GS.TS.NGND. ĐÀO HÙNG CƯỜNG

CHUYÊN ĐỀ

TỔNG HỢP HỮU CƠ

2011

1

CHƯƠNG ICÁCH ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ CHẤT HỮU CƠ VÀ SỰ CHUYỂN HOÁ GIỮA CHÚNG

Qúa trình tổng hợp các hợp chất hữu cơ thực chất là quá trình chuyển hoá từ một hợp chất này thành một hợp chất khác dưới tác dụng của các yếu tố như các tác nhân phản ứng và điều kiện phản ứng. Qúa trình chuyển hoá đó có thể thưựchiện được bằng hai phương pháp cơ bản:

- Đưa một nhóm chức vào phân tử của hợp chất hyđrôcacbon.- Chuyển hoá tương hỗ giũa các nhóm chức với nhau.

1.1. ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ HYĐRÔCACBON1.1.1. ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO ANKAN

Để đưa một nhóm chức vào phân tử của các hợp chất ankan có thể sử dụng một trong các phản ứng sau đây tuỳ thuộc vào yêu cầu và mục đích của sự tổng hợp.

1.1.1.1. Phản ứng halogen hoá:

Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc (SR) là thường tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau. Khả năng phản ứng của tác nhân halogen X2: Cl2 > Br2; còn khả năng phản ứng của nguyên tử Hyđrô trong ankan là:

Bậc ba > Bậc hai > Bậc một > CH3 - H

1.1.1.2. Phản ứng mêtylen hoá:

Phản ứng mêtylen hoá các hợp chất ankan thường tạo ra một hỗn hợp các sản phẩm khác nhau. Mặt khác, phản ứng loại này có thể xảy ra theo 2 cơ chế:

1. Cơ chế mêtylen hoá trực tiếp:

250-4000c hoặc chiếu sáng

hoặcTia cực tím

hoặc

2

2. Cơ chế tách - cộng hợp:

1.1.1.3.Phản ứng nitrô hoá:Phản ứng thường được tiến hành trong tướng khí ở nhiệt độ cao với axit nitric hoặc

nitơ tetraoxyt làm tác nhân nitro hoá

Phản ứng xãy ra thường kèm với oxi hoá ankan tạo thành CO2 và H2O nên có hiệu suất không cao. Mặt khác khi tiến hành phản ứng nitrô hoá với các đồng đẳng của mêtan thường xảy ra sự cắt mạch tạo thành hỗn hợp sản phẩm:

1.1.1.4. Phản ứng synfô hoá Phản ứng này có thể được thực hiện bằng tác nhân sunfô hoá là axit sunfuric đặc:

Tuy nhiên phản ứng này đạt hiệu suất rất thấp nên trong thực tế thường sử dụng phản ứng thay thế hyđrô bằng gốc SO2Cl tạo thành ankynlsunfôclorua như sau:

1.1.1.5. Phản ứng ôxy hoá: Dưới những điều kiện đặc biệt, ankan có thể bị ôxy hoá hợp chất C – H và chuyển về các hợp chất hyđrôxi hoặc các hợp chất cacbonyl.Ví dụ:

3

1.1.2. ĐƯA NHÓM CHỨC VÀO ANKEN:

Việc đưa một nhóm chức vào phân tử anken có thể thực hiện được bằng phản ứng cộng hợp electrophin, cộng hợp raddical phản ứng thay thế và oxy hoá. Dưới đây là sơ đồ của một phản ứng cơ bản thường được sử dụng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ.

1.1.2.1. Phản ứng cộng hợp:

Trong đó XY = H2, Br2, HCl, HBr, HI, H2SO4, HOH, HOCl...

Các phản ứng xảy ra có thể có sự tham gia của các xúc tác thích hợp cũng có khi không cần sự có mặt của xúc tác. Trong đại đa số các trường hợp, phản ứng cộng hợp còn xảy ra theo quy tắc Macôpnhicốp: Phản ứng cộng hợp xảy ra theo cơ chế gốc (khi có sự tham gia của các chất xúc tác có khả năng tạo thành gốc tự do như pêoxit, peaxit...) thì hướng của phản ứng ngược với quy tắc Macôpnhicốp.

Các phản ứng cộng hợp của một số hợp chất anken rồi hyđrôcacbon hoặc mêtylen sẽ cho sản phẩm ankyl hoá:

B2O3, không khí

Không khí, 6000C, NO

Không có peôxit

Có mặt peôxit

Theo Macôpnhicốp

Phản Macôpnhicốp

4

Phản ứng thay thế nguyên tử hyđrô ở vị trí allyl của các hợp chất anken được thực hiện ở nhiệt độ cao (khoảng 6000C) với các tác nhân là clo Brôm hoặc N – brômxucximit:

Ví dụ:

1.1.2.3. Phản ứng oxi hoá:

Phản ứng oxy hoá các hợp chất ôlephin thường tạo thành các sản phẩm chứa ôxy là ancol hoặc anđêhyt tuỳ thuộc vào tác nhân ôxy hóa. Ví dụ nếu ôxy hoá các hợp chất ôlephin bằng tác nhân KMnO4 lạnh và loãng hoặc dung dịch peaxit HCOOOH thì sẽ thu được hợp chất glycol như sau:

Mặt khác sự khác nhau giữa các phản ứng ôxy hoá của 2 tác nhân này là việc tạo thành các sản phẩm đồng phân hình học khác nhau. Phản ứng ôxy hoá bằng KMnO4

thường tạo ra các sản phẩm đồng phân Cis – trái lại HCOOOH tạo ra các sản phẩm đồng phân trans.

hoặc

5

Nếu tiến hành phản ứng ôxy hoá bằng tác nhân là hợp chất ôzôn thì sản phẩm thu được là các anđêhyt hoặc xêtôn:

Ví dụ:

Phản ứng này thường được sử dụng để xác định cấu tạo của phân tử olephin.

1.1.3. Đưa nhóm chức vào phân tử ankin:Tương tự như các phương pháp đưa một nhóm chức vào hợp chất anken, việc đưa

một nhóm chức vào phân tử ankin cũng được tiến hành bằng phương pháp cộng hợp hoặc thay thế nguyên tử hyđrôlinh động của ankin.

1.1.3.1. Phản ứng cộng hợp:

Trong đó: YZ = H2,Cl2, Br2, HCl, HI, H2O

Các phản ứng xảy ra theo hướng đặc thù về mặt lập thể tuỳ thuộc vào việc sử dụng các hợp chất xúc tác.Ví dụ:

6

Phản ứng cộng hợp với nước thường xảy ra với sự có mặt của xúc tác là mối thuỷ phân trong môi trường axit và tạo thành sản phẩm là các hợp chất xêtôn:

Ví dụ:

1.1.3.2. Phản ứng ankyl hoá:Nguyên tử hyđrô thuộc liên kết nối ba của ankin rất linh động dẫn đến các hợp chất ankin có tính axit yếu. Vì vậy nó có khã năng tham gia với các phản ứng với các kim loại kiềm hoặc với các ion kim loại nặng.Ví dụ:

Ni, H hoặc pd

Na hoặc Li,NH3

H2, pd hoặc Ni – B

đồng phân trans

đồng phân cis

7

Trong đó:

Hoặc:

Nếu cho hợp chất axetylua kim loại trên đây tác dụng với các dẫn xuất halogen thì sẽ thu được các sản phẩm ankyl hoá:

1.1.4. Đưa một nhóm chức vào phân tử hợp chất thơm Việc đưa một nhóm chức vào nhân thơm của các hợp chất hyddrrocacbon thơm được thực hiện bởi các phản ứng xảy ra theo cơ chế thế electrophin (SE). Dưới đây là sơ đồ của một số phản ứng cơ bản thường gặp:a, Nitrrô hoá:

b, Sunfô hoá:

c, Halogen hoá

d, Ankyl hoá theo Friđen – Craf:

d, Ankyl hoá theo Friđen – Craf:

e, Nitrrôzô hoá:

NH3 lỏng

8

g, Azô hoá:

h, Phản ứng Konbe:

i, Phản ứng Raimơ – Timan:

Trong bảng sơ đồ của các phản ứng trên đây, các phản ứng e và g chỉ xảy ra đối với các hợp chất hyđrocacbon thơm hoạt động mạnh, còn các phản ứng h và i chỉ có ý nghĩa khi hợp chất hyđrocacbon thơm tham gia vào phản ứng là phenol. Việc đưa một nhóm chức thứ hai vào nhân thơm của hyđrocacbon thơm được tuân theo một số quy luật định hướng nhất định. Người ta chia các nhóm thế thành 2 loại:

- Loại I: Các nhóm tăng hoạt (có khã năng làm tăng mật độ điện tử của nhân thơm) - định hướng octô và para.

- Loại II: Các nhóm giảm hoạt (nhóm kéo điện tử của nhân thơm) - định hướng mêta.Khã năng hoạt động của các nhóm thế trong phản ứng thế electrophin rất khác nhau và được sắp xếp theo thứ tự như sau:

NHÓM THẾ LOẠI I NHÓM THẾ LOẠI IITăng hoạt mạnh Định hướng mêta- NH2 (-NHR, -NH2) - NO2

- OH - N(+) (CH3)2

Tăng hoạt vừa - CN - OCH3 (-OC2H5...) - COOH (COOR)

- NHCOCH3 - SO3HTăng hoạt yếu - CHO, COR- C6H5 Định hướng Octô, para

9

- CH3 (-C2H5,...) - F, - Cl, - Br, - IViệc đưa nhóm chức thứ ba vào nhân thơm khi đã có mặt của 2 nhóm thế sẽ làm phức

tạp sự định hướng của phản ứng thế electrophin. Vì vậy ta có thể phân thành các trường hợp sau:

1. Nếu hai nhóm thế cùng định hướng vào một vị trí thì sự định hướng đó sẽ xảy ra theo chiều của các mũi tên sau:

CH3

O 2N O 2N SO 3HCN

NHCOOCH 3

2. Nếu hai nhóm thế định hướng khác nhau thì sẽ theo quy tắc:- Ảnh hưởng của nhóm hoạt hoá mạnh (tăng hoặc giảm hoạt) sẽ quyết định hướng

của phản ứng SE so với nhóm hoạt hoá yếu.- Ảnh hưởng của nhóm tăng hoạt sẽ quyết định hướng của nhóm phản ứng SE so với

nhóm giảm hoạt. Sự ảnh hưởng này được thay đổi theo dãy sắp xếp sau:

- NH2 > - OH > - OCH3 > - NHCOCH3 > - C6H5 > - CH3

> Nhóm định hướng mêta

Ví dụ:

1.1.5. ĐƯA MỘT NHÓM CHỨC VÀO PHÂN TỬ DỊ VÒNG THƠM ĐƠN GIẢN Việc đưa một nhóm chức vào nhân thơm dị vòng đơn giản được thực hiện bằng phản ứng thế eleectrophin. Các phản ứng thế xảy ra ở các hợp chất furan, tiophen, pirol ưu tiên định hướng vào vị trí số 2.

Ví dụ:

10

Tương tự như việc đưa một nhóm thế vào hợp chất dị vòng 5 cạnh, việc đưa một nhóm chức vào hợp chất dị vòng 6 cạnh cũng có thể thực hiện bằng phản ứng thế electrophin. Trường hợp này hướng thế ưu tiên vào vị trí 3 (hoặc β)

furan furan – 2 sunfô axit

2- axêtylfuran

Pirol 2- (phenylazô) pirol

11

Phản ứng thế nuclêôphin của hợp chất piriđin sẽ cho ra các sản phẩm thế vào vị trí 2 hoặc:

1.2. SỰ CHUYỂN HOÁ TƯƠNG HỖ GIỮA CÁC NHÓM CHỨC 1.2.1. CHUYỂN HOÁ NHÓM CHỨC HYĐRÔXYL CỦA ANOL VÀ PHENOL

Sự chuyển hoá nhóm hyđrôxyl của các hợp chất ancol có thể được thực hiện bằng một số phản ứng quan trọng sau đây:

a, Phản ứng halogen hoá:Phản ứng này có thể được thực hiện bằng các tác nhân halogen hoá như

hyđrôhalogenua HX, phôtpho halogenua PX3, PX5, điônyl clorua SOCl2.

