Các hợp chất khác chứa nitơ

Chơng 23 CáC HợP CHấT KHáC CHứA NITơ Mục tiêu 1. Giải thích đợc sự hình thành các loại hợp chất nitro, isocyanat, urê, diazo. 2. Nêu đợc một số hóa tính chủ yếu của chúng. 3. Nêu đợc một số ứng dụng của dẫn chất nitro trong tổng hợp hữu cơ. Nội dung Ngoài hợp chất amin còn có một số nhóm chức khác chứa nitơ đợc trình bày trong bảng 23-1. Bảng 23. Các nhóm chức chứa nitơ Cấu tạo Nhóm chức Ví dụ R _ NO 2 Nitro C 6 H 5 NO 2 Nitrobenzen R _ N=C=O Isocyanat C 6 H 5 NCO Phenylisocyanat R _ NHCOOR Uretan,carbamat C 6 H 5 NHCOOCH 3 Methyl,N-Phenylcarbamat R _ NHCONH _ R' Ure H 2 NCONH 2 Ure R _ N=N N Azid CH 3 CH 2 N 3 Etylazid R _ N=N _ R' Azo C 6 H 5 N=NC 6 H 5 Azobenzen - + R NN R' O Azoxy C 6 H 5 NN C 6 H 5 O - + Azoxybenzen R _ NH _ NH 2 Hydrazin C 6 H 5 NHNH 2 Phenylhydrazin R[N N] + Diazoni [C 6 H 5 N N] + Cl - BenzendiazoniClorid R 2 C=N 2 Diazo CH 2 =N 2 Diazometan R _ CONH 2 Amid CH 3 CONH 2 Acetamid 1. Hợp chất nitro Hợp chất nitro aliphatic tơng đối ít gặp. Hợp chất nitro của hydrocarbon thơm có nhiều ứng dụng làm nguyên liệu để điều chế amin. 304 1.1. Cấu tạo chức nitro N O O + - : N O O N O O - + + - Chức nitro là nhóm hút điện tử, có hiệu ứng - C và - I 1.2. Nitroalkan (R _ NO 2 ) Nitroalkan đợc điều chế bằng phơng pháp nitro hóa alkan theo cơ chế gốc. 400 o C CH 4 + HNO 3 CH 3 NO 2 + H 2 Trong phòng thí nghiệm có thể điều chế nitroalkan bằng phản ứng thế giữa hợp chất alkylhalogen và muối nitrit. 2-Nitrooctan2-Iodooctan + NaI CH 3 (CH 2 ) 5 CHCH 3 NO 2 + NaNO 2 CH 3 (CH 2 ) 5 CHCH 3 I Hợp chất nitroalkan có tính acid. CH 3 NO 2 CH 3 CHCH 3 NO 2 pKa = 10,2 pKa = 7,8 Cũng nh acid carboxylic và ceton, hợp chất nitroalkan có tính acid yếu. Base liên hợp của nitroalkan là những chất bền và có công thức giới hạn nh sau: ( acid) (Base lieõn hụù p) Nitrometan Carbanion , anion nitrometan - + - - - + + - - + H + + CH 2 N O O CH 2 N O O CH 2 N O O - CH 3 N O O Anion nitroalkan là tác nhân ái nhân (có tính aí nhân), do đó các nitro alkan tác dụng với aldehyd theo kiểu aldol hóa. Nonanal 1-Nitro-2-decanol 80% + OH CH 3 (CH 2 ) 7 CHCH 2 NO 2 CH 3 (CH 2 ) 7 CHO CH 3 NO 2 HO - Các -hydroxynitro của hydrocarbon thơm bị dehydrat (loại nớc). HO - -Hydroxy phenylnitroetan Nitrostyren - H 2 O CH CH NO 2 CH CH 2 NO 2 CHO + OH CH 3 NO 2 305 1.3. Nitroaren (Ar _ NO 2 ) 1.3.1. Điều chế nitroaren Phản ứng thế ái điện tử là phơng pháp cơ bản để điều chế hợp chất nitroaren. Trinitrobenzen đợc điều chế từ trinitrotoluen (TNT). 