Thực hành hóa học hữu cơ

Chương 13 ACID CARBOXYLIC VÀ DẪN XUẤT Hóa học hợp chất hữu có chứa liên kết đơi carbon-oxy cho phong phú so với lớp phân tử hữu khác Trong thí nghiệm Chương 17 ta có hội tìm hiểu hóa học aldehyd keton với có mặt nhóm chức carbonyl Trong chương này, ta làm quen hóa học có liên quan với acid carboxylic số dẫn xuất chúng Các hợp chất chứa liên kết đôi carbon-oxy, nguyên tử carbon carbonyl mang dị tố bổ sung oxy, nitrogen, halogen Sự có mặt dị tố làm thay đổi đột ngột tính chất hóa học nhóm carbonyl, theo cách mà ta học dự đốn Các dẫn xuất acid carboxylic thường gặp vật liệu mà gặp phải hàng ngày bao gồm vải, thuốc kháng sinh thuốc trừ sâu Trong thí nghiệm chương này, ta làm quen với hoá học khác tầm quan trọng dẫn xuất acid carboxylic cách điều chế hợp chất sử dụng chất gây mê thuốc diệt côn trùng 13.1 MỞ ĐẦU Các acid carboxylic đặc trưng có mặt nhóm chức carboxyl, –CO2H, bao gồm nhóm carbonyl nhóm hydroxyl, có cơng thức cấu trúc tổng quát 1, R hydro nhóm alkyl aryl Dẫn xuất chúng xuất cách thay nhóm hydroxyl nhóm dị tố Cl acid cloride, OCOR1 acid anhydrid, OR2 ester, NR3R4 amid Các dẫn xuất tóm tắt cơng thức tổng qt nhóm acyl, R–C(=O)–, liên kết với nhóm âm điện Z, đại diện cho nguyên tử nhất, acid cloride, nhóm nguyên tử, anhydrid, ester, amid Mặc dù không bao hàm thảo luận đây, nitril, R–CN, thường phân loại dẫn xuất acid carboxylic, chúng bị thuỷ phân acid O δ− C R δ+ Z δ− 1: Z = OH 2: Z = Cl, OCOR1, OR2, NR1R2 Nhóm acyl xác định hóa học acid carboxylic dẫn xuất Giống nhóm carbonyl, C=O, aldehyd keton (Chương 17), liên kết π carbon-oxy acid carboxylic dẫn xuất bị phân cực độ âm điện nguyên tử oxy Độ âm điện (nhóm) nguyên tử carbon acyl gây phân cực tăng cường có mặt nhóm âm điện khác, Z Sự kết hợp nhóm âm điện gắn với 39 liên kết đôi carbon-oxy bị phân cực có hậu quan trọng khả phản ứng dẫn xuất acid carboxylic nucleophil Thật vậy, loại phản ứng chung, đặc trưng cho hợp chất này, phản ứng acyl nucleophil (Ptr 13.1) O O R Z + Nu R Nu + (13.1) Z Một số đường chế có cho acyl nucleophil Đơn giản số nucleophil mang điện tích âm, Nu–, cơng ngun tử carbon acyl có tính electrophil hợp chất trung gian tứ diện Sau đó, bị bẻ gãy để tái tạo liên kết đơi carbon-oxy với nhóm bị thế, Z–, sản phẩm 5, dẫn xuất acid carboxylic (Ptr 13.2) Bước phản ứng coi phản ứng acid-base Lewis, nguyên tử carbon acyl acid Lewis nucleophil base Lewis O C R δ+ δ− Z O O δ− + Nu R C C Z R Nu + (13.2) Z Nu S¶n phÈm thÕ nucleophil Acid carboxylic Khi nucleophil yếu hơn, thường trung tính, dẫn xuất acid carboxylic có khả phản ứng bao hàm, phản ứng xúc tác acid Sơ đồ 13.1 Nguyên tử oxy nhóm acyl bị proton hoá trước hết cho cation 6, liên kết carbon-oxy chí bị phân cực cao ngun tử carbon acyl có tính electrophil so với Sự công nucleophil nucleophil trung tính, H–Nu, sau cho hợp chất trung gian tứ diện 7, mà sau chuyển proton đến base, B–, hỗn hợp phản ứng Các chi tiết việc hợp chất trung gian tứ diện biến đổi thành sản phẩm thế phụ thuộc vào chất nhóm bị thế, Z–, nucleophil, Nu–, điều kiện phản ứng Chẳng hạn, Z– nhóm dễ bị so với Nu–, có khả bị proton hố trước bẻ gãy liên kết C–Z; cation b góy sau ú cho Sơ đồ 13.1 O C R δ+ δ− H H O H B B Z O Nu H C R R Z H H O O R C Nu hay R C B H Z Z Nu B B C R Nu H 40 H O H B Nu Z C + H Z Việc so sánh phản ứng dẫn xuất acid carboxylic với phản ứng hợp chất carbonyl (Chương 17) cho thấy có số điểm tương đồng, số khác