Các phản ứng tổng hợp hữu cơ

Thực hành hoá hữu - 23 - Phần II CÁC PHẢN ỨNG TỔNG HP HỮU CƠ I PHẢN ỨNG HALOGEN HÓA Phản ứng halogen hóa trình gắn nguyên tử halogen X(F,Cl, Br,I) vào phân tử hợp chất hữu phản ứng cộng Quan trọng trình gắn halogen vào nguyên tử cacbon tạo thành liên kết C-X phản ứng halogen hóa trực tiếøp Các tác nhân halogen hóa thường dùng halogen tự (F2, Cl2 dung môi hay thể khí ; Br2 dạng lỏng, I2 dạng rắn ), hidro halogenua HX (HF trạng thái khí ; HCl, HBr, HI dạng hỗn hợp đẳng phí với nước tương ứng 38%, 47,5%, 57% ), phosphor halogenuaPX5 (PCl5, PBr5),PX3 (PCl3, PBr3, PI3) ; SOCl2 ; SO2Cl2 ; N-bromsucxinimit N- bromphtalimit Phản ứng trực tiếp hidro halogen Halogen hóa trực tiếp hidro hidrocacbon dẫn xuất thực halogen tự ≡ C-H + X2 → ≡ C - X + HX Phản ứng halogen hóa ankan có chiếu sáng xảy theo chế gốc SR tạo nhiều sản phẩm ( mono, di, tri, halogen ) hỗn hợp đồng phân khác Quá trình phân tích sản phẩm gặp nhiều khó khăn nhiệt độ sôi chúng gần nên phản ứng có ý nghóa công nghiệp mà thuận lợi phòng thí nghiệm Flo hóa trực tiếp hợp chất hữu bị hạn chế phản ứng mạnh, dễ nổ, kèm theo khí HF, CF4 tách sản phẩm phân hủy khác lượng phản ứng lớn Clo phản ứng mạnh, Brom phản ứng chọn lọc (chủ yếu vào cacbon bậc ba ), Iod phản ứng thuận nghịch RH + I2 RI + HI nên thường thêm chất oxy hóa, chẳng hạn HIO3, để khử HI Phản ứng thuận lợi phân tử hữu hay dẫn xuất có hidro linh động ảnh hưởng nhóm hút điện tử phân tử (-CO, COOH, ) Andehyt xeton phản ứng với halogen cho dẫn xuất α- Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 24 - CH C X2 + CX C + HX O O Phụ thuộc vào điều kiện phản ứng, phản ứng tạo thành dẫn xuất di, tri Muốn điều chế dẫn xuất lần thế, dùng phức dibromdioxan, SO2Cl2, bromsucxinimit hay bromphtalimit Khi clo hoùa hay brom hoùa acid béo có ánh sáng tạo thành acid α, β, γ Sản phẩm hay nhiều lần phụ thuộc điều kiện phản ứng CH3CH2COOH + Cl2 CH3CH2COOH + Cl2 a.s o 77 C a.s CH3CHClCOOH + CH2ClCH2COOH CH3CCl2COOH + 200 o C Phương pháp điều chế tác dụng halogen với diện phosphor đỏ ( tỉ lệ theo phương trình phản ứng ) 2P + 3Br2 → 2PBr3 3CH3CH2COOH + PBr3 → 3CH3CH2COBr + P(OH)3 CH3CH2COBr + Br2 → CH3CHBrCOBr + HBr CH3CHBrCOBr + CH3CH2COOH → CH3CHBrCOOH + CH3CH2COBr Hoaëc CH3CHBrCOBr + H2O → CH3CHBrCOOH + HBr Với đồng đẳng benzen, có ánh sáng đun nóng, phản ứng xảy nhánh theo chế gốc SR ankan C6H5CH3 + Cl2 ,a.s C6H5CH2Cl + Cl2,a.s C6H5CHCl2 Khi coù peoxyt, phản ứng xảy nhiệt độ thấp (70 - 90oC) Với benzen, đồng đẳng dẫn xuất, có xúc tác axit Lewis AlCl3, ZnCl2, FeBr3, xảy phản ứng electrofin SE vào nhân benzen Vai trò xúc tác làm phân cực hóa phân tử halogen, dễ dàng tạo thành tác nhân halogen hóa - cation halogen d+ d− Br2 + AlCl → Br Br AlCl → Br + (AlCl Br ) − Phản ứng hidro iod xảy phản ứng thuận nghịch C6 H6 + I2 Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn C6H5I + HI Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 