiên cứu để làm sáng tỏ một vài vấn quan trọng, có tính thiết thực nhất về cấu trúc (cấu hình, cấu dạng) và tính chất của hợp chất thiên nhiên

B Nội dung

1 Khái quát về hợp chất thiên nhiên

Hợp chất hữu cơ thiên nhiên rất đa dạng và phong phú Tùy thuộc vào cách phân loại người

ta chia các hợp chất thiên nhiên ra thành nhiều loại khác nhau

1.1 Dựa vào tính thiết yếu đối động thực vật

Người ta chia thành 2 nhóm

+ Chất trao đổi sơ cấp : Là những chất thiên nhiên cần thiết cho sự sống gồm

cacbonhidrat, protein, axit nucleic, các lipit và dẫn xuất của chúng Các hợp chất này được sản sinh từ các cơ thể sống, không phụ thuộc vào loài Quá trình trong đó các chất trao đổi sơ cấp

được tạo thành được gọi là quá trình trao đổi thứ cấp

+ Chất trao đổi thứ cấp: Là những hợp chất thiên nhiên không hẵn không cần thiết cho

sự sống của động thực vật Tuy nhiên khác với chất trao đổi sơ cấp, các chất trao đổi thứ cấp thường phụ thuộc nhiều vào loài Các hợp chất thứ cấp bao gồm: tecpenoit, steroit, flavonoit,

ankaloit … Chúng là sản phẩm của quá trình trao đổi thứ cấp.

Các chất trao đổi thứ cấp được nghiên cứu nhiều do tác dụng dược lý và các hoạt tính sinh học của chúng

Trong hợp chất thiên nhiên thường có các nhóm chức cơ bản:

1.2 Dựa vào bộ khung cacbon, các nhóm chức

Các hợp chất thiên nhiên thường được phân loại thành:

+ Tecpenoit (monotecpen, đitecpen, sesquitecpen, tritecpen…)

+ Gluxit ( monosacarit, oligosacarit, polisacarit)

+ Axit amin, peptit, protein

2.1 Đồng phân cấu tạo trong phân tử hợp chất thiên nhiên

VD1: Myrxen (7-Metyl-3-metylenocta-1,6-đien) và ocimen (3,7-Đimetylocta-1,3,7-trien)

có công thức phân tử là C10H16 Chúng đều có ba liên kết đôi ở các vị trí khác nhau

Myrxen có trong tinh dầu cây nguyệt quế, … còn ocimen có trong lá cây húng quế, …

2.2 Đồng phân lập thể trong phân tử hợp chất thiên nhiên

2.2.1 Đồng phân hình học

Đồng phân hình học gây nên bởi sự phân bố khác nhau của các nhóm nguyên tử ở hai bên của một bộ phận cứng nhắc như nối đôi, vòng no, … Khi hai nhóm thế lớn ở cùng một phía của bộ phận cứng nhắc, ta có đồng phân cis hay Z; còn nếu khác phía ta có đồng phân trans hay

E Tuy nhiên danh pháp cis – trans áp dụng trong phạm vi hẹp hơn, thường là hiđrocacbon

Thứ tự giảm dần độ hơn cấp của các nhóm thế dựa theo sự giảm số thứ tự của nguyên tử liên kết trực tiếp với bộ phận cứng nhắc (vòng 1) Nếu nguyên tử ở vòng 1 giống nhau thì xét tiếp số thứ tự của nguyên tử ở vòng 2 liên kết đôi, ba tương đương hai, ba nguyên tử mang liên kết đơn

- OH > -NH2 > -CH2-CH3 > -CH3 > -HVD2: Geraniol là thành phần chính của tinh dầu sả và tinh dầu hoa hồng Nerol thường gặp trong tinh dầu hoa cam và cam lê Chúng đều có công thức C10H8O và là đồng phân E, Z của nhau

Cấu trúc phân tử hợp chất thiên nhiên

Đồng phân cấu tạo

Đồng phân cis – trans,

CH2OH

Geraniol (E)

Nerol (Z)

VD3 (Đề thi HSG QG 2011): Xitral (CH3)2C=CHCH2CH2C(CH3)=CHCH=O có trong tinh dầu chanh, gồm 2 đồng phân a và b Cấu tạo phân tử xitral có tuân theo qui tắc isoprenoit hay không? Hai chất a và b thuộc loại đồng phân nào? Hãy viết công thức cấu trúc và gọi tên hệ thống hai đồng phân đó

CH2OH

HO

OHOH

OH

CHO

CH2OH

OHHO

HOHO

D-(+)-Glucozơ L-(-)-Glucozơ

Kí hiệu R, S Xét C*abcd với sắp xếp độ hơn cấp a > b > c > d Khi nhìn theo trục liên kết C*–d (hướng từ C* đến d trong công thức phối cảnh) thì ba nhóm a, b, c theo thứ tự có cùng chiều kim đồng hồ ta có đồng phân R ( nghĩa là “phải”), còn nếu ngược chiều kim đồng hồ ta có đồng phân S ( nghĩa là “trái”)