biệt quan trọng Các phản ứng hợp chất carbonyl, cho dù chúng xúc tác acid hay khơng, dẫn đến hình thành sản phẩm cộng hợp nucleophil theo Phương trình 13.3, đó, dẫn xuất acid carboxylic phản ứng với nucleophil sản phẩm (Ptr 13.1) Trong hai trường hợp, bước cơng nucleophil lên ngun tử carbon có tính electrophil liên kết đôi carbon-oxy Tuy nhiên, aldehyd keton khơng có nhóm âm điện, Z, để hình thành anion ổn định có vai trị nhóm dễ bị Một nhóm dễ bị phải base tương đối yếu Cl–, RO–, H2O ROH, base mạnh H– R– (Phần 13.1) Các thí nghiệm mơ tả chương minh họa số phản ứng điển hình acid carboxylic dẫn xuất Chẳng hạn, ta thực phản ứng ester hoá Fischer, phản ứng cổ điển hóa hữu phát nhà hoá học giải Nobel, Emil Fischer, để điều chế tác nhân gây tê benzocaine từ paminobenzoic acid (Phần 13.2) Trong thí nghiệm khác, ta tổng hợp chất đuổi muỗi N,N-diethyl-m-toluamid (DEET) trình hai bước, bao hàm việc chuyển hoá acid carboxylic thành acid cloride sau cho phản ứng với amin để tạo amid mong muốn (Phần 13.3) Trong thí nghiệm khác ta điều chế hydrazid, dẫn xuất gần với amid 13.2 PHẢN ỨNG ESTER HOÁ FISCHER Sự biến đổi trực tiếp acid carboxylic alcohol thành ester thường xúc tác acid vô cơ, chẳng hạn acid sulfuric, nêu Sơ đồ 13.2 Các chất xúc tác thúc đẩy cộng hợp alcohol có tính nucleophil yếu vào liên kết đơi carbon-oxy proton hoá oxy carbonyl acid 10 11 Do đó, 11 hoạt hố cơng nucleophil, phản ứng nhanh chóng với alcohol hợp chất trung gian tứ diện 12 Hai bước chuyển proton cho 13, bị bẻ gãy nước, nhóm dễ bị thế, trước hết 14 sau ester 15 Sơ đồ 13.2 OH O C C R OH R1OH H OH R H OH R R1OH OH 12 11 10 OH R C OH2 13 OR H O H C R OR 14 O OH H2O H2O C R C H R OR 15 41 Như ta nhìn thấy từ cân Sơ đồ 13.2, thủy phân xúc tác acid ester 15 thành acid tương ứng 10 đơn giản ngược lại phản ứng ester hố Do đó, chiến lược đặc biệt địi hỏi để ester hố hiệu acid carboxylic với hiệu suất cao Các chiến lược bao hàm việc sử dụng lượng dư lớn chất phản ứng loại bỏ sản phẩm hình thành Cả hai chiến thuật thực nghiệm sử dụng nguyên lí Le Chatelier (Phần 10.3) Khi alcohol rẻ tiền dễ bay hơi, thường sử dụng dung mơi, buộc cân chuyển dịch bên phải làm tăng hiệu suất ester Trong trường hợp khác, ta để loại bỏ sản phẩm nước từ phản ứng cách sử dụng tác nhân hút nước, rây phân tử hoạt hoá (Phần 2.22), cách chưng cất đẳng phí (Phần 4.5) Thông thường, tạo thành ester theo ester hố Fischer khơng hiệu tồn cân bằng, ester nói chung điều chế phản ứng alcohol với acid cloride hay acid anhydrid Trong qui trình mơ tả phần này, ta thực ester hoá Fischer acid p-aminobenzoic (16) với ethanol ethyl p-aminobenzoat (17), biết nhiều tên gọi benzocaine, theo Phương trình 13.4 Benzocaine chất gây tê chỗ hữu ích, khám phá tính chất gây tê thể cho ví dụ thú vị “sự thiết kế thuốc hợp lí” CO 2H CO 2CH2CH3 H2SO4 đặc + + CH3CH2OH (chất xóc t¸c) NH2 NH2 16 17 Acid p-aminobenzoic H2O (13.4) Ethyl p-aminobenzoat (Benzocaine) Cân chất đầu sản phẩm dễ dàng thành lập cách đun nóng hồi lưu hỗn hợp 16 ethanol có mặt lượng chất xúc tác acid sulfuric 17 nước (Ptr 13.4) Tuy nhiên, máy lị vi sóng có sẵn để đun nóng (Phần 2.7), phản ứng thực lọ chịu áp suất Đây thí nghiệm để so sánh thời gian phản ứng đòi hỏi kết nhận sử dụng việc đun nóng thơng thường so với việc đun nóng lị vi sóng để thúc đẩy phản ứng 13.3 CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM TỔNG HỢP ETHYL ACETAT O CH3 C 42 O H + CH3CH2OH + CH3 C