11. Chuyển hoá và tổng hợp phosgene
Sơ đồ dưới đây trình bày các một vài con đường để điều chế các hợp chất A, B và C - chúng được sử dụng rất rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, nhất là về lĩnh vực hố học peptit. Kết quả phân tích nguyên tố cho thấy hợp chất B có chứa 12,12% cacbon và 16,16% oxi về khối lượng. Các hợp chất A, H và I ở dạng khí dưới điều
kiện thường. Hợp chất C có thể thu được bằng cách sục khí clo vào E lỏng ở 20-
600C dưới sự hiện diện của các tác nhân khơi mào phản ứng tự do. Mặc khác, người ta nhận thấy, khi tiến hành chưng chất thì C phân huỷ đáng kể thành hợp chất
B. Hợp chất B bền dưới điều kiện thường nhưng khi có sự hiện diện của axit Lewis
thì bị phân huỷ tạo thành hỗn hợp các hợp chất H (ở dạng hơi có tỉ khối đối với
khơng khí là 1,517) và G. Khi đun nóng trên 3000C, B phân huỷ hồn tồn trong pha khí tạo thành hợp chất A.
1) Hãy vẽ cấu trúc cho các hợp chất A – H và gọi tên theo danh pháp IUPAC
các hợp chất A, B và C.
2) Bằng dữ kiện phổ 1H NMR, người ta nhận thấy rằng trong q trình chuyển hố E thành C thì có thì thu được 8 sản phẩm. Hãy cho biết các sản phẩm
đó.
3) Hãy viết các phương trình phản ứng của các hợp chất A, B, C với lượng dư các axit hữu cơ, amin bậc 2, amin bậc 1 và N-metylfomamit.
Hướng dẫn
Chất B được tạo thành từ sự clo hố. Do đó có thể giả thiết rằng, bên cạnh carbon và oxygen, B cịn có chứa chlorine. Thành phần nguyên tố dẫn đến sự kết luận rằng công thức đơn giản nhất của hợp chất này là COCl2. Có một chất như thế tồn tại, đó chính là phosgene (carbonic acid dichloride). Tuy nhiên, chất B khơng thể là phosgene vì nó phân huỷ thành một chất A đơn giản hơn, A có phản ứng tương tự như B. Do đó, A là phosgene và B là diphosgene (COCl2)2, Cl3CO-CO-Cl (trichloromethyl carbonyl chloride, trichloromethyl chloroformate). Phosgene thu được nhờ sự clo hố có xúc tác với CO (1). Diphosgene được điều chế nhờ phản ứng clo hoá methyl formate CH3OCHO (F). Chất A phản ứng với methanol trong hai bước (bước đầu tiên tạo thành D, bước thứ hai tạo thành E), cụ thể các nguyên tử chlorine của phosgene đã được thay thế hoàn toàn:
29
Sự clo hoá D diễn ra qua sự thay thế hoàn toàn các nguyên tử hydrogen của nhóm methyl bằng chlorine để tạo thành B. Tương tự, phản ứng clo hoá E cũng xảy ra sự thay thế hoàn toàn tất cả các nguyên tử hydrogen của nhóm methyl.
Chất C là triphosgene Cl3CO-CO-OCCl3 hoặc (COCl2)3 bis-(trichloromethyl) ester của carboxylic acid hoặc bis-(trichloromethyl) carbonate. Tương tự như phosgene và diphosgene, chất C là một tác chất chloro-formyl hố rất tốt. Nó thay thế các proton linh động trong phản ứng với methanol bằng nhóm formyl, từ đó tạo thành hợp chất D.
Năm 1887, người ta đã phát hiện ra rằng diphosgene B phân huỷ tại nhiệt độ 3000C trong pha khí với sự tạo thành hai phân tử phosgene. Trong pha lỏng, nó phân huỷ ở nhiệt độ phịng dưới sự hiện diện của clorua kim loại (chẳng hạn nhôm clorua). Các sản phẩm tạo thành là CO2 (H) và CCl4 (G). Thật sự, tỉ khối hơi của hỗn hợp K và G là 3.21 (J. Amer. Chem. Soc., 1933, v.55, p.214).
