Chương 8: Hợp chất dị vòng Trang 145 Chương 8: HỢP CHẤT DỊ VÒNG 8.1 Khái niệm Hợp chất dị vòng hợp chất hữu có vòng kín phân tử, vòng C có vài nguyên tử nguyên tố khác gọi dị tử Những hợp chất dị vòng quan trọng thường chứa dị tử nitơ, oxi lưu huỳnh Tuy vậy, người ta gặp dị vòng chứa dị nguyên tử selen, telu, photpho, silic nguyên tố khác Trong chương xét chủ yếu hợp chất dị vòng cạnh có chứa dị tử, cụ thể furan, pirol, thiophen piridin: H - C5 H-C C-H H-C C-H H - C5 C-H C-H Furan C-H H - C5 N1 H Pirol O H C H-C S HC C-H CH HC6 Thiophen CH N Piridin Các dị vòng cạnh furan, pirol thiophen coi dẫn xuất xiclopentadien nhóm metylen CH2 thay dị tử O, NH S Nếu dị vòng cạnh trên, nhóm CH thay dị tử N ta dị vòng dị tử oxazol isooxazol; thiazol isothiazol; imidazol pirazol: H C H C HC H C CH H C N HC CH & H C HC N O Furan O Oxazol O Isoxazol H C H C H C H C HC CH N & S Thiophan S Thiazol N S Isothiazol H C H C H C HC H C HC CH N H Pirol HC CH HC H C N CH N H Imidazol & H C HC N N H Tiếp theo từ pirazol, ta thay nhóm – CH = dị tử nitơ – N = thứ ba ta có triazol: Chương 8: Hợp chất dị vòng H C Trang 146 N H C N HC N N H 1,2,3- Triazol HC N N H 1,2,4- Triazol Nếu dị tử nitơ thứ tư – N = cho nhóm – CH = ta có tetrazol: N HC N N N H 1,2,3,4- Tetrazol Người ta thường dùng đuôi “ol” hay “ole” cho tên vòng cạnh, ý không nên nhầm với đuôi “ol” dành cho nhóm OH ancol Ngoài dị vòng cạnh, người ta biết dị vòng cạnh có dị tử, hai, ba, bốn dị tử Piridin dị vòng cạnh dị tử N Người ta thường coi dị vòng piridin nhân benzen có hình lục giác với cạnh mặt phẳng, nhóm – CH = thay nguyên tử nitơ – N =: H C HC CH HC6 CH hay: N N Piridin Nếu nhóm – CH = thứ hai vòng piridin thay dị tử nitơ ta điazin: N N N N Piridin N Piridazin N Pirimidin (o-diazin) N Pirazin (m-diazin) (p-diazin) Nếu nhóm – CH = thứ ba nhân benzen thay bàng dị tử nitơ – N = thứ ba, ta triazin: N N N N N 1,2,3- Triazin N 1,2,4- Triazin N N N 1,3,5- Triazin Chương 8: Hợp chất dị vòng Trang 147 Theo lí thuyết ta phải có đồng phân triazin đây, thực tế biết số hợp chất chúng mà Ngoài ra, người ta biết hợp chất dị vòng cạnh dị tử: Azepin N H 8.2 Dị vòng cạnh dị tử 8.2.1 Tính thơm Các dị vòng cạnh biểu lộ tính thơm liên hợp hệ lục tử thơm Thí dụ dị vòng pirol, hình thành hệ lục tử thơm liên hợp electron pi với cặp electron chưa sử dụng nitơ Đối với dị vòng furan thiophen vậy: hay: N H N H hay: N H 8.2.2 Hoá tính hợp chất dị vòng cạnh a) Phản ứng thé electrophin pirol Đối với pirol electrophin chủ yếu vào vị trí 2, cần ý nitro hóa, sunfo hóa vòng pirol môi trường phản ứng axit, có axit pirol bị trùng hợp Mặt khác pirol tiếp nhận phản ứng halogen hóa axyl hoá mà không cần xúc tác Tuy vậy, phân tử pirol mà có chứa nhóm hút electron (nhóm – NO – COOH) lúc khả phản ứng pirol nhóm đòi hỏi phải có xúc tác phản ứng xảy ra: CH3COO NO2 NO2 (CH3CO)2O, 5oC N H 2-nitro pirol SO3, piridin, 90oC SO3H N H N H (CH3CO)2O, 250oC COCH3 N H Chương 8: Hợp chất dị vòng Trang 148 b) Phản ứng electrophin