OCH2CH3 OH Acid acetic, §s 118°C Ethanol, §s 78,3°C M=60,05; d420 1,049, M=46,07; d415 0,7936 nD25 1,3717 nD20 1,3614 Ethyl acetat, §s 77,15°C M=88,11; d420 0,901, nD20 1,3724 H2O Mục đích Để chứng minh ester hoá xúc tác acid acid carboxylic với alcohol An tồn phịng thí nghiệm Bởi acid sulfuric đặc có tính ăn mịn mạnh gây bỏng hóa chất nặng, nên khơng để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su xử lí chất phản ứng Lau giọt bề mặt chai đựng ống đong trước cầm Rửa khu vực bị ảnh hưởng hoàn toàn với nước lạnh, dùng dung dịch natri bicarbonat 5% Acid acetic băng: làm rộp da Sơ cứu: bị acid acetic dính vào tay, cần rửa với nhiều nước Nếu mắt bị thương, rửa 15 phút với nước trước đưa y tế Ethanol: có mùi thơm đặc trưng Dễ cháy Ethyl acetat: có mùi nồng độ thấp; dễ cháy, gây kích thích da niêm mạc nồng độ cao Chuẩn bị Đọc MSDS (chẳng hạn, trang web http://www.msdsprovider.com) cho hoá chất sử dụng hay tạo qui trình này; nguồn tài liệu tham khảo The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cung cấp thông tin Trả lời Câu hỏi Bài tập chuẩn bị Đọc Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, 2.19 Hoá chất & dụng cụ Hố chất Dụng cụ Ethanol 99% 20 ml Bình cầu dung tích 200 ml Acid acetic băng 20 ml Bình cầu dung tích 100 ml Acid sulfuric đặc (d=1,84) ml Cột Vigreux Dung dịch Na2CO3 30% Bộ cất đơn Calci cloride khan Phễu chiết dung tích 250 ml Dung dịch CaCl2 (hồ tan 25 g calci cloride Bình nón dung tích 100 ml khan 25 ml nước 33 g CaCl2.2H2O 17 ml nước) Cách tiến hành Chuẩn bị thí nghiệm 1.Trộn lẫn 20 ml ethanol 99% 20 ml acid acetic băng bình cầu đáy trịn cổ dung tích 250 ml cách lắc cẩn thận hỗn hợp Sau đó, thêm từ từ ml acid sulphuric đặc vào vừa làm lạnh bình cầu vừa lắc nồi nước lạnh Lắc kĩ cẩn thận hỗn 43 hợp phản ứng bình cầu để bảo đảm chất lỏng đồng thể Tiến hành phản ứng Lắp sinh hàn hồi lưu đun sôi hồi lưu hỗn hợp bếp điện cho hỗn hợp hồi lưu nhẹ 10 phút Sau để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phịng Có thể dùng nồi nước lạnh để làm lạnh nhanh bình cầu Lắp chưng cất đơn cất khoảng 3/4 thể tích chất lỏng bình cầu nhiệt độ sôi đạt 82°C Chuyển phần cất vào phễu chiết Xử lí phản ứng, phân tách sản phẩm Thêm khoảng 25 ml dung dịch natri carbonat 30% vào phần chất lỏng phễu chiết, đậy nút phễu lắc cẩn thận! Trong trình này, khí carbon dioxide giải phóng, cần thoát áp suất phễu cách mở nút phễu cách cẩn thận, cách dốc ngược phễu mở khoá phễu Quá trình lắc lặp lại khơng cịn khí carbon dioxide Để n để hai lớp tách ra, cẩn thận tách bỏ toàn lớp nước để dung dịch natri carbonat loại hết Sau cho 25 ml dung dịch calci cloride chuẩn bị vào phần ethyl acetat phễu chiết, lắc mạnh Để yên để hỗn hợp tách lớp, tách bỏ hoàn toàn lớp nước Chuyển lớp ethyl acetat vào bình nón nhỏ (dung tích 50 ml 100 ml), thêm vài cục calcium cloride tán nhỏ, thỉnh thoẳng lắc Sau khoảng 20 phút, chất 44 Cần làm khan tốt sản phẩm, không chưng cất, lỏng trở nên khan, lọc vào bình cầu đáy trịn nhiệt độ dung tích 100 ml qua giấy lọc gấp phần cất chủ yếu nằm khoảng 72°C! Chưng cất lấy sản phẩm Lắp chưng cất phân đoạn, thêm 1–2 viên đá bọt đặt hệ chưng cất vào nồi nước lạnh Tiến hành đun nóng từ từ nồi cách thuỷ Lúc này, ether ln tạo thành sản phẩm phụ với ethyl acetat, tách phân đoạn sơi 35–40°C; nhiên, bình chưng cất đun nóng nhanh nồi nước đun sơi từ trước ether khơng chưng cất phân đoạn rõ ràng, điểm sôi phần cất tăng đều mà khơng