25 - nên phải thêm chất oxyhóa ( acid nitric, thủy ngân oxyt ) phân hủy HI, tốt điều chế dẫn xuất iod từ anilin qua hợp chất diazoni Naphtalen halogen hóa dễ benzen Br o + Br2 40 - 50 C + HBr Các hợp chất dị vòng năm cạnh dị tố ( furan, pirol, tiofen ) bị halogen hóa dễ dàng, pirol Furan tác dụng với nước brom rượu etylic, cho sản phẩm tetrabrom Br Br + 4Br2(H2O) O C2H5OH + O Br HBr Br Piridin phaûn ứng với halogen khó khăn benzen cho sản phẩm β Br +Br2(HgCl2) N 215-230oC + HBr N Thế nhóm hydroxyl ancol halogen Hydrohalogenua phản ứng với ancol tạo thành dẫn xuất halogen theo cheá theá Nucleophil SN R-OH + HX → R-X + H2O ( X = Cl, Br, I) Khả phản ứng giảm theo thứ tự : HI > HBr > HCl ≡ C-OH > = CH-OH > -CH2OH Phản ứng phản ứng thuận nghịch Muốn thu hiệu suất cao, phải tăng nồng độ cấu tử tách sản phẩm hay nước khỏi phản ứng Thường tách nước H2SO4 đặc, dư hay chưng cất đẳng phí Có thể dùng H2SO4 với muối KBr đun nóng ROH + H2SO4 → ROSO3H + H2O ROSO3H + KBr → RBr + KHSO4 Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn - 26 - Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 27 - THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ BROMBENZEN Phản ứng 2Fe + 3Br2 → 2FeBr3 FeBr3 + Br2 → Br+(FeBr4)C6H6 + Br+(FeBr4)- → C6H5-Br + HBr + FeBr3 Phản ứng phụ → C6H5-Br + Br2 ⎯⎯ Fe Br Br + HBr Hóa chất Benzen khan 20 ml hay 17,6 g (0,22 mol), brom 10ml (0.195 mol), boät sắt hay vỏ bào sắt 0,5g, CaCl2 khan, dung dịch NaOH 10% Hình 21 - Dụng cụ điều chế brombenzen Cách tiến hành Cho 0,5g vỏ bào sắt sạch, 20 ml benzen làm khô trước CaCl2 vào bình cầu cỡ 250 ml Lắp ống nối có nhánh lắp phễu nhỏ giọt vào cổ đứng, ống sinh hàn vào cổ nhánh (h.21) Đầu ống sinh hàn lắp ống thủy tinh để dẫn khí hấp thụ vào dung dịch kiềm nên đầu ống thủy tinh nối với phễu lọc phải để cách mặt dung dịch chậu thủy tinh khoảng 1-2 cm (1) Sau từ phễu nhỏ giọt chứa 10 ml brom(2) cho từ từ vào bình phản ứng đồng thời lắc Nếu dụng cụ hóa chất khô phản ứng xảy Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 28 - thường xảy chậm, không nên cho nhiều brom mà phải đợi lúc, thấy phản ứng không xảy đun nóng nhẹ nồi cách thủy Khi có khí HBr bắt đầu tách cho tiếp brom với tốc độ cho phản ứng xảy điều hòa (3) Sau cho hết Brom, đun nóng bình nồi cách thủy tăng nhiệt độ từ 15- 20oC lên 60-70oC hết brom chất lỏng (khoảng 20 phút) Chuyển chất lỏng thu vào phễu chiết, rửa nước, dung dịch NaOH 10% nước, tách lấy brombenzen (4) khỏi nước vào bình khô làm khô CaCl2 Chưng cất lấy Brombenzen bình Wurtz ống sinh hàn không khí nhiệt độ 154 - 160 oC Đổ phần lại sau cất bát sứ, làm lạnh thu p- dibrombenzen, làm khô giấy lọc kết tinh lại rượu etylic Hiệu suất 14g brombenzen ( 50% so với lý thuyết) 0,5 - 1g p-dibrombenzen (6) Ghi chú: 1) Nếu ống nối, dùng bình cầu hai cổ 2) Brom rấøt độc, lấy brom thực phản ứng tủ hốt 3) Cho chảy mạnh brom, làm tăng nhiệt độ tăng sản phẩm dibrombenzen 4) Sau phản ứng, dùng