Chú ý trên công thức Fisơ nều nhóm có độ hơn cấp thấp nhất ở đường nằm ngang thì cấu hình R, S lại ngược lại, cùng chiều kim đồng hồ là đồng phân S còn nếu ngược chiều kim đồng

Cấu dạng ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất, đặc biệt là hoạt tính sinh học của các chất Cùng

là một chất nhưng cấu dạng khác nhau thì hoạt tính sinh học cũng khác nhau Tuy nhiên, có

COOH

N

COOHHH

NH H

COOH

N

COOH H

H

những chất khác nhau như xibeton (một xeton vòng lớn) và anđrostenol (một steroit) lại có mùi giống hệt nhau, đó là do chúng có cấu dạng giống nhau.

nối với đuôi” (quy tắc isopren).

Số đơn vị mắt xích isopren Số nguyên tử cacbon Loại tecpen

Geraniol có đồng phân hình học là nerol Geraniol ở dạng trans (đồng phân E) là thành phần chính của tinh dầu sả và tinh dầu hoa hồng Nerol ở dạng cis (đồng phân Z) có mặt trong một số tinh dầu như tinh dầu hoa cam và cam lê.

Linalool là đồng phân cấu tạo của geraniol và nerol Chúng đều là những ancol không no, đơn chức C10H8O Linalool có tính quang hoạt với một cặp đối quang, (R)-(-)-linalool có trong tinh dầu hoa hồng (S)-(+)-linalool có trong tinh dầu cam

Hợp chất 1 vòng

Limonen α-Tecpinen α-Phenanđren Tecpinolen

Phân tử campho có hai nguyên tử C* do đó có thể tồn tại hai đôi đối quang nhưng thực tế chỉ tồn tại một đôi đối quang khi vòng xiclopentan ở cấu hình cis, còn đồng phân trans không tồn tại do sức căng lớn.

3.1.2 Sesquitecpen (C 15 ):

Sesquitecpen luôn có mặt cùng với monotecpen trong tinh dầu Sesquitepen trong tinh dầu do có nhiệt độ sôi trên 200oC, do đó khi chưng cất thì chúng có hàm lượng không cao Một số sesquitecpen có trong tinh dầu là: neroliđol (tinh dầu hoa cam), cacđinen (tinh dầu loài bách tròn), selinen (cần tây)

3.1.3 Đitecpen (C 20 ):

Vitamin A hay renitol, C20H30O, có trong dầu gan cá, lòng đỏ trứng, sữa, … Vitamin A cần thiết cho sự phát triển bình thường của người và động vật có vú Sự thiếu hụt vitamin A sẽ gây nên bệnh quáng gà, khô giác mạc và võng mạc

Axit abietic C20H30O2, có trong nhựa thông

OH

HO

CH2OH OH

HOCH2

CH2OH O

OH HO

3.2.2 Oligosaccarit

Oligosaccarit trong tự nhiên tồn tại dạng tự do và dạng hợp chất Oligosaccarit được tạo bởi 2 đến 8 đơn vị monosaccarit cùng loại hoặc khác loại Oligosaccarit ở dạng tự do phổ biến nhất là đisaccarit

Trong cấu trúc phân tử đisaccarit, hai monosaccarit liên kết với nhau theo kiểu glycozit với sự tham gia của nhóm OH hemiaxetal của một phân tử monosaccarit ở dạng pyranozơ hoặc furanozơ với cấu hình α- hoặc β- Tùy thuộc vào nhóm OH của monosaccarit thứ hai tham gia tạo liên kết glycozit, nếu không phải là nhóm OH hemiaxetal thì đisaccarit đó bị tautome hóa và

có khả năng đổi quay

Do cấu dạng ghế của monosaccarit nên cấu dạng của oligosaccarit (xác định bằng sự phân bố tương đối trong không gian của các gốc liên kết) chủ yếu phụ thuộc cấu hình của liên kết glycozit Trong xenlobiozơ, liên kết β-glycozit phân bố dạng e, còn trong mantozơ là dạng a Liên kết hiđro nội phân tử trong xenlobiozơ (hình vẽ) được bền hóa bởi cấu trúc thẳng, trong khi

đó ở phân tử mantozơ lại có khuynh hướng “đẩy ra” Vì vậy xenlobiozơ có cấu tạo cứng nhắc còn mantozơ thì không