có điểm ngắt nhận thấy thân ethyl acetate chưng cất Thu lấy phân đoạn sôi 74°C 79°C, loại bỏ phân đoạn nhỏ sôi khoảng Hiệu suất điển hình khoảng 20 g (23 ml) Phân tích sản phẩm Đong thể tích ethyl acetat nhận Đo chiết suất Tính hiệu suất sản phẩm nhận Ethyl acetat chất lỏng không màu, có mùi thơm chín, tạo số hỗn hợp đẳng phí với alcohol ethylic nước mà nhiệt độ sôi chúng thường nhỏ 75°C: 1) hỗn hợp 91,8% ester 8,2% nước sôi 70,4°C; 2) hỗn hợp 69,2% ester 30,8% ethanol sôi 71,8°C; 3) hỗn hợp 83,2% ester, 9% ethanol 7,8% nước sôi 70,3°C Phân đoạn sôi 78°C ethyl acetat tinh khiết: Đs 77,15°C; d 20 0,901; 1,3724 Phổ tử ngoại (trong ether dầu hoả) có cực đại 207nm Phổ hồng ngoại cho vạch dao động hố trị nhóm CO (ester) 1745cm-1 Phổ cộng hưởng từ proton có tín hiệu triplet 1,25ppm; singlet 2ppm quartet 4ppm THÍ NGHIỆM TỔNG HỢP n-BUTYL ACETAT O + CH3 C O H CH3CH2CH2CH2OH + CH3 C H2O O CH2 CH2 CH2 CH3 OH Acid acetic, §s 118°C Butan-1-ol, §s 117,7°C M=60,05; d420 1,049, Butyl acetat, §s 126,1°C M=74,12; d425 0,8057, nD25 1,3717 M=116,16; d420 0,882, nD20 1,3941 nD251,3992 45 Mục đích Để chứng minh ester hố xúc tác acid acid carboxylic với alcohol An toàn phịng thí nghiệm Bởi acid sulfuric đặc có tính ăn mịn mạnh gây bỏng hóa chất nặng, nên không để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su xử lí chất phản ứng Lau giọt bề mặt chai đựng ống đong trước cầm Rửa khu vực bị ảnh hưởng hoàn toàn với nước lạnh, dùng dung dịch natri bicarbonat 5% Acid acetic băng: làm rộp da Sơ cứu: bị acid acetic dính vào tay, cần rửa với nhiều nước Nếu mắt bị thương, rửa 15 phút với nước trước đưa y tế n-Butanol: có mùi khó chịu, gây nhức đầu Butyl acetat: có mùi nồng độ thấp; dễ cháy, gây kích thích da niêm mạc nồng độ cao Chuẩn bị Đọc MSDS (chẳng hạn, trang web http://www.msdsprovider.com) cho hoá chất sử dụng hay tạo qui trình này; nguồn tài liệu tham khảo The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cung cấp thơng tin Trả lời Câu hỏi Bài tập chuẩn bị Đọc Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, 2.19 Hoá chất & dụng cụ Hoá chất Dụng cụ n-Butanol 16 ml Bình cầu dung tích 100 ml Acid axetic băng 10 ml Bộ cất phân đoạn Acid sulfuric đặc Nhiệt kế Dung dịch NaHCO3 bão hồ Bình nón dung tích 100 ml CaCl2 khan Phễu chiết Cách tiến hành phản ứng Chuẩn bị phản ứng Trộn lẫn 13,8 ml n-butanol 25 ml acid acetic băng bình cầu đáy trịn dung tích 100 ml, vừa lắc vừa thêm từ từ 0,5 ml acid sulfuric đặc vào hỗn hợp phản ứng 46 Tiến hành phản ứng Lắp phản ứng đun nóng hồi lưu Cho Hiệu suất ester vài viên đá bọt vào bình phản ứng tiến hành tăng đáng kể đun sôi mạnh 2−3 tăng lượng acid acetic kéo dài thời gian đun nóng hồi lưu lên 12−18 Xử lí phản ứng, phân tách sản phẩm a Sản phẩm nằm lớp trên! Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phịng, rót vào 120 ml nước lạnh, đồng thời b Quá trình khuấy Chuyển vào phễu chiết dung tích rửa tiến 250 ml, tách lấy lớp hữu phía trên, sản hành phẩm ester thô, rửa 30 ml nước lạnh, phễu chiết sau dung dịch NaHCO3 bão hịa đến phải lắc mạnh! ph (lớp nước) lần 30 ml Cần ý có nước lạnh khí CO2 ra! Tách lấy lớp hữu vào bình nón khơ Làm Lắc bình khan CaCl2 khan Na2SO4 khan Lọc nón làm sản phẩm làm khan vào bình cầu dung khan chất lỏng! tích 100 ml Tinh chế sản phẩm Lắp chưng cất phân đoạn Thu lấy phân đoạn sôi nhiệt độ 124−125°C, butyl acetat tinh khiết Hiệu suất theo qui trình 12 g (69% theo lí thuyết) Phân