1,3,5-Trinitrobenzen Acid Picric TNT CH 3 NO 2 NO 2 NO 2 COOH NO 2 NO 2 NO 2 NO 2 NO 2 NO 2 Na 2 Cr 2 O 7 H 2 SO 4 45-55 o C - CO 2 1.3.2. Các phản ứng của nitroaren Nhóm nitro bền vững với các acid, các chất oxy hóa và các tác nhân ái điện tử. Phản ứng quan trọng của hợp chất nitroaren là phản ứng khử tạo amin. + 2H 2 O 6[H] Ar _ NH 2 Ar _ NO 2 Phản ứng khử hóa nitroaren qua nhiều giai đoạn, tạo nhiều sản phẩm trung gian và phụ thuộc môi trờng phản ứng. Trong môi trờng acid NO 2 NO NHOH NH 2 2 e - + 2H + - H 2 O 2 e - + 2H + 2 e - + 2H + - H 2 O - H 2 O Nitrobenzen Nitrosobenzen Phenylhydroxylamin Anilin Trong môi trờng trung tính Khử hóa trong môi trờng trung tính tạo thành arylhydroxylamin là chủ yếu. Trong môi trờng kiềm. Khử hóa trong môi trờng kiềm tạo thành các sản phẩm trung gian. Pd/C , H 2 NNH 2 , khoõng khớ (C 2 H 5 O) 3 P , H 2 O 2 ,CH 3 COOH , 65 o NO 2 NN O NN NH NH Azoxybenzen Azobenzen Hydrazobenzen As 2 O 3 NaOH Zn H 2 NNH 2 KOH NaOH + - 85% 84-86% 80% Các sản phẩm trung gian này trong môi trờng acid đều tạo thành anilin. 306 Dẫn xuất nitroaren có ứng dụng trong dợc phẩm là chloramphenicol. Chloramphenicol có 2 nguyên tử carbon bất đối xứng cấu hình threo và erythro. Cloramphenicol Erythro Threo NO 2 HCOH HCNHCOCHCl 2 CH 2 OH NO 2 HOCH HCNHCOCHCl 2 CH 2 OH 2. Isocyanat, carbamat và ure 2.1. Isocyanat (R _ N=C=O, Ar _ N=C=O) Isocyanat là muối (ester) của acid isocyanic H _ N=C=O. Đồng phân của acid isocyanic là acid cyanic H -O-CN. H N=C=O HO C N Acid isocyanic Acid cyanic Thay thế nguyên tử oxy bằng nguyên tử lu huỳnh thu đợc acid thioisocyanic R _ N=C=O Ar _ N=C=O RO _ CN ArO _ CN Alkylisocyanat Arylisocyanat Alkylcyanat Arylcyanat Isocyanat là sản phẩm trung gian trong phản ứng điều chế amin (chuyển vị Hofmann). Isocyanat tác dụng với amin tạo ure. N-Metyl , N'-CyclohexylureCyclohexylisocianat NCN CH 3 O HH + CH 3 NH 2 NCO Khi có mặt của nớc, isocyanat tạo thành acid carbamic. Acid carbamic không bền và phân hủy thành amin tơng ứng. Alkylamin Acid N-alkyl carbamic N-Alkyl isocyanat R NCOOH + H 2 O RNCO + CO 2 RNH 2 2.2. Carbamat - Uretan (H 2 N _ COOR, RNH _ COOAr) Carbamat hay là uretan là ester của acid carbamic. Acid carbamic có công thức cấu tạo H 2 N _ COOH. Các dẫn xuất của acid carbamic có các dạng: 307 Thay hydro của nhóm NH 2 bằng các gốc hydrocarbon Acid diarylcarbamic Acid arylcarbamic Acid dialkylcarbamicAcid alkylcarbamic N COOH Ar Ar' Ar NH COOH N COOH R R' R NH COOH Thay hydro của nhóm acid bằng gốc hydrocarbon thu đợc ester carbamat hay uretan. Có các loại ester carbamat (uretan): H 2 N _ COOR alkyl carbamat; H 2 N _ COOAr arylcarbamat. Isocyanat tác dụng với alcol tạo ester carbamat N-MethylcyclohexylcarbamatCyclohexyl isocyanat + CH 3 OH NCOCH 3 OH NCO Hợp chất carbamat (uretan) có nhiều ứng dụng làm thuốc trừ sâu, điều chế các polymer hay là polyuretan. 