O

OH HO

HO

O H

HO

O

CH2OH

O OH

OH O

CH2OH H

3.3 Axit amin, peptit, protein

3.4 Ankaloit

4 Một số phản ứng thường dùng trong xác định cấu trúc phân tử hợp chất thiên nhiên

4.1 Xác định cấu trúc của tecpen

Dựa vào các phản ứng đặc trưng và qui tắc isopren

Những phản ứng đặc trưng thường dùng:

+ Xác định liên kết đôi: phản ứng với dung dịch brom, cộng hydro ( Ni xúc tác)

+ Xác định H linh động: Tác dụng với CH3MgX hoặc với natri

+ Xác định nhóm -CHO: Dùng thuốc thử Fehling, Tollens hay axit fucsinsunfurơ

+ Xác định vị trí của liên kết đôi: Phản ứng ozon phân : Cho hỗn hợp các hợp chất chứa nhóm cacbonyl, phản ứng oxi hóa cắt mạch… phối hợp với ”quy tắc isopen” ta có thế xác định được cấu tạo của tecpen

VD5 (HSG QG 2009):

Hướng dẫn giải:

Acoron và axit abietic là tecpen:

VD6 (HSG QG 2003):

Ozon phân một tecpen A (C10H16) thu đợc B có cấu tạo nh sau:

Hidro hóa A với xúc tác kim loại tạo ra hỗn hợp sản phẩm X gồm các đồng phân có công thức phân tử C10H20

a) Xác định công thức cấu tạo của A

b) Viết công thức các đồng phân cấu tạo trong hỗn hợp X

Hướng dẫn giải

a)

Khung cacbon của cỏc hợp chất tecpen được tạo thành từ cỏc phõn

tử isopren kết nối với nhau theo quy tắc ôđầu – đuụiằ Vớ dụ, nếu tạm

quy ước: (đầu) CH2=C(CH3)-CH=CH2 (đuụi) thỡ phõn tử α-myrcen

(hỡnh bờn) được kết hợp từ 2 đơn vị isopren

Dựa vào quy tắc trờn, hóy cho biết cỏc chất nào sau đõy là

tecpen và chỉ ra cỏc đơn vị isopren trong khung cacbon của cỏc tecpen

OH

O O

OH

OH O

OC

b)

(vßng 7 c¹nh kÐm bÒn h¬n vßng 6 c¹nh)

4.2 Xác định cấu trúc của gluxit

+ Xác định các oligosaccarit: Phản ứng thủy phân bằng các men đặc hiệu

+ Xác định cấu trúc monosaccarit: metyl hóa OH hemiaxetal bằng CH3OH/HCl, ankyl hóa các nhóm OH còn lại bằng phương pháp Williamson, oxi hóa

+ Xác định số nhóm OH và cấu trúc vòng: phản ứng este hóa, thủy phân

+ Xác định cấu dạng của nhóm OH: tác dụng C6H5CHO hoặc CH3COCH3 tạo axetal và xetal vòng với hai nhóm OH ở dạng cis

VD7: Hãy xác định cấu trúc của đisaccarit melibiozơ dựa trên các dữ kiện thực nghiệm sau: - Melibiozơ có sự quay hỗ biến

- Thủy phân trong axit loãng hoặc galactoziđaza (enzim chỉ phân cắt liên kết galactozit) đều cho D-galactozơ và D-glucozơ

α oxi hóa bằng nước brom cho axit melibionic Metyl hóa axit melibionic rồi thủy phân thì thu được 2,3,4,6-tetra-O-metyl-D-galactozơ và axit 2,3,4,5-tetra-O-metyl-D-glucomic

+ Xác định bậc amin: Phản ứng với HNO2, C6H5SO2Cl/NaOH

+ Xác định vị trí nhóm amin: Phản ứng thoái phân Hoffman

+Xác định nhóm amin trong aminoaxit: tác dụng của nhiệt, phản ứng ankyl hóa bằng

CH3I hoặc (CH3)2SO4, phản ứng axyl hóa

+ Xác định số nhóm cacboxyl trong aminoaxit: phản ứng este hóa trong HCl hoặc

Cα, có thể là propyl hay metyl và etyl trong đó propyl mới cho 1,4- và 1,5-ddien, còn etyl và

metyl cho 1,6- và 1,5-ddien Vậy A là 2-propylpiperidin ((S)-conin) và B là

Một monotecpenoit mạch hở A có công thức phân tử C10H18O (khung cacbon gồm hai đơn

vị isopren nối với nhau theo qui tắc đầu-đuôi) Oxi hoá A thu được hỗn hợp các chất A1, A2 và A3 Chất A1 (C3H6O) cho phản ứng iodofom và không làm mất màu nước brôm Chất A2 (C2H2O4) phản ứng được với Na2CO3 và với CaCl2 cho kết tủa trắng không tan trong axit axetic;