tích sản phẩm Đong thể tích butyl acetat nhận Đo chiết suất Tính hiệu suất sản phẩm nhận 47 n-Butyl acetat tinh khiết chất lỏng khơng màu, có mùi quả, trộn lẫn với ethanol diethyl ether, 100g nước 25°C hoà tan 1g n-butyl acetat Đnc –76,8°C; Đs 124–126°C; d420 0,882; nD20 1,3941 Phổ HN: νC=O 1735 cm-1 Phổ H-CHTN (δ, ppm, CCl4, TMS): 0,93 (t, 3H, CH3CH2CH2CH2-); 1,09–1,72 (m, 4H, CH3CH2CH2CH2–); 1,95 (s, 3H, CH3CO); 3,99 (t, 2H, –CH2–O) THÍ NGHIỆM TỔNG HỢP ISOBUTYL ACETAT O H3C + CH3 C CHCH2 CH2 OH OH H3C Acid acetic, §s 118°C Butan-2-ol, §s 107,9°C M=60,05; d420 1,049, M=74,12; d425 0,804; nD25 1,3717 O H + CH3 C H2O O CH2 CH2 CH(CH3)2 Isobutyl acetat, §s 116-118°C M=116,16; d420 0,87, nD20 1,389 nD251,3939 Mục đích Để chứng minh ester hoá xúc tác acid acid carboxylic với alcohol An tồn phịng thí nghiệm Bởi acid sulfuric đặc có tính ăn mịn mạnh gây bỏng hóa chất nặng, nên khơng để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su xử lí chất phản ứng Lau giọt bề mặt ngồi chai đựng ống đong trước cầm Rửa khu vực bị ảnh hưởng hoàn toàn với nước lạnh, dùng dung dịch natri bicarbonat 5% Acid acetic băng: làm rộp da Sơ cứu: bị acid acetic dính vào tay, cần rửa với nhiều nước Nếu mắt bị thương, rửa 15 phút với nước trước đưa y tế Isobutanol: có mùi khó chịu, gây nhức đầu Isobutyl acetat: có mùi nồng độ thấp; dễ cháy, gây kích thích da niêm mạc nồng độ cao Chuẩn bị Đọc MSDS (chẳng hạn, trang web http://www.msdsprovider.com) cho hoá chất sử dụng hay tạo qui trình này; nguồn tài liệu tham khảo The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cung cấp thông tin Trả lời Câu hỏi Bài tập chuẩn bị Đọc Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, 2.19 48 Hoá chất & dụng cụ Hoá chất Dụng cụ Isobutanol (d420 0,802) 13,8 ml Bình cầu dung tích 100 ml Acid acetic băng 25 ml Bộ cất phân đoạn Acid sulfuric đặc Nhiệt kế Dung dịch NaHCO3 bão hoà Bình nón dung tích 100 ml CaCl2 khan Phễu chiết Cách tiến hành phản ứng Chuẩn bị phản Trộn lẫn 13,8 ml n-butanol 25 ml acid acetic băng bình cầu đáy trịn dung tích 100 ml, ứng vừa lắc vừa thêm từ từ 0,5 ml acid sulfuric đặc vào hỗn hợp phản ứng Nếu hỗn hợp nóng lên cần làm lạnh bình cầu cách nhúng nồi nước lạnh Tiến hành phản Lắp sinh hàn hồi lưu tiến hành đun sôi 2−3 ứng Xử lí phản ứng, phân tách sản phẩm Để nguội hỗn hợp phản ứng, rót vào 120 ml nước lạnh, đồng thời khuấy Rót vào phễu chiết dung tích 250 ml, tách lấy lớp hữu phía trên, sản phẩm ester thô, rửa 20 ml nước lạnh, sau dung dịch NaHCO3 bão hịa đến pH (lớp nước) rửa lần 20 ml nước lạnh a Sản phẩm nằm lớp trên! b Quá trình rửa tiến hành phễu chiết phải lắc mạnh! Cần ý có khí CO2 ra! Tách lấy lớp hữu vào bình nón khơ Làm Lắc bình khan CaCl2 khan Na2SO4 khan Lọc nón làm sản phẩm làm khan vào bình cầu dung khan chất lỏng! tích 100 ml 49 Tinh phẩm chế sản Lắp chưng cất phân đoạn Thu lấy phân đoạn sôi nhiệt độ 116−118°C, isobutyl acetat tinh khiết Hiệu suất điển hình theo qui trình 1,8 ml (69% theo lí thuyết) Phân phẩm tích sản Đo thể tích isobutyl acetat nhận Xác định chiết suất Tính hiệu suất sản phẩm nhận Isobutyl acetat tinh khiết chất lỏng khơng màu, có mùi lê, trộn lẫn với ethanol diethyl ether, 100g nước 25°C hồ tan 1g n-butyl acetat Nó dung làm dung môi Đnc −76,8°C; Đs 116−118°C; d420 0,87; nD20 1,389−1,391 THÍ NGHIỆM TỔNG HỢP METHYL BENZOAT THEO FISCHER O OH O OCH3 H2SO4 + Acid benzoic §nc 122°C; M=122,12 g/mol + CH3OH Methanol §s 64,6°C; d20 