phương pháp cất lôi nước lấy brombenzen thấy xuất tinh thể p-dibrombenzen thay bình hứng thu lấy pdibrombenzen, tinh chế 5) Nếu thấy dung dịch đục, lắp ống sinh hàn hồi lưu, đun nóng cách thủy 6070oC chất lỏng suốt 6) Brombenzen chất lỏng nặng, có mùi giống benzen, tan nước, , ; n 20 tan tốt rượu etylic, ete ; ts =134,2oC; d 20 = 1195 D = 1,5602 p-dibrombenzen tinh thể không màu, tan rượu etylic, ete, tan nước tnc = 80oC THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ 1- BROMNAPHTALEN Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 29 - Br Phản ứng Br + Br2 + HBr Hóa chất Naphtalen 12,8 gam(0.1 mol), Brom 5ml hay 15,6 gam(0.098 mol), rượu etylic, CaCl2 Cách tiến hành Hình 22- Dụng cụ điều chế 1-bromnaptalen Cho 12,8 gam naphtalen nghiền nhỏ 20 ml nước(1) vào bình cầu ba cổ, lắp ống sinh hàn hồi lưu có ống dẫn khí HBr hấp thụ dung dịch kiềm, lắp nhiệt kế tới đáy bình phễu nhỏ giọt (2) Đun nóng bình bếp cách thủy 40oC, lắc mạnh bình, cho giọt brom từ phễu nhỏ giọt vào bình cho nhiệt độ hỗn hợp không cao 50oC Sau cho hết brom, đun tiếp màu brom, lắc bình Tách lớp dầu phễu chiết, chuyển qua phận lôi nước để loại Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 30 - naphtalen chưa tham gia phản ứng Một lượng nhỏ bromnaphtalen tách với nước cho trở lại bình Làm lạnh bình, tách lớp dầu nặng, làm khô CaCl2 khan chưng cất bình Claisen chân không 132-135oC /12 mmHg (cũng chưng cất áp suất thường, bị phân tích phần sản phẩm ) Phần lại sau chưng cất 1,4-dibromnaphtalen tinh chế lại rượu etylic Hiệu suất 1-bromnaphtalen 10 gam (48% so với lý thuyết) 1,4dibromnaphtalen 0,5 gam(3) Ghi : 1) Nếu dùng dung dịch rượu etylic thay cho nước thu alkyl bromua Đây phương pháp vừa điều chế alkyl bromua bromnaptalen 2) Phễu nhỏ giọt có ống mao quản vuốt nhọn thay cho nút để tránh brom bắn lắc, phải cắm sâu vào hỗn hợp 3) 1-bromnaphtalen chất lỏng vàng nhạt có mùi đặc trưng, không tan nước,tan rượu etylic, ete, 20 t os = 261,2 o C, t onc = 6,1o C, d 20 = 1,4883, n D = 1,658 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ ETYL BROMUA C2H5Br Phản ứng KBr + H2SO4 → KHSO4 + HBr C2H5OH + HBr CH3CH2OH + HO-SO2-OH C2H5Br + H2O CH3CH2O-SO2OH + H2O CH3CH2O-SO2OH + HBr → CH3CH2Br + H2SO4 Phản ứng phụ 2HBr + H2SO4 → Br2 +2H2O + SO2 CH3CH2O-SO2OH + HO- CH2CH3 → H2SO4 + CH3CH2-O-CH2CH3 Phaïm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 31 - Hóa chất ancol etil 95%, 28 ml (0.5 mol) Kali bromua 30g (0.25 mol) Acid sulphuric (d = 1.84) 33 ml (0.6 mol) Dụng cụ Bình đáy tròn ( 100 ml 300 ml ) Bình tam giác (200 ml) Phễu chiết Phễu nhỏ giọt Ống ngưng tụ Liebig Cột cất phân đoạn Nhiệt kế Ống nối cong Cách tiến hành Trong bình phản ứng 300 ml, cho vaøo 28 ml etanol vaø 20 ml nước lạnh (nước cho vào để làm giảm tạo thành etil ete, giảm thoát HBr bay làm loãng H2SO4 để ngăn cản tạo thành Br2) Vừa khuấy liên tục hỗn hợp phản ứng làm lạnh bình phản ứng vòi nước, cho cẩn