CHUYÊN đề 3 hợp CHẤT dị VÒNG

Chun đề HỢP CHẤT DỊ VỊNG A LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO I ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC HỢP CHẤT DỊ VỊNG Phân loại dị vịng Có nhiều cách phân loại dị vịng: Theo kích thước vòng, theo số lượng dị tử, theo đặc điểm cấu trúc electron, Thông thường người ta tổ hợp nhiều cách khác a) Theo kích thước dị vịng, ta phân biệt dị vòng ba cạnh, bốn cạnh, nằm cạnh, v.v Thí dụ: b) Theo số lượng dị tố, ta phân biệt dị vòng chứa dị tố, dị vòng chứa hai dị tố, v,v Các dị vịng thí dụ chứa dị tố, sau số dị vòng chứa hai ba dị tố: c) Theo đặc điểm cấu trúc electron dị vòng, người ta phân biệt dị vòng thơm dị vịng khơng thơm Trong thí dụ nêu trên, trừ etilen oxit azetiđin dị vịng khơng thơm, cịn lại dị vịng thơm chúng đáp ứng u cầu vịng thơm Các dị vịng thơm có vịng khơng no Thí dụ: Các dị vịng khơng thơm đơn vịng hay đa vịng ngưng tụ Thí dụ: Cách gọi tên a) Tên thơng thường: Ví dụ “Furan”; “Pirol”; “Piriđin”; “Thiophen” (Nếu dị tố S tiếp đầu ngữ thio- ; dị tố oxi tiếp vị ngữ an) b) Tên hệ thống: * Qui tắc: Ghép - Một từ nói lên số cạnh vòng Trang - Một hay nhiều tiếp đầu ngữ để số lượng tên dị tổ vịng - Một tiếp vị ngữ nói lên mức độ bão hòa vòng + Từ bản: Vòng cạnh: -ir- ; cạnh: -et- ; cạnh: -ol- ; cạnh: -in-; cạnh: -ep- + Tiếp đầu ngữ oxa - oxi; thia - lưu huỳnh ; aza - nitơ (số lượng dị tố đi, tri ) + Tiếp vĩ ngữ: Vịng cạnh chứa nitơ chưa bão hịa có –ol, bão hịa có – olidin - Vịng cạnh khơng chứa nitơ, chưa bão hịa có –ol, bão hịa có - olan - Vịng cạnh chứa nitơ, chưa bão hịa có -in, bão hịa có – an * Cách đánh số: - Nếu dị vòng chứa dị tố số đánh cho dị tố tiếp tục ngược chiều kim đồng hồ - Nếu dị vòng chứa nhiều dị tố giống đánh số cho dị tố có số nhỏ (nếu có dị tố N có bậc khác dị tố bậc 2) - Nếu dị vịng chứa nhiều dị tố khác số ưu tiên cho O → S → N Thí dụ: Tính chất hố học - Các dị vịng khác với vịng cacboxilic trước hết có mặt dị nguyên tử Nếu dị nguyên tử nguyên tố nitơ mà không liên hợp với liên kết π , biểu tính chất amin, tính bazơ phản ứng ankyl hố • Tính bazơ dị vòng no chứa nitơ mạnh amin tương ứng song tính bazơ dị vịng thơm lại yếu Thí dụ: • Khả phản ứng hợp chất dị vòng chứa nitơ tương tự amin Thí dụ: • Các dị vịng no kích thước nhỏ ( 3− cạnh) phản ứng cộng mở vịng tương tự xicloankan vịng nhỏ, có khả phản ứng cao nhờ phân cực liên kết cacbon dị nguyên tử - Cộng - mở vịng tác nhân axit Thí dụ: Trang - Cộng mở vịng tác nhân bazơ Thí dụ: - Các dị vòng thơm furan, thiophen, pirol, piriđin tham gia phản ứng nhân thơm hiđrocacbon thơm, song khả phản ứng cao hay thấp tuỳ theo cấu trúc dị vòng chế phản ứng Thí dụ nitro hố (cơ chế electrophin) trình tự giảm khả phản ứng sau: II HỢP CHẤT DỊ VÒNG CẠNH DỊ TỐ Quan trọng furan, pirol thiophen: Tính chất hóa học a) Tính axit - bazơ Pirol, furan thiophen gần khơng có tính bazơ cặp electron π khơng cịn tự nữa, mà tham gia vào liên hợp thơm: Trái lại, riêng pirol cịn có tính axit yếu (vì có ngun tử H linh động liên kết với nitơ dị vòng) với pK a ~17 Tính axit tăng thêm có nhóm hút electron dị vịng b) Phản ứng electrophin, SE Nhờ liên hợp dị tố, pirol, furan thiophen dễ tham gia phản ứng electrophin benzen Trình tự khả phản ứng dị vịng sau: Thiophen < Furan  < Pirol Phản ứng thể ưu tiên