0,791 g/cm3; M=32,04 g/mol H2O Methyl benzoat §s 198-199°C; d20 1,094 g/cm3; nD20 1,5170; M=136,15 g/mol Mục đích Để chứng minh ester hoá xúc tác acid acid carboxylic với alcohol An tồn phịng thí nghiệm Bởi acid sulfuric đặc có tính ăn mịn mạnh gây bỏng hóa chất nặng, nên khơng để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su xử lí chất phản ứng Lau giọt bề mặt chai đựng ống đong trước cầm Rửa khu vực bị ảnh hưởng hoàn toàn với nước lạnh, dùng dung dịch natri bicarbonat 5% 50 Chuẩn bị Đọc MSDS (chẳng hạn, trang web http://www.msdsprovider.com) cho hoá chất sử dụng hay tạo qui trình này; nguồn tài liệu tham khảo The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cung cấp thông tin Trả lời Câu hỏi Bài tập chuẩn bị Đọc Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, 2.19 Hoá chất & dụng cụ Hoá chất Dụng cụ Ethanol tuyệt đối 20 ml Bình cầu cổ dung tích 50 ml Acid p-aminobenzoic 2g Sinh hàn hồi lưu Acid sulfuric đặc (d 1,84) ml Cốc thuỷ tinh dung tích 100 ml Cách tiến hành Chuẩn bị thí nghiệm Bộ máy phản ứng bao gồm bình cầu đáy trịn dung tích 100 ml, có lắp sinh hàn hồi lưu Tiến hành phản ứng Cho 10,0 g acid benzoic 25 ml methanol vào bình cầu đáy trịn dung tích 100 ml, làm lạnh hỗn hợp nồi nước đá, rót chậm cẩn thận ml acid sulfuric đặc vào bình cầu theo thành bình, sau lắc để trộn lẫn cấu tử phản ứng Lắp sinh hàn hồi lưu, thêm đá bọt, đun nóng hồi lưu nhẹ Xử lí phản ứng, phân tách sản phẩm Làm lạnh hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phịng, rót vào phễu chiết có chứa sẵn 50 ml nước, tráng bình 35 ml ether ethylic Cho lượng ether vào phễu chiết, lắc kĩ phễu (chú ý không lắc mạnh để tránh tạo nhũ tương), xả bỏ lớp nước, có chứa acid sulfuric lượng lớn methanol Rửa lớp ether phễu chiết 25 ml nước, 25 ml dung dịch NaHCO3 0,5 M để loại bỏ acid benzoic chưa phản ứng Một lần lại lắc phễu chiết, thường xuyên xả áp suất cách lật ngược phễu mở 51 khoá phễu, khơng có phản ứng rõ ràng; sau xả bỏ lớp bicarbonat vào cốc Nếu dung dịch nước acid hố đến mơi trường acid mạnh acid HCl đặc acid benzoic chưa phản ứng quan sát thấy Rửa lớp ether phễu chiết dung dịch NaCl bão hoà, làm khan dung dịch CaCl2 khan bình Erlenmeyer Thêm lượng calci cloride khan vừa đủ cho chúng không cụm lại với đáy bình Để yên 10 phút, lắc đều, gạn dung dịch ether khan vào bình cầu đáy trịn dung tích 100 ml sấy khô, rửa tác nhân làm khô ml ether, gạn vào bình cầu Cất loại ether cách chưng cất đơn nồi cách thuỷ, chưng cất lấy sản phẩm methyl benzoat sử dụng sinh hàn khơng khí (sinh hàn khơng có nước chảy qua, điểm sơi ester cao, 199°C, nên sinh hàn làm lạnh nước có khả bị nứt) sử dụng bình Erlenmeyer dung tích 25 ml để làm bình hứng Thu lấy phân đoạn sơi 190–199°C Phân tích sản phẩm Methyl benzoat chất lỏng khơng màu, sánh Đs 199°C; d20 1,094 g/cm3, nD20 1,5170 Tan tốt methanol, ethanol, ether, toluen Phổ methyl benzoat dẫn dưới, bao gồm phổ IR (KBr), 1H NMR (400 MHz, CDCl3), 13C NMR (100 MHz, CDCl3) EI-MS Phổ IR (KBr), 1H NMR (250 MHz, CD3OD) 13C NMR (100 MHz, CD3OD) acid benzoic dẫn Chương 16   (neat) 52   (400 MHz, CDCl3)   100 Mhz, CDCl3 O OCH 53 THÍ NGHIỆM ĐIỀU CHẾ BENZOCAINE (ETHYL p-AMINOBENZOAT) Mục đích Để chứng minh ester hoá xúc tác acid acid carboxylic với alcohol An tồn phịng thí nghiệm Bởi acid sulfuric đặc có tính ăn mịn mạnh gây bỏng hóa chất nặng, nên khơng để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su xử lí chất