2.3. Ure (H 2 NCONH 2 ) Có thể xem ure (H 2 NCONH 2 ) nh là amid của acid carbamic (H 2 NCOOH) Ure có các dẫn xuất alkyl, aryl ure. R _ NHCONH _ R' Ar _ NHCONH _ Ar' Thay thế oxy của ure bằng S ta có thioure H 2 NCSNH 2 . Thay thế oxy của ure bằng nhóm NH ta có hợp chất guanidin - H 2 NC (NH)NH 2 Công thức cấu tạo của guanidin: C NH H 2 N H 2 N Guanidin có tính base. Kết hợp với proton tạo ion guanidin có công thức giới hạn: + H + H 2 N CNH 2 H 2 N H 2 N CNH 2 H 2 N H 2 N CNH 2 H 2 N H 2 N CNH H 2 N + + + Guanidin Ion guanidin Có thể xem các acid isocyanic, acid carbamic, ure . là dẫn xuất của acid carbonic; Hydro hoặc nhóm OH của acid carbonic đợc thay thế bởi các nhóm thế tơng ứng. 308 3. Hợp chất diazo và muối diazoni Hợp chất diazo có công thức tổng quát: R 2 C=N 2 . 3.1. Diazometan (CH 2 =N 2 ) Cấu tạo điện tử của diazometan chứng tỏ nguyên tử carbon có tính ái nhân. : CH 2 =N 2 CH 2 NN CH 2 NN + - + - : Diazometan Diazometan Điều chế diazometan từ ester ethyl N -methylcarbamat (N-methyluretan). Diazometan N-nitroso-N-methyluretanEster ethyl N-methylcarbamat - C 2 H 5 OH - HCO 3 HO - - H 2 O + HNO 2 : + - CH 2 NN CH 3 N CC 2 H 5 O O N=O CH 3 NH CC 2 H 5 O O Cũng có thể điều chế diazometan từ aldoxim và cloramin. Muối natri của formaldoxim tác dụng với cloramin tạo thành diazometan. + : CH 2 =N-ONa + NH 2 Cl + NaCl + H 2 O CH 2 NN Diazometan là tác nhân methyl hóa. RCOH O + CH 2 N 2 RCOCH 3 O + N 2 Diazometan đợc dùng để tăng một nguyên tử carbon trên mạch nhánh. O O O CH 2 NN O CH 2 + - : : : + - + CH 2 N 2 - N 2 - + Cyclohexanon Cycloheptanon + CH 2 N 2 + N 2 CH 2 CCl O CH 2 CCHN 2 O CH 2 CCH 2 Cl O + HCl 83-85% 3.2. -Diazoceton (RCOCH=NN) CCHN N O CCHN N O + - - + : : Diazoacetophenon 309 3.3. Hợp chất muối diazoni [Ar _ NN] + Hợp chất muối diazoni của hydrcarbon thơm bền vững ở nhiệt độ thấp < 5C. Muối diazoni có nhiều ứng dụng trong điều chế các nhóm chức khác nhau. Cấu tạo điện tử của muối diazoni: NN - + : NN + + : NN + 3.3.1. Danh pháp muối diazoni Tên hydrocarbon (hay tên gốc hydrocarbon)+ diazoni + halogenid (sulfat) C 6 H 5 N 2 Cl: Benzendiazoniclorid hay Phenyldiazoniclorid p-CH 3 C 6 H 4 N 2 Br: p-Toluendiazonibromid hay p-Tolyldiazonibromid 3.3.2. Các phản ứng của muối diazoni Có thể chia các phản ứng của hợp chất muối diazoni thành hai loại: Phản ứng giải phóng phân tử N 2 . Phản ứng ngng tụ không giải phóng phân tử N 2 . a. Phản ứng giải phóng phân tử N 2 Phản ứng thủy phân khi có nhiệt độ. Dung dịch muối diazoni, khí có nhiệt độ, tạo thành phenol và khí N 2 . NH 2 Br CH 3 + - + N 2 N 2 Br CH 3 HSO 4 + H 2 O Br CH 3 OH Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế ái nhân SN 1 . ArN 2 + Ar + + N 2 Ar + + H 2 O Ar _ OH 2 + + ArOH + H + Cation aryl có khả năng tơng tác với các chất ái nhân và tạo thành các dẫn xuất của hydrocarbon thơm. Phản ứng Sandmeyer. Điều chế ArCl, ArBr, ArCN Hợp chất muối aryldiazoni tác dụng với các chất CuCl, CuBr, CuCN tạo ra các dẫn xuất hydrocarbon thơm tơng ứng gọi là phản ng Sandmeyer. 