Phản ứng với hyđrôhalogenua:

Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế Nuclêôphin, trong đó khã năng phản ứng của HX giảm dần theo dãy: HI > HBr > HCl, còn khã năng phản ứng của ROH thay đổi theo dãy:

Allyl benzyl > bậc ba > bậc hai > bậc mộtNhiều khi phản ứng xảy ra với sự chuyển vị.

Đun nóng

Đun nóng

12

Ví dụ:

Hoặc:

* Phản ứng photpho halogennua:

R - OH + PX n RX + H PO 33

Trong đó: PXn = PBr, PL3, PCl5

Ví dụ:

CH CH OH CH CH I 3 2 3 2P + I

CH CH CHCH OH CH CH CHCH Cl3 2 2PCl5 3 2 2

CH3 CH 3

* Phản ứng với tioonyl clorua:

13

R - OH + SOCl R - O - SOCl R - Cl + SO22

piri®in

- HCl (kh«ng bÒn)

* Phản ứng tách loại đêhyđrát hoá:

C C

H OH

axit C C + H O 2

Phản ứng tách loại ancol xảy ra theo cơ chế E1 và E2 với sự tham gia của chất xúc tác là axit. Khã năng tham gia phản ứng tách loại của ancol biến đổi theo dãy:

ROH: bậc ba > bậc hai > bậc một Hướng của phản ứng tách loại xảy ra sao cho tạo thành anken là bền vững nhất. Ngoài

ra, phản ứng tách loại các ancol nhiều khi xảy ra với sự chuyển vị.Ví dụ:

CH CH CH CH OH CH CH = CHCH vµ CH CH CH = CH 2H SO2 4

23332223®un nãng (S¶n phÈm chÝnh)

c, Phản ứng oxy hoá:Phản ứng chuyển hoá nhóm hyđrôxyl của hợp chất ancol bằng phương pháp ôxy hoá

tạo thành các sản phẩm khác nhau tuỳ thuộc vào loại ancol và tác nhân, điều kiện các phản ứng. Dưới đây là sơ đồ cơ bản của một số phản ứng:

Bậc một:

R - CH OH 2

Cu, 250 C 0 R - C = O

H

KMnO4

HoÆc K2Cr2O 7 HoÆc K2Cr2O7

KMnO 4 R - COHH

Bậc hai:

R - C - HOH

R

KMnO ,CrO , hoÆc K Cr O4 2 7 23 R - C = O

R

hoÆc Cu, 2500 C

Bậc ba:

14

R - C - OH

R

R

KMnO (trung tÝnh hoÆc kiÒm)4 Kh«ng ph¶n øng

VÝ dô:

CH CH CH OH Cu, 250 C

3 2 2 CH CH C = O + H223

H

CH CH CHCH OH

CH3

3

CH CH CH COOH

0

KMnO4 3 2 2 3 2

CH3

OH K Cr O 2 2 7 = O

1.2.2. CHUYỂN HOÁ NHÓM AMINÔTương tự như amôniắc, nguyên tử nitơ trong nhóm amôni mang cặp điện tử không

phân chia đã tạo nên khã năng tham gia các phản ứng nuclêôphin của nhóm chức này. Sau đây là sơ đồ của một số phản ứng chuyển hoá cơ bản:a, Phản ứng tạo muối:

RNH R NH R N R N X 2 2 3 4

+ -

RNH + H RNH + +

2 3

++

R NH + H R NH 2 2 2

++

R N +H R NH3 3

2 ArNHR rNR ArNR X ArNH

A 2 3 + -

b, Ph¶n øng ankyl ho :

RX RX RX

RX RX RX

Ví dụ:

15

(n - C H ) NH + C H CH Cl (n - C H ) NCH C H4 9 2 6 5 2 4 92 2 6 5

n - C H NH n - C H NCH 3 7 2 3 7 3CH I3

H

3CH I

CH 3

CH I3

373 n - C H NCH n - C H NCH I 3 7 3

CH3

CH3

+ -

c, Phản ứng tạo thành amit:* Bậc một

RNH

R C

O

N

H

R

R COCl,

ArSO Cl2Ar - S - N

O

OR

H

* Bậc hai:

R NH

R C

O

N

R

R

R COCl,

ArSO Cl2Ar - S - N

O

OR

R2

* Bậc ba:

R N

R COCl,

ArSO Cl2

2

kh«ng ph¶n øng

kh«ng ph¶n øngVí dụ:

16

NH 2

(CH CO 3 ) 2O

- N - C - CH3

O

H

C H SO Cl6 5 2dung dÞch NaOH - N - S -

H O

O

C H NCH 6 5 3

H

C H COCl

n - CH C H SO Cl CH

5 6

3 6 5 23

- C - N

-

O

CH

CH

S - N CH

C H

O

3

3

3

2 5dung dÞch NaOH

d, Phản ứng với axit nitơ:* Amin thơm bậc một:

ArNH Ar - N N

HONO2

+

muèi ®i«fini

* Amin béo bậc một:

RNH R - N NHONO

2

+ H O2 N + hçn hî p ancol vµ anken2

* Amin thơm và béo bậc hai:

HONO

ArNHR Ar - N - N = OhoÆc

R NH R N - N = O 2

hoÆc

R

N - Nitrozamin

2

17

* Amin thơm bậc ba:

HONO

NR O = N2 NR2

* Amin béo bậc ba:

HONO

R N R N - N = O + an®ªhyt, xªt«n3 2

e, Phản ứng tách loại:Phản ứng tách loại các hợp chất aminô để tạo thành các anken chỉ có thể thực hiện

được khi chuyển chúng thành ion amôni bậc bốn. Có 2 phản ứng tách loại cơ bản sau đây:* Phản ứng tách loại theo Hốpman:

- C - C -

H

NR3

HO, ®un nãng > C = C < + R N + H O3 2

Ví dụ:

CH - N - CH CH CH CH - N + CH =CHCH + H O3 2 2 3 3

CH

CH

CH

CH

2 3 2

3

3

3

3

HO, ®un nãng

* Phản ứng tách loại theo Kopu:

Amin bËc ba - C - C > C = C < + R NOH®un nãngH O2 2

2

HONO R

R

O

Ví dụ:

18

R - CH - CH R - CH - CH RCH = CH + CH - N - CH CH R 2

,2

OH

3222140 C0

H O2 222

N

H C CH CH R3 2 2,

N - CH CH R H C -3 2 2,

O

1.2.3. CHUYỂN HOÁ NHÓM HALOGENa, Do có những cặp điện tử tự do trên các ocbital của các nguyên tử halogen nên các hợp chất halogen tham gia phản ứng thế nuclêophin. Dưới đây là sơ đồ của một số phản ứng thế nuclêophin thường xảy ra:

Phản ứng Sản phẩmR: X + : Z R : Z + : X -R: X + : OH R : OH + : X ancolR: X + : H2O R : OH ancolR: X + : OR’ R : OR’ eteR: X + : C CR’ R : C CR’ ankinR: X + : Na R’ R : R’ ankanR: X + : I R : I ankyl iôđuaR: X + : CN R : CN nitriR: X + : R’OO : R : COOR esteR: X + : NH3 R : NH2 amin bậc nhấtR: X + : NH2R’ R : NHR amin bậc haiR: X + : NH2R’R’’ R : NR’R’’ amin bậc ba

R : X + : P(C H ) R : P (C H ) X muèi photphoni 6 5 3 6 5 3

R: X + : SH R : SH Tiol(mêcaptai)R: X + : SR’ R : SR’ Tiôete(sunfir)

R : X + : CH(COOC H ) R : CH (COOC H ) Tæng hî p mal«nic2522 5 2

R : X + : CH COCHCOOC H CH COCHCOOC H Tæng hî p axªt«axetat523523...R

Phản ứng thế nuclêôphin xảy ra theo cơ chế SN1 hoặc SN2 tuỳ thuộc vào bản chất hoá học của dẫn xuất halogen. Sự phụ thuộc đó được hiểu qua sơ đồ biến đổi sau:

Tèc ®é ph¶n øng S t ngN 2

RX = CH X, bËc mét, bËc hai, bËc ba3

Tèc ®é ph¶n øng S 2 t ngN

19

Mặt khác, cần chú ý thêm rằng phản ứng xảy ra theo cơ chế SN1 thường kèm theo sự chuyển vị:

Ví dụ:

CH - C - CH Br

CH

CH

3 2

3

3

C H O2 5

C H OH2 5

CH - C - CH OC H kh«ng cã chuyÓn vÞ

CH

CH

3

3

3

2 2 5

SN2

CH - C - CH CH

CH

OC H

CH - C = CH - CH

CHSN

3

3

2 3

2 5

3

3 3

1

chØ cã s¶n phÈm chuyÓn vÞ

a, Phản ứng tách loại:Các dẫn xuất halogen không chỉ có tham gia chủ yếu vào các phản ứng thế nuclêôphin

mà còn tham gia các phản ứng tách loại, tạo thành các hợp chất không no:

C C

H X

C = CBaz¬

Phản ứng tách loại của các dẫn xuất halogen xảy ra theo cơ chế E1 và E2. Khi này tham gia phản ứng tách loại của chúng theo cơ chế E1 và E2 thay đổi như sau:

Bậc ba > Bậc hai > Bậc một.

c, Phản ứng khửPhản ứng khử các dẫn xuất halogen có thể xảy ra bằng Hyđrô với sự tham gia của các

xúc tác kim loại cũng có thể bằng Hyđrô mới sinh (khử hoá học): * Khử xúc tác:

RX + H RH + HX2

Ni

* Khử hoá học:

RX + M + H RX + M +X

Ví dụ:

20

CCl CHClFe,H O

42

3

(CH ) CCl (CH ) CMgCl (CH ) CD3 3 3 3 3 3

Br

Br

Na, CH OH3

7,7 -®ibr«m norcaran Norcaran

1.2.4. CHUYỂN HOÁ NHÓM ANĐÊHYT VÀ XÊTÔN:Hóa học của các hợp chất anđêhyt và xêtôn được xác định bởi sự có mặt của nhóm

cacbonyl > C = O. Chính nhóm này là trung tâm của sự tấn công nuclêophin. Vì vậy, phản ứng chuyển hoá đặc trưng cho an đêhyt và xêtôn là phản ứng cộng hợp nuclêophin. Ngoài ra, anđêhyt và xêtôn còn tham gia một số phản ứng khác như ôxi hoá, khử hoá, ngưng tụ,... Sau đây là sơ đồ của một số phản ứng cơ bản.

a, Phản ứng ôxi hoá:* Anđêhyt:

RCHO hoÆc ArCHC

Ag(NH )

KMnO

K Cr O

RCOOH hoÆc ArCOOH

3 3

4

2 2 7

Ví dụ:

CH CHO + 2Ag (NH ) +3HO Ag +CH COO + 4NH + 2 H O3 3 3 3 23

* Mêtyl xêtôn:

R - C - CH hoÆc Ar - C - CH RCOO hoÆc ArCOO + CHX3 3 3OX

O O

Ví dụ:

21

C H - C - CH + 3OI C H COO + CHI +2HO2 5 3 2 5 3

O

- - -

CH C = CH - C - CH CHCl + CH C = CHCOOK

CH

O

CH3 3

3 3 3 3KOCl

600

b, Phản ứng thế:- Khử hoá thành ancol:

C OH

H + Ni, Pt hoÆc Pd

LiAlH hoÆc NaBH ,tiÕp theo H

C = O

2

4 4

Ví dụ:

H OHO

H , Ni2

C CH

O

LiAl H H+ CH CH

OH

34

- Khử hoá thành hyđrôcacbon:

C = O

Zn (Hg), HCl(®)

NH NH , Baz¬2 2

- C - H khö Klemenxen

- C - H khö Kizne - Vonfa

H

HVí dụ:

22

CH CH CH COCl3 2 2 2 2

AlCl3 CCH CH CH2 2 3

O

Zn(Hg), HCl(®) CH CH CH CH2 2 2 3

O

NH NH , NaOH2 2

H H

- Khử hoá thành pinacol:

C khö ho l ì ng ph©n tö C C

O OH OH

PinacolVí dụ:

2CH CCH CH C C CH CH C3 3 3 3 3Mg, Benzen H O2

C CH3

O O O

Mg

CH CH CH CH

OH OH

3 3 3 3

C

O

Mg + MgI , ete, benzen C C

HO

OH

2

- Amin hoá - khử hoá:

> C = O + NH > C = NH > CH - NH3 2 H , Ni2

Ví dụ:

CH (CH ) CHO CH (CH ) CH NHNH , H , Ni3 2 5

3 23 2 5 2 2

CCH CH - CH

O NH2

33NH , H , Ni3 2

- Phản ứng cộng hợp Grinha:

23

C + RMgX C R C R

O OMgX OH

H O2

Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp nuclêôphin AN : với focmanđêhyt tạo thành ancol bậc một, với các anđêhyt khác tạo thành ancol bậc hai, với xêtôn sẽ tạo thành ancol bậc ba.Ví dụ:

CH CH CHCH + H - C = O CH CH CHCH OMgBr CH CH CHCH OH H O2

3 2 3 3 2 2 3 2 2

CH3CH3H

MgBr

MgBr + CH - C = O CHOMgBr CHOH

CH

H O2

3CH3H

3

n - C H MgBr + CH - C = O n - C H COMgBr n - C H C - OH 4 94 934 9H O2

CH CH CH

CH CH

3 3 3

33

d, Phản ứng cộng hợp tạo thành xianhyđric:

C + CN C CNH

O OH

Ví dụ:

24

CH - C = O + NaCN

H

CH - C - CN CH - C - COOH

H H

OH OH

3 33H SO2 4 H O;HCl2

CH - C = O + NaCN CH - C - CN CH - C - COOH

O

CH

OH

CH

OH

3

3 3

33

CH = C - COOH

CH3

2

H O,H SO2 2 4

e, Phản ứng cộng bisunfit:

C + Na HSO C SO Na

OH

+ -

3 3

- +

O

Ví dụ:

C = O + Na HSO C SO Na

H

OH

H

4 3

CH CH CCH + Na HSO CH CH C - SO Na 3 2 3 4 3 2 3

O

CH

OH

3

g, Phản ứng cộng hợp với các dẫn xuất của amôniắc.

25

H N - G S¶n phÈm

H N - OH Hy®r«xilamin C = NOH ¤xim

H N - NH Hy®razin C = N - NH Hy®razon

H N - NHC H Phenylhy®razit C = NNHC H Phenylhy®razit

H N - NHCONH Semicacbazit C = NNHCONH Semicacbazit

2

2

2

2

2

2

6 5

2

6 5

2

2

Ví dụ:

CH OH = O + H N - OH CH CH = NOH + H O3 2 3 H

2

CH = O + H N - NHC H CH = NNHC H +H O26 56 52H

CH COOH + H N - NHCONH CH C = NNHCONH + H O3 3 2 2 3 22

CH3

H

h, Phản ứng cộng với ancol tạo thành hợp chất axêtal:

C + 2ROH - C - OR + H O H

+

2

O ORVí dụ:

CH - C = O +2C H OH CH - C - OC H + H O HCl

H H

OC H2 5

2522 53 3

i, Phản ứng Kaizarô:

2 - C = O - COO + - CH OHBaz¬ m¹nh - 2

H

Ví dụ:

2HCHO HCOO + CH OHdd 50% NaOH2

k, Phản ứng ngưng tụ:

26

ArCHO + (RCH CO) O Ar CH = C - COOH

R

2 2Baz¬

1.2.5. CHUYỂN HOÁ NHÓM AXIT CACBOXYLIC VÀ DẪN XUẤT CỦA CHÚNG

Tính chất hoá học của axit cacboxylic được xác định bởi sự có mặt của nhóm cacbonxyl : - COOH. Nhóm này được cấu tạo từ nhóm cacbonyl ( >C = O) và hyđrôxyl (OH), do đó phản ứng chuyển hoá nhóm - COOH củng chính là sự chuyển hoá của hai nhóm này. Dưới đây là sơ đồ chuyển hoá của một số phản ứng cơ bản:a, Phản ứng chuyển hoá thành các dẫn xuất axit:

R - C R - C (Z = Cl, OR , NH )'2

O

OH Z

O

* Chuyển hoá thành cloranhyđrat:

R - C + PCl

O

OH

SOCl

PCl

2

3

5

R - C

Cl

O

Ví dụ:

CH COOH + PCl 3 CH COCl + H PO 3 3 3 3 3 350 C0

* Chuyển hóa thành este:

R - C + R - C R - C

O O O

OH Cl OR

SOCl R OH3 '

'

R - C + R OH R - C + H O

O

OH

O

OR

2H'

Kh∙ n ng ph¶n øng R OH : BËc mét > BËc hai > BËc ba'

* Chuyển hoá thành amit:

27

R - C RCOONH R - C NH ®un nãng

- H OOH

O3

2

O

NH2

R - C + R - C R - C

O O O

OH Cl NH2

SOCl NH2 3

VÝ dô:

CH COOH CH COONH CH CONHNH NH3

3 343 3 2

C H CH COOH C H CH COCl C H CH CONH6 5 2 6 5 2 6 5 2 SOCl NH2 3

b, Khử hoá:

RCOOH RCH OH2LiAl H4

VÝ dô:

4 (CH ) C COOH + LiAl H (CH ) C CH O Al Li (CH ) C CH OH233H ,Li AlO2 2

3 3 2 4 ete

43 3

c, Phản ứng thể hiện tính axit tạo thành muối:

RCOOH RCOO + H

VÝ dô: 2 CH COOH + Zn (CH COO) Zn + H23 3 2

CH (CH ) COOH + NaOH CH (CH ) COONa + H O3 10 3 2 10 2

h, Phản ứng đêcacboxyl hoá:

C H COONa + NaOH (CaO) C H + Na CO6 5 6 6 2 3 t0C

NO

NO

COOH O N + CO

NO

NO

H O, H

®un s«iNO

2

2

2

2

222

28

CHƯƠNG II:SỰ PHÂN CẮT VÀ TẠO THÀNH LIÊN KẾT CACBON – CACBON

Trong các quá trình phản ứng hoá học, liên kết C – X giữa cacbon và một nguyên tử X khác (Có thể là cacbon, ôxy, halogen...) trong phân tử chất hữu cơ có khã năng đứt ra theo 3 kiểu khác nhau:

a. - C : X - C + X cacb«cation

b. - C : X - C + X

c. - C : X - C + X

cacb«cation

hèc cacb« tù do

+

+

-

-

-

+

KiÓu ph©n c¾t dÞ ly

KiÓu ph©n c¾t ®ång ly

Trong kiểu phân cắt thứ nhất tạo ra một ion với nguyên tử cacbon thiếu một electrôn và mang điện dương. Ion này được gọi là cacbôcation. Trong kiểu phân cắt thứ hai ion sinh ra mang điện tích âm gọi là cacbanion. Đó là hai kiểu phân cắt dị ly. Cong kiểu phân cắt thứ ba – phân cắt đồng ly, tạo ra gốc tự do với điện tử tự do ở nguyên tử cacbon gọi tắt là gốc cacbô tự do.

Sự phân cắt như trên có thể xảy ra được không hoặc có thể xảy ra theo kiểu nào, điều đó tuỳ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của phân tử chứa nhóm C – X và các điều kiện tiến hành phản ứng. Sự khảo sát các ion và gốc tự do của cacbon có tầm quan trọng đặc biệt trong việc tìm hiểu cơ chế các phản ứng hữu cơ.

2.1.CACBÔCATIONCácbôcation là những cation mà trung tâm điện dương là nguyên tử caacbon. Có nhiều

loại cacbôcation khác nhau:Cácbôcation có ba liên kết ở C(+) (phổ biến nhất). Thí dụ (CH3)3C(+).Cácbôcation chỉ có hai liên kết ở C(+). Thí dụ CH2 = CH(+). C6H5

(+).Cácbôcation không kinh điển (nonlassical carboncation) hay là cacbôcation cầu nối.

Trong đó điện tiách dương được giải tảo nhờ các liên kết hoặc ở vị trí tương đối xa nguyên tử cacbon trung tâm.

Cácbôcation có số phối trí 5 (rất ít gặp). Thí dụ: CH5(+). Trong phần này chủ yếu đề

cập đến loại cacbôcation thứ nhất.

2.1.1. NHỮNG PHẢN ỨNG TẠO THÀNH CACBÔCATION2.1.1.1 Các phản ứng cắt liên kết C – X thành cacbôcation

a. Phân cắt liên kết C – Hal. Muốn cho liên kết C – Hal bị phân cắt dị ly điều kiện tốt nhất là Hal có khã năng hút electron mạnh, cacbôcation sinh ra có cấu trúc tương đối bền

29

và dung môi có khã năng ion hoá cao. Ví dụ triphênylclomêtan là một chất rắn kết tinh không màu, không tan trong nước và dễ tan trong C6H6 hoặc CHCl3 cho dung dịch không màu và không dẫn điện do sự phân ly:

C H ) C - Cl (C H ) C + Cl 6 5( 3 6 5 3SO láng2

+ -

Lẽ tất nhiên các ion sinh ra đều bị sonvat hóa, trong các dung môi như nitrômêtan, axêtôn... triphênylclomêtan cũng bị phân ly nhưng ở mức độ yếu hơn. Vì dung dịch cacbôcation dẫn điện và có màu nên người ta có thể dùng các phương pháp vật lý để khảo sát. Chẳng hạn bằng phương pháp quang phổ người ta đã thiết lập được rằng ở 00c dung dịch 0,1M (C6H5)3C-Cl trong SO2 lỏng có chứa 3,2% ở dạng ion còn dung dịch 0,01M chứa 21%.

Trạng thái của liên kết C-Hal có thể thay đổi rõ rệt khi có tác dụng của các muối halôgenua kim loại có khã năng tạo muối phức với halôgen trong C-Hal, như: SnCl4, AlCl3, SbCl5, HgCl2... Thí dụ:

C H ) C - Cl + SbCl (C H ) CCl + SbCl (C H ) C + SbCl 6 5( 3 5 6 5 3 6 5 35 6

+ -

Qúa trình phân ly ở trên có thể xảy ra ngay trong các dung môi không phân cực như benzen, têtraclorua cacbon... Đáng chú ý là nhiều dẫn xuất halôgen, với halôgen ở nguyên tử cacbon bất đói, có thể tự raxemic hoá trong dung môi có khã năng ion hóa cao vì quá trình phân ly có tính thuận nghịch.

Nếu dẫn xuất halôgen không tự phân ly thành cacbôcation để raxemic hoá được thì người ta có thể những muối halogen kim loại như đã nói trên. Hiện tượng raxemic hoá ấy là cơ sở của một phương pháp khảo sát quá trình phân ly, đặc biệt là quá trình phân ly của những chất có độ phân ly kém.

b, Phân cắt liên kết C-OH. Liên kết C-OH rất khó tự phân ly thành cacbôcation và anion hyđroxyl. Chẳng hạn triphênylcation là một chất không màu và trung tính, không phân ly trong C6H6. Phân ly rất yếu trong SO2 lỏng nhưng trong axit sunfuric đặc hay axit fomic có phân ly mạnh cho ta những dung dịch màu vàng da cam. Quang phổ của các dung dịch này giống quang phổ của dung dịch (C6H6)3C

C H ) COH + 2H SO (C H ) C + H O + 2HSO 6 5( 3 2 6 5 3 3 4

+ -

4

Vì phản ứng trên đã chuyển dung dịch một chất không màu thành dung dịch chất có màu (hoặc màu thẩm hơn) do hiện tượng tạo “muối” cho nên người ta cho đó là một ví dụ của hiện tượng halôcrôm (Halô-muối, rôm-màu)

30

Các ancolloaij béo bậc cao thí dụ (CH3)3COH cũng có khã năng tạo ra ion cacbôni trong axit sunfuric đặc. Thí dụ trimêtylcacbinol

c. Phân cắt liên kết C-C. Liên kết C-C nói chung khó phân ly thành ion. Tuy nhiên những dẫn xuất thơm của metan như têtraphênylmêtan, đimêtylphênylmêtan,...trong axit sunfuric ddawcjlaij có thể cho ta những dung dịch có màu và có tính huỳnh quang khi chiếu tia tử ngoại vào, do hiện tượng tạo thành cacbocation.

So sánh quang phổ electron của dung dịch trimêtylcacbinol và dung dịch đimêtylphênylcacbinol trong H2SO4 đặc với dung dịch trimêtylphênylmêtan người ta đi đến kết luận rằng trimêtylphênylmêtan bị phân cắt thành cation tecbutyl.

(CH ) C - C H (CH ) C3 2 6 5 3 3

+

d. Một số hợp chất khác như este của axit vô cơ mạnh ROSO2H, ROSO2Ar, hoặc hợp chất azô trong những điều kiện thích hợp củng có thể phân ly thành cacbôcation. Thí dụ:

R - N N R + N +

2

+

2.1.12. Các phản ứng cộng vào nối đôi tạo thanh cacbôcation

a. Cộng prôtôn vào nối đôi của anken: Khi có mặt axit mạnh alken có thể cộng hợp prôtôn thành cacbôcation.

R C = CR + HA R C - CHR + A2 2 2 2

-+

nếu ion này rất ít bền nó sẽ chuyển hoá ngay. Ví dụ:

CH = CH + H SO CH CH HSO CH CH OSO H3234234222

+

Để chứng minh rằng quả thực cacbôcation có sinh ra từ ken người ta so sánh phổ electron của 1,1- điphênylêtylen và của hai dung dịch này có phổ khã kiến rất giống nhau, điều đó chứng tỏ trong cả hai dung dịch đều tạo ra cacbôcation mêtylđiphênyl mêtyl.

b. Cộng prôn vào nhóm cabônyl:

Các anđêhyt và xêtôn - chưa no với độ liên hợp cao, có khã năng kết hợp prôtôn tạo thành cacbôcation chứa nhóm hyđrôxy ở ngay nguyên tử cacbon trung tâm. Thí dụ:

31

- CH = CH - C = O + H SO - CH = CH - C - OH + H SO2 4 2 2 42

-+

Phản ứng trên là một phản ứng halôcrôm.

Trong số các phản ứng tạo thành cacbôcation chúng ta còn phải kể đến các quá trình tạo thành hợp chất thơm không có vòng bền như ion triphênyl-xycclôpropenili, đication têtraphenyl-xycclôpropenili...

2.1.2.1. Cấu trúc không gian:

Về mặt lý thuyết ta có thể cho rằng cacbôcation có cấu trúc phẳng tương tự R 3B hoặc cấu trúc hình tháp tương tự R3N.

Để giải quyết vấn đề này ta có thể đưa vào sự biến đổi năng suất quay cực của dung dịch hợp chất có cacbon bất đối kiểu R1R2R3C – Hal. Ta biết rằng khi hoà tan hợp chất trên vào SO2 lỏng sẽ xãy ra quá trình thuận nghịch.

R - C - Cl R - C - Cl

R

R

R

R

1

2

3

1

2

3

+ -

Nếu cacbôcation có cấu trúc phẳng như triankyl bo thì trong quá trình nghịch Cl(-) có thể tấn công nguyên tử cacbon mang điện dương từ hai phía với xác suất như sau:

C

R

R

1

2

+

+ Cl Cl - C - vµ C - Cl

R

R

R

R

R R1 1

22

3 3R3

kết quả sẽ tạo ra biến thể raxemic, và R1R2R3C-Cl trong SO2 lỏng sẽ bị raxemic hoá.

32

Ngược lại nếu ion có cấu trúc hình tháp như R3N thì trong quá trình nghịch Cl(-) chỉ có thể tấn công từ một phía thôi.

C + Cl C

R R R R R R1 2 3 1 2 3

+ -

Cl

kết quả là cấu hình của phân tử phải được bảo toàn.

Thực tế cho thấy rằng các phân ly thành cacbôcation như trên đối với hợp chất cacbon bất đổi luôn luôn kèm theo sự giảm năng suất quay cực. Dữ kiện này cùng với các dữ kiện thực nghiệm khác chứng tỏ rằng cacbôcation có cấu trúc phẳng hay gần như phẳng. Thuyết cơ lượng tử củng cho kết quả tương tự.

Trong trường hợp cacbôcation triarylmêtyl ta hiểu cấu trúc phẳng là ba trục xuất phát từ nguyên tử cacbon mang điện dương xuyên qua các vị trí 1,4 của vòng benzen đều ở trên một mặt phẳng. Còn ba vòng không nhất thiết ở trên mặt phẳng đó mà bị lệch đi trong không gian (do ảnh hưởng không gian) tương tự như ba cánh của một chiếc quạt bàn.

Trong các cation xyclôpropy ba liên kiết C-C ở trên một mặt phẳng, còn vòng xyclôpropan tạo thành mặt phẳng khác nhau thẳng góc với mặt phẳng vừa nói và song song với trục của obitan p còn trống của nguyên tử C(+). Thí dụ:

Cấu trúc phẳng là điều kiện cần để cho cacbôcation tồn tại . Vì thế, khác với triphênyclomêtan, 1-brômtryptyxen (A) trong SO2 lỏng không cho dung dịch màu và củng không dẫn điện. Khác với triphênylcacbinol, 1 – hyđrôxytryptyxen (B) trong H2SO4 đặc cũng khong cho dung dịch màu. Những điều đó chứng tỏ chúng rất khó tạo ra cacbôcation hình tháp.