phản ứng Lau giọt bề mặt ngồi chai đựng ống đong trước cầm Rửa khu vực bị ảnh hưởng hoàn toàn với nước lạnh, dùng dung dịch natri bicarbonat 5% Chuẩn bị Đọc MSDS (chẳng hạn, trang web http://www.msdsprovider.com) cho hoá chất sử dụng hay tạo qui trình này; nguồn tài liệu tham khảo The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cung cấp thông tin Trả lời Câu hỏi Bài tập chuẩn bị Đọc Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, 2.19 Hoá chất & dụng cụ Hố chất Dụng cụ Acid p-aminobenzoic 2g Bình cầu cổ dung tích 50 ml Ethanol tuyệt đối 20 ml Sinh hàn hồi lưu Acid sulfuric đặc (d 1,84) ml Cốc thuỷ tinh dung tích 100 ml Nồi cách cát Cách tiến hành Chuẩn bị thí nghiệm Tiến hành phản ứng 54 Thêm 2,0 g acid p-aminobenzoic 20 ml ethanol tuyệt đối vào bình cầu đáy trịn dung tích 100 ml Lắc hỗn hợp chất rắn hịa tan hồn toàn Thêm ml acid sulfuric theo giọt vào dung dịch ethanol acid p-aminobenzoic, lắc hỗn hợp Lắp sinh hàn hồi lưu Sử dụng nồi cách cát làm mơi trường truyền nhiệt Đun nóng hồi lưu nhẹ hỗn hợp phản ứng 30 phút nồi cách cát nhiệt độ 130–140°C Nếu rắn cịn bình cầu, loại bỏ nguồn nhiệt làm nguội hỗn hợp 2–3 phút, thêm ml ethanol 0,5 ml H2SO4 đặc vào bình phản ứng tiếp tục đun nóng hồi lưu Sau hỗn hợp phản ứng trở nên đồng Ta thêm ethanol acid sulfuric mà không cần loại bỏ nhất, tiếp tục đun nóng hồi lưu nhẹ nhàng 30 phút Để thí nghiệm thành cơng, điều quan trọng tất chất rắn phải hòa tan giai đoạn đun nóng hồi lưu Thời gian phản ứng tổng cộng khoảng 1,5–2 Xử lí phản ứng, phân tách sản phẩm Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phịng, sau đổ vào cốc có chứa 60 ml nước Đưa hỗn hợp pH khoảng cách thêm từ từ dung dịch natri carbonat 10% khuấy Cần phải cẩn thận bước này, tạo bọt xảy trung hồ Trước đó, ta phải tính tốn thể tích xấp xỉ dung dịch natri carbonat 10% cần dùng để trung hoà lượng acid sulfuric sử dụng Bằng cách lọc chân không, thu thập kết tủa benzocaine thô Sử dụng ba phần 20 ml nước lạnh để rửa chất rắn từ cốc rửa bánh lọc, sau phơi khơ sản phẩm ngồi khơng khí Tinh chế Cân sản phẩm thơ chuyển vào bình Erlenmeyer dung tích 100 ml có chứa sẵn 40 ml nước Đun nóng hỗn hợp lắc đến khoảng 60°C, sau thêm lượng vừa đủ methanol để hòa tan chất rắn (10–20 ml); không thêm nhiều methanol cần thiết Khi chất rắn hoà tan, để nguội dung dịch đến nhiệt độ phịng sau làm lạnh nồi nước đá 10–15 phút để hoàn thành việc kết tinh Lọc tinh thể chân không, rửa với 10–20 ml nước lạnh, phơi khơ ngồi khơng khí Hiệu suất điển hình 2,4 g (~62%) Phân tích sản phẩm Cân sản phẩm kết tinh lại tính tốn hiệu suất Xác định điểm nóng chảy nguồn nhiệt, song cần ngắt nguồn điện bếp đun Có thể dùng ethanol 96% thay cho methanol Benzocaine (Ethyl p-aminobenzoat) chất rắn có màu trắng ngà, Đnc 89–92°C Ít tan nước, độ tan nước 0,4 g/l 25°C Benzocaine chất gây tê cục bộ, thành phần hoạt động nhiều sản phẩm thuốc bán không cần kê đơn, dùng để giảm đau miệng nướu nhiều trường hợp Sản phẩm thuốc chứa benzocaine có dạng gel, thuốc xịt, chất lỏng, viên ngậm Phổ acid p-aminobenzoic benzocaine dẫn dưới, bao gồm phổ IR, H NMR, 13C NMR EI-MS 55 CO2H NH2 125 MHz, D2O 56 CO2H NH2 (KBr) 57 COOC NH 2H 15 MHz, CDCl3 COOC 2H NH2 –––––––––––––––––––––––––––––––––– CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHUẨN BỊ Tại phải sử dụng ethanol tuyệt đối thay ethanol 95% thí nghiệm này? Hãy đề nghị cấu trúc cho chất rắn tách acid sulfuric đặc thêm vào dung