310 CuCl Cl - HCl NaNO 2 CH 3 Cl N 2 CH 3 + N 2 + NH 2 CH 3 Br - HBr CuBr NaNO 2 Cl Br N 2 Cl + N 2 + NH 2 Cl p-Toluidin p-Tolunitril 0-5 o 5 o HCl CuCN Cl - NaNO 2 CH 3 CN N 2 CH 3 + N 2 + NH 2 CH 3 Qua các phản ứng trên chứng tỏ muối đồng (I) có vai trò xúc tác. Benzosulfocyanid Benzonitril Nitrobenzen Bromobenzen - N 2 - N 2 - N 2 SCN - , Cu 2 (SCN) 2 , CN - , CuCN , NO 2 , CuCl , - N 2 Br - , CuBr , + : SCN CN NO 2 Br NN Hợp chất nitril thu đợc là nguyên liệu để điều chế acid thơm, amin thơm. Phản ứng thế nhóm diazoni bằng nguyên tử hydro. Acid hypophosphorơ H 3 PO 2 khử hóa muối aryldiazoni thành aren. NN : + X - H 3 PO 2 ,H 2 O ( Cu + ) -N 2 - HX -H 3 PO 4 Phản ứng trên có ý nghĩa trong tổng hợp các chất hữu cơ: Không thể brom hóa trực tiếp acid benzoic để thu đợc acid 2,4,6- tribromobenzoic. Vì vậy phải qua chức amin để định hớng brom vào vị trí thích hợp sau đó loại chức amin qua muối diazoni. 311 NH 2 COOH Br Br Br N 2 COOH Br Br Br COOH Br Br Br NaNO 2 H 2 SO 4 HSO 4 + - - 5 o c H 3 PO 2 - 5 o c b. Phản ứng ngng tụ không giải phóng phân tử N 2 Ion aryldiazoni [ArNN] + là tác nhân ái điện tử, dễ tác dụng với các chất có tính ái nhân nh phenol và amin thơm. Ngng tụ với amin thơm p-Aminoazobenzen NH 2 NN + + NN NN NH 2 + Trớc tiên ion phenyldiazoni tơng tác vào nguyên tử oxy của phenol hoặc nguyên tử nitơ của anilin, sau đó có sự chuyển vị và tạo sản phẩm. Phản ứng ngng tụ của aryldiazoni là cơ sở để điều chế các chất màu. + H + 4-Dimethylaminoazobenzen N(CH 3 ) 2 NN + + NN NN N(CH 3 ) 2 + 4-Dimetylaminoazobenzen chính là heliantin chất chỉ thị màu ứng dụng trong hóa phân tích. Các chất màu rất phụ thuộc vào độ pH. Ngng tụ với các phenol 4-Hydroxyazobenzen OH NN + + NNNN NN OH + -naphtol Phaồm vaứng -naphtol + H + + + NNaO 3 SN HO HO NNaO 3 SN c. Sử dụng muối diazoni trong tổng hợp các chất hữu cơ. Điều chế p -nitrobenzaldehyd từ benzaldehyd qua nhiều giai đoạn nh sau: Chức aldehyd (formyl) định hớng meta. Không thể nitro hóa trực tiếp benzaldehyd để có p -Nitrobenzaldehyd mà chỉ thu đợc m -Nitrobenzaldehyd. 312 H 2 ONaOH CHO H 2 SO 4 HNO 3 CHO NHCOCH 3 NO 2 CHO NH 2 NO 2 CHO NO 2 +H 2 O HCl NaNO 2 H 2 O H 2 SO 4 HNO 3 H 3 PO 2 CH 3 COOH Fe , HCl CHO NO 2 CHO N 2 NO 2 CHO NHCOCH 3 CHO NH 2 Chức nitro chuyển hóa thành amin. Thay thế chức amin bằng các chức khác qua giai đoạn diazo hóa. Ví dụ: CHO CHO F CHO N 2 CHO CHO SH CHO I CHO CN 1-HNO 3 ,H 2 SO 4 2-Fe, HCl,H 2 O 3-NaNO 2 ,H 2 SO 4 , H 2 O + Bài tập 1. Gọi tên các chất có CTCT sau: a- Cl NO 2 NO 2 CH 3 NO 2 NH 2 NCONH 2 NCONH 2 C 2 H 5 _ NCO ; ; ; ; b- OHNNNH 2 NNNH 2 Cl - + OCH 3 NH NHNH 2 NHOHCH 3 ; ; c- d- 2. Từ benzen hãy thực hiện các phản ứng có phản ứng Sandmeyer để điều chế các chất: clorobenzen, bromobenzen, acid benzoic, benzylamin, o-aminophenol. 313 . Chơng 23 CáC HợP CHấT KHáC CHứA NITơ Mục tiêu 1. Giải thích đợc sự hình thành các loại hợp chất nitro, isocyanat, urê, diazo dẫn chất nitro trong tổng hợp hữu cơ. Nội dung Ngoài hợp chất amin còn có một số nhóm chức khác chứa nitơ đợc trình bày trong bảng 23-1. Bảng 23. Các nhóm