thận vào bình phản ứng 33ml H2SO4 30g KBr tán nhỏ Sau phản ứng đun cách cát sản phẩm bromua etil tạo thành chưng cất qua bình hứng (nếu hỗn hợp phản ứng sôi mạnh ngưng đun thời gian ngắn ) Phản ứng kéo dài không giọt dầu etil bromua tạo thành qua ống ngưng tụ Sau phản ứng kết thúc đổ chất lỏng bình hứng vào phễu chiết tách lớp etyl bromua cho vào bình tam giác 250ml đặt chậu nước đá Tiếp tục cho vào bình tam giác qua phễu nhỏ giọt giọt acid sulphuric đồng thời lắc nhẹ chất lỏng tách làm lớp Acid sulphuric tách sản phẩm phụ dietyl ete khỏi bromua etil đồng thời làm khô bromua etyl Dùng phễu chiết, chiết lấy lớp bromua etyl phía chưng cất cách thủy, bình 100ml ( lắp ráp dụng cụ chưng cất giống Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học Thực hành hoá hữu - 32 - thay bình 300ml bình 100ml vàthay bếp cát bếp cách thủy ) thu lấy bromua etyl 35-40oC Hiệu suất 22g Bromua etyl chất lỏng không màu có mùi ete, hòa tan tốt ancol ete, tan nước, có tính chất đặc trưng halogenua hidrocacbon bão hòa 20 d 20 = 1.4586, n D = 1.4211 II Phản ứng nitro hóa Phản ứng nitro hóa trình gắn nhóm nitro vào phân tử hữu tạo thành liên kết C-N Thường thực phản ứng hidro nhóm nitro, phản ứng cộng nhóm nitro vào liên kết bội phản ứng nhóm chức khác (halogen, sunfo ) Tác nhân nitro hóa thường dùng acid nitric với nồng độ từ 65 đến 100% (thường dùng acid 65% d=1,4 acid khói 94% d= 1,5); hỗn hợp acid nitric với acid sulfuric đặc gọi hỗn hợp nitro hóa ; nitrat kim loại kiềm với acid sulfuric với acid acetic hay anhydric acetic, este acid nitric Nitro hóa hidrocacbon loại parafin Hydrocacbon loại parafin không phản ứng với acid nitric nhiệt độ thường, nhiệt độ cao 200oC xảy phản ứng oxyhóa tạo thành acid cacboxylic Acid nitric loãng nguồn cung cấp NO2, tác nhân nitro hóa thật Phản ứng nitro hóa xảy theo sơ đồ sau : R- H HNO3loaõng o 110-140 C R - NO2 + H2O Trong số trường hợp người ta sử dụng nitrat bạc tác dụng với dẫn xuất halogen dãy béo 2- Nitro hóa hidrocacbon thơm Nitro hóa hợp chất thơm phản ứng electrophin điển hình SE Ar - H + HNO3 → Ar- NO2 + H2O Phản ứng không thuận nghịch Tác nhân thường dùng hỗn hợp nitro hóa acid nitric sunfuric Thành phần tỉ lệ phụ thuộc vào cấu tạo hợp chất bị nitro hóa Thường dùng acid nitric đặc với acid sulfuric 95,6% Phạm Văn Tất - Nguyễn Quốc Tuấn Khoa Hoá Học ... tục hỗn hợp phản ứng làm lạnh bình phản ứng vòi nước, cho cẩn thận vào bình phản ứng 33ml H2SO4 30g KBr tán nhỏ Sau phản ứng đun cách cát sản phẩm bromua etil tạo thành chưng cất qua bình hứng (nếu... II Phản ứng nitro hóa Phản ứng nitro hóa trình gắn nhóm nitro vào phân tử hữu tạo thành liên kết C-N Thường thực phản ứng hidro nhóm nitro, phản ứng cộng nhóm nitro vào liên kết bội phản ứng. .. tốt phản ứng, ý tới tốc độ cho hỗn hợp nitro hóa vào phản ứng để thường giữ nhiệt độ 65-70oC Phản ứng thường xảy bề mặt hai tướng nên phải khuấy mạnh Với đồng đẳng hay dẫn xuất benzen, phản ứng