dịch acid p-aminobenzoic ethanol Hãy lựa chọn chất làm khan thích hợp để loại vết nước khỏi ethyl acetat từ chất làm khô sau: NaOH rắn, KOH rắn, Na2SO4, CaCl2, P2O5, CaO, Na2CO3, MgSO4 Hãy lựa chọn phương pháp thích hợp để tách (loại bỏ) ethanol (Đsơi 78,33oC) khỏi ethyl acetat (Đsôi 77,1oC): (a) Chưng cất với cột cất phân đoạn, dùng nguồn nhiệt cách thuỷ (b) Dùng dung dịch CaCl2 bão hoà (c) Dùng dung dịch CaCl2 rắn 58 Trong qui trình điều chế ethyl acetat, mục đích thao tác thí nghiệm sau gì? Giải thích (a) Rửa lớp hữu dung dịch natri carbonat 30% (b) Rửa lớp hữu dung dịch calci cloride cách lắc mạnh (c) Xử lí lớp hữu calci cloride khan Nhiệt độ sôi phần cất sản phẩm ethyl acetat số thao tác thực nghiệm Câu thực không đúng? Tại phải sử dụng ethanol tuyệt đối thay ethanol 95% thí nghiệm này? Tại chất rắn nêu Bài tập cần phải hoà tan trình phản ứng nhận hiệu suất cao ethyl p-aminobenzoat? Natri carbonat sử dụng để điều chỉnh pH đến xử lí phản ứng (a) Tại cần phải điều chỉnh pH trước chiết hỗn hợp nước với diethyl ether? (b) Phản ứng khơng mong muốn xảy ta làm cho dung dịch có tính base mạnh dung dịch NaOH? (c) Hãy viết chế bước cho phản ứng Phần (b) sử dụng mũi tên cong để chiều chuyển dịch electron 10 Hãy xem xét cân ester hoá acid p-aminobenzoic acid ethyl p-aminobenzoat (a) Hãy viết biểu thức toán học cho số cân bằng, Keq, hàm số nồng độ sản phẩm cho phản ứng (b) Hãy đưa hai cách riêng biệt mà nguyên lí Le Chatelier áp dụng để làm cho phản ứng hoàn toàn thành ester ethyl p-aminobenzoat (c) Một kĩ thuật Phần b sử dụng thực hành 11 Nói chung, acid mạnh sử dụng để xúc tác cho ester hoá Fischer acid carboxylic Hai bước phản ứng làm tăng tốc độ có mặt acid mạnh, nhóm chức đóng vai trị acid bước này? 12 Hãy xem xét số liệu phổ acid p-aminobenzoic dẫn (a) Trong vùng nhóm chức phổ IR, hấp thụ liên quan với hợp phần carbonyl nhóm carboxyl Nhóm chức chịu trách nhiệm hấp thụ rộng vùng khoảng 2800 cm–1, băng hấp thụ lại rộng (b) Trong phổ 1H NMR, qui kết cộng hưởng khác cho proton (c) Đối với phổ carbon 13 C NMR, qui kết cộng hưởng khác cho hạt nhân 13 Hãy xem xét số liệu phổ ethyl p-aminobenzoat dẫn (a) Trong vùng nhóm chức phổ IR, hấp thụ liên quan với hợp phần carbonyl nhóm ester Nhóm chức chịu trách nhiệm hấp thụ rộng vùng khoảng 3200 cm–1, băng hấp thụ lại rộng (b) Trong phổ 1H NMR, qui kết cộng hưởng khác cho proton (c) Đối với phổ 13C NMR, qui kết cộng hưởng khác cho hạt nhân carbon 59 14 Hãy thảo luận khác quan sát thấy phổ IR NMR acid p-aminobenzoic ethyl p-aminobenzoat phù hợp với tạo thành sản phẩm cuối qui trình điều chế ester 15 Trong việc điều chế methyl benzoat, mục đích việc rửa lớp hữu dung dịch natri bicarbonat gì? việc rửa lớp hữu dung dịch natri cloride bão hoà gì? việc xử lí lớp hữu CaCl2 khan? –––––––––––––––––––––––––––––––––– 60 ... số phản ứng điển hình acid carboxylic dẫn xuất Chẳng hạn, ta thực phản ứng ester hoá Fischer, phản ứng cổ điển hóa hữu phát nhà hoá học giải Nobel, Emil Fischer, để điều chế tác nhân gây tê benzocaine... Rửa lớp hữu dung dịch natri carbonat 30% (b) Rửa lớp hữu dung dịch calci cloride cách lắc mạnh (c) Xử lí lớp hữu calci cloride khan Nhiệt độ sôi phần cất sản phẩm ethyl acetat số thao tác thực nghiệm... lớp hữu phía trên, sản hành phẩm ester thô, rửa 30 ml nước lạnh, phễu chiết sau dung dịch NaHCO3 bão hòa đến phải lắc mạnh! ph (lớp nước) lần 30 ml Cần ý có nước lạnh khí CO2 ra! Tách lấy lớp hữu