🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Hóa Học Hữu cơ - Tập 2 Ebooks Nhóm Zalo ĐẶNG NHƯ TẠI - NGÔ THỊ THUẬN HÓA HỌC HỮU Cơ ■ Tập 2 (T á i b ả n lầ n th ứ n h ấ t) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DUC VIÊT NAM L Ờ I N Ó I Đ Ầ U N hằm đáp ứng yêu cầu nâng cao kiến thức về hóa học hữu cơ ở bậc đại học, chúng tôi biên soạn giáo trình Hóa hoc Hữu cơ gồm hai tập, mỗi tập có 1 0 chương. N ội dung tập 1 đề cập đến các chương : Đại cương về hóa học hữu cơ ; H iđrocacbon no ; H iđrocacbon không no ; H iđrocacbon thơm ; Dầu m ỏ và khí thiên nhiên ; Hóa học lập thể ; Phương pháp phổ và cấu tạo hợp chất hữu cơ ; Dẫn xuất halogen của hiđrocacbon ; H ợp chất cơ nguyên tô"; Ancol, phenol và ete. Nội dung tập 2 gồm các chương : A nđehit và x eto n ; Axit cacboxylic và dẫn x u â 't; H ợp chất hữu cơ chứa nitơ ; Hóa học enol và ion e n o la t; H ợp chất dị vòng ; C acbohiđrat ; Amino axit, peptit và protein ; Phân tích tông hợp lùi ; Steroit và ancaloit ; Thuôc chữa bệnh từ hợp chất hữu cơ. Giáo trình này được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các trường đại học, cho học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên về hóa học, nó cũng được dùng làm tài liệu cho cán bộ giảng dạv đại học, cán bộ nghiên cứu, giáo viên các trường phổ thông, học sinh chuyên hóa và nhữ ng ai quan tâm đến hóa học hữu cơ. C húng tôi xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho bản thảo. Mặc dù đã có nhiều cô' gắng, nhưng chắc chắn sách còn có những chỗ chưa làm hài lòng bạn đọc. C húng tôi rất m ong nhận được ý kiến đóng góp xây dựng đê nội dung sách ngày càng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về Công ty c ổ phần sách Đại học - Dạy nghề, Nhả xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 H àn Thuyên, H à Nội. Các tác giả I M Ụ C L Ụ C Chương 11. ANĐEHIT VÀ XETON .......................................................................................................................... 1 11.1 Danh pháp ...........................................................................................................................................................1 11.2 Tính chất vật l ý ................................................................................................................................................ 3 Ỷ ANĐEHIT - XETON NO VÀ T H Ơ M ......................................................................................................10 11.3 Tính chất hóa học ..........................................................................................................................................10 11.3.1 Đậc điểm của nhóm cacbonyl........................................................................................................................10 11.3.2 Phản ứng cộng nucleophin.............................................................................................................................. 11 11.3.3 Phản ứng với họp chất cơ lithi........................................................................................................................22 11.3.4 Tác dụng với các dẫn xuất một lần thế của amoniac. Phản ứng thế nguyên tử oxi-cacbonyl ........... 23 11.3.5 Các phản ứng với hợp chất có nhóm metylen linh động .......................................................................... 28 11.3.6 Phản ứng với ylit photpho (phản ứng V ittic)...............................................................................................28 11.3.7 Sự tạo thành oxiran khi tương tác hợp chất cacbonyl với ylit lưu huỳnh................................................31 11.3.8 Các phản ứng thế ở gốc hiđrocacbon ........................................................................................................... 32 11.3.9 Các phản ứng k h ử ............................................................................................................................................33 11.3.10 Phản ứng oxi hóa anđehit và xeton .............................................................................................................. 40 11.3.11 Phản ứng ngưng tụ benzoin............................................................................................................................46 11.3.12 Phản ứng đecacbonyl hóa các anđehit .........................................................................................................47 11.3.13 Phản ứng tự oxi hóa của anđehit...................................................................................................................47 11.4 Phương pháp điều chẻ ..................................................................................................................................48 11.4.1 Đi từ hiđrocacbon ............................................................................................................................................48 11.4.2 Đi từ dẫn xuất halogen....................................................................................................................................50 11.4.3 Đi từ ancol .........................................................................................................................................................51 11.4.4 Đi từ axit cacboxylic và muối của chúng.................................................................................................... 52 11.4.5 Đi từ dẫn xuất của axit cacboxylic................................................................................................................53 11.4.6 Sử dụng 1,3-đithian trong tổng hợp anđehit và xeton ...............................................................................54 11.4.7 Các phương pháp riêng điều chế anđehit và xeton thơm ...........................................................................55 11.5 Giới thiệu các chất tiêu b iể u ....................................................................................................................... 58 11.6 Hợp chất thiocacbonyl..................................................................................................................................64 HỢP CHẤT POLICACBONYL ..............................................................................................................65 11.7 Hợp chất 1,2-đicacbonyl.............................................................................................................................. 65 11.7.1 Phương pháp điều chế......................................................................................................................................65 11.7.2 Các phản ứng của hợp chất 1,2-đicacbonyl..................................................................................................66 11.7.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu ..........................................................................................................................67 11.8 Hợp chất 1,3-đicacbonyI............................................................................................................................... 68 11.8.1 Tautome xeto-enol............................................................................................................................................68 11.8.2 Phương pháp điều c h ế ...................................................................................................................................... 69 11.8.3 Các phản ứng của hợp chất 1 ,3 -đicacbonyl.................................................................................................. 69 11.8.4 Giới thiệu các chất tiêu biểu ...........................................................................................................................70 11.9 Hợp chất 1,4-đicacbonyl................................................................................................................................71 11.10 Hợp chất tricacbonyl ..................................................................................................................................... 71 HỢP CHẤT CACBONYL KHÔNG N O ............................................................................................... 72 11.11 Xeten ...................................................................................................................................................................72 11.11.1 Phương pháp điều chế....................................................................................................................................... 73 11.11.2 Cấu tạo và tính chất...........................................................................................................................................73 11.11.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu ...........................................................................................................................75 11.12 Hợp chất cacbonyl a , P-khỏng n o ...............................................................................................................76 11.12.1 Phương pháp điều chế....................................................................................................................................... 76 11.12.2 Tính chất hóa h ọ c..............................................................................................................................................76 11.12.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu ...........................................................................................................................78 11.13 Q u in on ............................................................................................................................................................... 79 O X IM ................................................................................................................................................................ 81 11.14 Đồng phân lập thể của oxim ........................................................................................................................ 81 11.15 Phản ứng của oxim .........................................................................................................................................83 11.15.1 Phản ứng với axit và b a zơ ................................................................................................................................83 11.15.2 Các phản ứng ankyl hóa và axyl hóa...............................................................................................................83 11.15.3 Sự chuyển vị Becm an........................................................................................................................................83 11.16 Các hợp chất halogencacbonyl ................................................................................................................... 85 11.16.1 Phương pháp điều c h ế ...................................................................................................................................... 85 11.16.2 Phản ứng của các hợp chất halogencacbonyl...............................................................................................86 11.16.3 Các hợp chất halogencacbonyl tiêu b iểu .......................................................................................................87 CÁC HỢP CHẤT H IĐROXICACBONYL...........................................................................................88 11.17 Hợp chất 1,2-hiđroxicacbonyI..................................................................................................................... 88 11.17.1 Phương pháp điều chế hợp chất 1,2-hiđroxicacbonyl ................................................................................ 88 11.17.2 Phản ứng của các hợp chất 1,2-hiđroxicacbonyl......................................................................................... 89 11.17.3 Một số hợp chất 1,2-hiđroxicacbonyl tiêu biểu .......................................................................................... 89 11.17.4 Các anđehitphenol và xetophenol .................................................................................................................. 91 Tóm tát về hóa học A N Đ E H IT .................................................................................................................................... 93 Tóm tát về hóa học XETON .........................................................................................................................................95 iv Chương 12. AXIT CACBOXYLIC. DAN x u ấ t c ủ a AXIT CACBOXYLIC. DẪN XUẤT CỦA AXIT CACBONIC. AXIT SUNFONIC VÀ DAN x u ấ t ..............................96 t A. AXIT C A C B O X Y L IC .............................................................................................................................................96 12.1 Danh pháp ....................................................................................................................................................... 96 AXIT MONOCACBOXYLIC NO VÀ T H Ơ M ....................................................................................97 12.2 Tính chất vật lý ............................. ................................................................................................................ 97 12.3 Tính chất hóa học ........................................................................................................................................102 12.3.1 Phản ứng làm đứt liên kết o - H. Sự phân ly a x it.................................................................................... 103 12.3.2 Các phản ứng thế và cộng ở nhóm cacboxyl............................................................................................. 107 12.3.3 Phản ứng đecacboxyl hóa (tách nhóm cacboxyl)..................................................................................... 108 12.3.4 Phản ứng ở gốc hiđrocacbon........................................................................................................................110 12.4 Phương pháp điều c h ế ................................................................................................................................112 12.4.1 Oxi hóa các hợp chất hữu cơ (Phương pháp tổng hợp giảm mạch và giữ nguyên mạch cacbon)... 112 12.4.2 Thủy phân các dẫn xuất của axit cacboxylic và axit orthoíomic (Phương pháp tổng hợp giữ nguyên mạch cacbon).................................................................................114 12.4.3 Đưa thêm nhóm cacboxyl vào phân tử hợp chất hữu c ơ ..........................................................................114 12.5 Giới thiệu các chất tiêu b iểu ......................................................................................................................116 AXIT ĐICACBOXYLIC NO VÀ THƠM ...........................................................................................118 12.6 Tính chất vật l ý ............................................................................................................................................ 118 12.7 Tính chất hóa học ........................................................................................................................................119 12.7.1 Sựphânlyaxit ................................................................................................................................................119 12.7.2 Tác dụng của nhiệt........................................................................................................................................ 120 12.8 Phương pháp điều c h ế ................................................................................................................................122 12.8.1 Phương pháp oxi hóa .................................................................................................................................... 122 12.8.2 Phương pháp thủy phân................................................................................................................................. 122 12.8.3 Tổng hợp theo Crum - Brom và Walker (1891, 1893) ............................................................................ 123 12.8.4 Tổng hợp từ etyl malonat ............................................................................................................................. 123 12.9 Giới thiệu các chất tiêu b iể u ......................................................................................................................123 AXIT CACBOXYLIC KHÔNG N O .....................................................................................................127 12.10 Tính chất ........................................................................................................................................................127 12.10.1 Sự phân ly axit ................................................................................................................................................127 12.10.2 Phản ứng cộng ............................................................................................................................................... 129 12.10.3 Phản ứng đồng phân h ó a ...............................................................................................................................130 12.11 Phương pháp điều c h ế ................................................................................................................................ 131 12.11.1 Phương pháp tách loại (tách một phân tử nhỏ ra khỏi gốc của axit no) ............................................... 131 12.11.2 Phương pháp oxi hóa .....................................................................................................................................131 12.11.3 Phương pháp ngưng tụ .................................................................................................................................. 132 V 12.11.4 Phương pháp thủy phân..................................................................................................................................132 12.12 Giới thiệu các chất tiêu b iêu .......................................................................................................................132 12.12.1 Axit ankenmonocacboxylic........................................................................................................................... 132 12.12.2 Axit ankinmonocacboxylic............................................................................................................................ 135 12.12.3 Axit đicacboxylic không no........................................................................................................................... 136 12.13 Axit haỉogencacboxyỉic................................................................................................................................138 12.13.1 Tính ch ấ t..........................................................................................................................................................138 12.13.2 Phương pháp điều chế axit halogencacboxylic .........................................................................................140 12.13.3 Các axit halogencacboxylic tiêu biểu .........................................................................................................142 12.14 Axit hiđroxicacboxylic.................................................................................................................................143 Axit hiđroxicacboxylic với nhóm hiđroxyl ancol .............................................................................. 143 12.14.1 Tính chất............................................................................................................................................................ 143 12.14.2 Điều chế............................................................................................................................................................. 146 12.14.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu.......................................................................................................................... 148 12.15 L a c to n .............................................................................................................................................................. 153 12.15.1 P-Lacton ........................................................................................................................................................... 153 12.15.2 y- và Ô-Lacton ..................................................................................................................................................155 12.16 E p oxiaxit.......................................................................................................................................................... 158 Axit phenolcacboxylic ............................................................................................................................... 158 12.17 Phương pháp điểu c h ế .................................................................................................................................158 12.18 Tính chất .........................................................................................................................................................160 12.19 Giới thiệu các chất tiêu b iểu ....................................................................................................................... 161 12.20 T a n in ................................................................................................................................................................. 165 12.20.1 Tanin có nhóm chức este .............................................................................................................................. 165 12.20.2 Tanin không có nhóm chức este ..................................................................................................................165 12.21 Axit oxocacboxylic........................................................................................................................................166 12.21.1 Phương pháp điều chế các axit oxocacboxylic.......................................................................................... 167 12.21.2 Giới thiệu các chất tiêu biểu ......................................................................................................................... 168 12.22 Axit thiocacboxylic ...................................................................................................................................... 172 ^-B. DẨN XUẤT Ớ NHÓM CHỨC CỦA AXIT CACBOXYLIC .....................................................................173 12.23 E s te .................................................................................................................................................................... 176 12.23.1 Tính ch ấ t...........................................................................................................................................................177 12.23.2 Phương pháp điều c h ế .................................................................................................................................... 187 12.23.3 Orthoeste ..........................................................................................................................................................192 12.23.4 Một số ứng dụng của este ............................................................................................................................. 194 12.24 Haỉơgenua axit .............................................................................................................................................. 197 12.24.1 Tính ch ấ t...........................................................................................................................................................198 vi 12.24.2 Phương pháp điều c h ế ............................... ....................................................................................................204 12.24.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu ........................................................................................................................ 205 12.25 Anhiđrit axit ................................................................................................................................................. 206 12.25.1 Tính ch ấ t.......................................................................................................................................................... 207 12.25.2 Phương pháp điều c h ế ....................................................................................................................................209 12.25.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu ........................................................................................................................ 210 12.26 Amit ..................................................................................................................................................................211 12.26.1 Tính chất................................................ ........................................................................................................... 211 12.26.2 Phương pháp điều chế.....................................................................................................................................214 12.26.3 Imit.....................................................................................................................................................................215 12.27 N itrin ................................................................................................................................................. .............. 216 12.27.1 Tính chất........................................................................................................................................................... 216 12.27.2 Phương pháp điều chế.....................................................................................................................................218 12.27.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu......................................................................................................................... 219 f c . DẪN XUẤT CỦA AXIT CACBONIC .................................................................................................. 222 12.28 Halogenua axit .............................................................................................................................................. 223 12.29 E ste....................................................................................................................................................................225 12.30 Amit ..................................................................................................................................................................228 12.30.1 Muối và este của axit cacbamic ...................................................................................................................228 12.30.2 Muối và este của các axit thiocacbamic.............................................................. ...................................... 230 12.30.3 Ưre (cacbamit) o = C(NH2)2 ........................................................................................................................233 12.30.4 Imiđoure (guaniđin) NH = C(NH2)2 ...........................................................................................................237 12.30.5 Thioure (thiocacbamit) s = C(NH2)2 ............................................... ...................................... 238 12.30.6 Semicacbazit H2N - c o - NH - NH2 và thiosemicacbazit H2N - c s - NH - NH2 .......................... 239 12.31 Nitrin ...............................................................................................................................................................240 12.31.1 Axit xianic H O C N ......................................................................................................................................... 240 12.31.2 Axit thioxianic (axit sunfoxianic, axit rođanic) HS - c = N ..................................................................241 12.31.3 Xianamit H2N - c = N ...................................................................................................................................243 12.31.4. Dẫn xuất của cacbon m onoxit......................................................................................................................244 D. AXIT SƯNFONIC VÀ DẪN Xư Ấ T ................................................. ...................................................................246 12.32 Axit sunỉonic ................................................................................................................................................. 246 12.32.1 Điều c h ế ........................................................................................................................................................... 246 12.32.2 Tính ch ấ t.......................................................................................................................................................... 247 12.33 Sunĩonyl c lo r u a .............................................................................................................................................248 12.33.1 Điều c h ế ........................................................................................................................................................... 248 12.33.2 Tính ch ấ t............................. ........................................................................................ ....................................249 12.34 Các sunfonamit .............................................................................................................................................249 vii E. LIPIT ...........................................................................................................................................................................252 12.35 ' Lipit đơn g iả n ................................................................................................................................................252 12.35.1 Triaxylglyxerol (triglyxerit).........................................................................................................................252 12.35.2 Sáp .................................................................................................................................................................... 258 12.36 Llpit phức t ạ p ............................................................................................................................................... 260 12.37 Xà phòng và chất giạt rửa tổng h ợ p .......................................................................................................263 12.37.1 Xà phòng .........................................................................................................................................................263 12.37.2 Chất giặt rửa tổng hợp................................................................................................................................... 265 Tóm tát về AXIT CACBOXYLIC ........................................................................................................................... 268 Chương 13. HỢP CHẤT HỮU c ơ CHỨA N IT Ơ ................................................................................................ 269 A. HỢP CHẤT N IT R O ................................................................................................................................................269 13.1 Phương pháp điều c h ế ............................................................................................................................... 270 13.1.1 Nitro hóa trực tiếp hiđrocacbon ..................................................................................................................270 13.1.2 Thế nguyên tử halogen trong dẫn xuất halogen.......................................................................................270 13.1.3 Oxi hóa hợp chất chứa nitơ có số oxi hóa thấp hơn ..................................................................................271 13.1.4 Phương pháp điều chế hợp chất nitro thơm ............................................................................................... 271 13.2 Tính chất vặt l ý ............................................................................................................................................272 13.3 Tính chất hóa học .......................................................................................................................................273 13.3.1 Đặc điểm cấu tạo của hợp chất nitro.......................................................................................................... 273 13.3.2 Phản ứng chung của các hợp chất nitro : khử nhóm n ú ro ....................................................................... 273 13.3.3 Những phản ứng riêng của các hợp chất nitro bậc một và bậc h a i...................................................... 274 13.3.4 Những phản ứng riêng của hợp chất nitro thơm .......................................................................................277 13.4 Giới thiệu các chất tiêu b iểu ..................................................................................................................... 278 B. HỢP CHẤT N IT R O SO .......................................................................................................................................... 279 13.5 Phương pháp điều c h ế ............................................................................................................................... 279 13.5.1 Oxi hóa dẫn xuất của hiđroxylamin........................................................................................................... 279 13.5.2 Nitroso hóa trực tiếp .....................................................................................................................................280 13.6 Tính chất ............................................................................ ..........................................................................280 13.6.1 Đimehóa ........................................................................................................................................................ 280 13.6.2 Phản ứng cộng ............................................................................................................................................... 281 13.6.3 Phản ứng ngưng t ụ .........................................................................................................................................281 13.6.4 Phản ứng oxi hóa .................................................................. ........................................................................282 ^ C . A M IN ...........................................................................................................................................................................282 13.7 Danh pháp .....................................................................................................................................................282 13.8 Cấu trúc của amin ...................................................................................................................................... 283 13.9 Tính chất vật l ý ............................................................................................................................................284 viii 13.10 Tính chất hóa học .......................................................................................................................................289 13.10.1 Tính b a z ơ ........................................................................................................................................................ 289 13.10.2 Tác dụng với axit nitrơ..................................................................................................................................292 13.10.3 Những phản ứng thay thế hiđro ở nhóm am ino........................................................................................295 13.10.4 Phản ứng oxi hóa ........................................................................................................................................... 298 13.10.5 Phản ứng thế electrophin ở amin thơm .....................................................................................................299 13.11 Phương pháp điều c h ế ................................................................................................................................303 13.11.1 Ankyl hóa trực tiếp amoniac và amin (Hoímann, 1849)........................................................................ 303 13.11.2 Ankyl hóa gián tiếp. Tổng hợp amin béo bậc một theo Gabriel ...........................................................304 13.11.3 Phương pháp k h ử ........................................................................................................................................... 305 13.11.4 Amin hóa - khử hợp chất cacbonyl ............................................................................................................307 13.11.5 Phản ứng chuyển vị Hopman (August w. Hoímann) .............................................................................308 13.12 Giới thiệu các chất tiêu b iể u .....................................................................................................................310 13.13 Amoni hiđroxit bậc bốn. Quy tác tách theo H opm an....................................................................... 311 13.14 Hợp chất a zo x i.............................................................................................................................................. 314 13.14.1 Điều c h ế ...........................................................................................................................................................314 13.14.2 Cấu trúc ........................................................................................................................................................... 315 13.14.3 Tính chất hóa học ..........................................................................................................................................315 13.15 Hợp chất a z o ..................................................................................................................................................316 13.15.1 Điểu c h ế ........................................................................................................................................................... 316 13.15.2 Tính chất vật lý. Đồng phân cis - tr a n s....................................................................................................317 13.15.3 Tính chất hóa học ......................................................................................................................................... 317 13.16 Dẫn xuất hữu cơ của h iđ ra zin ..................................................................................................................318 13.16.1 Điarylhiđrazin đối xứng hay là hợp chất hiđrazo thơm.......................................................................... 318 13.16.2 Monoarylhiđrazin ..........................................................................................................................................320 D. HỢP CHẤT Đ IA Z O ................................................................................................................................................ 321 13.17 Hợp chất điazo thơm .................................................. ...............................................................................321 13.17.1 Phản ứng điazo hóa amin thơm bậc một. Điều chế muối điazoni thơm ..............................................322 13.17.2 Cấu tạo. Các dạng hợp chất điazo khác nhau....................................................... ...................................324 13.17.3 Tính chất của các muối điazoni thơm ....................................................................................................... 327 13.18 Hợp chất màu azo và phẩm n h u ộm ....................................................................................................... 336 13.18.1 Khái niệm về màu ; quan hệ giữa cấu trúc và màu .................................................................................336 13.18.2 Các loại phẩm nhuộm quan trọn g.............................................................................................................. 339 13.19 Hợp chất điazo dăy béo ............................................................................................................................. 342 13.19.1 Cấu tạ o ..............................................................................................................................................................342 13.19.2 Phương pháp điểu c h ế ................................................................................................................................... 342 13.19.3 Tính chất của các điazoankan.....................................................................................................................344 E. CÁC HỢP CHẤT ĐIAZOIM INO (AZIT) VÀ ĐIAZOAMINO (T R IA Z E N ).......................................349 ix 13.20 Azit (hợp chất điazoim ino)........................................................................................................................ 349 13.20.1 Điều c h ế ........................................................................................................................................................... 349 13.20.2 Tính ch ấ t.......................................................................................................................................................... 350 13.21 Triazen (hợp chất điazoam ino)................................................................................................................ 352 Tóm tát về hóa học AMIN ...........................................................................................................................................354 + Chương 14. HÓA HỌC ENOL VÀ ION ENOLAT ............................................................................................. 356 14.1 Mở đ ầ u ............................................................................................................................................................ 356 14.2 Enol và ion enolat ........................................................................................................................................ 357 14.2.1 Hỗ biến xeto - enol ........................................................................................................................................ 357 14.2.2 Sự hình thành và tính bền của ion enolat ...................................................................................................359 14.3 Phản ứng thế ở nguyên tử cacbon a của hợp chất cacbonyl............................................................ 364 14.3.1 Phản ứng a-halogen h o á ...............................................................................................................................364 14.3.2 Phản ứng nitro hóa xeton ..............................................................................................................................367 14.3.3 Phản ứng a-brom hóa axit cacboxylic ....................................................................................................... 368 14.3.4 Phản ứng của hợp chất a-halocacbonyl .................................................................................................... 369 14.4 Ankyỉ hóa ion en o la t................................................................................................................................... 370 14.5 Sự hình thành và ankyl hóa enam in ....................................................................................................... 373 14.6 Ngưng tụ anđol của anđehit và x eto n .....................................................................................................374 14.6.1 Ngưng tụ anđol dùng xúc tác bazơ..............................................................................................................375 14.6.2 Ngưng tụ anđol dùng xúc tác a x it............................................................................................................... 377 14.6.3 Phản ứng anđol hóa kiểu đặc biệt................................................................................................................ 378 14.6.4 Tổng hợp theo dự định khi dùng ngưng tụ anđol ...................................................................................... 379 14.7 Ngưng tụ C laisen ..........................................................................................................................................380 14.8 Phản ứng Retomatski (Reíorm atsky).................................................................................................... 384 14.9 Ngưng tụ Knoevenagen (K noevenagel)..................................................................................................385 14.10 Phản ứng Mannỉch ......................................................................................................................................388 14.11 Ngưng tụ b en zoin .........................................................................................................................................390 14.12 Ngưng tụ Đichman (Dieckmann) - Sự đóng vòng C laisen ................................................................392 14.13 Tổng hợp từ este malonic và este axetoaxetic...................................................................................... 392 11.14 Ngưng tụ ion gốc của xeton và e s te ......................................................................................................... 395 14.15 Cộng liên hợp : phản ứng Maicơn (M ichaeỉ)....................................................................................... 398 14.16 Đóng vòng R obinsơn...................................................................................................................................400 Chương 15. HỢP CHẤT DỊ VÒNG .........................................................................................................................402 15.1 Phân lo ạ i.........................................................................................................................................................402 15.2 Danh pháp dị vòng đơn v ò n g ................................................................................................................... 403 15.2.1 Tên thường...................................................................................................................................................... 403 15.2.2 Tên hệ thống ...................................................................................................................................................404 X 15.3 Danh pháp hệ dị vòng ngưng t ụ ...............................................................................................................406 15.3.1 Tên thường......................................................................................................................................................406 15.3.2 Tên hệ thống ...................................................................................................................................................406 15.3.3 Tên thay t h ế ....................................................................................................................................................409 15.4 Tính chất ........................................................................................................................................................ 410 DỊ VÒNG THƠM SÁU CẠNH ..............................................................................................................411 15.5 Nhóm pyriđin ................................................................................................................................................411 15.5.1 Cấu tạo và đặc trưng chung của khả năng phản ứng ................................................................................411 15.5.2 Tính b a zơ ..........................................................................................................................................................414 15.5.3 Phản ứng với tác nhân electrophin...............................................................................................................415 15.5.4 Phản ứng với tác nhân nucleophin ...............................................................................................................418 15.5.5 Phản ứng oxi hóa và khử ................................................................................................................................421 15.5.6 Các dẫn xuất của pyriđin .............................................................................................................................. 423 15.5.7 Quinolin và isoquinolin .................................................................................................................................427 15.6 Nhóm pyran ...................................................................................................................................................430 15.6.1 Muối pyrili và pyron...................................................................................................................................... 430 15.6.2 Các dẫn xuất của benzopyran ...................................................................................................................... 432 15.6.3 Giới thiệu riêng............................................................................................................................................... 434 DỊ VÒNG THƠM NĂM C Ạ N H ............................................................................................................. 435 15.7 Cấu tạo và đạc trưng chung về khả năng phản ứng ...........................................................................435 15.8 Nhóm pyroi .................................................................................................................................................... 438 15.8.1 Tính axit và tính bazơ ....................................................................................................................................438 15.8.2 Phản ứng thế electrophin .......... .........................................................................................438 15.8.3 Phản ứng oxi hóa và khử ................................................................................................................................441 15.8.4 Inđol............................................................................................................................................................... ...443 15.9 N h ó m íu r a n ................................................................................................................................................... 444 15.9.1 Phản ứng thế electrophin .............................................................................................................................. 444 15.9.2 Phản ứng cộng hợp và mở v ò n g ...................................................................................................................446 15.10 Nhóm thiophen.............................................................................................................................................. 447 15.10.1 Phản ứng thế electrophin .............................................................................................................................. 447 15.10.2 Phản ứng phá vỡ tính thơm ...........................................................................................................................448 15.10.3 Giới thiệu các chất tiêu biểu ......................................................... ...............................................................449 15.11 Các dị vòng có hai và nhiều dị t ử ..............................................................................................................451 15.11.1 Các azol ............................................................................................................................................................ 451 15.11.2 Các azin ............................................................................................................................................................453 15.11.3 Nhóm purin...................................................................................................................................................... 455 15.11.4 Azepin và điazepin..........................................................................................................................................455 15.12 Tính axit và tính bazơ của các dị v ò n g .................*.............................................................................456 xi 15.13 Tổng hợp hệ dị vòng .....................................................................................................................................458 15.13.1 Phương pháp tổng quát ...................................................................................................................................458 15.13.2 Các thí dụ tổng hợp hợp chất dị vòng ......................................................................................................... 459 Chương 16. CACBOHIĐRAT ................................................................................................................................... 462 M ONOSACARIT ........................................................................................................................................ 463 16.1 Cấu trúc và đồng phân lập thể ................................................................................................................. 463 16.1.1 Phân loại và danh pháp ...................................................................................................................................463 16.1.2 Cấu trúc của monosacarit............................................................................................................................... 465 16.1.3 Cấu trúc vòng của monosacarit.....................................................................................................................472 16.1.4 Sự đổi quay (mutarotation) ........................................................................................................................... 477 16.1.5 Các monosacarit không kinh điển và monosacarit dản xuất ...................................................................480 16.2 Tính chất vặt lý .............................................................................................................................................. 483 16.3 Tính chất hóa học ..........................................................................................................................................483 16.3.1 Phản ứng tạo glycozit (phản ứng của nhóm hiđroxyl hemiaxetal) ........................................................ 484 16.3.2 Phản ứng của nhóm hiđroxyl ancolic...........................................................................................................488 16.3.3 Phản ứng của nhóm cacbonyl .......................................................................................................................496 16.3.4 Các phản ứng liên quan đến mạch cacbon .................................................................................................. 501 16.4 Một vài m onosacarit thiên n h iên .............................................................................................................. 505 16.4.1 Các pentozơ........................................................................................................................................................506 16.4.2 Các hexozơ......................................................................................................................................................... 507 O LIG O SA C A R IT........................................................................................................................................ 508 16.5 Cấu trúc và danh p h á p ................................................................................................................................ 509 16.5.1 Danh pháp oligosacarit ...................................................................................................................................510 16.5.2 Tautome hóa ......................................................................................................................................................512 16.5.3 Cấu d ạ n g .............................................................................................................................................................513 16.6 Giới thiệu một số oligosacarit ....................................................................................................................513 16.6.1 M antozơ..............................................................................................................................................................513 16.6.2 Xenlobiozơ......................................................................................................................................................... 514 16.6.3 Lactozơ ...............................................................................................................................................................514 16.6.4 Sacarozơ..............................................................................................................................................................515 16.6.5 Rafinozơ .............................................................................................................................................................515 16.6.6 Oligosacarit v ò n g ............................................................................................................................................. 516 16.6.7 Các chất ngọt tổng hợp ...................................................................................................................................517 POLISACARIT ............................................................................................................................................518 16.7 Các P-D-glucan ...............................................................................................................................................519 16.7.1 Xenlulozơ, poli(l,4-ớ-P-D-glucopyranozit) .............................................................................................. 5Ỉ9 16.7.2 Chitin, poli(K 4’-ỡ-P-2-axetamiđo-2-đeoxi-D-glucopyranozit)............................................................. 523 xii 16*8 Các a-D-gỉucan .............................................................................................. .............. -..... ......................523 16.8.1 Tinh bột .............................................................................................................................................................523 16.8.2 G lycogen............................................................................................................................................................526 16.8.3 Đextran .............................................................................................................................................................. 526 16.9 Một sô heteropolỉsacarit.............................................................................................................................. 526 16.9.1 Hemixenlulozơ ................................................................................................................................................ 526 16.9.2 Pectin ................................................................................................................................................................. 526 16.9.3 Aga-aga ............................................................................................................................................................. 527 16.9.4 Heparin .............................................................................................................................................................. 528 Một sô phản ứng chính của G LƯ C O Z Ơ ................................................................................................................. 529 Chương 17. AMINO AXIT, PEPTIT VÀ PROTEIN .............................................................................................531 A. a-AM INO AXIT .........................................................................................................................................................532 17.1 Phản loại, đồng phản và danh p h á p .........................................................................................................533 17.1.1 Phân loại ................................. *...................................................................................................................... 533 17.1.2 Đồng phân ........................................................................................................................................................ 533 17.1.3 Danh pháp......................................................................................................................................................... 534 17.2 Tính chất vật Ịý .............................................................................................................................................. 535 17.3 Tính chất hóa học ......................................................................................................................................... 540 17.3.1 Tính chất axit - bazơ của amino axit. Điểm đẳng điện...............................................................................540 17.3.2 Phản ứng este hóa nhóm cacboxyi............................................................................................................... 544 17.3.3 Axyl hóa nhóm amino ....................................................................................................................................545 17.3.4 Phản ứng tạo muối .......................................................................................................................................... 546 17.3.5 Tác dụng của nhiệt......................................................................................................................................... .547 17.3.6 Phản ứng màu với ninhiđrin...........................................................................................................................547 17.3.7 Phản ứng với sự quay cấụ hình ở nguyên tử cacbon bất đ ố i.....................................................................548 17.4 Phương pháp điểu chê ..................................................................................................................................549 17.4.1 Amin hóa axit a-halogencacboxylic............................................................................................................549 17.4.2 Tổng hợp Gabriel - este m alonic.................................................................................................................. 549 17.4.3 Phương pháp amin hoá - khử anđehit và xeton ...........................................................................................550 17.4.4 Tổng hợp Strechcơ (Strecker)........................................................................................................................ 552 17.4.5 Tổng hợp p-amino axit và Ỵ-amino a x it......................................................................................................552 17.4.6 Tổng hợp các amino axit thơm ....................................................................................................................553 17.4.7 Sự tách riêng amino axit raxemic thành đối quang...................................................................................554 17.5 Giới thiệu các chất tièu b iể u ....................................................................................................................... 554 B. P E P T IT ..........................................................................................................................................................................561 17.6 Phương pháp tổng hợp peptit .............................................. .....................................................................563 17.6.1 Bảo vệ nhóm amino ........................................................................................................................................ 563 xili 17.6.2 Tổng hợp peptit ở pha rắn ............................................................................................................................. 566 17.7 Tính chất ......................................................................................................................................................... 567 c . PROTEIN.................................................................................................................................................571 17.8 Phản loại p ro tein ............................................................................................................................................571 17.9 Thành phần và cấu trúc của protein....................................................................................................... 572 17.10 Tính chất của protein .................................................................................................................................. 577 17.11 Vai trò sinh học của p ro tein .......................................................................................................................577 D. ENZYM ........... ............................................................................................................................................................ 578 E. AXIT NUCLEIC .........................................................................................................................................................581 17.12 Thành phần cấu tạo của axit nucỉeic....................................................................................................... 581 17.12.1 Bazơ dị vòng n itơ .............................................................................................................................................582 17.12.2 Pentozơ .............................................................................................................................................................. 583 17.13 Cấu trúc của nucleozìt và n u cleotỉt......................................................................................................... 583 17.14 Cấu trúc của axit n u cleic.............................................................................................................................587 17.15 Sự tạo thành axit n u c le ic .............................................................................................................................592 17.15.1 Tổng hợp nucleotit.......................................................................................................................................... 592 17.15.2 Tổng hợp axit nucleic .................................................................................................................................... 593 17.16 Một số tính chất của axit n u cleic..............................................................................................................594 Chương 18. PHÂN TÍCH T ổN G HỢP LỪI ................................................................ ..........................................595 18.1 Tổng hợp hóa học nhiều giai đ o ạ n ........................................................................................................... 595 18.2 Mức độ phức tạp của phân t ử ................................................................................................................... 596 18.3 Cách tư duy về quá trình tổng h ợ p .......................................................................................................... 597 18.4 Phân tích tổng hợp lùi .................................................................................................................................600 18.5 Các dạng biến đổi và các đơn vị cấu trúc biểu diễn giản lược (R etron )........................................ 601 18.6 Các dạng biến đổi ......................................................................................................................................... 603 18.6.1 Tổng hợp phân tử mục tiêu chứa một nhóm chức với yêu cầu phân cắt đơn giản................................604 18.6.2 Sự phân cực ngầm và sự chuyển đổi nhóm chứ c....................................................................................... 608 18.6.3 Phân tử mục tiêu với hai nhóm ch ứ c........................................................................................................... 610 18.6.4 Sự chuyển đổi nhóm chức (FG I).................................................................................................................. 612 18.7 Một số thí dụ về phân tích tổng hợp lùi ................................................................................................. 616 18.8. Tổng kết về chiến lược tổng hợp lùi, một vài hướng dản cho phân tích tổng hợp lùi, các synthon hữu ích .....................................................................................................................................631 Tóm tắt về SYNTHON và CHẤT TƯƠNG ĐƯƠNG T ổN G H Ợ P .................................................................633 xiv Chương 19. STEROIT VÀ A N C A L O IT........................................................ .........................................................635 A. STEROIT ....................................................................................................................................................................635 19.1 S tero l................................................................................................................................................................ 636 19.2 Axit m ậ t ...........................................................................................................................................................638 19.3 Các steroit hocmon ...................................................................................................................................... 639 19.4 Steroit trợ t im ................................................................................................................................................ 642 19.5 Steroit sapogenin ..........................................................................................................................................643 19.6 Steroỉt a n ca lo it.............................................................................................................................................. 643 19.7 Tổng hợp ste r o it............................................................................................................................................644 19.8 Sinh tổng hợp tecpen và stero it.................................................................................................................645 B. A N C A L O IT ................................................................................................................................................................ 649 19.9 Các ancaloit nhóm pyriđin và piperiđin ................................................................................................650 19.10 Ancaloit nhóm tropan .................................................................................................................................653 19.11 Ancaloit dãy quỉnolỉn ..................................................................................................................................659 19.12 Các ancaloit dãy isoquinolin ..................................................................................................................... 667 19.13 Ancaloit nhóm quỉnolỉsỉđin....................................................................................................................... 669 19.14 Ancaloit nhóm purin ................................................................................................................................... 671 19.15 Ancaloỉt nhóm inđol .................................................................................................................................... 673 19.16 Ancaloiỉ nhóm phenyletylam in.......................................... ......................................................................676 Chương 20. THƯỐC CHỮA BỆNH TỪ HỢP CHẤT HỮU c ơ .......................................................................678 20.1 Sự phát triển của ngành hóa d ư ợ c...........................................................................................................684 20.2 Tiêu chuẩn hiện đại của th u ố c ..................................................................................................................686 20.3 Những nguyên lý cơ bản trong nghiên cứu phát triển một loại thuốc mới ................................. 686 20.4 Đặt tên th u ố c ................................................................................................................................................. 686 20.5 Các hợp chất dẫn đư ờng............................................................................................................................. 687 20.6 Sự cải bỉến phân t ử ...................................................................................................................................... 688 20.7 Sàng lọc ngẫu n h iê n ..................................................................................................................................... 690 20.8 Tính cầu may của nghiên cứu phát triển th u ốc....................................................................................691 20.9 Vị trí các thụ t h ể ...........................................................................................................................................692 20.10 Các chất kháng histam in............................................................................................................................ 693 20.11 Thuốc ức chế enzym ....................................................................................................................................695 20.12 Thiết kế một cơ chất tự hủy (Designing a Suicide Substrate) ......................................................... 697 2 HHCT2 X V 20.13 Quan hệ định lượng cấu trúc - tác dụng (Q S A R )...............................................................................698 20.14 Lập mô hình phân t ử .................................................................................................................................. 699 20.15 Tổng hợp hữu cơ theo tổ hợp (Combinatorial Organic Synthesis)................................................700 20.16 Thuốc kháng v ir u t....................................................................................................................................... 701 20.17 Kinh tế học của Thuốc. Quy chế quản lý nhà nước ........................................................................... 702 TÀI LIỆU THAM K H Ả O ............................................................................................................................................703 MỤC LỤC TRA c ứ u .................................................................................................................705 xvi Chương 11 A N Đ E H IT V À X E T O N Anđehit và xeton là những hợp chất hữu cơ có chứa nhóm chức cacbonyl (hay nhóm oxo) / C = o . Nếu nhóm cacbonyl liên kết với hai nguyên tử hiđro hoặc với một gốc hiđrocacbon và một nguyên tử hiđro ta gọi hợp chất cacbonyl là anđehỉt, còn nếu nhóm cacbonyl liên kết với hai gốc hiđrocacbon ta có xeton. / C = 0 / C = 0 / C = o H H R' Fomanđehit Anđehit Xeton Hợp chất cacbonyl được chia thành nhiều loại khác nhau tuỳ theo số lượng nhóm cacbonyl và bản chất của gốc hiđrocacbon trong phân tử. - Theo số lượng nhóm cacbonyl trong phân tử ta phân b iệ t: hợp chất monocacbonyl bao gồm những anđehit và xeton chỉ có một nhóm cacbonyl trong phân tử ; hợp chất đicacbonyl và hợp chất policacbonyl có chứa hai hoặc hơn hai nhóm cacbonyl trong phân tử. - Theo bản chất gốc hiđrocacbon ta có : hợp chất cacbonyl no, trong phân tử có chứa gốc no loại béo hay loại vòng ; hợp chất cacbonyl không no, trong phân tử có chứa liên kết đôi c = c hoặc liên kết ba c s c ; hợp chất cacbonyl thơm có nhóm cacbonyl gắn với gốc thơm. 11.1 Danh pháp Anđehit Theo cách gọi tên thông thường; tên của anđehit dựa theo tên của axit cacboxylic có cùng một mạch cacbon, nhưng khác ở chỗ : một bên gọi là axit còn bên kia gọi là anđehit. Theo cách gọi tên IUPAC, tên của anđehit dựa theo tên của hiđrocacbon tương ứng, có thêm đuôi al và đánh số mạch cacbon bắt đầu từ nhóm chức CH = o (bảng 11.1). 1 Bảng 11.1 Tên gọi của một số anđehit Công thức Tên thông thường Tên IUPAC XAnđehit fomic (Fomanđehit) Metanal 1 u X II 0 0 uAnđehit axetic (Axetanđehit) Etanal co 1 u X II CH3 - CH2 - CH = 0 Anđehit propionic (Propionanđehit) Propanal c h 3 - c h 2 - CH2 - CH = 0 Anđehit butyric (Butyranđehit) «-Butanal c h 3 - CH - CH = 0 Anđehit isobutyric 2-Metylpropanal c h 3(Isobutyranđehit) c h 3 - (CH2)3 - c h = o Anđehit valeric (Valeranđehit) /Ỉ-Pentanal c h 3 - (CH2) 16 - CH = 0 Anđehit stearic (Stearanđehit) /7-Octađecanal CH2 = CH - CH = 0 Anđehit acroleic (Acrolein) Propenal u X u X u X 0 0Anđehit crotonic (Crotonanđehit) But-2-enal m 1 II 1 II c h 2 = c h c h 2c h 2c h = 0 Pent-4-enal C6H5 - CH = 0 Anđehit benzoic (Benzanđehit) Phenylmetanal C6H5 - CH, - CH = 0 Anđehit phenylaxetic (Phenylaxetanđehit) 2-Phenyletanal c 6h 5- c h = c h - c h = o Anđehit xinamic (Xinamanđehit) 3-Phenylprop-2-enal Khi nhóm chức anđehit CH = o đính trực tiếp vào một vòng ta có thể coi như nhóm thế của vòng đó và gọi là nhóm fomyl, trên cơ sở đó gọi tên của hợp chất. CH = 0 CH = 0 Fomylxiclohexan 9-Fomylantraxen (Xiclohexylíbmanđehit) (9-Antranđehit) Xeton Tên thông thường của xeton được gọi theo tên của các gốc đính vào nhóm cacbonyl, kèm theo từ “xeton”. Theo cách gọi tên IUPAC, tên của xeton dựa theo tên của hiđrocacbon tương ứng có thêm đuôi on cùng với số chỉ vị trí của nhóm cacbonyl trong mạch. Các xeton thường được đánh số bắt đầu từ cacbon ở gần nhóm cacbonyl (bảng 1 1 .2 ). 2 Bảng 11.2 Tên gọi của một số xeton Công thức Tên thông thường Tên IUPAC CH3 - C O - C H 3 Đimetyl xeton (Axeton) Propanon c h 3 - c o - c h 2 - c h 3 Metyl etyl xeton Butanon CH, - CO - CH - CH, 1Metyl isopropyl xeton 3-Metylbutan-2-on -u X CH, 1Metyl tert-butyl xeton 3,3-Đimetylbutan-2-on CH3 - C O - C - C H 3 (Pinacolon) c h 3 c h 3 - c o - c h = c h 2 Metyl vinyl xeton But-3-en-2-on CH3 - co - CH2 - CH = CH2 Metyl alyl xeton Pent-4-en-2-on c h 3 - c o - c 6h 5 Metyl phenyl xeton Axetophenon c 6h 5 - c o - c 6h 5 Điphenyl xeton Benzophenon Nhóm CH3 - CO được gọi là nhóm axetyl, nhóm C6H5 - c o được gọi là nhóm benzoyl, khi các nhóm đó đính vào vòng của hiđrocacbon, ta có thể gọi tên xeton như là dẫn xuất axetyl hay benzoyl của vòng đó. Thí dụ : 0 0 0 Axetylbenzen Benzoylbenzen Benzoylxiclopentan (Axetophenon) (Benzophenon) Ngoài ra, vì nhóm cacbonyl còn có tên gọi là nhóm 0X0, ta có thể gọi tên anđehit và tên xeton theo tên nhóm này, nhất là đối với các hợp chất policacbonyl. Thí dụ : o = CH — CH = o 0 = C H - C - C H 2- C H 2- C H = 0 . 7 . . lí 1,2-Đioxoetan o (Glioxal) 1,2,5-Trioxopentan CH3 - C - C - C H 3 1 1 0 0 2,3-Đioxobutan 11.2 Tính chất vật lý Sự phân cực của nhóm cacbonyl tạo ra lực hấp dẫn lưỡng cực - lưỡng cực giữa các phân tử anđehit và các phân tử xeton làm cho anđehit và xeton có nhiệt độ sôi cao hơn hiđrocacbon và ete có khối lượng phân tử tương đương. Anđehit và xeton không có liên kết o - H nên giữa chúng không tạo liên kết hiđro và do đó có nhiệt độ sôi thấp hơn đáng kể so vớì các ancol có khối lượng phân tử tương đương. Thí dụ : 3 c h 3c h 2c h 2c h 3 c h 3o c h 2c h 3 c h 3c h 2c h o CH3COCH3 CH3CH2CH2OH Butan Metyl etyl ete Propanal Axeton Propan-l-ol M 58 60 58 58 60 ts °c 0°c 8°c 49°c 56°c 97°c (1 atm) Nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và độ tan trong nước của một số anđehit và xeton được dẫn ra trong bảng 1 1.3. Mặc dù anđehit và xeton không có liên kết hiđro giữa chúng nhưng do có những cặp electron tự do, nên có thể tạo liên kết hiđro với những hợp chất khác, có liên kết o - H hay N - H. Chẳng hạn, hiđro trong nhóm OH của nước hay ancol có thể tạo liên kết hiđro với electron không chia trên nguyên tử oxi cacbonyl. ‘0 * / \ H H Ỹĩc/ \ R R' Do có liên kết hiđro kiểu này, anđehit và xeton là dung môi tốt cho các hợp chất có nhóm OH phần cực như ancol chẳng hạn. Bảng 11.3 cho thấy, những chất đầu dẫy như íòmanđehit, axetanđehit, axeton tan vô hạn trong nước, còn các đồng đẳng cao hơn chỉ tan ít hoặc không tan. Fomanđehit là chất khí ở điều kiện thường, các anđehit và xeton thấp là chất lỏng, cao là chất rắn. Hợp chất cacbonyl có mạch phân nhánh có nhiệt độ sôi thấp hơn đồng đẳng không phân nhánh. Xeton có nhiệt độ sôi cao hơn một chút so với anđehit có cùng thành phần phân tử (hình 1 1 .1 ). Các anđehit thấp có mùi hắc, các hợp chất từ c 3 - c 6 có mùi khó chịu, anđehit cao có mùi hoa quả và được dùng trong công nghiệp hương liệu. 4 • 0* / \ H R ĩc / \ R R' SỐ nguyên tử cacbon Hình 11.1 Giản đổ nhiệt độ sôi của dãy anđehit (n------- n ) và dãy metylxeton (n------n ) aliphatic Bảng 11.3 Hằng số vật lý của một số anđehit và xeton t.s Hợp chất Công thức ^nc °c °c Anđehit .204Tính tan g/10 0 g, h 2o Metanal HCHO hay CH20 -9 2 - 2 1 0,82 55 Etanal CH3CHO - 123 2 1 0,78 00 Propanal CH3CH2CHO -8 1 49 0,81 2 0 Butanal CH3(CH2)2CHO -9 7 75 0,82 7,1 2-Metylpropanal (CH3)2CHCHO - 6 6 61 0,79 1 1 Pentanal CH3(CH2)3CHO -9 1 103 0,82 3-Metylbutanal (CH3)2CHCH2CHO -5 1 93 0,80 Hexanal CH3(CH2)4CHO -5 6 129 0,83 0 ,1 Heptanal CH3(CH2)5CHO -4 5 155 0,85 0,02 Propenal c h 2= c h - c h o -8 8 53 0,84 30 But-2-en-l-al c h 3- c h = c h - c h o - 7 7 104 0,86 18 Benzanđehit c6h 5c h o Xeton -5 6 179 1,05 0,3 Propanon CH3COCH3 -9 5 56 0,79 00 Butanon CH3COCH2CH3 - 8 6 80 0,81 25,6 Pentan-2-on c h 3c o c h 2 c h 2c h 3 -7 8 102 0,81 5,5 Pentan-3-on c h 3c h 2c o c h 2c h 3 -4 1 101 0,81 4,8 Hexan-2-on CH3CO(CH2)3CH3 -5 7 127 0,83 1,6 Hexan-3-on c h 3 c h 2c o c h 2 c h 2c h 3 124 0,82 Heptan-2-on CH3CO(CH2)4CH3 -3 6 151 0,81 1,4 Heptan-3-on CH3CH2CO(CH2)3CH3 -3 9 147 0,82 0,4 Heptan-4-on (CH3CH2CH2)2CO - 3 4 144 0,82 4-Metylpent-3- (CH3)2C = CHCOCH3 -5 9 131 0,86 en-2 -on But-3-en-2-on c h 2 = CHCOCH3 - 6 80 0,86 Xiclohexanon Ổ c - ° - 16 157 0,94 15 Axetophenon C6H5COCH3 2 1 202 1,0 2 0,5 Propiophenon c 6h 5c o c h 2c h 3 2 1 218 Benzophenon c6h 5c o c 6h 5 48 305 1,08 5 Tính chất phổ của anđehit và xeton Nhóm chức cacbonyl đễ dàng được xác định bằng phổ (x. Tập 1, mục 7.3). Trong phổ hồng ngoại (IR) của anđehit và xeton có hấp thụ mạnh của dao động hóa trị ở liên kết c = o trong vùng 1700 đến 1730 crrT1. Chẳng hạn, các hấp thụ của nhóm cacbonyl của hầu hết các xeton no không vòng và xiclohexanon nằm ở vùng 1700 đến 1715 cm Hấp thụ dao động hóa trị liên kết c = o mạnh của anđehit no không vòng nằm trong vùng 1720 đến 1730 crrT1 như được chỉ ra ở phổ của butanal trong hình 11.2. Phổ hồng ngoại của anđehit khác với phổ hồng ngoại của xeton như sau : Dao động hóa trị của liên kết cacbon - hiđro ở nhóm cacbonyl cho hai hấp thụ ở khoảng 2800 và 2700 crrT1. Phổ IR của butanal trong hình 11.2 cho thấy hai băng hấp thụ ở 2800 cm 1 và 2700 cm_1. Cả hai đều nhọn nhưng yếu và băng hấp thụ gần 2800 crrT1 đôi khi bị che lấp bởi hấp thụ của liên kết c - H béo. Hai băng hấp thụ này không có trong phổ hồng ngoại của các xeton vì các xeton không có nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử cacbon-cacbonyl của chúng. Số sóng (cm ') Hình 11.2 Phổ hồng ngoại của butanal. Tần số dao động hóa trị của nhóm cacbonyl c = o xuất hiện ở dạng hấp thụ mạnh ỏ 1720 cm . Dao động hóa trị c - H (cacbonyl) xuất hiện ở dạng hai đỉnh ở 2800 cm 1 và 2700 cm . Các anđehit cũng dễ dàng được nhận biết bằng phổ 'H-NMR. Độ chuyển dịch hóa học của hiđro ở - CHO nằm ở miền ô 9 - 10 và ở dạng đa vạch (multiplet). Trong phổ 'H-NMR của propanal ở hình 11.3, nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử cacbon-cacbonyl có tín hiệu là một triplet có tâm ở ô 9,82 vì nó tương tác với hai nguyên tử hiđro trên nguyên tử cacbon-a. Các nguyên tử hiđro ở cacbon-a của anđehit và xeton đều bị phản chắn ít và có độ chuyển dịch hóa học nằm trong miền 5 2,0 đến 2,6. Chẳng hạn, metylxeton có thể nhận biết bằng sự có mặt của tín hiệu singlet mạnh ở gần ô 2 ,1 . 6 Hình 11.3 Phổ 1H-NMR của propanal Nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử cacbon-cacbonyl là triplet có trung tâm ở ô 9,82 do nó tương tác với hai nguyen tử hiđro ở nguyên tử C-a. Mỗi tín hiệu quartet của nhóm metylen cũng bị phân tách thành đuplet do tương tác với nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử cacbon-cacbonyl. Các thí dụ sau trình bày độ chuyển dịch hóa học của các nguyên tử hiđro nằm gần nhóm cacbonyl của các anđehit và xeton đơn giản : (Quartet) 8 2,40 Ọ 1 c / \ o o c Ỷ / / H CH3 5 9,8 H3c ỵ XCH3 \ /5 2,17 h3c ch2ch3 5 2,20 (Quartet)5 2,20 (Doublet) (Singlet) (Singlet)0 0,99 (Triplet) Anđehit và xeton cũng có thể được nhận biết nhanh chóng bằng độ chuyển dịch hóa học của cacbon-cacbonyl trong phổ 13C-NMR của chúng. Trong tập 1, mục 7.5 ta đã thấy rằng các pic của các nguyên tử lai hóa sp2 nằm ở miền trường thấp (ô ~ 200) của phổ 13C-NMR phần nào do độ âm điện của nguyên tử oxi-cacbonyl làm phản chắn nguyên tử cacbon-cacbonyl. Các nguyên tử cacbon gắn với nhóm cacbonyl cũng bị phản chắn giống như vậy. Các thí dụ về độ chuyển dịch hóa học 13C-NMR dưới đây của một số anđehit và xeton sẽ minh hoạ cho những nhận xét này : 7 ô 200,5 ỌI c Hỵ XCH3 5 202,7 6 201,3■ ^ ^ - c / \ uỵ xc h 2c h 2c h 2c h 3 5 206,7 5 31,2 o c 6 36,7 5 206,3 Q 5 7,0 c ô 206,8 ô 43,6 s 22,4 o 8 17,3 c / \ h3c c h3 / h 3c ch2ch3 h3c ch2ch2ch 5 30,7 Phổ khối lượng 5 27,05 35,25 29,55 45,4 5 13,4 Như đã biết, việc ion hóa các hợp chất cacbonyl do bắn phá bằng electron chủ yếu được thực hiện nhờ sự tách đi một trong những electron n của nhóm cacbonyl: c = 0 + eRRc = 0 + 2 e M+ • Pic ion phân tử của anđehit và xeton thường mạnh, việc phân mảnh của nó được thực hiện do sự đứt gãy của liên kết a và sự hình thành cation axyl, điện tích của cation này được giải toả trên các nguyên tử cacbon và oxi. Khi phân rã a sẽ có hai khả nâng tách loại để tạo ra một gốc bền nhất : gốc benzyl, alyl, ankyl bậc ba, ... Xác suất lớn nhất khi phân mảnh ion phân tử của các anđehit là việc loại đi một gốc hiđrocacbon để tạo thành cation fomyl. ° - R7> [ r ' - C = Ồ <-----* R '- C = o ] M+ •cation axyl, m/z [M— R] C — O [ h - C = ỏ < > H - C = o ] TT/ c —o H - R + • M cation fomyl, m/z 29 Sự phân mảnh tiếp theo của cation axyl kèm theo sự tách loại một phân tử c o và tạo thành cacbocation tương ứng : R'— c — ô ------> R'+ -CO [ M - R ] + [M — R— 28]+ 8 Hình 11.4 Phổ khối lượng của butanal Sự CÓ mặt của nguyên tử hiđro ở vị trí Ỵ trong phân tử anđehit hoặc xeton (điều cần thiết là một trong các gốc phải có ít nhất 3 nguyên tử cacbon) làm cho sự phân mảnh ion phân tử diễn ra chủ yếu là tách loại một phân tử anken bền vững (chuyển vị Mc Lafferty), thí dụ như sự phân rã các ion phân tử của pentanal và pentan-2 -on : _ + • o -----------------------> ĩ - c h 3c h = c h 2 p h 2c h + , M , m/z 8 6 Trạng thái chuyển tiếp m/z 44 H H h 2c o o h 2 c ^ c K - c h 2= c h 2 , c c h 2 c h 3 h 2c c h 3 M , m/z 86 m/z 58 Sự xuất hiện của ion m/z 44 trong phổ khối lượng của butanal là do hiệu ứng Mc Lafferty, còn những ion m/z 71 và 29 được tạo ra bởi sự phân rã a của ion phân tử cùng với sự loại đi các gốc tự do để tạo ra các cation axyl tương ứng (hình 11.4). Phổ eỉectron. Trong phổ tử ngoại của các anđehit và xeton no và không liên hợp có một vân phổ hấp thụ cường độ yếu ở À,max 270 - 290 nm (8 10 - 12), gây ra bởi các bước chuyển n —» 71*. Vị trí vân phổ của bước chuyển n —» 7Ĩ* phụ thuộc vào dung môi ; trong các dung môi phân cực thì cực đại của vân phổ này bị dịch chuyển về vùng bước sóng ngắn. Các liên kết hiđro, được hình thành bởi các proton của dung môi (nước, etanol) với anđehit và xeton làm giảm năng lượng của các electron không liên kết của nguyên tử oxi trong nhóm cacbonyl. Để kích thích những electron này đòi hỏi một năng lượng lớn, cũng 9 có nghĩa là sự bức xạ càng mạnh thì độ dài sóng càng ngắn. Khi axit hóa các dung dịch anđehit và xeton thì vân phổ của bước chuyển n -> 71* yếu đi rất nhanh hoặc nói chung là biến mất. Các máy quang phổ thông thường không ghi được vân phổ mạnh ứng với bước chuyển n -» n* nằm trong vùng 180 - 190 nm. Những hợp chất cacbonyl liên hợp có sự dịch chuyển các cực đại hấp thụ của hai vân phổ này về phía bước sóng dài hơn. Ở các hợp chất quinon, cực đại hấp thụ trong khoảng 400 - 500 nm (8 20 - 100) là vân phổ quan trọng nhất và tương ứng với bước chuyển singlet - singlet n -» n*. ANĐEHIT - XETON NO VÀ THƠM 11.3 Tính chất hóa học 11.3.1 Đặc điểm của nhóm cacbonyl Trong các phân tử anđehit và xeton nguyên tử cacbon của nhóm cacbonyl ở trạng thái lai hóa sp2 với các góc hóa trị 120°. Hai nguyên tử cacbon và oxi nối với nhau bằng một liên kết sigma và một liên kết pi. Nói chung liên kết đôi c = o của hợp chất cacbonyl giống liên kết đôi c = c của anken, nhưng liên kết đôi c = o ngắn hơn và bền hơn : H-------— Độ dài Năng lượng „ 178 kcal/mol liên kết c = 0 1,23 Â(745 kJ/mol) 146kcal/mol liên kết c = c 1,34 Ả(611 kJ/mol) Ngoài ra, ở nguyên tử oxi còn cặp electron chưa sử dụng chiếm obitan có trục thẳng góc với mặt phẳng pi. Liên kết c = o luôn luôn phân cực về phía oxi vì oxi có độ âm điện lớn hơn cacbon. Sự phân cực đó biểu hiện ở giá trị momen lưỡng cực khá lớn của nhóm c = o (~ 2,7 D). Nếu đem so với |I của nhóm c - o trong ete (~ 1,2 D), ta thấy sự phân cực của nhóm cacbonyl phần lớn do liên kết n gây nên. Do đó ta có thể mô tả nhóm cacbonyl như sau : ...S + ^ 5- y c = o Như vậy, nhóm cacbonyl có tính chất không no và phân cực đã trở thành trung tâm tấn công đối với các tác nhân nucleophin. Mặt khác, sự phân cực của nhóm cacbonyl có ảnh hưởng lớn đến các gốc hiđrocacbon. Nếu là gốc thơm, nhóm cacbonyl sẽ phản hoạt hóa vòng thơm nối trực tiếp với nó và định hướng meta trong phản ứng thế electrophin. Nếu có gốc no, nhóm cacbonyl 10 sẽ hoạt hóa những nguyên tử hiđro ở vị trí a tạo điều kiện cho phản ứng enol hóa (x. mục 10.7 và 11.8) và các phản ứng thế ionic những nguyên tử hiđro đó. Những phản ứng của hợp chất cacbonyl gồm ba loại chính : phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl (cộng đơn thuần và cộng có kèm theo phản ứng tách tạo ra sản phẩm thế nguyên tử oxi-cacbonyl), phản ứng thế ở gốc hiđrocacbon (ở cacbon a) và phản ứng oxi hóa - khử. 11.3.2 Phản ứng cộng nucleophin Hợp chất cacbonyl có thể tác dụng với nhiều tác nhân nucleophin khác nhau tạo thành sản phẩm cộng theo sơ đồ sau : R , ỗ ỗ +, 8" / OH > = 0 + H Ì - Y ------> " c " R ô; : 5- R Y (hoặc x i - Ỷ) g+ g— g+ g— g— g+ g— g+ g— g+ g— trong đó H -Y là H - O H , H -O C 2H5, H - C N , H - s 0 3N a , ... còn X -Y thường là s+ S" 8+ 5” các hợp chất cơ kim như Br M g- CH3 , N a C s CH, ... Các dữ kiện thực nghiệm cho thấy đây là phản ứng lưỡng phân tử và gồm hai giai đoạn : giai đoạn cộng phần mang điện âm của tác nhân vào nguyên tử cacbon mang điện dương của nhóm cacbonyl (chậm) và giai đoạn proton hóa sản phẩm trung gian (nhanh): R ....S+ ^ ô - 5+, 5- ^ R ^ . 0 " +H+ R . .O H ; c = 0 4- Hchâm \ ^ + H — Y > c —— c R’^ ______- H + R’^ V Y nhanh R '^ V Y Vì giai đoạn chậm quyết định tốc độ của toàn bộ phản ứng cộng, là sự tấn công của tác nhân nucleophin cho nên ta gọi đó là phản ứng cộng nucleophin, kí hiệu AN. Muốn cho phản ứng cộng xảy ra dễ dàng, phần điện tích dương ô+ ở nguyên tử cacbon-cacbonyl phải lớn và nguyên tử đó không bị các gốc thế R và R’ án ngữ không gian. Nói cách khác, khả năng phản ứng của nhóm cacbonyl phụ thuộc vào bản chất các gốc nối với nó. Vì thế, những nhóm hút electron (hiệu ứng - I) làm tăng khả năng phản ứng, còn những nhóm đẩy electron (hiệu ứng + I) làm giảm khả năng phản ứng và xeton nói chung kém hoạt động hơn so với các anđehit: ci3c- c h =o > o 2n c h 2- c h =o > C1CH2-CH=0 > h 2c=o > c h 3- c h =o > c h 3 - c - c h 3 0 Dưới đây chúng ta sẽ xét một số phản ứng cụ thể : a) Cộng nước và ancol Khi hoà tan anđehit và xeton trong nước sẽ xảy ra sự tương tác giữa nước với nhóm cacbonyl (phản ứng hiđrat hóa) theo một cân bằng : 11 R nhanh R \ / O H " c = 0 + HOH < = = > R R OH Hợp chất cacbonyl ge/w-điol K ________ [hidrat]_____________ hiđr [hợp chất cacbonyl] [nước] Fomanđehit bị hiđrat hóa gần như hoàn toàn. Khi thay thế nguyên tử hiđro trong HCHO bằng các nhóm ankyl thì khả năng hiđrat hóa giảm đi nhiều. Trái lại, những nhóm hút electron như CC13, CF3,... đính vào nhóm c = o làm cho khả năng hiđrat hóa tăng thêm. Vì vậy, trong khi các gem-đio\ nói chung là những chất không bền, dễ bị tách nước trở thành hợp chất cacbonyl ban đầu, thì gem-điol của một số chất như cloral (CCI3CHO) lại bền vững và có thể tách ra ở dạng kết tinh với tnc 57°c. Bảng 11.4 dẫn ra các hằng số cân bằng hiđrat hóa Khiđr của một số anđehit và xeton đơn giản. Bảng 11.4 Hằng số cân bằng hiđrat hóa của một số anđehit và xeton Hợp chất cacbonyl Hiđrat ^hiđr% chuyển hóa thành hiđrat HCH=0 CH2(OH)2 41 99,96 c h 3c h = o CH3CH(OH)2 l,8x l0-2 50 (CH3)3CCH=0 (CH3)3C CH(OH)2 4,1x10 3 19 CH3COCH3 (CH3)2C(OH)2 2,5xl0“5 0,14 Đơn vị Khiđr là M Nồng độ tổng cộng là IM. Nồng độ nước là 55,5M. Cơ chế hiđrat hóa anđehit hay xeton trong điều kiện xúc tác bazơ gồm hai giai đoạn : Giai đoạn 1 : Cộng hợp nucleophin ion hiđroxit vào nhóm cacbonyl R R' Rx\ r * chậm ' V í HO: + c = 0 : <===* C - O : " / / R' HO lon hiđroxit Anđehit hay xeton Giai đoạn 2 : Chuyển dịch proton từ phân tử nước đến sản phẩm trung gian tạo thành trong giai đoạn 1 . RA / R 5 .. - X nhanh c - ọ : + H-OH ĩ= ± / R C - O - H + :ÕH• • HO HO Nước gem-á iol lon hiđroxit Hình 11.5 dẫn ra giản đồ thế năng của sự hiđrat hóa anđehit hay xeton trong điều kiện xúc tác bazơ. R' R Hình 11.5 Giản đổ thế năng của sự hiđrat hóa anđehit hay xeton dùng xúc tác bazơ Phản ứng hiđrat hóa trong điều kiện xúc tác axit gồm 3 giai đỡạn : Giai đoạn 1 : Proton hóa oxi cacbonyl nhanh R\ + c = 0 : / \ R' H + HOH Anđehit hay xeton lon hiđroni Axit liên hợp của hợp chất cacbonyl Giai đoạn 2 : Cộng hợp nucleophin vào anđehit hay xeton đã proton hóa R chậm Nước Axit liên hợp của hợp chất cacbonyl R' l V í . •• ^ C - 0 / **\ H - 0 + H IH Axit liên hợp của gem-â iol 13 Giai đoạn 3 : Chuyển dịch proton từ axit liên hợp đến phân tử H20 R R R - \ .. nhanh 1 .. C - 0 + H ,0 <-------> ^ C - 0 + H ,0+ / **\ / " \ H— o + H H- 0 H 1H Axit liên hợp gem-diol lon hiđroni của gem-á iol Tương tự nước, ancol có thể cộng vào nhóm cacbonyl của anđehit tạo ra sản phẩm kém bền gọi là hemiaxetal. Khi dùng lượng dư ancol với sự có mặt hiđro clorua, hemiaxetal sẽ tác dụng với một phân tử ancol nữa (ete hóa) tạo thành axetal là hợp chất bền có tính chất tương tự ete, nhưng khả năng phản ứng cao hơn ete. R'OH, H+ O H R'OH, H+ OR' R -C H = 0 < == > R -C H C " <.....■ _ > R - C H C + H20 OR' OR' Anđehit Hemiaxetal Axetal Nước Thí d ụ : < ^ ^ - C H = 0 + 2CH3CH2OH ^ y - C H ( O C H 2CH3)2 Benzanđehit Etanol Benzanđehit đietyl axetal (66%) axit p -toluen ^ ^ CH3(CH2),C H = 0 + HOCH2CH2OH 'sunfonic > 0 'o benzen / \ H (CH2)5CH3 Heptanal Etilen glicol 2-Hexyl-l,3-đioxolan (etan-1,2-điol) (81%) Những hợp chất tương tự axetal của xeton được gọi là xetal. Thông thường người ta điều chế xetal bằng cách cho axeton tác dụng với etyl orthoíomiat: h 3c ^ / o c 2h 5 h 3c o c 2h 5 / C = 0 + H - C - O C 2H5 <------> _ + HCOOC2H5 h 3c n o c ; h ; h 3c " o c 2h 5 Etyl orthoíomiat Xetal Etyl íomiat Axetal bị thuỷ phân trong môi trường axit, nhưng bền đối với bazơ mạnh và tác nhân nucleophin. Axetal dễ dàng được điều chế từ xeton và anđehit tương ứng và cũng dễ dàng tái tạo hợp chất cacbonyl ban đầu. Do đó axetal thường được dùng để bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ. Để minh hoạ ta sẽ dẫn ra hai thí dụ sau đây : 14 Thí dụ 1 : Xét chuyển hóa dưới đây : Ọ Ọ II ĩ c h 3c c h 2c h 2c = c h — > c h 3c c h 2c h 2c = c c h 3 Hex-5-in-2-on Hept-5-in-2-on Để bảo vệ nhóm chức cacbonyl, ta phải thực hiện lần lượt các phản ứng sau : dj) Bảo vệ nhóm chức cacbonyl o 11 HOCH2CH2OH c h 3c c h 2c h 2c = c h a. />toluen- -suníonic, C6H6 Hex-5-in-2-on a2) Ankyl hóa ankin Ọ 0 \ / c / \ h 3c c h 2c h 2c = c h 2-(But-3'-inyl)-2-metyl-1,3-đioxolan (80%) Ọ p \ / c / \ h 3c c h 2c h 2c = c h 1) NaNH2, NH: 2) CH3I / \ Ọ p „ > c ............................................................... h 3c c h 2c h 2c = c c h 3 2-Metyl-2-(pent-3'-inyl)-1,3-đioxolan (78%) a3) Tái tạo nhóm cacbonyl bằng cách thuỷ phân ỌII H20 / \ Ọ p „ > N ................................................................ h 3c c h 2c h 2c = c c h 3 2-Metyl-2-(pent-3'-inyl)-1,3-đioxolan HC1 CH3CCH2CH2C =C C H 3 Hept-5-in-2-on (96%) Thí dụ 2 : Trong tổng hợp dự kiến sau đây, tác nhân Grinha dùng cho phản ứng không tồn tại được, bởi vì nhóm cacbonyl sẽ phản ứng với nhóm cơ kim có tính nucleophin : O uivigDr o V + BrMg—CH2CH2—c — H -X -> Xiclohexanon Các nhóm kị nhau (Tác nhân không tồn tại) OMgBr ị ^ - C H 2CH2 - C - H H ,0 ‘ o OH ị ^ - c h 2c h 2 - c - h Sản phẩm cuối 3- HHCT2 15 Muốn có sản phẩm trên, trước hết ta phải bảo vệ anđehit bằng cách chuyển thành axetal, rồi thành tác nhân Grinha và sau đó phản ứng với xiclohexanon : Ọ 0 0 0 0 '1 HOCHoCHoOH \ / Me \ _ / Br - CH2CH2 - c - H ------ — > Br - CH2CH2 - C - H B rM g- CH2CH2 - c - H H e*e Anđehit đã được bảo vệ r ” \ Q p \ / BrMg—CH2CH2—c — H Sự tạo thành axetal một cách chọn lọc OMgBr OH o CH2CH2 - C - H Sản phẩm cuối Bởi vì anđehit tạo axetal nhanh hơn xeton, nên anđehit có thể được bảo vệ chọn lọc khi có mặt xeton : 1 đương lượng / H OH OH HH+H wo b) Phản ứng với hiđro xianua Hiđro xianua (ts 26°C) có thể được xem như là chất khí hoặc chất lỏng với ts thấp. Trong các thí nghiệm điển hình ở phòng thí nghiệm, nó được dùng như một chất khí, nhưng với các thiết bị đặc biệt nó có thể được dùng như là một chất lỏng (và trong một vài trường hợp có thể dùng như một dung môi). Thường thường, HCN được sinh ra trực tiếp trong hỗn hợp phản ứng từ KCN hay NaCN và một axit mạnh. Hiđro xianua rất độc và đặc biệt âm thầm bởi vì chỉ phát hiện ra mùi của nó ở nồng độ gây tử vong. Tương tự nước và ancol, hiđro xianua có thể cộng vào nhóm cacbonyl của anđehit và xeton để tao thành xianhiđrin. Thí du : 16 0ĩ CH.CH + HCN CN OH 1 CH3C H -C N Axetanđehit Axetanđehit xianhiđrin Hiđro xianua không cộng trực tiếp vào nhóm cacbonyl. Để cộng hợp thành công cần phải có phản ứng kiềm nhẹ như dung dịch đệm NaCN-HCN. Trong dung dịch kiềm, nồng độ ion xianua tăng lên và tấn công nucleophin vào nhóm cacbonyl: HCN: :N=C: lon xianua Anđehit hoặc xeton lon ankoxit sinh ra sẽ tách proton khỏi phân tử hiđro xianua thứ hai và tái tạo ion xianua. R I — :N —c —c —0 : IR' R I . . ■> : N = C - C - Ọ H + :C —N: IR' Hiđro xianua Xianhiđrin Phản ứng tạo xianhiđrin là thuận nghịch và vị trí của cân bằng phụ thuộc các yếu tố không gian. Anđehit và xeton không bị án ngữ không gian cho xianhiđrin với hiệu suất cao. Thí d ụ ; C1 C l - ^ ^ - C H O r C1 NaCN.ete-H20 ' N rồi HC1 - £ ^ C H - C » OH 2,4-Điclobenzanđehit Ọ L CH3CCH3 Axeton NaCN, H20 rồi H2S 0 4 2,4-Điclobenzanđehit xianhiđrin ( 100%) OH ĩ CH3 - C - C H 3 ■ 1 C = N Axeton xianhiđrin (77 - 78%) Xianhiđrin là những chất trung gian tó ích trong tổng hợp hữu cơ. Thí dụ nhóm CN có thể được thuỷ phân đến nhóm cacboxyl hoặc chuyển hóa đến este. Ngoài ra nhóm OH của xianhiđrin cũng có thể bị thế bằng amoniac dể thành nhủm^amiiKX-T-mb-chất này được dùng để tổng hơp amino axit. ĐẠi HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI_ HỌC QUOC GIA HA NỌi^ TRUNG TẰM THỐNG TÌN THƯ VỈỆN 05030001408 17 o OH o '' HCN I CHiOH ■' CH3 CCH3 - ^ 7 =-» CH3 - C - C N - — - > c h 2 = c - c o c h 3 J CN J 1 H2S 0 4 1 1 3 ch3 ch3 Metyl metacrylat o o ^ NaCN NHa HC1 II CH3CH T > CH3CHCN 3 > CH3CHCN > CH3CHCOH NH4C1 1 1 h 20 1 OH NH2 NH2 Alanin (60%) Con rết Apheloria corrugata mang trong mình tuyến tích trữ khí độc dưới dạng manđelonitrin (một xianhiđrin) dùng để tự vệ. Khi gặp nguy hiểm, dưới tác dụng của enzym, xianhiđrin phân ly rất nhanh thành benzanđehit và HCN để đầu độc kẻ thù. Chỉ cần một con rết có thể phóng ra lượng khí HCN đủ để giết một con chuột ! Mặc dù manđelonitrin, benzanđehit và HCN có cấu trúc khác nhau nhưng đều có mùi thơm của hạnh nhân : OH o - C6 H5CHCN enzym > C6 H5CH + HCN Manđelonitrin Benzanđehit Trong các thực vật giống Prunus (gồm mận, mơ, đào và anh đào), xianhiđrin được sinh tổng hợp và tích trữ dưới dạng dẫn xuất của đường trong các nhân hạt, Amygdalin và laetril là những xianhiđrin thường gặp, chúng có cấu trúc rất gần nhau. Glucozơ Axit glucuronic co2h c n ■ I °\O C H C6H5 Amygdalin c) Cộng natri hiđrosunfit Anđehit và metylxeton tác dụng với natri hiđrosunfit tạo thành sản phẩm cộng ở trạng thái tinh thể gọi là hợp chất cộng hiđrosuníĩt (hay hợp chất cộng bisuníit). Phản ứng cộng hiđrosunfit là thuận nghịch, do đó muốn có sản phẩm với hiệu suất tốt ta phải lấy dư dung dịch natri hiđrosunfit 40% trong nước. Trong phân tử NaHS03, nguyên tử lưu huỳnh có tính nucleophin mạnh tấn công vào cacbon mang điện dương của nhóm cacbonyl: 18 o HOHt CH3 - C - H HS03Na (89%) CH3COCH3 + NaHS03 < H0H ■» (CH3)2C - S 0 3Na OH (56%) Hợp chất cộng bisunfit thực chất là những muối natri của axit a-hiđroxisunfonic, thường ở dạng tinh thể. Chúng dễ dàng bị axit phân huỷ thành hợp chất cacbonyl ban đầu và S 02. Do đó, phản ứng cộng natri hiđrosuníit được dùng để phân lập các anđehit (hoặc xeton) ra khỏi hỗn hợp với các chất khác không tham gia phản ứng cộng này ; thí dụ tách xitronelal ra khỏi tinh dầu sả. Hợp chất cộng bisunfit cũng được dùng để bảo quản anđehit khỏi bị oxi hóa và ngưng tụ anđol. d) Cộng hợp chất cơ kim Phản ứng cộng hợp chất cơ kim vào nhóm cacbonyl có vai trò rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Chẳng hạn, cộng hợp các tác nhân Grinha, cơ lithi và axetilua sẽ dẫn tới hợp chất trung gian ankoxit rồi chuyển hóa thành ancol bậc một, bậc hai hay bậc ba (x. Tập 1, mục 9.3.3). Trong những phản ứng đó, hợp chất cơ kim tác dụng như một chất phân cực để tạo ra cacbanion. Thí dụ : Ọ r + ■ CH3CH2CH2C = c : Na + CH3 — C —H Na :0 : Natri pentinyl Axetanđehit Natri ankoxit C H 3 Ị h 3o+ ỌH ĩ c h 3 Hept-3-in-2-ol (95%) Đáng chú ý là phản ứng cộng natri axetilua vào hợp chất cacbonyl tạo ra etinylcacbinol, ancol này bị hiđro hóa trên chất xúc tác Lindlar (Pd đã bị đầu độc một phần) và chuyển vị dưới tác dụng của axit sẽ tạo ancol alylic : R \ -I— ỵ C = 0 + NaC — CHNaNH2, NH3 R x / 0 H c R' R C = CH-CH2OH H+ chuyển vị alylic R' R' c — CH H2, xt R x ỵ OH c R' CH=CH2 Cộng hợp chọn lọc lập thể vào nhóm cacbonyl Về phương diện hóa lập thể, phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl không có tính đặc thù vì nhóm này có cấu trúc phẳng. Tuy vậy, vấn để sẽ trở nên phức tạp nếu nhóm cacbonyl liên kết với một trung tâm bất đối. Khi đó, phản ứng cộng sẽ tạo nên hỗn hợp hai đồng phân lập thể không đối quang (erythro và threo) ; một trong hai đồng phân đó sẽ chiếm ưu thế hơn. Để dự đoán đồng phân chiếm ưu thế đó, tức là dự đoán hướng tấn công chủ yếu của tác nhân nucleophin ta dựa vào quy tác Cram (1952), nội dung cơ bản như sau : Nếu ba nhóm th ế ở nguyên tử cacbon bất đối đính với nhóm cacbonyl có kích thước khác nhau (kí hiệu L,TB và N ứng với các nhóm thế lớn, trung bình và nhỏ) thì tác nhân nucleophin sẽ tấn công nhóm cacbonyl từ phía ít bị án ngữ không gian hơn, tức là phía có nhóm thế với kích thước nhỏ hơn, ít bị án ngữ không gian hơn). L R. . Y OH Thí dụ, trong phản ứng giữa 3-phenylbutan-2-on với phenyl magie bromua, sản phẩm cộng theo quy tắc Cram (I) nhiều gấp 5 lần sản phẩm trái với quy tắc đó (II). CfiH6l l 5 CH H OH c h 3 erythro CHq H C6 H5 c h 3 OH threo (II) 20 c 6h 5 c 6h 5 c 6h 5 HO Ngoài các phản ứng với hợp chất cơ kim, quy tắc Cram cũng được ứng dụng cho phản ứng khử dưới tác dụng của các hiđrua kim loại. Thí dụ phản ứng khử 7,7-đimetylbixiclo [2.2.1] heptan-2-on bằng natri bo hiđrua : + 7,7-Đimetylbixiclo NaBH, Ancol isopropylic 0°c íurơ-7,7-Đimetylbixiclo £/2í/ơ-7 ,7 -Đimetylbixiclo [2 .2 . 1 ] heptan-2 -on [2 .2 . 1 ] heptan-2 -ol (80%) [2 .2 .1 ] heptan-2 -ol (2 0%) Việc lại gần của bo hiđrua từ phía trên của nhóm cacbonyl bị án ngữ không gian bởi một trong các nhóm metyl. Phía dưới nhóm cacbonyl ít bị án ngữ không gian hơn và sản phẩm chính được tạo thành từ hướng này : H3C CH3 $Hướng phụ Hương chínho h - b h 3 e) Phản ứng trùng hợp Fomanđehit là chất khí ở điều kiện thường, vì vậy nó thường được bảo quản và dùng ở dạng dung dịch 40% trong nước, có tên 1 afơmalin. Fomanđehit khô có thể được điều chế bằng cách đun nóng một trong các dẫn xuất rắn của nó, thường là trỉoxan hay paraýomanđehit. Trioxan (hay trioximetylen) là một trỉme vòng gồm ba đơn vị fomanđehit. Paraíomanđehit là một polime thẳng gồm nhiều đơn vị íbmanđehit. Những dẫn xuất rắn này được tạo thành một cách tự phát khi thêm một lượng nhỏ xúc tác axit vào íomanđehit tinh khiết. H H \ / H O o oH H " c T H Trioxan, tnc 62°c (trime của fomanđehit) H H H H L í L + C - 0 - C - 0 - C - 0 - C - 0 1 1 1 1 H H H H Paraíomanđehit (polime của íomanđehit) H ,0 Fomanđehit ts - 2 1 ° c HO OH \ / H - C - H Fomalin 21 Axetanđehit sôi ở 20°c, gần nhiệt độ phòng, nên có thể xem là chất lỏng. Axetanđehit cũng được dùng ở dạng trime (paranđehỉt) và dạng tetrame (metanđehit). Axetanđehit có thể được điều chế bằng cách đun nóng một trong các hợp chất này. Paranđehit được dùng trong y tế làm thuốc giảm đau, còn metanđehit được dùng làm mồi nhử và chất độc đối với sên và ốc sên. H CH3 H n / CH3 . V ' C - ° ' /H Ọ Ọ t° _ i t" _ Ọ c H3C0 1 ^ C H , - í - > H3C - C - H < - í- H3C X 1 1 •'C H , H H Axetanđehit H \ _ _ / Q u ts 2 0 c O - C - H Paranđehit, ts 125°c I c h 3 Metanđehit, tnc 246°c 11.3.3 Phản ứng với hợp chất cơ lithi Các hợp chất cơ lithi cộng hợp chủ yếu vào nhóm cacbonyl của anđehit và xeton a, p không no để tạo thành ancol alylic (cộng hợp 1 ,2 ): ,) r >_0 > r y . H \ = / 2) H^O+ ; H20 \= = / CH3 (95%) OH 1) CH3L1 ; ete 2) (CH3)2C = C H - C - C H 3 — — > (CH3)2C —CH—c — CH3 1 2)H3Q+;H2 0 \ 0 c h 3 (81%) Việc cộng liên hợp chọn lọc vùng của hợp chất cơ kim đạt được nhờ điankyl lithi cuprat. Hiện nay sự cộng hợp liên hợp của điankyl lithi cuprat là phương pháp tốt nhất đưa nhóm ankyl vào vị trí p của a, P-enon (Cori; Haoxơ, 1966). Nhờ có các điankyl lithi cuprat người ta có thể đưa vào vị trí (5 của a, P-enon, không những nhóm ankyl bậc một mà cả nhóm ankyl bậc hai và nhóm ankyl bậc ba. Ngoài nhóm ankyl, ta cũng có thể đưa vào cả nhóm ankenyl và nhóm aryl. Dưới đây là một số thí dụ : o + o II „ l)[(('ll,) 2Cu] Li ; ete 1 ) c h 3c - c h = c h 2 -------------> c h 3c - c h 2c h 2c h 3 2) H3O 3 2-2 3 (97%) 2) 0 = 0 l)[(CH 3)2C u ] - L , + ; e , e > 2) H ,0 + ) — / h 3c (97%) 22 3) o1)(CH2 = CH)2CuLì ;THF 2) H , 0 + c h = ch2 (65%) 4) o1) (C6H5)2CuLi; ete 2) H30 + c6h5 (70%) 5) o 1)(CH3)2CuLi;ete 2) CH3COOH - H20 9-Metyl-cií-đecan-2-on (80%) Trong tất cả các trường hợp người ta đều không phân lập được cuprat ở dạng riêng biệt, mà trực tiếp dùng ngay sau khi điều chế từ hợp chất cơ lithi hay cơ magie và đồng (I) bromua trong ete, THF hoặc đimetoxietan. Trong nhiều trường hợp có thể dùng xúc tác Cu2Br2 (5 - 10%) 11.3.4 Tác dụng với các dẫn xuất một lần thế của amoniac. Phản ứng thê nguyên tử oxi-cacbonyl Các dẫn xuất một lần thế của amoniac R”NH2 tác dụng tương đối dễ dàng với anđehit và xeton tạo ra sản phẩm ngưng tụ chứa liên kết đôi c = N là những dẫn xuất ở nhóm chức của các hợp chất cacbonyl đó : R'c l oỊI\N —R"HiORR'\C = N —R" R Thí dụ : H ,c H ,cc = 0 Axeton H N -O H H Hiđroxylamin H ,0 H3C H , c C = N - O H Axetoxim 23 Cơ chế của phản ứng như sau : R \ S 5- I R \ + ' c = 0 + H2N -R " — > 'c - N H 2 - R " ------► R' R I o ------> R / C - N H - R " ------- > R ^ C = N - R " R I - H 20 OH Cacbinolamin N-Imin thế Thực chất đây là phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl tạo ra sản phẩm trung gian rất không bền và bị tách nước ngay thành sản phẩm ngưng tụ hay là sản phẩm thế nguyên tử oxi - cacbonyl. a) Phản ứng với amoniac Amoniac là một chất nucleophin có thể phản ứng với nhóm cacbonyl của anđehit hoặc xeton trong phản ứng cộng - tách. Phản ứng được xúc tác bằng vết axit, với anđehit béo tạo thành sản phẩm ít bền là anđehit-amoniac. Thí dụ : ỵ OH c h 3 - c h = o + NH3 ------» CH3 - C H n h 2 Axetandehit-amoniac (tnc 97°C) Anđehit-amoniac dễ bị tách nước và trime hóa thành hợp chất dị vòng : NH / 0H CH3-C H CH — CH 3 CH3-CH — — > CH3-CH =NH - - - - - -> 1 1 - h 20 3 HN NH NH2 \ / Anđimin CH I c h 3 b) Phản ứng với amin Các imin không thế được tạo thành từ amoniac không bền vững. Do đó, nếu dùng amin bậc một thay cho amoniac thì sản phẩm là imin thế (còn gọi là bazơ Schiff) thì sản phẩm sẽ bền hơn. Ọ ĩCH + NH2CH3 <------------ > ủ II Benzen, H+, t° 24 OH NHCH ^ > r V c H = : NCH N-Benzyliđenmetylamin (95%) C y ĩH + ( > N H 2 ^ C „ = N - ^ Benzanđehit Anilin N-Benzyliđenanilin (87%) Cơ chế phản ứng tạo bazơ Schiff gồm hai bước. Bước thứ nhất là sự cộng hợp nucleophin amin vào cacbon cacbonyl có một phần điện tích dương, tiếp theo là sự chuyển một proton từ nitơ đến o x i: Bước ỉ : Cộng / ỏ i i ỏ ĩ :ÔH II nhanh I nhanh I RCR + R'NH2 < = = ì RCR < RCR V y 1 _ I ^ ^ R’NH2 R’NH•• • Bước hai, nhóm OH proton hóa được tách đi dưới dạng phân tử nước. Bước 2 : Tách :O H H+ : Ô h 2 - h 2o - H + I nhanh M chậm + nhanh .. R2CNHR' < = ± R2C t-N H R' < = ì R2C = N H R ' ĩ = ± R2C = N R ’ Imin (bazơ Schiff) Cần chú ý rằng chỉ những bazơ Schiff sinh ra từ anđehit thơm và amin thơm mới bền vững. Các bazơ Schiff điều chế từ anđehit và amin béo thường không bền, dễ trime hóa thành hợp chất dị vòng. Thí dụ : CH3 1 A triniehóa _ I 1 _ h 2c = o + h 2n - c h 3 — 0 > h 2c = n —c h 3 — — — > c h 3 - n ^ n - c h 3 Bazơ Schiff sinh ra từ fomanđehit và anilin dễ dàng chuyển hóa ngay thành trime gọi là anhidrofomanđehitanilin. Trong trường hợp này nếu dùng dư anilin, bazơ Schiff sẽ tác dụng với anilin tạo ra N,N’-điphenylđiaminometan. H2NC6H5 C6H5NH2 + CH2= 0 — — r > C6H5N = C H 2 — - ĩ —> C6H5N H -C H 2-N H C 6H5 - H 2U Anhiđroíomanđehitanilin N,N'-Điphenylđiaminometan Ngược lại, nếu dùng hơi dư íomanđehit và có mặt axit người ta sẽ được polime gọi là nhựa anilin, tương tự bakelit. Các xeton rất khó phản ứng với amin bậc một, thường phải dùng những chất xúc tác mạnh như ZnCl2, HC1,... 25 Anđehit thơm tác dụng với amoniac tạo thành hiđrobenzamit có lẽ cũng qua giai đoạn tạo thành anđehit-amoniac và anđimin : C6H5-CHO + NH3OH C6H5-C H \NH' H ,0 > [C6H5-C H = NH] [2C6H5 — CH = NH + 0 = C H -C 6H5] HoO (C6H5CH=N)2CHC6Hs Hiđrobenzamit Xeton cũng có thể tác dụng với amoniac qua nhiều giai đoạn phức tạp. Trong trường hợp axeton, phản ứng thoạt tiên tạo ra mesityl oxit và phoron, những chất này cộng thêm phân tử amoniac tạo thành điaxetonamin và triaxetonamin : 2 CH3 - CO - CH3 ------ > (CH3)2C = CH - CO - CH3 Mesityl oxit NH3 ■> (CH3)2C - C H 2-C O C H : nh2 Điaxetonamin H,c CH, ■3 NHXTT T 3 H3C H / N ^ /CH 3 3 CH3 - C - C H 3 — -> ì ~ H2° H3C 0 C = C H - C - C H = C I 0 Phoron \CH > c c H3C ^ I p C H 3 h2c ch2 ' c "I 0 Triaxetonamin Với amin bậc hai, anđehit và xeton cho ion ỉmini rồi đến enamin (x. thêm mục 14.5). Enamin được tạo thành do có sự loại đi proton khỏi cacbon ị3 đối với nitơ, kết quả là xuất hiện một liên kết đôi giữa các nguyên tử cacbon a và cacbon p. Các enamin là những chất trung gian quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Liên kết đôi giữa cacbon a và cacbon p 0 H 1 - H20 CH3CH + (CH3)2NH < = ± Đimetylamin o H CH2-CH=N(CH3)2 lon imini - H+ ) .. _ É==* CH2==CHN(CH3)2 Enamin N N-( 1 -Xiclopent-1 -enyl) pyroliđin (80 - 90%) 26 benzen + Xiclopentanon HoO NH Pyroliđin c) Phản ứng với hiđroxylamin Anđehit tác dụng với hiđroxylamin tạo thành anđoxim, còn xeton tạo ra xetoxim : R —C H = 0 + H2N -O H ------> R —C H = N —OH + H20 Anđoxim Rx .................. < c = 0 + H,N-OH ----- > C =N -O H + H,0 / 1 / R' R Xetoxim Thí dụ : CH3(CH2)5CHO + H2N -O H ------> CH3(CH2)5CH=NOH + H20 Heptanal Hiđroxylamin Heptanaloxim (81 -93%) Thường thường người ta thực hiện phản ứng trong môi trường axit yếu (x. trên). Các axit mạnh phân tách oxim trở lại các hợp phần ban đầu. Chúng ta sẽ đề cập đến các tính chất của oxim một cách đầy đủ hơn ở mục 11.15. d) Phản ứng với các hiđrazin Hiđrazin tác dụng với hợp chất cacbonyl tạo ra hìdraion hoặc aún tùy theo tỉ lệ các chất lấy vào phản ứng : Rx .................. R x c = o + h 2n - n h 2 — > c = n - n h 2 + h 20 ^ Hiđrazin ^ Hiđrazon „ / R R \ / R C = N - N H 2 + 0 = c ------> C = N - N = C + H20 / z \ / \ R R' R' R' Azin Người ta phân biệt anđazin và xetazin. Xetazin khó tạo ra hơn anđazin, cho nên phản ứng giữa xeton với hiđrazin thường dừng ở giai đoạn hiđrazon (do án ngữ không gian). Hiđrazon và azin đều là những chất rắn, kết tinh, với nhiệt độ nóng chảy đặc trưng, lại dễ bị thuỷ phân (axit) tạo ra hợp chất cacbonyl ban đầu. Vì vậy, người ta có thể dùng phản ứng vơi hiđrazin để nhận hiết hợp chất cacbonyl. Phenylhiđrazin cũng dễ dàng tác dụng với hợp chất cacbonyl sinh ra phenylhiđrazon : R \ ............................ R x c = 0 + h2n - n h - c6h5 — » c = n - nh c6h5 + h20 R' R' Phenylhiđrazin Phenylhiđrazon Phenylhiđrazon cũng là những chất rắn, kết tinh, dễ bị thuỷ phân trong môi trường axit tạo thành hợp chất cacbonyl ban đầu, và do đó thường được đùng để nhận biết hoặc đặc 27 trưng cho hợp chất cacbonyl. Với mục đích đó, bên cạnh phenylhiđrazin người ta hay dùng /?-nitrophenylhiđrazin và 2,4-đinitrophenylhiđrazin. Cơ chế tạo hiđrazon giống hệt cơ chế tạo imin (xem mục 1 1.3.4b). Giai đoạn khử thực thụ gồm hai lần chuyển dịch proton hỗ biến từ nitơ đến cacbon. Trong dung dịch bazơ mạnh, xảy ra chuyển dịch proton từ N đến c do tách proton khỏi nitơ kèm theo sự proton hóa lại trên c. R'.\ •• R'x R C = N H o C - N / / R/C = N/ N xH: o h [R R Hiđrazon Tách proton khỏi N Thế proton vào c OH Việc tách proton lần thứ hai tạo ra hợp chất trung gian để loại nitơ và chuyển thành cacbanion. Cacbanion này được proton hóa nhanh để cho sản phẩm. :N =N : RL j Ọ r Ì 5 H R'v ^ C n í' R'v / ' " “ ì i ,o K ■■=* H-/R'\ ± H -C : ' 2 y J " \ * H - C - H + OH / R R R R ỵ Tách proton khỏi N Tách N2 Cacbanion Sản phẩm e) Phản ứng với semicacbazit và thiosemicacbazit Sản phẩm ngưng tụ sinh ra được gọi là semicacbazon và thiosemỉcacbazon. \R /c = o + H2N -N H -C O N H 2H ,0 /c = n - n h - c o n h 2 Semicacbazit \ R' R Semicacbazon /c = 0 + h 2n - n h - c s n h 2\ R'- h20 / R' c = n - n h - c s n h 2 Thiosemicacbazit Thiosemicacbazon 11.3.5 Các phản ứng với hợp chất có nhóm metylen linh động (x. mục 14.6) 11.3.6 Phản ứng với ylit photpho (phản ứng Vittic) Như đã biết, phản ứng Vittic bao gồm sự tương tác của anđehit hoặc xeton với ylit photpho để tạo thành anken và photphin oxit (x. Tập 1, mục 3.7.6). Thí dụ : o - o + (C6H5)3P = CH2THF / \ c h 2 + (C6H5)3P = 0 Xiclohexanon 28 Metvlenxiclohexan (84%) * < ^ ^ C H = C H C H = C H ^ ^ > + (C6H5)3P = 0 1,4-Điphenylbuta-1,3-đien (67%) O o + (C6H5)3P ^ C I Br" -ĨỆỆU (^y< 1 + (C6H5)3PO (45%) Ylit photpho dùng cho phản ứng Vittic được điều chế bằng sự thế nucleophin (SN2) của ankyl halogenua với photphin bậc ba như triphenylphotphin (một chất nucleophin mạnh, nhưng là một bazơ yếu), và chế hóa tiếp theo với một bazơ mạnh, như butyl lithi («-C4H9L i): R' H " x i r ? - X _ + c L CH3CH2CH2CH2Li (C6H5)3P: + CH— X (C6H5)3P - C R '2 ------- — > Triphenylphotphin R lon photphoni + o - ch 3ch2ch2ch3 + (C6H5)3P -C R '2 <----> (C6H5)3P=CR’2 Các cấu trúc cộng hưởng của ylit Phản ứng Vittic là phương pháp tốt nhất để tổng hợp anken có vị trí xác định của nối đôi. Vì vây, nó được ứng dụng nhiều trong tổng hợp vitamin các nhóm A và D, các hợp chất polien, polienin, chất thơm, pheromon và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác. Dưới dây dẫn ra thí dụ về tổng hợp bombicol (một pheromon được phân lập từ con tằm) bằng cách cho metyl este của axit n-ĩomylđeca-lOE-enoic ngưng tụ với ylit nhận được từ H-butyltriphenylphotphoni bromua và natri bis-(trimetylsilyl) amiđua trong tetrahiđroíuran với sự tạo thành este đien liên hợp E, Z; hợp chất trung gkin này được khử bằng lithi nhôm hiđrua đến bombicol với hiệu suất tổng cộng 45%. ............................................... ............. CH3CH2CIỈ2CH;PPh,,B? CH3OOC(CH2)gCH= c h c h o - • -■- - E_ Na N[Si(CH3)312 ; THF ; - 20 c 1) L1AIH4 ; ete ------> CH3 CH2 CH2 C H =C H -C H = CH(CH2 )8 COOCH3 — — ------> Z- E- ' 2) H3O -> c h 3c h 2c h 2c h = C H -C H = C H (C H 2)8CH2OH z- E - Hexađeca-10E, 12Z-đien-1 -ol (bombicol) 29 Phản ứng Vittic được dùng trong công nghiệp để tổng hợp vitamin A |. Giai đoạn chìa khoá của quá trình tổng hợp này là sự oleíìn hóa theo Vittic : Về cơ chế phản ứng do chính Vittic đề nghị thì ở giai đoạn một do sự cộng hợp nucleophin thuận nghịch của ylit vào nguyên tử cacbon cacbonyl để tạo thành chất trung gian lưỡng cực betain. Tiếp theo, betain sau khi phối trí của oxi cacbonyl ở nguyên tử photpho, được chuyển thành oxaphotphetan. Trong dung dịch, oxaphotphetan không bền kể cả ở nhiệt độ thấp. Ở - 20°c và cao hơn, chúng bị tách loại cis để tạo thành anken và triphenylphotphin o x it: © ® Ỵ P(C6H5)3 (C6H5)3P - C H R I + r 2c o r 3 <-— > r 2- c - c h r ' <-----» / o J P(C6H5)3 R R , Betain <— -> r 2- c - ^ c h — > (C6H5)3P = 0 + r 2- c = c h / \ / \ R3 R1 R3 R1 Oxaphotphetan Các yếu tố kiểm soát cấu hình của anken tạo thành có thể xem xét trong khuôn khổ của cơ chế này. Bởi vì giai đoạn cuối là tách loại syn, hóa học lập thể của chất trung gian betain được tạo thành ở giai đoạn đầu được bảo toàn và trạng thái chuyển tiếp bốn trung tâm của sự tách loại quyết định cấu hình anken. Vì vậy, khi phàn huỷ erythro-betain ta nhận được r/s-anken, còn khi phân huỷ //ỉ/-eo-betain sẽ nhận được đồng phân trans. 30 (C6H5)3P © © (C6H5)3P -C H R R CHO X Ọ (CóH5)3Po ô / < \ H R H r ' erỵthro-Bel&in Tách loại syn k ^ R 2 I / \ , R H H R threo-Betain Tách loại s;y/7 (C6H5)3P = 0 + < / R 2 c = c R H \ / c = c Hỵ XH cứ-Anken H ỵ X R2 trans-Anken 11.3.7 Sự tạo thành oxiran khi tương tác hợp chất cacbonyl với ylit lưu huỳnh Trong khi các ylit photpho tương tác với anđehit và xeton tạo thành anken thì các ylit lưu huỳnh trong phản ứng với hợp chất cacbonyl lại cho oxiran (epoxit). Các ylit lưu huỳnh được điều chế bằng cách đeproton hóa muối suníòni dưới tác dụng của các bazơ mạnh như «-butyl lithi hoặc natri đimxyl. © 0 1) (CH3)3S I + rt-C4H9LiTH F; - 20°c © 0 > (C H 3)2S - C H 2 + Lil + C4H10 Ylit lưu huỳnh o 2) (CH3)2S - 0 + NaHDMSO; 40-50°C Ọ ©0 3) (CH3)3S Br ©0 t NaCH2SCH3DMSO - THF; - 10°c © © _ t > (CH3)2S - C H 2 + NaBr + CH3SCH3 Ylit lưu huỳnh cũng như ylit photpho khi tương tác với hợp chất cacbonyl mới đầu tạo thành betain do kết quả phản ứng cộng nucleophin vào cacbon cacbonyl. Tuy nhiên, khác với betain photpho, betain lưu huỳnh được bền hóa nhờ sự tấn công nucleophin của nguyên tử oxi vào cacbon betain với sự đóng vòng ba cạnh. Sự khác biệt này có thể hiểu được, nếu biết rằng trong phản ứng SN2 đimetyl suníua khác với triphenylphotphin là một nhóm tách đi tố t: R COR'© © (CH3)2S - C H 2 R —c - / \ c® c h 2- S(CH3)2 R© 0 : R —C - 2 o R‘ c h 2 + (CH3)2S (75 - 95%) 4- HHCT2 31 Như vậy, đối với nhóm cacbonyl, các ylit lưu huỳnh về hình thức đóng vai trò tác nhân vận chuyển nhóm metylen : 1 / ° \ 1) c 6h 5c h o + CH2- ! ( C H 3)2 c 6h 5 - c — c h 2 + (CH3)2S H (75%) o e © H2C;------ 0 2) 1 j + CH2-S(CH3)2 l J + (CH3)2S Ỏ + CH2-S (C H 3)2 Để thay thế các ylit lưu huỳnh, người ta có thể dùng các ylit sunfoxit. Metylit của đimetylsunfoxoni ~CH2 S(0)(CH3)2 phản ứng với anđehit và xeton tương tự như metylit của đimetylsuníoni: ♦ ỵ ° (CH3)2s - 0 + ch3i ------------- > (CH3)2- S - C H 3I * ỵ ° +/° - (CH3)2 ~ S ~ C H 3! + NaH (CH3)2 - S - C H 2 + Nai + H2 (CH3)2- S - C H 2 + 0 ^ 3 > O ^ C H + (CH3)2S* ° (75%) 11.3.8 Các phản ứng thế ở gốc hiđrocacbon a) Phản ứng halogen hóa vị trí a của nhóm cacbonyl (x. thêm mục 14.3) Do có sự phân cực của nhóm cacbonyl, nguyên tử hiđro ở vị trí a đối với nhóm đó trở nên linh động và hợp chất cacbonyl (anđehit cũng như xeton) dễ bị clo hóa, brom hóa và cả iot hóa ở vị trí này. Thí dụ : c h 3 - c h = o + Cl2 ------ > CH2C 1 - C H = 0 + HC1 Cloaxetanđehit O g - C H 3 + Br2 -------» < ^ ) - C - C H 2Br + HBr 0 0 a-Bromaxetophenon Khi dùng dư halogen ta có thể thế được hết các nguyên tử H a. Trong trường hợp halogen hóa trong môi trường kiềm ; các hợp chất metyl-cacbonyl kiểu RCOCH3 (R : H, ankyl hoặc aryl) cho ngay dẫn xuất trihalogen R - co - c x 3. 32 R - C - C H 3 + 3X2 + 3NaOH ĩỏ■> R - C - C X 3 + 3NaX + 3H20 10 Trong điều kiện phản ứng như vậy, dẫn xuất trihalogen bị phân cắt thành muối của axit cacboxylic RCOONa và haloíom CHX3 (phản ứng halofom ): R - C - C X I3 + NaOH 0 ■> CHX3 + R - C - O N a 1 0 Trong thực tế clorofom CHCI3, bromoíom CHBr3 và iođofom CHI3 được điều chế từ axeton hoặc ancol etylic (ancol này sẽ bị oxi hóa thành axetanđehit) trong môi trường kiềm. b) Phản ứng aminoankyl hóa các xeton cóHa được gọi là phản ứng Mannich (x. mục 14.10) 11.3.9 Các phản ứng khử a) Phản ứng khử thành ancol Phương pháp khử đơn giản nhất để chuyển hóa hợp chất cacbonyl thành ancol với quy mô lớn là hiđro hóa trên bề mặt chất xúc tác kim loại (x. Tập 1, mục 1.7.3). R R c = 0 + H C H -O H R ’^ “ xúc tác R Chất xúc tác thường dùng là niken, palađi, platin, đồng cromit. H2,P t^ metanol 1 o H OH Xiclopentanon Xiclopentanol (93 - 95%) Nhưng chất khử có ý nghĩa quan trọng được dùng nhiều trong những năm gần đây là các hiđrua phức kim loại như natri bo hiđrua và lithi nhôm hiđrua. H H 1 Na 1 4* 1 H - B - H 1 1 H Li H - A l - H i ỉ H Natri bo hiđrua (NaBH4) Lithi nhôm hiđrua (L1AIH4) Natri bo hiđrua đặc biệt dễ sử dụng, nó tan được trong nước và trong ancol, do đó khi thực hiện phản ứng khử, người ta thêm nó vào dung dịch nước hoặc ancol của anđehit hoăc xeton : 33 o .. I RCH Anđehit NaBH, nước, metanol hoặc etanol r c h 2o h Ancol bậc 1 OoN OoN f>CHONaBH, etanol ò -c h 2o h A?ỉ-Nitrobenzanđehit Ancol /?ỉ-Nitrobenzylic (82%) Natri bo hiđrua khử chọn lọc nhóm cacbonyl của anđehit và xeton, không đụng đến nhiều nhóm chức khác như este, nitrin, amit, lacton, oxiran. Natri bo hiđrua cũng được dùng để khử các hợp chất cacbonyl không liên hợp với liên kết đôi cacbon cacbon cách biệt và liên kết đôi cacbon oxi. NaBH4 CH2 = CHCH2CH2CHOc h 3c h 2o hc h 2= CHCH2CH2CH2OH (85%) Lithi nhôm hiđrua kém chọn lọc hơn nhiều và phản ứng với tất cả các nhóm chức dẫn ra ở trên. Lithi nhôm hiđrua phản ứng với nước và ancol, nên phản ứng phải thực hiện trong dung môi như là đietyl ete khan hoặc tetrahiđroíuran. 0 RCH Anđehit CH3(CH2)5CHO Heptanal 1) L1AIH4, đietyl ete 2) H30 + 1) L1AIH4, đietyl ete 2) H30 + r c h 2o h Ancol bậc 1 CH3(CH2)5CH2OH Heptan-l-ol (8 6%) .0 / 1) L1AIH4, ete 2) H30 ' ,0H (90%) Natri bo hiđrua và lithi nhôm hiđrua phản ứng với hợp chất cacbonyl theo cách giống như tác nhân Grinha, ngoại trừ chúng không phải là nguồn cung cấp cacbanion. Bo hiđrua chuyển dịch nguyên tử hiđro với cặp electron liên kết đến nguyên tử cacbon mang điện tích dương của nhóm cacbonyl. Nguyên tử oxi phân cực mang điện tích âm tấn công nguyên tử bo, và cuối cùng tất cả bốn nguyên tử hiđro của bo hiđrua được chuyển dịch và tạo thành tetraankoxi borat. Như vậy, thực chất đây là phản ứng cộng nucleophin. ■> (R2CHO)4B Tetraankoxi borat 34 H ịÊ H ; £ r 2c = o s+ 8 - H BH3 3R2C = o R2C - 0 Bằng phản ứng thuỷ phàn hoặc ancol phán, chất trung gian tetraankoxi borat được chuyển thành ancol tương ứng. Phương trình dưới đây mô tả quá trình của phản ứng thực hiện trong nước. Quá trình tương tự xảy ra trong metanol hoặc etanol, sinh ra ancol và (CH30 )4B hoặc (CH3CH20 )4B \ r 2c h o | b (o c h r 2)3 3H ^ r — > r 2c h o h + HOB(OCHR2)3 — 2-4 3R 2CHOH + (HO)4b H - O H Tương tự như thế, một dãy các phản ứng chuyển dịch hiđrua xảy ra khi anđehit và xeton được chế hóa với lithi nhôm hiđrua. H -A IH 3 “ 7 H A IH 3 3R2c = 0 ____ - ^ r — > I I — — — > (R2CH0)4A1 r 2c = o r 2c - ò _____ _ §_ Tetraankoxi aluminat (R2CH0)4Ã1 + 4H20 ------> 4R2CHOH + Ãl(OH)4 Ancol Một đặc điểm khác của tác nhân này là phân tách axetal và xetal đến ete : 0 — CH2 jj lìa1H4 . a1q 3 . ete . 36oc ^ Ồ - C H 2 2 ) H3O® OCH2CH2OH (94%) C6H<5CH(OCH3)2 — LlAiH41A1Cl3 - — 36C-> C6H,CH2OCH3 2 )H 30® (8 8%) Cách đây không lâu người ta đã tìm ra phương pháp có hiệu quả khử anđehit và xeton trong môi trường trơ, với chất xúc tác nhôm oxit khan trung tính. Ở điều kiện này, các nhóm chức khác (nhóm nitro, nhóm xian và liên kết đôi c = C) không bị đụng chạm đến và phản ứng được thực hiện trong điều kiện hoàn toàn trung tính. „ ^ 0 (CH,)2CHOH ; A120 3 (CH3)2C = CH(CH2)2CH = CH - c c ~ -23~ ã £ -------^ — > (CH3)2C = C H (C H 2)2 C H = C H -C H 20H + (CH3)2C = 0 (88%) Các hiđrua phức kim loại và hệ isopropanol - nhôm oxit đã loại bỏ phương pháp khử cũ theo Mevai - Ponđoc - Veclay (Meervvein - Pondorí - Verley), trong đó nhôm isopropylat được dùng làm chất cho ion hiđrua. Hiện nay phương pháp này chỉ có ý nghĩa về mặt lý thuyết và là thí dụ kinh điển về sự chuyển dịch ion hiđrua trong phức chelat của xeton và nhôm isopropylat: 35 h 3c ^ ^ c h 3 / C \ __________ ___ ? + V [(CH3)2CH0]2A1 0 R' h 3c ^ /C H 3 C H -O H + o H <■> h 3c ^ / C H 3 [(CH3)2CHO]2A l,r > C v . o R' [(CH3)2CHO]2A1v / C(CH3)2 (CH3)2CHOH± [(CH3)2CHO]2A l , r > C ^ , Q ^ C H 2-(C H 2)16CH3 (77%) Cơ chế của phản ứng Clemmensen còn chưa rõ ràng. Nếu phân tử hợp chất cacbonyl có nhóm thế không bền trong môi trường axit mạnh thì người ta dùng phương pháp Wolff-Kishner. Trong phản ứng Wolff-Kishner, anđehit và xeton mới đầu được chuyển thành hiđrazon bằng phản ứng với hiđrazin, sau đó các hiđrazon được chế hóa với một bazơ mạnh như kali hiđroxit hoặc kali tert-butoxit trong đimetyl suníoxit: oCCH i í - r V c c H r s - 1 Ọ n n h 2 CH2CH; NH2NH; 37 c) Phản ứng amin hóa khử Nếu muốn sản phẩm phản ứng khử là amin, ta phải chế hóa hợp chất cacbonyl với amoniac hoặc amin bậc một để tạo irnin, rồi sau đó imin được hiđro hóa xúc tác như cách hiđro hóa nhóm c = c hoặc c = o. O™ Benzanđehit NH' Benzylamin (89%) o NHCH, CH3CH2CCH3 CH3CH2CCH3 H2,Pt > CH3CH2CHCH3 Butanon Imin N-Metyl-2-butylamin Phản ứng amin hóa khử là một phương pháp tốt để điều chế amin có gốc ankyl bậc hai R2CHNH2. (Cho ankyl halogenua R2CHX phản ứng với amoniac trong phản ứng SN2 sẽ NH3 0 Br cho một hỗn hợp các sản phẩm). Hỗn hợp sản phẩm Bromxiclohexan o Xiclohexanon n h 3 H7, Nin h 2 Xicỉohexylamin d) Phản ứng khử các anđehỉt và xeton a, 3- không no Tương tự như các phản ứng khác, sự khử hợp chất cacbonyl a, P- không no có thể được thực hiện ở vị trí 1,2- hoặc 1,4- của hệ liên hợp tuỳ thuộc vào bản chất của tác nhân khử. Muốn khử chọn lọc nhóm cacbonyl, phổ biến hơn cả là dùng lithi nhôm hiđrua. Để tránh sự khử liên hợp các anđehit và xeton a, [3- không no ta phải dùng cách đưa tác nhân vào phản ứng theo thứ tự ngược lại, nghĩa là thêm dung dịch ete của lithi nhôm hiđrua vào hợp chất cacbonyl ở nhiệt độ thấp - 10 đến - 20°c. c h 3c h = c h - c h o 1) L1AIH4 ; ete CH3C H = C H -C H 2OH 0°2) H10+ ; 0°c 1) L1AIH4 ; ete ; - 10°c 2) H ,0 +; 0°c (82%) CxHOH (97%) Việc khử chọn lọc nhóm cacbonyl trong a, P-enol và enal đạt được kết quả tốt nhất khi dùng điisobutyl nhôm hiđrua làm xúc tác trong điều kiện rất êm dịu : 38 (ìso-C4H9)2A1H toluen, - 20°c oH OH (95%) Sự khử liên hợp các hợp chất cacbonyl a, [3- không no được thực hiện dưới tác dụng của lithi trong amoniac lỏng : CH- ữr H H H 1) Li, NH3 lỏng ; - 33 o 2) NH4C1; HOH (50%) CH Cơ chế của phản ứng này gồm 4 giai đoạn : c = c —c = 0 + Li+ e 1 1) I C - C = C - Ọ : I •• Li Anion gốc I C - C = C - 0 : I ** NH C - C = C - 0 : NH' 2) H Gốc I 3) ' c - c = c - ọ I 1 " H + Li+ e C - C = C - Õ : Li 1 1 •• H Anion enolat 4) / C - C = C - Ộ : Li 1 1 " H HOH C - C = C - O H 1 1 H + LiOH c - c 1 I H H c=0 ở giai đoạn 1 do có sự chuyển dịch một electron từ lithi tới enol mà anion gốc được tạo thành, tiếp theo anion này được proton hóa bởi amoniac đến gốc enolat. Gốc này được khử bằng lithi đến lithi enolat của xeton no. Lithi enolat bền trong dung dịch amoniac lỏng và chỉ được proton hóa bằng amoni clorua, nước hoặc etanol là những tác nhân proton hóa manh hơn amoniac. 39 11.3.10 Phản ứng oxi hóa anđehit và xeton a) Phản ứng oxi hóa thành axit cacboxylic Anđehit và xeton rất khác nhau về khả năng phản ứng đối với các chất oxi hóa. Anđehit có thể dễ dàng bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa mạnh như kali bicromat, kali pemanganat, hoặc các chất oxi hóa yếu như thuốc thử Tollens (cation phức [Ag(NH3)2]+), thuốc thử Fehling (phức của Cu2+ với ion tactrat), thuốc thử Benedict (phức của Cu2+ với ion xitrat),... Sơ đồ tổng quát của các phản ứng oxi hóa : R - C %Ho[0] (Tác nhân oxi hóa) OH Anđehit Axit cacboxylic Thí dụ : o CH3—CH —c —H Ic h 3 Isobutyranđehit .0 Na2Cr20 H2S 0 4 loãng Cr03 - H20 - H2S0 4 Ọ 1 CH3 - C H - C - 0 H c h 3 Axit isobutyric (90%) CH3(CH2)4- C \H axeton; 0°c CH3(CH2)4- C (85%) OH CH3(CH2)3- C H - C H O c h 2c h 3 KMn04 H20 ; KOH ; 0 - 10HC CH3(CH2)3-C H -C O O K CH2CH3 (78%) Chất oxi hóa có tính chọn lọc cao là dung dịch amoniac trong ancol nước của oxit bạc (tác nhân Tollens). Tác nhân oxi hóa này thuộc loại êm dịu, không đụng chạm đến liên kết đôi c = c hoặc liên kết ba c 3 c, nhóm hiđroxyl của ancol,... CHO Ag20 THF - H20 ; 20"c Hv CH3CH2" c = cCHO CH3 Ag20 H20 ; NH3 Hv CH3CH2' c = c (98%) COOH CH3 Các phản ứng oxi hóa bằng những chất oxi hóa yếu như phức của Ag+ hoặc Cu2+, cho những dấu hiệu định tính đặc trưng nên được dùng phổ biến để nhận biết nhóm chức anđehit: 40 R -C H O + 2Ag(NH3)2 + 30H lỉ;° • > 2A gị + RCOO + 4NH3 + 2H20 Anđehit Thuốc thử Tollens Bạc kim loại lon cacboxyỉat R - CHO + 2 C u 2+ + NaOH + H20 ------> RCOONa + Cu2O ị + 4H+ Kết tủa đỏ Trong các phản ứng trên chỉ có phản ứng với [Ag(NH3)2]+ là dùng được cho cả anđehit béo lẫn anđehit thơm, còn phức của Cu2+ với các ion tactrat hay xitrat chỉ oxi hóa anđehit béo. Xeton trơ đối với đa số tác nhân oxi hóa, nhưng bị phân huỷ chậm bởi dung dịch KM n04 nóng trong môi trường kiềm hoặc bởi axit nitric. Phản ứng này chỉ có ý nghĩa thực tiễn đối với các xeton vòng đối xứng : o KMnO, COOK COOK 1 1 CHo CH KOH; H 20 ; t° “ \ 2 / 2 c h 2- c h 2 (80%) Các xeton béo không vòng đun với các chất oxi hóa mạnh, mạch cacbon của phân tử bị đứt ra ở hai bên nhóm cacbonyl tạo thành hỗn hợp các axit cacboxylic. Thí dụ : CH3CH2CH2CH2 ị c ị CH2CH3 CH3CH2CH2COOH + CH3CH2COOH o + CH3CH2CH2CH2COOH + CH3COOH b) Phản ứng oxi hóa xeton đến este theo Bayơ - Viligơ (A. Baeyer - V. Villiger, 1899) Phản ứng của xeton với các peaxit là một phản ứng khác thường và hữu ích. Một nguyên tử oxi tách khỏi peaxit và xen vào giữa nhóm cacbonyl và hiđrocacbon để tạo thành este. Phản ứng này lần đầu tiên được mô tả bởi Bayơ và Viligơ. 0 0 Ọ Ọ 11 11 _ L RCR' + R’COOH ------> RCOR' + R'COH Xeton Peaxit Este Axit cacboxylic Như vậy, các metyl xeton cho các este của axit axetic, nghĩa là oxi xen vào giữa cacbon cacbonyl và nhóm lớn hơn trong số hai nhóm nối với nó : L 3 > r > O C C H 3 3 CHC1, \ ___/ Xiclohexyl metyl xeton Xiclohexyl axetat (67%) Để làm chất oxi hóa cho phản ứng Bayơ - Viligơ, hiện nay người ta dùng các peaxit như axit pebenzoic, axit monopephtalic, axit peaxetic và axit triũopeaxetic. Axit triílopeaxetic 41 được điều chế trực tiếp trong hỗn hợp phản ứng từ hiđro peoxit 90% và anhiđrit trifloaxetic trong metylen clorua : o o c h 3 - c h 2 - c - c h 2c h 3 - h20 2 > c h 3c h 2- 0 —c - c h 2c h 3 CH2C12 (78%) Cơ chế của phản ứng này được dẫn ra ở hình 11.6. Phản ứng bắt đầu bằng sự cộng hợp nucleophin của peaxit vào nhóm cacbonyl xeton, sau đó xảy ra sự chuyển dịch nhóm ankyl từ nhóm cacbonyl đến oxi. Nói chung, nhóm bị thế nhiều hơn tham gia vào sự chuyển dịch. Khả năng chuyển dịch thay đổi theo nhóm ankyl: Ankyl bậc ba > ankyl bậc hai > anky bậc một > metyl Phản ứng chung : Ọ Ọ Ọ Ọ 11 \\ * 11 ĩ RC R' + R"COOH ------- > R O C R ' + R "C O H Xeton Peaxit Este Axit cacboxylic Giai đoạn 1 : Peaxit cộng hợp vào nhóm cacbonyl của xeton. Sự cộng hợp nucleophin ở đây tương tự như sự tạo thành gem-điol và hemiaxetal. Ọ Ọ ỌH 11 J 1 RCR' + R"COOH ------- > RCR' (Peoxi monoeste ■ của gem-ă iol) Xeton Peoxi axit O OCR" 1 0 Giai đoạn 2 : Có sự chuyển vị sản phẩm trung gian tạo thành ở giai đoạn 1. Sự đứt liên kết yếu 0 - 0 của peoxi este được hỗ trợ bởi sự chuyển dịch của một trong các nhóm thế từ nhóm cacbonyl đến oxi. Nhóm R chuyển dịch với cặp electron theo cùng một kiểu như sự chuyển vị nhóm ankyl trong chuyển vị cacbocation. R'••o : R' - C ^ \ + HOCR" : ơ : lí / ồ : R ** Este Axit cacboxylic Hình 11.6 Cơ chế phản ứng oxi hóa xeton theo Bayơ - Viligơ Phản ứng này đặc thù về m ặt lập thể, nhóm ankyl chuyển dịch với sự bảo toàn cấu hình. Thí dụ cứ-l-axetyl-2-metylxiclopentan được oxi hóa thành cữ-2-metylxiclopentyl axetat. 42 c 6h 5c o 2o h CHQ3 H dj-l-Axetyl-2-metylxiclopentan dí-2-M etylxiclopentyl axetat (chỉ có một sản phẩm với hiệu suất 6 6%) Phản ứng oxi hóa anđehit thơm bằng peaxit có ý nghĩa thực tiễn. Sản phẩm của phản ứng này hoặc là axit cacboxylic hoặc este của phenol (oxi hóa theo Bayơ - Viligơ), thuỷ phân các este này ta sẽ nhận được phenol. Chẳng hạn, oxi hóa anđehit salixylic bằng hiđro peoxit trong môi trường trung tính sẽ cho axit salixylic, còn trong môi trường axit hoặc trong môi trường kiềm tạo thành pyrocatechin : COOH ^ OH OC OH Anđehit salixylic Axit salixylic Pyrocatechin H20 2 - H20 70% H20 2 - NaOH 0% 100% H20 2 - CH3COOH 0% 100% Sản phẩn trung gian của cả hai phản ứng này đều là este của peaxit, nó được bền hóa bởi sự chuyển dịch của nhóm aryl hoặc hiđro. Tốc độ tương đối của hai phản ứng này phụ thuộc vào bản chất của các nhóm thế trong vòng benzen và vào pH môi trường. Phản ứng Bayơ - Viligơ với sự chuyển dịch của nhóm aryl chỉ xảy ra khi có mặt của các nhóm thế đẩy electron mạnh ở vị trí ortho- hoặc para- của vòng benzen : chuyển dịch A r _______ H20 _ > HCOOAr ArOH p Hr^° /SOH 6 5 " 0 0 H M ArCHO ------------------ > A r-r C t H r c T Or p - C - C 6H5 chuyển dịch H ____ — > ArCOOH 0 Bản chất của sự oxi hóa các hiđroxianđehit thơm bằng peaxit là sự phát triển tiếp theo của phản ứng Dakin (H.D. Dakin, 1909), bao gồm sự chuyển hóa các o- và /7-hiđroxi benzanđehit thành pyrocatechin và hiđroquinon khi oxi hóa bằng dung dịch kiềm nước của hiđropeoxit: ^ y CHO - — ^ 1 — \ = / NaOH ; H20 ; 50°c ; 20 phút OH 43 c) Phản ứng Cannizzaro Phản ứng oxi hóa - khử các anđehit thơm đã được phát hiện từ năm 1853 bởi Cannizzaro. Các anđehit không có hiđro ở nguyền tử cacbon a, khi đun nóng trong dung dịch kiềm ancol - nước sẽ phân bố lại để tạo thành những lượng bằng nhau của ancol bậc một và axit cacboxylic. Phản ứng này được dùng rộng rãi trong dãy các anđehit thơm, còn trong dãy các anđehit không vòng chỉ hạn chế ở nhóm các hợp chất có công thức chung R3CCHO : 2 ArCHO 2 R3CCHO ’ £ > < HO 2 Q H 5CH0 o H KOH etanol - nước KOH etanol - nước KOH 50% etanol - nước ; 100°c KOH 50% H20 ; 20°c ArCH2OH R3CCH2OH HO (94%) C6H5CH2OH (85%) + ArCOOK R.CCOOK HO (94%) C6H5COOK + (85%) Sau một trăm năm phát hiện, cơ chế phản ứng Cannizzaro mới được thiết lập : anion trung gian tứ diện được tạo thành do sự cộng hợp ion hiđroxit vào anđehit ; đây là nguồn ion hiđrua được phân tử anđehit thứ hai thu nhận. Kết quả một phân tử anđehit bị oxi hóa, còn phân tử kia bị k h ử : o . Co HOH c h 2o o OH CH2OH + Cơ chế phản ứng này dựa trên cơ sở các dữ kiện động học, theo đó tốc độ phản ứng phụ thuộc vào bình phương nồng độ của anđehit và ion hiđroxit: V = k[ArCHO]2[OH"]. Điều đó có nghĩa là nguồn ion hiđrua ở đây trở thành đianion trung gian tứ diện, được tạo thành khi có sự đeproton hóa anion mang một dấu - trong môi trường kiềm mạnh. Đianion trung gian là chất cho ion hiđrua mạnh hơn so với monoanion, bởi vì ion hiđrua bị đẩy ra xa ngay lập tức bởi hai điện tích âm : 44 o ArC\H OH~ ° ^ c / Ar I “ - / H " 0 1 OH _ C ? 1 1 / N A r - C - H 1A r-C ( - H) + H20 1 2 OH 0 * ArCH20 + ArC o o ' Nếu hai anđehit không giống nhau thì ta có phản ứng Cannizzaro chéo. Thực tế, anđehit khử (bị oxi hóa đến ion cacboxylat) thường được dùng là íomanđehit vì nó có tính khử cao. (CH3)3CCH2OH + HCOOH -> C6H5CH2OH + HCOOH CH (CH3)3CCHO + HCHO C6H5CHO + HCHO CHO + HCHO o . 0 CHO + HC 1) OH 2) H30 1) OH 2) H30 H Ngoài ra, chúng ta cũng còn gặp phản ứng Cannizzaro nội phân tử. Khi xử lí 1 ,2 -đianđehit và oc-xetoanđehit với bazơ mạnh sẽ thu được hiđroxiaxit: H H H ~ ' 1 „ chậm „ L _ „ chuyển đổi proton R - C - C >R— c — c — OH R - C - C - O H — -------> 11 r ị nhanh r ị i -! 0 ^ 0 0 H I ■» R - C - C - 0 ĩ I ÓH 0 ò ỏ h 30 +-> RCH(OH)COOH Axit a-hiđroxicacboxyỉic OHC — CHO Glioxal Ọ ĩC -C H O 1) OH 2) H-,0' 1) OH ■» c h 2o h - c o o h 2) H30 +CH(OH)COOH Phenylglioxal Axit manđelic 45 Với benzanđehit thế thì tốc độ phản ứng Cannizzaro phụ thuộc vào bản chất nhóm thế. Nhóm thế hút electron làm tăng khả năng phản ứng của anđehit vì nó làm tăng sự thiếu hụt electron ở cacbon của nhóm cacbonyl, làm dễ dàng cho sự tấn công nucleophin. Ngược lại, nhóm thế đẩy electron làm giảm tốc độ phản ứng và trong trường hợp đặc biệt, phản ứng có thể không xảy ra, thí dụ với p-đimetylaminobenzanđehit. <-----> H Phản ứng Cannizzaro chéo được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất pentaerythritol. Phương pháp bao gồm sự ngưng tụ anđol của một phân tử axetanđehit với ba phân tử íomanđehit (phản ứng Tollens), bước cuối cùng là phản ứng Cannizzaro chéo tạo pentaerythritol: CH3CHO + HCHOCa(OH)2> h o c h 2 - c h 2c h o --------------- ngưng tụ anđol 2HCHO c h 2o h CH2OH Ca(OH)2 1 > h o c h 2 - c - c h o < c h 2o h Cannizzaro chéo Pentaerythritol ĩ c h 2o h Để chứng minh cho sự chuyển dịch trực tiếp ion hiđrua từ phân tử anđehit này sang phân tử anđehit khác không qua dung môi người ta dùng D20 làm môi trường thay cho H20 . Kết quả là ancol benzylic sinh ra không chứa đơteri. Trái lại, khi dùng benzanđehit chứa đơteri và thực hiện phản ứng trong H20 thì lại thu được ancol benzylic chứa đơteri: 2 Q H 5CD = o OH > C6H5COO + C6H5CD2OH Phản ứng Tisenco. Những anđehit loại béo có chứa Ha không tham gia phản ứng Cannizzaro được (vì trong dung dịch kiềm phản ứng cộng anđol chiếm ưu thế) sẽ tham gia phản ứng oxi hóa - khử lẫn nhau tạo thành este, nếu có tác dụng của các nhôm ancolat hoặc titan ancolat. Thí dụ : c h 3 - c h = o + CH3 - C H - 0Al(OC2H5)3 Axetanđehit Etyl axetat Phản ứng Tisenco được áp dụng trong công nghiệp. 11.3.11 Phản ứng ngưng tụ benzoin Khi chế hóa benzanđehit bằng kali xianua, ta được a-hiđroxixeton. a-Hiđroxixeton tạo thành có tên benzoin và do đó phản ứng được gọi là ngưng tụ benzoin (x. mục 14.11). 46 o Benzoin 11.3.12 Phản ứng đecacbonyl hóa các anđehit Phản ứng đecacbonyl hóa các anđehit được xảy ra dưới tác dụng của một số phức chất kim loại chuyển tiếp, trong số đó có hiệu lực nhất là xúc tác Uynkinxơn [(C6H5)3P]3R hC l: [(C6H5)3P]3RhCl RCHO — , ------> RH + RhaCO[P(C6H5)3]2 + (C6H5)3P benzen Các anđehit mạch không vòng bị đecacbonyl hóa trong dung dịch đồng thể phức rođi (I) trong benzen ngay ở 2 0 °c, trong khi đó đối với các anđehit thơm lại đòi hỏi phải đun nóng. Sự đecacbonyl hóa dưới tác dụng của các xúc tác phức kim loại đồng thể là quá trình nội phân tử và chọn lọc lập thể, trong đó cấu hình của trung tâm bất đối ở nguyên tử cacbon a của anđehit được bảo toàn : CHO H 5 RhCl[P(C6H5)3]3 ấ c h 3 ■— c — c 2h 5 —— CH3 —- c — c 2h 5 + T C6H5CN, 110°C T c 6h 5 c 6h 5 + RhClCO[P(C6H5)3]2 + (C6H5)3P 11.3.13 Phản ứng tự oxi hóa của anđehit Anđehit nói chung dễ tham gia phản ímg tự oxi hóa khi tiếp xúc với không khí. Thí dụ ; 2C6H5C H = 0 + 0 2 ------> 2C6H5—COOH Anđehit benzoic Axit benzoic Phản ứng oxi hóa xảy ra theo cơ chế gốc tự do. Ánh sáng hoặc ion của một số kim loại như Fe, Mn, Cu, v.v... xúc tiến quá trình này. Mạch được sinh ra nhờ có sự tạo thành gốc axyl R c = o . hv • 2 R - C R - C + RCHOH Gốc axyl sản sinh khi gốc peoxit hoặc oxi phân tử bứt lấy nguyên tử hiđro của nhóm chức anđehit: RCHO + 0 - 0 ------> R - C + OOH - * Giai đoạn chìa khóa của sự phát triển mạch là sự tạo thành peaxit R C 03H, tiếp tifeo axit này oxi hóa anđehit đến axit cacboxylic : 5- HHCT2 47 R C ^ + R C " -------> R C " + R - C 0 - 0 * H 0 - 0 - H R C03H + R C " ------- > 2R C " H 011 . ^ ° Do gốc benzoyl C6H5C = 0 bền hơn gốc axyl mạch không vòng RC = 0 , các anđehit thơm bị oxi hóa bằng oxi dễ hơn các anđehit mạch không vòng rất nhiều. Phản ứng này không có giá trị về mặt điều chế, nhưng giúp ta cách bảo quản anđehit ở tối, trong môi trường trơ, không có oxi của không khí. Để hạn chế quá trình tự oxi hóa, người ta thường cho thêm vào anđehit một lượng nhỏ chất chống oxi hóa như phenol, amin thơm, v.v... Những chất này dễ tác dụng với các gốc tự do sinh ra trong phản ứng. Riêng anđehit fomic bền trong dung dịch nước, nó không tự oxi hóa vì tạo thành hiđrat. 11.4 Phương pháp điều chê 11.4.1 Đi từ hiđrocacbon a) Oxi hóa ankan, anken và aren Trong những điều kiện thích hợp, người ta có thể oxi hóa nhiều hiđrocacbon khác nhau thành hợp chất cacbonyl tương ứng. Thí dụ hỗn hợp metan với không khí ở 600 - 700°c có mặt chất xúc tác nitơ oxit sẽ tạo ra íomanđehit. CH4 + 0 2 600 - 700°c—^ H C H 0 + Ị ^ o Toluen có thể được oxi hóa nhẹ thành benzanđehit nhờ cromyl clorua hoặc mangan peoxit: 3C6H5 - CH3 + 4C r02Cl2 ------» 3C6H5CHO + H20 + 4Cr(OH)Cl2 Các anken bị oxi hóa đứt mạch thành hợp chất cacbonyl nhờ tác dụng của ozon (x. Tập 1, mục 3.6.4). Phản ứng này cho phép điều chế các anđehit từ anken đối xứng : CH3CH2CH=CHCH2CH3 -------~ ------- > 2CH3CH2C ^ 5 L 1 i 2)Zn/CH3COOH J H (E) hoặc (Z)-Hex-3-en Propanal (85%) Oxi hóa đứt mạch anken không đối xứng thường cho một hỗn hợp sản phẩm nên không phải là phương pháp tổng hợp tốt. Thí dụ : 1) 0 , RCH =C H R ' -------- ----------- > R - C + C - R ' 2) Zn/CH3COOH \ H Y\ (E) hoặc (Z) Hai anđehit khác nhau 48 Oxi hóa các xicloanken là phương pháp tiện lợi để điều chếđianđehũ : o \ »03 » 2) (CH3)2S Xiclopenten Pentanđial (6 8%) Phản ứng ozon phân có ý nghĩa về mặt xác định cấu trúc của anken nhiều hơn là về điều chế hợp chất cacbonyl. Đáng chú ý là etilen có thể được oxi hóa thành axetanđehit với hiệu suất cao. b) Hỉđrat hóa ankin Phản ứng hiđrat hóa axetilen và các đồng đẳng với sự có mặt của xúc tác axit và muối thuỷ ngân tạo ra axetanđehit (từ axetilen) và xeton (x. Tập 1, mục 3.21.4): RC = C R ' Ankin HoO H2S 0 4 H gS04 R - C - C H 2R' ì0 Xeton H C =C (C H 2)5CH3 + H20 u ' Oct-l-in c) Hỉđro bo hóa - oxi hóa H2S 0 4 HgS04 CH3C(CH2)5CH3 0 Octan-2-on (91%) Phản ứng hiđro bo hóa - oxi hóa là phản ứng cộng nước vào liên kết ba ngược với quy tắc Maccopnhicop. Tác nhân phản ứng là điOec-isoamyl) boran. Gọi tắt là disiamylboran (Sia2BH), bởi vì boran có thể tích lớn không thể cộng hai lần vào liên kết ba : sản phẩm trung gian enol không bền, nhanh chóng tautome hóa thành anđehit. Thí dụ : o C6H n N / H C » C - H -OH q - c h 2- c - h 1) Sia2BH 2) H20 2, NaOH Etinylxiclohexan c = c / \ H OH Enol (không phân lập được) Xiclohexyletanal (65%) d) Hiđroíbmyl hóa anken (tổng hợp oxo) Với sự có mặt của các hợp chất coban cacbonyl hoặc của các phức chất của rođi, anken phản ứng với cacbon monoxit và hiđro để cho anđehit có số cacbon nhiều hơn hợp chất đầu một nguyên tử. Thí dụ : 49 r c h = c h 2 + c o + h 2Co2(CO)x — -— — ------- > RCH2CH2CHO + RCHCHO 150 c, 100 - 350 atm Ị c h 3 Lượng đồng phân anđehit phân nhánh có thể giảm đến cực tiểu nếu dùng xúc tác đixiclopentađienyl zieconi hiđro clorua (C5H5)2ZrHCl trong điều kiện êm dịu hơn. (C5H5)2ZrHCl c h 3c h = c h 2 + c o + h 2 — ------> CH3CH2CH2CHO Phương pháp công nghiệp điều chế axetanđehit là oxi hóa etilen trong dung dịch nước có chứa palađi (II) clorua và đồng (II) clorua. Trong điều kiện phản ứng liên tục, xúc tác có thể được tái tạo bằng cách thêm oxi (xem mục 11.5): CH2 = CH2 + PdCl2 + H20 Pd + CuCl2 2Cu2C12 + 0 2 + 4HC1 -> CH3CHO + Pd + 2HC1 ■> PdCl2 + CU2CI2 -> 4CuC12 + 2H20 Đây là phương pháp có ưu điểm hơn hiđrat hóa axetilen hoặc đehiđro hóa etanol trên xúc tác kim loại. Fomanđehit được điều chế trong công nghiệp bằng cách đehiđro hóa metanol với sự có mặt của xúc tác : 600 - 650l’c ; Ag CH3OH -------- —------ HCHO + H2 Phản ứng này thu nhiệt, do đó để đảm bảo nhiệt độ cần thiết, người ta đốt khí hiđro thoát ra của quá trình. 11.4.2 Đi từ dẫn xuất halogen a) Thuỷ phân dẫn xuất gem-đihalogen Khi đun nóng các gíTtt-đihalogen (họp chất có 2 halogen cùng đính vào một nguyên tử cacbon) với dung dịch kiềm sẽ tạo ra hợp chất cacbonyl. Nếu hai halogen đính vào nguyên tử cacbon đầu mạch, sản phẩm là anđehit, nếu ở cacbon trong mạch, sản phẩm là xeton : R -C HC1 C1 R - C - R ’ / \ C1 C1 2HOHR -C HOH OH - HOH■» R -C H O 2HOH■» R - C - R ' HO OH- HOH■> R - C O - R ’ / \ Phương pháp này đặc biệt thuận lợi cho việc điều chế benzanđehit bằng cách thuỷ phân benzyliđen clorua : HOH OH ■> Q H 5CHO + 2HC1 50 C6H5CHC12 + Benzyliđen clorua b) Oxi hóa - thuỷ phân dản xuất monohalogen Đun nóng benzyl clorua với urotropin trong dung dịch etanol - nước ta được benzanđehit (phản ứng Sommelet): c 6h 12n 4 + _ C6 H5 CH2 C1 > C6H5CH2C6H ị 2 N4 CI ■> c 6h 5c h 2- n = c h 2 ■» c 6h 5c h 2n h 2h 20 (H+) _ ------- >c 6h 5 - c h = n h — — — > C6H5 - c Z - 2 H 6 5 - N H 3 6 5 Benzanđehit (60 - 70%) 11.4.3 Đi từ ancol a) Oxi hóa hoặc đehiđro hóa ancol Phương pháp quan trọng để điều chế nhiều hợp chất cacbonyl dãy béo là oxi hóa hoặc đehiđro hóa ancol bậc một tạo ra anđehit, ancol bậc hai tạo ra xeton (x. Tập 1, mục 10.4.5). - Oxỉ hóa ancol bậc một đến anđehit Phản ứng oxi hóa ancol bậc một đến anđehit đòi hỏi phải lựa chọn chất oxi hóa rất cẩn thận, bởi vì dùng chất oxi hóa mạnh như axit cromic (natri đicromat trong axit suníuric) anđehit dễ dàng bị oxi hóa đến axit cacboxylic. Vì vậy người ta thường dùng các chất oxi hóa như pyriđini đicromat (PDC), pyriđini clocromat (PCC) hay phức của crom trioxit - pyriđin (tác nhân Collin) trong môi trường khan, thí dụ điclometan để oxi hóa ancol bậc một đến anđehit với hiệu suất cao. CH3(CH2)8CH2OH Đecan-l-ol (C5H5N)2Cr03 CH2C1; CH3(CH2)8C H = o Đecanal (63 - 6 6%) ơc h 2o h PCC CH2C1; Xiclohexylmetanol CHO Xiclohexancacbanđehit (90%) CH3(CH2)4C = c c h 2o h Oct-2-in-l-ol - Oxi hóa ancol bậc hai đến xeton PCC CH2C1; CH3(CH2)4C = c c h o Oct-2-in-l-al (84%) Nhiều tác nhân oxi hóa như PDC, PCC hay tác nhân Collin và axit cromic đều có thể được dùng oxi hóa ancol bậc hai đến xeton. Thí dụ : 51 Cr03 OH 1 -Phenylpentan-1 -ol Cr03 .(C5H5N)2 CH2C12 o Benzophenon (96%) H Nâ2Cf20-7 OH h 2s o 4>o Bocneol Campho (88%) b) Oxi hóa 1,2-điol Phản ứng oxi hóa 1,2-điol bằng natri peiođat hoặc chì tetraaxetat tạo ra hợp chất cacbonyl với hiệu suất khá cao (x. Tập 1, mục 10.9.2). 11.4.4 Đi từ axit cacboxylic và muối của chúng a) Nhiệt phân muối của axit cacboxylic (Piria, 1856) Khi chưng khan muối canxi hoặc muối bari của axit cacboxylic ta được hợp chất cacbonyl: o (R - COO)2Ca > R - C O - R + CaCO Chẳng hạn, khi nhiệt phân canxi axetat sinh ra axeton ; nhiệt phân muối canxi của một điaxit như canxi ađipat ta được xiclopentanon là một xeton vòng. Phương pháp này cũng có thể được dùng để điều chế xeton không đối xứng (nếu dùng hỗn hợp muối canxi của hai axit cacboxylic khác nhau) hoặc điều chế anđehit (nếu một trong hai muối được dùng là canxi íom iat): (R - COO)2Ca + Ca(OCOR’)2 ------> 2 R - C O - R ’ + 2CaCO, sản phẩm phụ : R - c o - R và R ’ - c o - R ’ (R - COO)2Ca + Ca(OCOH)2 ------> 2 R -C H O + 2CaCO sản phẩm phụ : R - c o - R b) Nhiệt phân axit cacboxylic Phát triển phương pháp Piria, Sabatie đã điều chế hợp chất cacbonyl bằng cách cho hơi của axit cacboxylic đi qua chất xúc tác (mangan (II) oxit, cađimi (II) oxit, thori (IV) oxit,...) ở nhiệt độ 300°c. Thí dụ : 52 2 CH3COOH — CH3-C O -C H 3 + co2 + h 20 CH^COOH + HCOOH — CH3CHO + C 0 2 + H20 11.4.5 Đi từ dẫn xuất của axit cacboxylic a) Khử dẫn xuất của axit Chỉ có những tác nhân khử mạnh như lithi nhôm hiđrua L1AIH4 hoặc natri bo hiđrua NaBH4 mới có thể khử axit thành ancol, nhưng các dẫn xuất của axit có thể được khử dễ dàng đến hợp chất cacbonyl (hoặc ancol) nhờ các chất khử khác nhau. Lithi nhôm tri (í-butoxi) hiđrua là một tác nhân khử êm dịu, khử clorua axit đến anđehit với hiệu suất cao : ‘ 0* R - C - C l Clorua axit LiAia'OII R - C - HLiAlR Anđehit (không phân lập được) : ộ : :ỘH 1 h 30 + I ■» R - C - H — —* R - C - H 1 1 H H Ankoxit Ancol bậc một Thí dụ : Li+ _ A1H(0-/-Bu)3 c h 3 ỌII R - C - C l Clorua axit o Ọlí R - C - H Anđehit CH o 1 II c h 3- c h - c h 2- c Isovaleroyl clorua C1Li+~AlH(0-r-Bu)-Ị■> CH3—CH — CH2—c —H Isovaleranđehit (65%) Khử hóa clorua axit bằng hiđro phân tử và xúc tác palađi, có mặt một lượng nhỏ chất kìm hãm xúc tác khử như bari sunfat và lưu huỳnh (tương tự xúc tác Lindlar dùng cho phản ứng hiđro hóa từng phần ankin). Phản ứng khử này dừng lại ở giai đoạn tạo thành anđehit (.Rosenmund, 1918). Ọ H R - C - H Thí dụ : ỌI R - C - C lH2, Pd/Bascys CH3 ọ 1 II CH3 - C H - C H 2 - C - C 1 ĩsovaleroyl clorua H2, Pd/Bascys c h 3 ọ 1 ĩ ■> c h 3 - c h - c h 2- c - h Isovaleranđehit (50%) 53 Ngoài clorua axit, các nitrin cũng có thể được khử thành anđehit với sự có mặt của hiđro clorua và thiếc (II) clorua trong ete khan. SnCl2+ 2HC1 H20 (H+) o R - C = N > R—CH = NH - SnCl4 - n h 3 H Nitrin Anđimin b) Tác dụng của hợp chất cơ magie với dẫn xuất của axit Để điều chế anđehit, người ta cho hợp chất cơ magie tác dụng với ankyl fomiat hoặc ankyl orthoíomiat, còn để điều chế xeton người ta cho họp chất cơ magie tác dụng với clorua axit hoặc nitrin (x. Tập 1, mục 9.3.2b). 11.4.6 Sử dụng 1 ,3 -đithian trong tổng hợp anđehit và xeton 1,3-Đithian là một axit protonic yếu (pKa = 32) có thể được đeproton hóa bởi những bazơ mạnh như H-butyl lithi. Cacbanion tạo thành được bền hóa nhờ hiệu ứng hút electron của hai nguyên tử lưu huỳnh phân cực mạnh. pKa = 32 Anion đithian được ankyl hóa bởi ankyl halogenua bậc một hay tosylat cho thioaxetal rồi thuỷ phân tiếp theo bằng dung dịch axit của HgCl2. Phương pháp này tiện lợi cho việc tổng hợp các anđehit có nhóm ankyl bậc một. H H R Anion đithian Ankyl halogenua bậc một Thioaxetal Anđehit Bản thân thioaxetal còn có thể được ankyl hóa một lần nữa cho thioxetal. Thuỷ phân thioxetal ta sẽ nhận được xeton : < H R R' R Thioaxetal Thioxetal Xeton Thí dụ, l-phenylpentan-2-on có thể được tổng hợp như sau : 54 r " ì 1) BuLi DBuLi s x s 2 ) PhCH2 - Br s x s 2 ) CH3CH2CH2Br s x s H H PhCH2 H PhCH2 CH2CH2CH3 1,3-Đithian Thioaxetal Thioxetal | h +, HgCl2, h 20 o _ . A ......................... PhCH2 CH2 CH2 CH3 Xeton Ngoài phương pháp điều chế bằng con đường tổng hợp, trong thiên nhiên người ta cũng gặp nhiều anđehit và xeton (x. hình 11.7). o Unđecanal (Pheromon giới tính của một loài bướm) Heptan-2-on (Thành phần của pheromon âm thanh của ong) trans-Hex-2 -enal (Pheromon âm thanh của một loài kiến) o Civeton (Có trong tuyến thơm của cầy hương) Xitral (Có trong tinh dầu sả) (Có trong tinh dầu hoa nhài) Hình 11.7 Một số anđehit và xeton thiên nhiên 11.4.7 Các phương pháp riêng điều chê anđehit và xeton thơm Nhiều phản ứng điều chế anđehit thơm khác về nguyên tắc các phương pháp tổng hợp anđehit không vòng. Một số phương pháp dựa trên cơ sở phản ứng thế electrophin ở vòng thơm đã được đề cập đến ở tập 1 (x. Tập 1, mục 10.12.4h). Đó là phản ứng Gattermann, Gattermann - Koch, Vilsmeier và Reimer - Tiemann. Dưới đây là một số phương pháp riêng điều chế anđehit thơm và xeton thơm. a) Anđehit thơm Oị) Oxi hóa ankylbenzen Dung dịch oxit cromic trong anhiđrit axetic có thể oxi hóa metylbenzen đến anđehit thơm. Ở đây sự oxi hóa anđehit đến axit cacboxylic không xảy ra do có sự tạo thành điaxetat. Thuỷ phân điaxetat bằng axit trong ancol nước sẽ tạo thành anđehit: 55 1 ) c h 3-/ìCH 2) ( Ị ^ - ch: Br C r03 ; (CH3C 0)20 H2SO4 h 2s o 4 h 20 - CH3CH2OH 1)C r03 ; (CH3C 0)20 2) H20 CH(OCCH3)2 ------> 0 về mặt điều chế, phương pháp này tiện lợi hơn phương pháp oxi hóa bằng cromyl clorua, vì khó kiểm tra phản ứng và thường dẫn tới một hỗn hợp phức tạp các sản phẩm. Hiện nay, trong công nghiệp người ta điểu chế benzanđehit với hiệu suất 50% bằng cách oxi hóa trực tiếp toluen ở 500°c với xúc tác là hỗn hợp các oxit uran và molypđen. Phương pháp này dần thay thế phương pháp cũ điều chế benzanđehit bằng cách thuỷ phân benzal clorua C6H5CHC12. C6H5CHC12 Benzal clorua H20 ; Fe 100°c* C6H5CHO + HC1 Benzanđehit a2) Đi từ dẫn xuất arylmetyl halogenua Benzyl halogenua dễ dàng được chuyển thành anđehit thơm nhờ phản ứng Sommelet (1913). Benzyl halogenua tham gia vào phản ứng với lượng dư hexametylentetramin (urotropin), muối được tạo thành khi đó không cần tách riêng mà trực tiếp thuỷ phân đến anđehit: N' ArCH2X Benzyl halogenua / N- NCHC1 / - N k ? Hexametylentetramin ArCH© 1 ( 1 H® -N~ —--N / - N V x 0 2 ArCH2 - N H 2 + HCHO + NH3 4= ^ ArCH —NH2 H, 0 H©■» ArCHO + NH3 + CH3NH2 56 Sự chuyển dịch ion hiđrua từ amin bậc một ArCH2NH2 đến muối imini của íbmanđehit là động lực của toàn bộ quá trình oxi hóa - khử, rồi thuỷ phân để tạo thành anđehit. Phản ứng Sommelet được dùng để tổng hợp các anđehit thơm và dị vòng khác nhau với hiệu suất 50 - 80% : CH2C1 CHO 1)(CH2)6N4 ;CHC13 ------------ ----------» 2) CH3COOH - H20 (75 - 80%) c xs CH2C1 1)(CH2)6N4 2) CH3COOH - H20 I Ợ L c h o (50%) a3) Điều chế anđehit từ các dẫn xuất của axit cacboxylic thơm Đa số các phương pháp tổng hợp anđehit thơm từ dẫn xuất của axit cacboxylic trùng với phản ứng điều chế anđehit mạch không vòng, đã được mô tả trong các chương trước, ở đây ta chỉ xem xét một số phản ứng quan trọng đặc trưng cho việc tổng hợp các anđehit thơm, đáng chú ý là phản ứng khử nitrin bằng thiếc (II) clorua khan trong ete bão hoà khí hiđro clorua rồi thuỷ phân đến anđehit (Stephen, 1925): Ar — c — N1) S11CI2/HCI, ete 2) H20 Cơ chế của phản ứng là như sau : R - C = N + HC1r + R—C=NHC1 H -C l:• • R -C = NH2C f + 2- 2H+ A r-C H O R - C = NH2C1 1 s ã : •• > SnCl2 ”, J sặls — [R— C H = N H 2]2SnCl6 <-— - Phức của alđimin và thiếc clorua Thủy phân ị H30 + R -C H O ' - Sncứ * I +_ R -C = N H 2C1 SnCl2/HCl 1 + R -C = N H 2C1 Phương pháp Sonn - Muller là sự cải tiến của phản ứng Stephen : Anilit được chuyển thành imiđo clorua nhờ photpho pentaclorua ; giai đoạn tiếp theo tương tự như phản ứng Stephen : 57 Ọ ĩ ArC — NHC6H5 + PC15 - ạ ạỉ -» ArC = NC6Hs + POCI3 + HC1 1 ___ - _ ® _ 2- ArC = NC6H5 + SnCl2 + HC1 ------» [ArCH=NHC6H5]2SnCl6 (70 - 90%) ,© [ArCH = NHC6H5]2SnCl62"HOH, H b) Xeton thơm ArCHO (70 - 90%) Phương pháp điều chế xeton thơm tổng quát và thuận tiện hơn cả là axyl hóa vòng thơm theo Friedel - Craíts (x. Tập 1, mục 4.5. ld). Thí dụ : CH3O H ^ ) + (CH3C 0)20 A1C1"> CH3O - ^ COCH Anisol ỌĩC - C l p-Metoxiaxetophenon (90 - 94%) o o 2n p-Nitrobenzoyl clorua (90%) Ngoài AICI3, người ta có thể dùng những axit Liuyt khác để làm xúc tác, nhưng hoạt tính của chúng thường kém hơn AICI3. Clorua của axit arylaliphatic với mạch nhánh chứa ba nguyên tử cacbon trở lên chịu tác dụng của AICI3 tạo thành xeton vòng : o CƯ'0 A1C1- - HC1 ũ 3-Phenylpropanoyl clorua 1-Inđanon Đôi khi sự đóng vòng có thể xảy ra ngay khi đun nóng mà không cần chất xúc tác. 11.5 Giới thiệu các chất tiêu biểu Fomanđehit HCHO được tạo thành với lượng rất nhỏ khi đốt cháy không hoàn toàn nhiều chất hữu cơ như gỗ, đường, than, hiđrocacbon, vì vậy trong khói bếp thường có một ít íomanđehit, góp phần làm cho khói có tính sát trùng. 58 Trong công nghiệp người ta điều chế íomanđehit bằng cách oxi hóa metanol ở pha hơi với chất xúc tác là bạc kim loại hoặc hỗn hợp oxit sắt và oxit molybđen. 2CH3OH + 02 xúcf > 2HCH=0 + 2H20 500 c Metanol Fomanđehit (92%) Fomanđehit là chất khí ở nhiệt độ thường, tnc - 92°c, có mùi xốc, độc, tan tốt trong nước. Hỗn hợp 40% fomanđehit, 52% nước và 8% metanol (chất làm bền) được bán trên thị trường với tên gọi là fomol hay íòmalin. Trong dung dịch nước, fomanđehit gần như hiđrat hóa hoàn toàn. Nếu thêm H2S04 đặc vào dung dịch này sẽ tạo thành paraíomanđehit là chất bột trắng không tan trong nước. Khi chưng cất đung dịch fomanđehit 6 % với sự có mặt một lượng nhỏ axit suníuric ta được trime vòng 1 ,3 ,5 -trioxan (tnc 62°C) và cả tetrame 1,3,5,7-tetroxan. ■> HO—(CH20)n—H , ° h 20 / 0 H H—c — » h2c nh " h2° x oh Paraĩom, n = 8 - 12 < r ? + r ° > o Trime Tetrame Khi đun nóng hoặc thuỷ phân bằng axit, parafomanđehit bị phân huỷ và hồi lại íomanđehit. Vì vậy, đây cũng là phương pháp tiện lợi để bảo quản và vận chuyển íomanđehit. Fomanđehit phản ứng với amoniac tạo thành hexametylentetramin (urotropin). Mới đầu là sự tạo thành sản phẩm cộng hợp amoniac vào anđehit, rồi qua hợp chất trung gian hexahiđro-1,3,5- triazin cho urotropin có tnc 270°c : /NH2 ch 2= o + nh3 — > h2c OH nh2 ch 2oh ỵ L / L H2C + 2CH2 —o ----- > N -C H 2OH VOH XCH2OH /N H 2 ^ HN NH 3H2C — — > u - nOH 2 NH Hexahiđro-1,3,5-triazin 59 H N' / / HO I OH OH ---------- > Kf / 1 NH - 3H2° *N I J Ù Urotropin tan trong nước, khi thêm axit, nó hồi lại thành fomanđehit. Urotropin được dùng làm thuốc lợi tiểu, bệnh thấp, ... Cho urotropin tác dụng với axit nitric đặc, ta được l,3,5-trinitrohexahiđro-l,3,5-triazin là một chất nổ mạnh có tên gọi hexogen. ĩ /•"N -— / n o 2 Hexogen Fomanđehit được dùng làm chất tẩy uế, sát trùng, bảo quản mẫu vật trong giải phẫu. Một lượng lớn íòmanđehit được dùng trong công nghiệp nhựa tổng hợp, thí dụ nhựa bakelit (điều chế từ íomanđehit và phenol), nhựa cacbamit (điều chế từ íomanđehit và ure), nhựa galatit (điều chế từ íomanđehit và casein), ... Fomanđehit còn được dùng để tổng hợp phẩm nhuộrri, dược phẩm... Axetanđehit (etanal) CH3CHO được điều chế trong công nghiệp bằng cách oxi hóa trực tiếp etilen đến axetanđehit, dùng hỗn hợp xúc tác palađi và đồng clorua ở 50°c (x. mục 11.4.1d). Axetanđehit là chất lỏng không màu, mùi hắc, trôn lẫn với nước, etanol và đietyl ete theo bất cứ tỷ lệ nào. Khi thêm vài giọt axit suníuric vào axetanđehit ở nhiệt độ phòng sẽ xảy ra phản ứng mạnh và tạo thành paranđehit là chất lỏng (ts 125°C) được dùng làm thuốc ngủ. Còn khi tiến hành phản ứng ở 0°c thì sẽ tạo thành metanđehit rắn (2 ,4 ,6 ,8-tetrametyl-l,3 ,5 ,7 -tetroxan): o CH3 - C 60 \H CH3 0"C , o Metanđehit được dùng làm nhiên liệu với tên gọi cồn khô. Hiện nay hàng năm thế giới sản xuất trên 2 triệu tấn axetanđehit; chủ yếu dùng làm nguyên liệu để sản xuất nhiều hợp chất dãy béo như axit axetic, anhiđrit axetic, etyl axetat, n-butanol, cloral. Benxanđehit C6H5CHO, có trong dầu hạnh nhân và một số hạt quả như đào, m ận,... dưới dạng glycozit gọi là amygđalin. Thuỷ phân amygđalin ta được benzanđehit. Nó cũng có thể được điều chế bằng con đường tổng hợp như thuỷ phân benzal clorua hoặc oxi hóa toluen : CHC1h 20 (H+) n -2H CI H ^ j - C H 3 2 0 (M n02), t° -H 20 Benzanđehit là chất lỏng không màu, sôi ở 180°c, có mùi thơm của dầu hạnh nhân. Do trong phân tử không có hiđro a, benzanđehit có thể tham gia phản ứng Cannizzaro. Khác với các anđehit dãy béo, benzanđehit phản ứng với clo cho phản ứng thế hiđro ở nhóm chức anđehit. Phản ứng này được dùng trong công nghiệp để sản xuất benzoyl clorua. Cl2 C6H5 - C ^ - C6H5 - C ^ 5 -HC 1 5 ^ C 1 Benzanđehit được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ, tổng hợp phẩm nhuộm, chất thơm ,... Axeton (propanon) được tạo thành khi chưng khan gỗ. Trong công nghiệp, axeton được điều chế theo nhiều phương pháp khác nhau như nhiệt phân axit axetic nhờ xúc tác (CaO, T h02), đehiđro hóa propan-2-ol, sản phẩm của sự hiđrat hóa propen, hoặc oxi hóa trực tiếp propen : 0 2 (PdCl2 ; CuCl2) c h 3 - c h = c h 2 — — —— > CH3 - C - C H 3 1 0 Axeton, sản phẩm thứ hai khi sản xuất phenol theo phương pháp cumen (x. Tập 1, mục 10.13.4), là chất lỏng không màu, có mùi, trộn lẫn với nước, etanol và đietyl ete theo bất cứ tỷ lệ nào. Axeton là hóa chất cơ bản trong tổng hợp hữu cơ. Ngoài ra, một lượng lớn axeton được dùng làm dung môi trong công nghiệp sản xuất tơ nhân tạo, dung môi để hoà tan axetilen, để gielatin hóa nitrat xenlulozơ khi chế thuốc súng không k h ó i,... Axeton còn là nguyên liệu tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ quan trọng như clorofom, iođoíom, ionon (chất thơm), metyl m etacrylat,... Xiclohexanon C6H |0O được điều chế bằng cách oxi hóa xiclohexanol hoặc xiclohexan bằng oxi với sự có mặt của xúc tác coban. Xiclohexanon là chất lỏng không màu, sôi ở 156,7°c. Nó là một trong những sản phẩm trung gian quan trọng trong sản xuất 61 poliamit. Thí dụ như oxi hóa bằng axit nitric nó được chuyển thành axit ađipic dùng tổng hợp nylon-6,6 : 0 [HN03, v 20 5] —— > HOOC - (CH2)4- COOH Xiclohexanon Axit ađipic Mặt khác, sự chuyển vị Beckman xiclohexanonoxim dẫn tới s-caprolactam dùng làm monome tổng hợp nylon- 6 : NH2OH f [H2SO4] - h20 > I ỵ = 0 NH Xiclohexanonoxim e-Caprolactam Xiclođođecanon được sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng cách oxi hóa xiclođođecan ở pha lỏng. Trong quá trình này cũng tạo thành xiclođođecanol, được đehiđro hóa tiếp theo trên xúc tác oxit kẽm đến xiclođođecanon. Muốn điều chế xeton này trong phòng thí nghiệm ta có thể thực hiện phản ứng đồng phân hóa 13-oxabixiclo [1 0 .1 .1 ] triđecan (được điều chế từ xiclođođexen): Mgl2 13-Oxabixiclo [10.1.1] triđecan Xiclođođecanon là chất rắn kết tinh, tnc 60°c, có mùi thơm của tuyết tùng. Nó được dùng để tổng hợp poliamit và chất thơm. Các xicloankanon cao đặc biệt quý vì chúng là những chất mang mùi trong công nghiệp hương liệu. Xiclotriđecanon có mùi tuyết tùng, còn các hợp chất 1 4 -1 6 mắt vòng có mùi xạ hương. Xicloheptađecanon có mùi cầy hương : CH3 - CH------CH2 - CH - (CH2)7 I c = 0 II c = 0 CH2 - ( C H 2) , f CH - ( C H 2)7^ Axetophenon C6H5COCH3 có thể được điều chế bằng cách axyl hóa benzen bằng anhiđrit axetic theo Friedel - Craíts hoặc oxi hóa etylbenzen bằng oxi không khí với sự có mặt của chất xúc tác mangan (II) axetat ở nhiệt độ 130°c : C6H5CH2 - C H 3 ° 2 > C6H5 - C O - C H 3 + H20 Axetophenon Axetophenon là chất lỏng, có ts 202,3°c, tnc 20°c, có mùi thơm, được dùng trong tổng hợp hữu cơ. 62 Benzophenon C6H5COC6H5 có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp thuận tiện nhất là axyl hóa benzen theo Friedel - Craíts bằng benzoyl clorua hoặc photgen : C1 C1 2