furan Về khả phản ứng furan tương tự pirol, có phần mạnh pirol KHi clo hóa furan -40oC dẫn tới 2-clofuran 2,5-điclofuran: (-) (+) CH3COO NO2 NO2 O 2-nitrofuran SO3, piridin SO3H O O (CH3CO)2O, BF3 COCH3 O c) Phản ứng electrophin thiophen Khả phản ứng thiophen furan pirol (nhất tác dụng với axit mạnh) tiếp nhận phản ứng nitro hóa, sunfo hóa điều kiện độ axit cao Clo hóa thiophen dãn tới hỗn hợp phức tạp sản phẩm tổng hợp, brom hóa iốt hóa dãn tới tạo thành 2-brom 2-iotthiophen: (-) (+) CH3COO NO2 (CH3CO)2O NO2 S 2-nitrothiophen H2SO4 SO3H S S Br2, benzen Br S d) Phản ứng cộng hợp theo Đinxơ – Anđơ (Diels – Alder) Trong số dị vòng thơm cạnh, có furan có đặc tính liên hợp đien, nghĩa tham gia vào phản ứng cộng 1,4: C=O O + Anhidrit maleic CH HC O O C=O Furan CH O CH HC CH C=O C=O Chương 8: Hợp chất dị vòng Trang 149 e) Phản ứng chuyển hóa lẫn dị vòng cạnh mộ dị tử (Iurep, 1936) Ở nhiệt độ khoảng 300oC, với có mặt chất xúc tác Al2O3, xảy phản ứng sau: N H NH NH H 2O H 2S H 2S H 2O O S 8.2.3 Điều chế a) Furan: Decacboxyl hóa axit furoic - CO2 CHO COOH O O O b) Pirol Điều chế từ axetylen NH3 CH CH CH CH Al2O3 450oC O H N H H 8.3 Dị vòng cạnh dị tử - Piriđin 8.3.1 Cấu trúc piriđin Cấu trúc piriđin làm ta nhớ lại cấu trúc benzen Tất liên kết C – C nằm mặt phẳng, có độ dài giống 1,39A (độ dài liên kết C – C 1,54A C = C 1,34A0) Hai liên kết C – N có độ dài giống 1,37A (ngắn độ dài liên kết đơn C-N 1,4A0 dài liên kết C = N 1,28A 0) N Các thông số phân tử piriđin độ bền thơm đặc biệt nói lên giải toả electron p - π (của nguyên tử C N) 8.3.2 Tính chất piriđin Chương 8: Hợp chất dị vòng Trang 150 Dựa sở cấu trúc piriđin, ta dự đoán tính chất Phần nhân tham gia phản ứng (thế electrophin nucleophin) nguyên tử N có ảnh hưởng rõ rệt đến phản ứng Ngoài ra, piriđin tác dụng bazơ tác nhân nucleophin Các phản ứng nitơ trực tiếp tham gia phản ứng gây cặp electron chưa sử dụng a) Phản ứng electrophin Phản ứng electrophin nhân piriđin thực khó khăn, phần tác dụng vô hoạt hóa dị tử lên nhân, phần môi trường axit, nitro hóa sunfo hóa, vòng bị hoạt hóa tạo thành ion piriđin Cũng mà điều kiện thực phản ứng khắt khe, đa số trường hợp cho hiệu suất thấp: NO2 KNO3 - H2SO4 370oC H2SO4 N(+) H N(+) H SO3, H2SO4, HgSO4 220oC, 24h N(+) H Br Br2 300oC N 300 SO3H N Br2 - 500oC N Br b) Phản ứng nucleophin Phản ứng quan trọng nhân piriđin phản ứng nucleophin Piriđin amin hóa (bằng natri amiđua đun nóng), hyđroxyl hóa (với tác dụng KOH), ankyl hóa aryl hóa: Na(+)NH2(-), 100oC H2O N NH2 - Aminopiridin KOH 320oC, O N N H OH - Hidroxipiridin Piridon N 110oC, toluen N + LiH + LiH C6H5 - Phenylpiridin n - C4H9Li 100oC N C4H9-n - n - Butylpiridin O Chương 8: Hợp chất dị vòng Trang 151 BÀI TẬP 8.1: Hợp chất dị vòng ? Trình bày phân loại hợp chất dị vòng kèm theo thí dụ minh hoạ? 8.2:Viết công thức cấu tạo dị vòng furan, thiophen, pirol piriđin Vì dị vòng có tính thơm? Đặc điểm chung cấu tạo hợp chất thơm gì? 8.3: So sánh hoá tính pirol, piriđin benzen ?