A2 làm mất màu dung dịch KMnO4 loãng Chất A3 (C5H8O3) cho phản ứng iodofom và phản ứng được với Na2CO3

a Viết cụng thức cấu tạo của A1, A2 và A3.

b Vẽ cụng thức cỏc đồng phõn hỡnh học của A và gọi tờn theo danh phỏp IUPAC

Hướng dẫn giải

a A là hợp chất mạch hở nờn cú 2 nối đụi

A1 tham gia phản ứng iodofom nờn A1 là hợp chất metyl xeton

CH3COCH3 + I2 / KOH CHI3 + CH3 COONa

A2 phản ứng với Na2CO3 nờn đõy là một axit, dựa vào cụng thức phõn tử đõy là một diaxit

HOOC-COOH + Na2CO3 NaOOC-COONa + H2O + CO2

A3, C5H8O3, cho phản ứng iodoform, phản ứng được với Na2CO3

A3 vừa cú nhúm chức metyl xeton vừa cú nhúm chức axit

A1: CH3COCH3; A2 : HOOC-COOH và A2: CH3COCH2CH2COOH

b A monoterpen mạch hở gồm 2 đơn vị isopren nối với nhau theo qui tỏc đầu đuụi, nờn cú bộ khung cacbon là:

Dựa vào cấu tạo của A1, A2, A3 nờn xỏc định được vị trớ cỏc liờn kết đụi trong mạch cacbon:

Vỡ cú sự hỡnh thành axit oxalic nờn A cú thể là:

(E) -3,7- dimetyl octa-2,6-dienol (Z)-3,7-dimetyl octa-2,6-dienol

Bài 2 Cloven là một hợp chất thiên nhiên có thể tổng hợp đợc trong phòng thí nghiệm Thực hiện

quá trình tổng hợp cloven theo quá trình chuyển hóa sau:

Cho chất ban đầu A tác dụng với MnO2 tạo thành hợp chất B (C13H18O3) Sau đó B phản

ứng với một axit rồi chng cất hỗn hợp phản ứng để cô lập một trong các sản phẩm phản ứng cho

hợp chất C (C12H16O3) Khử C bằng hidro trên Pd tạo thành D, phản ứng kế tiếp với 1,2-etandiol

có mặt axit vô cơ tạo thành hợp chất E (C14H22O4) E tác dụng với (CH3CH2)2CuLi trong ete và

thêm axit cho hợp chất F Trong môI trờng kiềm F chuyển thành hợp chất G (C14H20O), từ đó thu

đợc cloven bằng hai bớc

Viết các sơ đồ phản ứng đã nêu và hai bớc cuối cùng trong sự tổng hợp cloven từ hợp chất

G Biểu diễn cấu trúc không gian của cloven, chỉ rõ các nguyên tử bất đối và xác định cấu hình

R, S của chúng trong cấu trúc của cloven

H+MnO2

Bài 3 (DHBB 2013)

Axit retigeranic là một tecpenoit được phõn lập từ một loại địa y Cấu trỳc của axit

retigeranic được xỏc định dựa trờn phương phỏp phõn tớch tia – X Cụng thức của axit retigeranic

như sau:

Xác định cấu hình của axit retigeranic Axit retigeranic có thể có bao nhiêu đồng phân cấu hình?

Hướng dẫn giải:

1 Xác định cấu hình của axit retigeranic:

Bài 4 (HSG QG 2009)

Inulin (một cacbohiđrat có trong rễ cây actisô) không phản ứng với thuốc thử Felinh; khi bị thuỷ phân

có mặt α-glucoziđaza cho 2 mol glucozơ và một polisaccarit gồm các D-fructozơ kết cấu theo kiểu

(2→1)-D-fructofuranozơ Phân tử khối tương đối của inulin khoảng 5200 u

Vẽ công thức Havooc (Haworth) của inulin

(Hoặc vẽ 2 gốc glucozơ ở cùng một đầu)

Bài 5 Trong mật mía có chất đường không khử (+)-raffinozơ C18H32O16 bị thủy phân axit cho fructozơ, D-galactozơ và D-glucozơ, thủy phân bằng men α-galactozidaza cho α-galactozơ và saccarozơ, bằng men invertaza cho D-fructozơ đisaccarit melibiozơ, khi metyl hóa raffinozơ rồi thủy phân cho 1,3,4,5-tetra-O-metyl-D-fructozơ, 2,3,4,6-tetra-O-metyl-D-galactozơ và 2,3,4-tri-O-metyl-D-glucozơ Xác định cấu trúc của raffinozơ

D-Hướng dẫn giải

Rafinozơ có liên kết giữa galactozơ và glucozơ là α(1,6), liên kết với fructozơ bằng liên kết α-glucozit-β-fructozit nên Rafinozơ có công thức: