Nhiều qui tắc và phản ứng hóa học hữu cơ mang tên tác giả đ? phát hiện và nghiên cứu chúng. Trong đó có những phản ứng có nhiều ứng dụng trong tổng hợp, trong phân tích hữu cơ. Có những phản ứng mà cơ chế của chúng đ-ợc nghiên cứu kỹ l-ỡng. Sau đây là sự sắp xếp b-ớc đầu một số phản ứng cơ bản.
1 bài giảng Hoá học hữu cơ Mục lục Trang A. Một số phản ứng sử dụng dẫn xuất Halogen. A.1. Phản ứng Wurtz A.2. Phản ứng Correy-House A.3. Phản ứng ankyl hóa Haller-Bauer A.4. Tổng hợp Williamson A.5. Phản ứng của hợp chất Grignard A.6. Phản ứng Reformasky A.7. Phản ứng liên quan đến clorua axit A.8. Phản ứng Reimer-Tiemann A.9. Phản ứng Friedel-Crapts A.10. Một số phản ứng tạo ra dẫn xuất halogen B. Một số phản ứng dựa trên sự tấn công của cacbanion B.1. Ngng tụ Claisen. B.2. Phản ứng ngng tụ Dieckmann B.3. Phản ứng ngng tụ Perkin B.4. Phản ứng Michael C. Một số phản ứng liên quan đến hợp chất cacbonyl C.1. Phản ứng Sommelet C.2. Phản ứng Gattermann C.3. Phản ứng Gattermann-Koch C.4. Phản ứng Clemmensen C.5. Phản ứng Wolf-Kisner C.6. Phản ứng Meerwein-Ponndorf-Oppenauer-Verley C.7. Phản ứng Cannizzaro C.8. Phản ứng Baeyer-Villiger 2 2 2 3 4 5 9 10 10 12 12 15 15 2 D. Bài tập Nhiều qui tắc và phản ứng hóa học hữu cơ mang tên tác giả đ phát hiện và nghiên cứu chúng. Trong đó có những phản ứng có nhiều ứng dụng trong tổng hợp, trong phân tích hữu cơ. Có những phản ứng mà cơ chế của chúng đợc nghiên cứu kỹ lỡng. Sau đây là sự sắp xếp bớc đầu một số phản ứng cơ bản. A. Một số phản ứng sử dụng dẫn xuất Halogen. A.1. Phản ứng Wurtz: Hai phân tử ankyl halogenua dới ảnh hởng của natri kim loại ghép đôi lại với nhau thành ankan. Phản ứng Wurtz chỉ có hiệu suất tốt khi điều chế ra ankan có số chẵn nguyên tử cacbon và có cấu tạo đối xứng xung quanh liên kết cacbon-cacbon. Nghĩa là khi ghép hai gốc giống hệt nhau. 2C n H 2n+1 X + 2Na C n H 2n+1 C n H 2n+1 + 2NaCl (1) Cơ chế phản ứng: S N 2 C n H 2n+1 X + 2Na C n H 2n+1 Na + NaX C n H 2n+1 Na + C n H 2n+1 X C n H 2n+1 C n H 2n+1 + NaX + Phản ứng cạnh tranh E2: C n H 2n+1 Na + C n H 2n X H C n H 2n+2 + C n H 2n + NaX Do hợp chất ankylnatri tác dụng rất mạnh với ete etylic, do đó không dùng đietylete làm dung môi cho phản ứng mà dùng dung môi là hiđrocacbon. A.2. Phản ứng Correy-House Sơ đồ phản ứng: 2C n H 2n+1 X C n H 2n+1 C m H 2m+1 [C n H 2n+1 ] 2 LiCu 1. Li 2. CuI C m H 2m+1 X Liti điankylcuprat (2) trong đó có thể n=m hoặc nm. 3 Dẫn xuất C m H 2m+1 X tác dụng với liti điankylcuprat phải là dẫn xuất chứa halogen liên kết với cacbon bậc 1 hoặc cacbon bậc 2, tức là RCH 2 X hoặc R 2 CHX, không thể là dẫn xuất halogen bậc 3 R 3 CX. Trờng hợp muốn ghép với cacbon bậc 3 thì ta chuyển dẫn xuất halogen bậc 3 thành liti điankylcuprat rồi cho tác dụng với dẫn xuất halogen bậc 1 hoặc bậc 2 (CH 3 ) 3 C Br [(CH 3 ) 3 C] 2 LiCu 1. Li 2. CuI RCH 2 Br (CH 3 ) 3 C CH 2 R Trong trờng hợp hợp chất cơ kim nói chung, cơ liti nói riêng không thể điều chế một cách dễ dàng bằng phản ứng trực tiếp giữa kim loại và dẫn xuất halogen, ta nên dùng phản ứng trao đổi kim loại-halogen theo sơ đồ sau: RX + RKL RKL + RX (3) Cân bằng phản ứng (3) chuyển dịch theo chiều tạo sản phẩm trong đó kim loại liên kết với gốc có độ âm điện lớn hơn. (R có độ âm điện lớn hơn R). Phản ứng xảy ra với hiệu suất tốt khi X là Br và I. Không xảy ra khi X là Cl và F. Phản ứng trao đổi kim loại-halogen theo sơ đồ (3) chủ yếu đợc dùng để điều chế hợp chất cơ liti từ dẫn xuất halogen kém hoạt động nh halogenua aryl, vinyl, etinyl, vì các dẫn xuất này khó phản ứng trực tiếp với liti kim loại nhng lại không khó khăn gì khi phản ứng với n-Butyl liti. Br Cl + CH 3 (CH 2 ) 3 Li Li Cl + CH 3 (CH 2 ) 3 Br A.3. Phản ứng ankyl hóa Haller-Bauer Xeton có chứa hiđro tác dụng với ankyl halogenua khi có mặt bazơ mạnh nh NaNH 2 , KNH 2 tạo ra xeton có nhóm ankyl ở cacbon . C CH 3 R' O NaNH 2 (-NH 3 ) CR' O CH 2 CR' O CH 2 R X CR' O CH 2 R R X (4) Phản ứng cạnh tranh là O-ankyl hóa vì anion ở trên có dạng cộng hởng: 4 C CH 2 R' O CR' O CH 2 Nếu dẫn xuất halogen có độ hoạt động hóa học cao thì sản phẩm O-ankyl là sản phẩm chính, còn các dẫn xuất halogen có độ hóa học kém hơn sẽ tạo ra sản phẩm C-ankyl hóa là chủ yếu. Ankyl hóa theo Haller-Bauer ít khi đợc áp dụng để tổng hợp dẫn xuất của các xeton đơn giản, trừ khi cần tổng hợp xeton có nhiều nhóm thế là các gốc ankyl mà dẫn xuất loại này điều chế bằng các phơng pháp khác rất khó khăn, thí dụ có thể áp dụng điều chế hexametylaxeton: C(CH 3 ) 3 C CH 3 + 3CH 3 I + 3NaNH 2 O C(CH 3 ) 3 C C(CH 3 ) 3 + 3NaI + 3NH 3 O A.4. Tổng hợp Williamson: ancolat, phenolat tác dụng với dẫn xuất halogen hoặc điankyl sunfat tạo ra ete. RONa + R'X ROR' + NaX S N 2 (5) Cơ chế phản ứng S N 2. Nếu dẫn xuất halogen RX trong đó Rlà gốc thơm thì X phải là iot mới cho hiệu suất tốt. Phản ứng cạnh tranh: ancolat vừa là bazơ mạnh, vừa là tác nhân nucleophin mạnh, do đó chúng vừa gây phản ứng E2, vừa gây S N 2. Chính vì vậy việc chọn các chất để tiến hành tổng hợp Williamson sao cho giảm thiểu phản ứng E2 là việc rất quan trọng. Cần nhớ rằng nếu nhiệt độ càng cao, tác nhân có lực bazơ càng mạnh và kém phân cực nh NH 2 , C 2 H 5 O thì càng u tiên cho phản ứng E2. Thí dụ: CH 3 I + (CH 3 ) 2 CHO (CH 3 ) 2 CHCOCH 3 + I S N 2 CH 3 O + (CH 3 ) 2 CHI CH 3 CH=CH 2 + CH 3 OH + I E2 5 t-Butylat kali là bazơ mạnh, có thể tích lớn, khó tham gia phản ứng S N 2, nó là tác nhân lí tởng gây phản ứng E2. A.5. Phản ứng của hợp chất Grignard: Victor Grignard phát hiện và mở rộng ứng dụng hợp chất cơ magie trong tổng hợp hữu cơ. Nhờ thành công đó ông đợc nhận giải Nobel năm 1912. A.5.1. Phản ứng của Magie kim loại với dẫn xuất halogen. Thờng cho phoi bào magie tác dụng với dẫn xuất halogen của hidrocacbon trong ete khan: X + MgR ete (6) MgXR X có thể là Cl, Br, I. Nếu X là Cl thì phản ứng xảy ra chậm, ngoài ra MgCl 2 tạo ra ít tan trong ete, do đó dùng dẫn xuất halogen với X là Br, I thì tốt hơn không những là vì dẫn xuất brom, iot có hoạt độ cao hơn dẫn xuất clo mà còn vì MgBr 2 , MgI 2 tan tốt trong ete. Dẫn xuất halogen vinylic phản ứng với Magie kim loại khi dùng ete etylic làm dung môi thờng xảy ra phản ứng tách loại và phản ứng ngng tụ. Khi đó phải dùng THF làm dung môi mới tạo ra hợp chất Grignard với hiệu suất tốt. Br + MgCHCH 2 THF MgBr CHCH 2 Dẫn xuất 1,2-đihalogen khi có mặt magie tạo ra sản phẩm tách: Mg CHRRCH CHXRRCHX Dẫn xuất 1,3-đihalogen khi có mặt magie tạo ra dẫn xuất xiclopropan: Mg CH 2 RCHX CHXR R R Dẫn xuất đihalogen trong đó 2 nguyên tử halogen cách nhau xa nh 1,4-, 1,5-, 1,6-đihalogen . sẽ tạo ra hợp chất Grignard. A.5.2. Phản ứng của hợp chất Grignard. 6 A.5.2.1. Phản ứng với các chất có hiđro linh động ít nhiều nh: xiclopentađien, ankin-1, amin bậc 1, amin bậc 2, ancol, H 2 O, axit tạo ra hiđrocacbon: RMgX + HA RH + MgAX A.5.2.2. Phản ứng với phi kim oxi, lu huỳnh, halogen tạo ra hợp chất chứa các liên kết CO, CS, CX. MgX + O 2 R OR O MgX RMgX H 3 O 2ROH 2R OMgX MgX + S 8 8R H 3 O 8RSH 8R SMgX RMgX + I 2 RI + MgXI Tuy nhiên các phản ứng đó không có nhiều ứng dụng trong tổng hợp vì sản phẩm có thể điều chế bằng các phơng pháp khác thuận lợi hơn. Trong thực tế chỉ dùng phơng pháp này để điều chế sản phẩm tơng ứng khi các phản ứng S N 1, S N 2 xảy ra chậm hoặc không xảy ra. Thí dụ điều chế dẫn xuất neopentyl thì nên sử dụng phơng pháp này: CCH 3 CH 3 CH 3 CH 2 Cl CCH 3 CH 3 CH 3 CH 2 MgCl CCH 3 CH 3 CH 3 CH 2 I Mg I 2 Phản ứng của hợp chất cơ magie với oxi ở nhiệt độ thấp là phơng pháp tuyệt vời để điều chế ankyl hiđropeoxit: MgX + O 2 R OR O MgX -70 0 C OR O H H + A.5.2.3. Phản ứng với hợp chất có nhóm cacbonyl: Với CO 2 : RMgX + CO 2 RCOOMgX Với anđehit: MgX + R'CHOR CHOMgXR R' Với Xeton: 7 MgX + R'R C O R" CR R' OMgX R" Với este: MgX + CH 3 R C O OEt CR CH 3 O CR CH 3 OMgX R RMgX Với clorua axit: MgX + CH 3 R C O Cl CR CH 3 O CR CH 3 OMgX R RMgX Cần nhớ: R 2 CuLi + R' C O Cl CR R' O RMgCl + CdCl 2 RCdCl + MgCl 2 R' C O Cl CR R' O RCdCl MgCl 2 + Với amit có 2 nhóm thế ở nitơ chỉ theo tỉ lệ 1:1 tạo ra xeton: R' C O N(CH 3 ) 2 CR R' N(CH 3 ) 2 OMgX RMgX HCl, H 2 O + CR' R + (CH 3 ) 2 NH 2 Cl O A.5.2.4. Phản ứng của hợp chất Grignard với một số chất khác: Với etylenoxit, trimetylen oxit: RMgX + (CH 2 ) 2 O RCH 2 CH 2 OMgX RMgX + (CH 2 ) 3 O RCH 2 CH 2 CH 2 OMgX Với nitrin: 8 C C C O + MgX + R'R C N C N R R' MgX CR R' O H 3 O + Phản ứng trao đổi: Tơng tự nh phản ứng Wurtz + Cl + R'R MgX R R' + MgXCl S N 2 Tuy nhiên phản ứng loại này chỉ xảy ra đối với dẫn xuất halogen hoạt động nh alyl halogenua CH 2 =CHCH 2 X hoặc điankyl sunfat, ankyl sunfonat và -cloeste, tức là các dẫn xuất có khả năng cao trong khuynh hớng tham gia phản ứng S N 2. Hỗn hợp gồm hợp chất Grignard và ankyl halogenua ở điều kiện thờng là hệ bền, tức là chúng không phản ứng với nhau, nếu thêm vào hỗn hợp lợng nhỏ CoCl 2 thì xảy ra phản ứng ngng tụ ở trên, bên cạnh đó có cả RR đợc tạo ra do phản ứng: 2R' MgX R' R' CoCl 2 Phản ứng với các anđehit, xeton, este , -không no: tơng tự nh ankađien-1,3 có các phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4. Các este của axit , -không no khi phản ứng với hợp chất Grignard cho sản phẩm cộng 1,4: C C C O OR' + + R MgX C C C OMgX OR'R C CH C O OR'R H 3 O + 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 của anđehit , -không no có ít nhất một nhóm thế thì có phản ứng cộng 1,2 tức là phản ứng vào nhóm C=O: CH 3 CH CH C O H CH 3 CH CH CH CH 2 CH 3 OH + C 2 H 5 MgBr Đối với penten-3-on-2 thì tỉ lệ sản phẩm phản ứng cộng 1,4 và 1,2 là 3:1 9 CH 3 CH CH C O CH 3 + C 2 H 5 MgBr CH 3 CH CH 2 C CH 3 C 2 H 5 O CH 3 CH CH C C 2 H 5 CH 3 OH + 75% 25% Nếu có thêm một nhóm CH 3 ở cacbon , tức là trong trờng hợp 4- metylpenten-3-on-2 thì hoàn toàn chỉ có sản phẩm cộng 1,2 tức là chỉ xảy ra phản ứng của hợp chất Grignard với xeton: CH 3 C CH C O CH 3 CH 3 + C 2 H 5 MgBr CH 3 C CH C OH CH 3 CH 3 C 2 H 5 A.6. Phản ứng Reformasky -Bromeste tác dụng với anđehit hoặc xeton khi có mặt kẽm kim loại tạo ra -hiđroxieste, dẫn xuất này có thể đề hiđrat hóa tạo ra este , -không no. Dung môi hay dùng là benzen-toluen. Đôi khi cần dùng thêm một ít tinh thể I 2 hoặc HgBr 2 hay CuBr 2 để hoạt hóa kẽm. R C O R' + Br CH R 1 CO 2 R 2 + Zn R C R 1 CH OH R 1 CO 2 R 2 (7) Ban đầu tạo ra hợp chất cơ kẽm, sau đó chất này phản ứng với anđehit, xeton tơng tự hợp chất Grignard. Nhng không thể dùng Mg vì hợp chất cơ magie sẽ phản ứng với nhóm cacbonyl của phân tử este khác, hợp chất cơ kẽm không có phản ứng đó. Br CH CH 3 CO 2 C 2 H 5 + Zn C 6 H 6 C 7 H 8 BrZn CH CH 3 CO 2 C 2 H 5 BrZn CH CH 3 CO 2 C 2 H 5 CH 3 C CH 3 O + C OZnBr CHCO 2 C 2 H 5 CH 3 CH 3 CH 3 H 3 O + C OH CHCO 2 C 2 H 5 CH 3 CH 3 CH 3 H 2 SO 4 C CCO 2 C 2 H 5 CH 3 CH 3 CH 3 10 A.7. Phản ứng liên quan đến clorua axit A.7.1. Phản ứng khử Rosenmund: Chuyển axit thành clorua axit rồi khử clorua axit bằng cách hiđro hóa trên xúc tác paladi có mặt lu huỳnh để điều chế anđehit: R C O Cl + H 2 Pd(S) + HClR C O H (8) ( = 90%) A.7.2. Tổng hợp Arndt-Eister: Chuyển axit thành clorua axit rồi cho tác dụng với điazometan, phân hủy sản phẩm bằng cách đun nóng với bạc oxit tạo ra xeten, cho xeten tác dụng với H 2 O đợc đồng đẳng kế tiếp của axit ban đầu: ( = 92%) ( = 80%) R C O Cl + 2CH 2 N 2 + CH 3 Cl + N 2 R C O CHN 2 CH 2 N 2 R C O Cl CH 2 C O OH R (9) R C O CHN 2 Ag 2 O - N 2 R CH C O R CH 2 CO 2 H H 2 O A.7.3. Thoái biến Curtius: Điều chế amin bậc 1 tơng tự thoái biến Hoffmann và thoái biến Schmidt. Cho clorua axit tác dụng với natri azit Na N N N , sau đó đun nóng tới 70-100 0 C đợc isoxianat, thủy phân chất sau cùng thu đợc amin bậc 1: R C O Cl + NaN 3 + NaCl NaN 3 R C O Cl NH 2 R (10) R C O N R NH 2 ete R C O N N N R N C O H 2 O + CO 2 70-100 0 C - N 2 R C O N N N . 1 bài giảng Hoá học hữu cơ Mục lục Trang A. Một số phản ứng sử dụng dẫn xuất Halogen. A.1.. Baeyer-Villiger 2 2 2 3 4 5 9 10 10 12 12 15 15 2 D. Bài tập Nhiều qui tắc và phản ứng hóa học hữu cơ mang tên tác giả đ phát hiện và nghiên cứu chúng.