Các phản ứng của phosgene
31 Các phản ứng của triphosgene:
12. Hợp chất Grignard
Các tác chất Grignard là các hợp chất cơ kim có cơng thức tổng quá là RMgX, trong đó R đại diện cho một nhóm thế hữu cơ và X là halogen. Vào năm 1912, V. Grignard đã được trao giải Noel trong hố học vì phát hiện ra chúng. Những hợp chất này được tạo thành theo phương trình sau đây:
Ở đây R đại diện cho các nhóm aryl, alkyl hoặc vinyl khác nhau.
1) Hãy chọn (các) dung mơi thích hợp để điều chế tác chất Grignard: a) CH2Cl2
b) Diethyl ether c) Nước
d) Acetone
2) Halogen X nào có thể được sử dụng trong phản ứng tổng hợp tác chất Grignard theo sơ đồ trên ?
a) F b) Cl c) Br d) I
3) Tác chất Grignard tham gia vào một lượng rất lớn các phản ứng khác nhau. Nhiều phản ứng trong đó có vai trị quan trọng trong thực tiễn. Dưới đây là một số phản ứng chưa hồn thành có sự tham gia của nó. Hãy vẽ công thức cấu tạo của các sản phẩm, biết rằng:
- A, B, C, D và E là các đồng phân. - F và G là các đồng phân.
- I và J là các đồng phân.
- Các hợp chất K và L chức 10 nguyên tử carbon. - Công thức phân tử của M là C18H18O3
Hướng dẫn:
1) Tổng hơp các tác chất Grignard có thể được tiến hành chỉ torng một dung môi đã được liệt kê ra trong đề bài, đó là diethyl ether. Tác cả các dung môi khác sẽ phản ứng rất nhanh với tác chất Grignard.
2) Tổng hợp các tác chất Grignard khả dĩ với tất cả các halogen (F, Cl, Br và I). Thông dụng nhất là iodua, bromua và clorua được dùng để tạo các tác chất Grignard dưới điều kiện tiêu chuẩn. Nếu sử dụng magie đã hoạt hố, thì có thể dùng flouride. Magie hoạt hố có thể thu được bằng cách khử magie clorua với kali dưới điều kiện khí trơ. Một dung dịch keo của magie trong dung môi hữu cơ cũng có thể được dùng.
3) Giải thích cho các phản ứng trong đề bài để chỉ rõ vai trò của tác chất Grignard.
(1) Phản ứng điển hình của tác chất Grignard là cộng vào carbon có tính electrophile của nhóm carbonyl. Vì thế, A là một alcohol bậc 3. Trong
35
(2) Một phản ứng nổi tiếng khác của các hợp chất cơ kim là phản ứng cộng vào ester (trong trường hợp này là vào carbonate). Sản phẩm B là đồng phân của A, triethylcarbinol hay 3-ethylpentanol-3.
(3) Theo điều kiện phản ứng, C là một đồng phân của A và B. Trong trường hợp này, nguyên liệu ketone ban đầu chứa cùng số nguyên tử carbon như A và B. Độ bất bão hồ của nó cao hơn 1 đơn vị. C là một alcohol bậc 2, sản phẩm của quá trình khử ketone. Nguyên nhân chính cho con đường phản ứng này là do sự án ngữ lập thể đã ngăn chặn isopropyl magie bromua cộng vào keton. Ở đây tác chất Grignard đóng vai trị là tác nhân khử.
(4) Aldehyde trong đề bài sẽ được tác chất Grignard cộng vào đề tạo thành hai sản phẩm đồng phân dia D và E. Điều này là do có sự hình thành một tâm bất đối mới từ phân tử ban đầu.
(5) Phản ứng cộng vào alpha,beta-không no ketone xảy ra theo hai con đường: cộng theo kiểu 1,2 bình thường vào nhóm carbonyl và cộng liên hợp 1,4 (F và G).
(6) Một ứng dụng khác của các hợp chất cơ kim là tổng hợp các carboxylic acid. Tác chất Grignard trong phản ứng cịn có tên gọi là tác nhân Jocic. Nó phản ứng với hai phân tử CO2 để tạo thành acetylenedicarboxylic acid H
(7) Sự mở vòng ethylene oxide nhờ tác nhân nucleophile là hợp chất cơ kim, sẽ tạo thành sản phẩm 2-phenylethanol I
(8) Mật độ điện tử trong vòng benzyl của tác chất Grignard được phân bố chủ yếu giữa hai vị trí ortho và para của vịng benzene; sản phẩm chính của phản ứng được tạo thành cùng với 2-phenylethanol I là o-methyl benzylic alcohol J.
(9) Một ví dụ khác của phản ứng cộng vào ester. Sản phẩm là alcohol benzyl bậc 3 H
(10) Trong trường hợp này, phản ứng cộng vào ester bị án ngữ lập thể. Do đó hướng tấn công SN2 của tác nhân nucleophile xảy ra trên nguyên tử bậc hai của nhóm butyl liên kết với oxygen. Nhóm xuất là carboxylate anion. Sau khi trung hoà thu được 2,4,6-trimethylbenzoic acid. Một khả năng khác có thể xảy ra là tạo thành n-butylbenzen, chất này cũng chứa 10 nguyên tử carbon.
(11) Trong trường hợp này các ngun tử hydrogen có tính acid cao vì vị trí của chúng nằm giữa nhóm ester và vịng phenyl. Tác chất Grignard đóng vai trị là một base. Phản ứng ngưng tụ Claisen (ngưng tụ ester) xảy ra thu được chất M.
(12) Nhóm methyl và tính thơm của sản phẩm thu được dẫn đến kết luận rõ ràng rằng nhóm nitro đã bị tác nhân nucleophile tấn cơng, sau đó được khử hố. Cơng thức phân tử của hợp chất cho thấy rằng sự vịng hố đã diễn ra. Hợp chất N là 7-methylindole.
37
13. Hydrocarbon không no, hoạt động
Người ta điều chế hydrocarbon C6H4 theo sơ đồ dưới đây:
Theo ghi nhận của Bergman, khi đun nóng hợp chất C6H4 trong một ống kín với dung mơi hexane thì thu được benzene, cịn khi đun nóng trong CCl4 thì thấy tạo thành 1,4-dichlorobenzene.
Những phản ứng này đều diễn ra qua sự tạo thành chất trung gian rất hoạt động [X]:
Hợp chất C12H14O2 trong nước ở 370C dưới sự hiện diện của ADN với chu kì bán huỷ là 11,8 giờ thì thu được sản phẩm là 2,3-dihydroxymethyl-1,2,3,4- tetrahydronaphthalene, quá trình phản ứng có sự tạo thành một chất trung gian có bản chất tương tự [X]. Kết quả dẫn đến sự phân cắt mạch kép của AND và hợp chất C12H14O2 có hoạt tính tương tự nhóm kháng sinh ADN là calicheamicin.
1) Xác định cấu trúc các hợp chất A – D và C6H4.
2) Đề nghị cấu trúc chất trung gian X trong chuỗi chuyển hoá của Bergman. 3) Xác định cấu trúc các hợp chất chưa biết trong chuỗi chuyển hoá của
Bergman. Cho biết giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng và giai đoạn cắt mạch kép của ADN.
4) Hãy tính hằng số tốc độ của C12H14O2 và thời gian để 80% lượng chất ban đầu tham gia phản ứng.
5) Giải thích về sự giảm đáng kể nhiệt độ của phản ứng giữa C6H4 (2000C) và C12H14O2 (370C) các q trình chuyển hố trên..
Hướng dẫn:
1) Sự chuyển hoá từ C2H2 (acetylene) thành hydrocarbon C6H4 dựa trên những phản ứng thơng dụng. Phổ 1H NMR của C6H4 có hai mũi đa có cùng cường độ, do đó, có hai nhóm nguyên tử hydrogen tương đương nhau. Trong phân tử C6H4, nhóm thứ nhất là hai nguyên tử hydrogen ở C(1) và C(6), nhóm thứ hai là hai nguyên tử hydrogen ở C(3) và C(4). Phản ứng cộng Br2 xảy ra dễ dàng hơn ở liên kết đôi trong phân tử enyne.
2) Dựa trên cấu trúc của các sản phẩm, C6H4 có xảy ra phản ứng vịng thơm hố. So sánh hai sản phẩm (C6H6 và 1,4-dichlorobenzene) suy ra có hai nguyên tử mới được gắn và C(1) và C(4). Nguồn gốc của những nguyên tử này từ dung môi. Trong gian X là hợp chất có hai gốc tự do.
3) Hợp chất C12H14O2 là một enediyne, và X là chất có hai gốc tự do. Từ đó, dựa trên cấu trúc của sản phẩm ở trên ta suy ra:
Vì hai gốc tự do rất hoạt động, nên bước đầu tiên là bước quyết định tốc độ phản ứng.
4) Bước đầu tiên là bước đơn phân tử. Vì vậy có thể giả thiết rằng phản ứng tuân theo động học bậc một. Do đó:
5) Tốc độ của phản ứng vịng thơm hố phụ thuộc đáng kể vào khoảng cách của các nguyên tử carbon thứ nhất và thứ sáu của chất enediyne. Có một sự cản trở góc đang kể trong vòng 10 cạnh của hợp chất C12H4O2. Trong quá trình vịng hố thì sức căng bị loại bỏ. Đó là lý do vì sau nhiệt độ được hạ thấp đáng kể.
39
14. Xúc tác phức kim loại
Thực hiện các phản ứng hữu cơ dưới sự hiện diện của các kim loại chuyển tiếp (xúc tác các phức kim loại) trong một thập kỉ vừa qua là một trong những phương pháp tổng hợp quan trọng, khơng chỉ trong phịng thí nghiệm mà cịn trên qui mơ công nghiệp.
Dưới đây là một sơ đồ chuyển hoá mà trong đó có nhiều giai đoạn được tiến hành với xúc tác là các phức kim loại. Hợp chất D và đồng phân của nó H, có cùng cơng thức phân tử là C24H12 và đều cho hai tín hiệu với 1H NMR và bốn tín hiệu với
13C NMR.
Cho biết các dữ kiện trong phổ NMR
A: 1H: δ 0,26 (s), 13C: 4 tín hiệu
B: 1H: δ 3,17 (s), 13C: 3 tín hiệu
C: 1H: δ 0,42 (s); 7,43 (s) và tỉ lệ cường độ là 9:1
H: 13C: 4 tín hiệu, 1H AA’XX’ (2 mũi đa 1/1) tâm tại 7,46 ppm và 7.22 ppm
I: 1H: δ 4,19 (s), 6,84 (m), 6,92 (m) (1:1:1); 13C: 4 tín hiệu.
Hoàn thành chuỗi tổng hợp, xác định cấu trúc các hợp chất A – I.
Hướng dẫn
Phản ứng điều chế A và E là các phản ứng ghép cặp, được xúc tác bởi phức chất của các kim loại chuyển tiếp. Phản ứng này diễn ra với sự tạo thành các liên kết C – C mới. Sự chuyển hoá A → B, C → D, G → D và F’ → F nhằm loại bỏ nhóm bảo vệ silyl. Các chuyển hoá B → C, E → F’ và F → G là các phản ứng vòng thơm
hố, chẳng hạn vịng hố alkyne có xúc tác kim loại sẽ tạo thành các vòng benzene. Chất D là tris(benzocyclobutadieno)benzene (dibenzo[3,4:3’,4’]bicyclobuta[1,2-
a:1’,2’-c]biphenylene. Xét về mặt lý thuyết, hệ thống như vậy khá thú vị vì nó vừa chứa một vịng 4 cạnh phản thơm và Kekule benzene, cụ thể là vòng 6 cạnh với các liên kết đơn và đôi thay đổi khu trú. Một cấu trúc như vậy chỉ có trên giả thuyết trong những thời gian trước đây. Theo dữ kiện phổ X ray của C, vịng trung tâm có ba liên kết đôi C=C với độ dài là 1.333, 1.335, 1.338 angstrom và ba liên kết C – C với độ dài là 1.502, 1.486, 1.495 angstrom. Cả hai chất C và D đều bền về mặt nhiệt động. Nhiệt độ nóng chảy của C hơn 3150C và D bền tới tận 4000C (đun nóng ở nhiệt độ này khoảng 10 phút thì 50% sẽ chuyển hoá về hợp chất ban đầu). Tuy nhiê, vì khơng có sự làm bền bằng tính thơm và sức căng góc lớn, nên q trình đồng phân hố diễn ra dưới điều kiện nhiệt phân. Sản phẩm của quá trình này là hợp chất H rất bền trong điều kiện nhiệt phân. Hydrogen hoá hợp chất D dưới điều kiện êm dịu, thì chỉ có vịng trung tâm bị tác dụng và tạo thành hợp chất I. Các nguyên tử hydrogen của vòng cyclohexane 6 cạnh đều ở vị trí cis.
15. Hợp chất có cấu trúc của kim cương
Kim cương - một khoáng vật rất hiếm – là một trong các dạng thù hình của cacbon. Các hợp chất A (C10H16) và B (C14H20) là những hiđrocacbon có cấu trúc
của kim cương. A thu được khi đun nóng hợp chất C, có cơng thức phân tử C10H16, với nhôm bromua. Mặt khác C là sản phẩm của q trình hiđro hố hợp chất D
(C10H12). D có nhiều tính chất thú vị, chẳng hạn, khi được đun nóng, nó chuyển hố thành hợp chất E (có nhiệt độ sơi là 410C), khi để nguội thì lại thu được chất D ban đầu. Phản ứng giữa E với etilen khi được đun nóng sẽ tạo thành hiđrocacbon F
(C7H10). Đimer hoá chất này nhờ gốc tự do, thì thu được sản phẩm G. G bị đồng
phân hố tạo thành chất B khi được xử lí với nhơm bromua. 1) Hãy cho biết các dạng thù hình khác của cacbon ? 2) Xác định cấu trúc và gọi tên các hợp chất A và B.
3) Xác định cấu trúc và gọi tên các hợp chất C, D, E, F và G.
4) Quá trình đồng phân hố C thành A và G thành B khi có sự hiện diện của
nhôm bromua diễn ra như thế nào ?. Hãy cho biết động lực của q trình đồng phân hố này ?
5) Cho biết tên gọi của phản ứng giữa E với etilen ?
6) Hãy cho biết những điểm khác biệt chủ yếu giữa phản ứng đime hoá E thành
D và F thành G ? Hướng dẫn:
1) Các dạng thù hình của carbon là kim cương, graphite, carbyne và fullerene. 2) Hydrocarbon A và B là adamantane và diamantane (congressane).
Congressane được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1957 bở Paul von Ragué Schleyer. Hợp chất này được đặt tên theo Hội hghị quốc tế và hoá học lý thuyết và ứng dụng (London, 1963). Công thức của congressane được chấp nhận làm logo cho hội nghị.
3) Các tiền chất trong tổng hợp adamantane là dimer của cyclopentadiene đã được hydrogen hoá và sản phẩm của phản ứng dimer hố norbornene bằng ánh sáng. Những chất này có thể được điều chế từ cyclopentadiene E theo