xảy vị trí (vị trí α ), chế phản ứng tương tự có chế vào vòng benzen: Trang Dựa vào thuyết cộng hưởng, ta giải thích hướng ưu tiên thể sau: Sự cơng  E + vào vị trí cho ba cơng thức giới hạn:  I , II vàIII nên trạng thái chuyển tiếp ổn định Thí dụ: Trang Lưu ý phản ứng nitro hóa sunfo hóa khơng dùng tác nhân thơng thường HNO3 đặc H2SO4 đặc độ axit cao mơi trường phá vỡ hệ thống liên hợp vòng thơm nhựa hóa chúng c) Phản ứng nucleophin, SN Trang Furan không tham gia phản ứng nucleophin, dẫn xuất furan có nhóm hút electron mạnh −CN, NO2, − COOH, COOR, tham gia phản ứng nucleophin Thí dụ: Các dẫn xuất halogen thiophen khơng có nhóm hút electron tham gia phản ứng nucleophin Thí dụ: d) Phản ứng gốc, SR - Phản ứng thường xảy vị trí α Thí dụ: e) Phản ứng cộng Cần ý phản ứng thiophen với hiđro xúc tác dị thể không thực thiophen đầu độc xúc tác kim loại Furan bị khử hiđro, tuỳ theo chất xúc tác cho sản phẩm khác nhau: Trang • Cộng mở vòng Đây phản ứng đặc trưng cho furan dẫn xuất furan: Pirol dẫn xuất pirol khó tham gia phản ứng cộng mở vòng Thiophen bền vững furan pirol phản ứng cộng mở vịng • Phản ứng cộng đóng vịng Furan dễ tham gia phản ứng cộng đóng vịng Đinxơ-Anđơ kiểu cộng 1,4 vào đien Thí dụ: Pirol tham gia phản ứng với đienophin khó khăn, thiophen khơng tham gia phản ứng cộng vào đienophin f) Phản ứng chuyển hóa dị tố Các phương pháp tổng hợp a) Điều chế cơng nghiệp • Furan điều chế cách đecacbonyl hóa furfural tách pentozan có vỏ trấu, lõi ngơ, bã mía b) Đi từ 1,4-điandehit hay đixeton Trang c) Đi từ điaxit d) Tổng hợp vòng pirole từ hợp chất cacbonyl • Đi từ hợp chất 1,4 -bicacbonyl amoniac amin bậc Sơ đồ chung: Thí dụ: • Đi từ hợp chất α -amino xeton hợp chất cacbonyl có nhóm α −CH2 linh động Sơ đồ chung: Thí dụ: Trang   ,3− đicacbonyl este glyxin • Đi từ hợp chất Sơ đồ chung: Thí dụ: • Đi từ hợp chất 1,3− đicacbonyl este glyxin Sơ đồ chung: III SƠ LƯỢC VỀ CÁC 1, 3− AZO  1 ( ) Khi thay nguyên tử cacbon sp2 phân tử pirol, furan thiophen nguyên tử nitơ sp2 ta dị vịng thơm nằm cạnh có hai dị tử gọi chung azol Sau cấu tạo, tên gọi nhiệt độ sôi 1,3− azol: ( 2) Vịng imiđazol có mặt phân tử aminoaxit histiđin hormon histamin thể người Nhiều dẫn xuất imiđazol thiođazol dược phẩm vitanin B1 , thuốc trị ung nhọt ximetiđin, thuốc chữa lị metriđazol, thuốc diệt khuẩn sunfathiazol Trang Vòng imiđazol ngưng tụ với vòng pirimiđin ( 1,3− điazin) tạo thành vịng purin mà nhiều dẫn xuất có thành phần cấu tạo axit nucleic (ađenin, guanin, ), nhiều hợp chất thiên nhiên (cafein chè cà phê, axit uric nước tiểu, ) số dược phẩm (axiclovir trị khuẩn, DDI trị AIDS, ) c) Khác với pirol, 1,3− azol có tính bazơ nhờ ngun tử nitơ vị trí cịn mang cặp electron tự pKa imiđazol, oxazol thiazol 7, 1; 0,8 vaø2,5 Các 1,3− azol tham gia phản ứng electronphin vị trí  5 với khả phản ứng dị vòng tương ứng dị tử, oxazol: IV DỊ VÒNG THƠM SÁU CẠNH Chất tiêu biểu dị vịng thơm sáu cạnh có dị tử piriđin; chất lỏng, có mùi khó chịu, sôi 1150 C , tan nước, rượu, ete benzen Vịng piriđin có mặt phân tử số chất giữ vai trò quan trọng trình sinh hố niaxin (nicotinamit), piriđoxin (vitamin B6), coenzim nicotinamit ađenin đinucleotit (NADP), Trang 10 e) Dùng phản ứng Vittic c) d) Trang 36 a) Chú ý: Trong trường hợp giai đoạn đầu cần loại bỏ đồng phân vị trí (5) b) Cũng giống piriđin, quinolin tiếp nhận phản ứng nucleofin vị trí (2) (4) Furan khơng có phản ứng nucleofin Nhưng halogen nhóm làm bền trạng thái trung gian Nhóm hoạt hóa chọn COOR (H) dễ bị tách a) Xét cấu trúc A, ta thấy: - A có cấu trúc phẳng - A có hệ liên hợp kín đơi electron ngun tử oxi hai nối đơi vịng - Tổng số electron tham gia liên hợp 6, thỏa mãn cơng thức 4n +2 Huckel Trang 37 Từ ta kết luận A có tính thơm Mặt khác, công thức cộng hưởng A, ta thấy: Nghĩa nguyên tử A có mật độ electron cao; benzen nguyên tử cacbon tương đương (do tính đối xứng) Chính thế, A dự đốn cho phản ứng thể electrophin tốt benzen b) Đối với A: Theo công thức cộng hưởng trên, chiều momen lưỡng cực phải từ hướng oxi phía vịng (từ cực dương đến cực âm) Tuy nhiên, oxi nguyên tử có độ âm điện cao, gây hiệu ứng cảm ứng phía nguyên tử oxi Trong khi, B C có hiệu ứng cảm ứng từ phía vịng/mạch nhánh phía nguyên tử oxi Do đó, A có momen lưỡng cực nhỏ Giữa B C: Đối với ete nói chung, momen lưỡng cực tính tổ hợp momen lưỡng cực hai liên kết C-O theo cụng thc: = 2à C O ìcos , a góc hai liên kết C-O Trong đó, góc α phân tử B nhỏ góc α phân tử C B có cấu tạo vịng Chính vậy, momen lưỡng cực B lớn C Do đó, thứ tự độ lớn momen lưỡng cực: B > C > A c) Chúng ta thấy, khối lượng nguyên tử ba hợp chất A, B C nhỏ hẳn so với nhóm hợp chất D, E G Do nhóm hợp chất A, B C có nhiệt độ sơi nhiệt độ nóng chảy nhỏ so với nhóm hợp chất D, E G Trong nhóm hợp chất D, E G, ta thấy E G có liên kết hiđro liên phân tử, liên kết hiđro phân tử G mạnh so với liên kết hiđro phân tử E liên kết hidro nhóm –COOH bền liên kết hiđro nhóm -CH2OH), nhiệt độ sơi nhiệt độ nóng chảy ba hợp chất theo thứ tự: G > E > D Trong nhóm hợp chất A, B C, nhiệt độ sôi giảm theo thứ tự momen lưỡng cực ta có thứ tự B > C > A Trong đó, A có cấu trúc phẳng nên xếp đặc khít tinh thể trạng thái rắn; B có cấu trúc "gọn gàng" A Chính vậy, nhiệt độ nóng chảy ba hợp chất giảm theo thứ tự: A > B > C Do đó, ta có thứ tự về: - Nhiệt độ nóng chảy: G > E > D > A > B > C Trang 38 - Nhiệt độ sôi: G > E > D > B > C > A Tính bazơ X Y cho tính bazơ nhóm -NH Vì nhóm -NH2 Y gần với nguyên tử N sp2 so với X, nên ta bị ảnh hưởng hiệu ứng cảm ứng nhiều Vì vậy, X có tính bazơ mạnh Y Trang 39 Trang 40 Trang 41 Trang 42 10 11 Trang 43 Trang 44 12 a) Trong lõi ngơ vỏ trấu có chứa pentozan, đun nóng với dung dịch HCl 12% chuyển thành pentozơ tách nước cho furfural 13 a) Trang 45 b) CH I C4 H9 Li 1500 C Na 2CH  → CH ≡ CH NH  → CH ≡ CNa  → CH ≡ CCH CLi CCH Làmlạnh nhanh (l) Trang 46 14 Phản ứng xảy chuyển vị Baiơ – Viligiơ Trang 47 15 Trang 48 16 Trang 49 b) Cơ chế: Từ A tạo thành B: Từ D tạo thành E: -Hết - Trang 50 ... Nếu dị vịng chứa dị tố số đánh cho dị tố tiếp tục ngược chiều kim đồng hồ - Nếu dị vòng chứa nhiều dị tố giống đánh số cho dị tố có số nhỏ (nếu có dị tố N có bậc khác dị tố bậc 2) - Nếu dị vòng. .. lượng nguyên tử ba hợp chất A, B C nhỏ hẳn so với nhóm hợp chất D, E G Do nhóm hợp chất A, B C có nhiệt độ sơi nhiệt độ nóng chảy nhỏ so với nhóm hợp chất D, E G Trong nhóm hợp chất D, E G, ta thấy... electronphin vị trí  5 với khả phản ứng dị vòng tương ứng dị tử, oxazol: IV DỊ VÒNG THƠM SÁU CẠNH Chất tiêu biểu dị vòng thơm sáu cạnh có dị tử piriđin; chất lỏng, có mùi khó chịu, sơi 1150 C ,