C

CH3

CH3

33

C

Br

- C

H

(A) (B)

H

C -

OH

C

2.1.2.2. Cấu trúc tinh vi và độ bền vững tương đốiĐộ bền tương đối của các ion cacbôni có liên quan chặt chẽ tới sự phân bố điện

tích (cấu trúc tinh vi) trong toàn bộ ion. Điện tích càng được giải toả rộng ra nhiều nguyên tử trong ion thì độ bền tương đối càng cao.

Muốn tăng độ bền của một cacbôcation có thể đưa vào nguyên tử cacbon mang điện dương những nhóm có hiệu ứng liên howph hoặc liên hợp dương:

H C - C C C C C C C O C

H

H

C+ + + +

Vì vậy, trong dãy cation ankyl cũng như trong dãy các cation arlmêtyl, bậc của cation càng cao độ bền của cation càng lớn:

CH < CH CH < CH(CH ) < C (CH )+ + + +

3 2 3 3 2 3 3

23CH < CH C H < CH(C H ) < C (C H )6 5 6 5 2 6 5 3

+ + ++

Dãy thứ hai thường có độ bền tương đối cao hơn dãy thứ nhất vì hiệu ứng +C của nhóm aryl mạnh hơn hiệu ứng +H của nhóm ankyl. Tương tự như vậy, sự có mặt của nhóm viryl ở C (Cation alyl) làm cho độ bền của cation tăng lên rõ rệt:

CH - CH - CH < CH - CH = CH2 2 3 2 2

+ +

Kết quả tính toán điện tích dương theo các phương pháp hoá lượng củng như các kết quả khảo sát bằng các phương pháp vật lý đã xác nhận có sự giải toả điện tích dương trong cacbôcation liên hợp ở trên. Thí dụ theo phương pháp MO Hucken điện tích dương ở một số cacbôcation được giải toả như sau:

34

CH = CH - CH C H CH C H2

+ +

2 6 5 6 5 C (CH ) 3 2 +

+ 0,05 0 +0,05 0 +0,14 0 + 0,08 C C C + 0,14

C + 0,08 C

C H6 5

56C H

+0,57 +0,31

0 + 0,14 0 + 0,08

Các nhóm thế có hiệu ứng +C hay +H ở vị trí para của C6H5CH2 hoặc ở vị trí của CH2 = CHCH2 làm cho độ bền tăng lên; trái lại các nhóm thế có hiệu ứng -C hoặc –H ở những vị trí đó làm chop độ bền giẩm đi.

Trong những trường hợp cacbôtion không kinh điển, sở dĩ chúng có độ bền tương

đối cao (So với CH

+

chẳng hạn) vì có sự giải toả electron của liên kết C – C hoặc electron của liên kết C = C không ở vị trí liên hợp đối với obitan trống mà ở vị trí xa hơn. Thí dụ:

CH - CH

CH - CH

2

2

+

CH

CH

+2

2

CH

CH

2

2

+

(Sinh ra tử CH3 = CHCH2Cl (Sinh ra từ C6H5CH2CH2Br)hoặc từ xiclô-C6H5CH2Cl)

Sự xuất hiện tính bền vững đặc biệt của các cation “thơm” (thí dụ ion trôpili) cũng do sự liên hợp và các đặc tính khác của vòng thơm gây nên.

2.2.CACBANIONKhác với cacbôcation có nguyên tử cacbôn thiết thụ electron và mang điện tích

dương, cacbanion có một cặp electron dư ở nguyên tử cacbon và mang điện tích âm. Giữa loại ion này có sự liên quan chặt chẽ; về điều kiện tạo thành và tính chất có những điểm tương tự nhau hoặc đối lập nhau; vì thế khi khảo sát cacbanion cần liên hệ với cacbôcation.

2.2.1 SỰ PHÂN LY LIÊN KẾT C – X THÀNH CACBANION2.2.1.1. Điều kiện thuận lợi cho sự phân ly liên kết C – X thành cacbanion.

Muốn cho liên kết C – X dễ bị phân cắt dị ly thành cacbanion điều kiện tốt nhất là: a. Cặp electron ở liên kết C – X chuyển mạnh về phía nguyên tử cacbon, chẳng hạn các liên kết CK, CNa,... trong hợp chất cơ kim; b. Cacbanion sinh ra có cấu tạo tương đối bền

35

như cac anion triarrylmêtyl chẳng hạn; c. Dung môi được dùng có khã năng ion hoá cao, thường amôniac lỏng, ete,...

Triphênylclomêtan chỉ dễ phân ly thành cacbôcation thôi. Nhưng nếu ta chuyển những phân tử này thành dẫn suất natri (C6H5)3CNa trong amôniăc lỏng chúng lại cho ta những dung dịch dẫn điện và có màu, do sự tạo thành cacbanion và ion kim loại.

(C H ) C - H

(C H ) C - Cl

6 5 3

6 5 3

(C H ) C - CNa (C H ) C : Na

NaNH láng

Na

3

6 5 3 6 5 3+

NH3láng

Cacbanion của những ankan đơn giản có trong các hợp chất cơ nguyên tố như các hợp chất của liti, natri, magiê...; do đó nói chung các hợp chất này tham gia phản ứng như những cacbanion. Tuy vậy, không nên nghĩ rằng các hợp chất ấy là những muối đơn giản kiểu R- M+ vì rằng các liên kết giũa cacbon với kim loại phần nào mang tính chất cộng hoá trị.

2.2.1.2. Sự phân ly liên kết C – H và lực C – H tương đối:Liên kết C – H cũng có thể bị phân cắt dị ly tạo thành cacbanion nếu nguyên tử H

có độ linh động rất cao. Thí dụ triphênylmêtan thực tế không tác dụng với kiềm được nhưng tri (p-nitrophênyl) mêtan lại tác dụng được với NaOH tạo ra dẫn xuất natri dễ phân ly thành cacbanion.

(p - NO C H ) CH + NaOH (p - NO C H ) CNa + HOH342 62 6 4 3

Qúa trình phân ly liên kết C – H ở đây chính là quá trình phân ly của những axit cho nên người ta có thể dùng các giá trị pKa làm mức đo sự phân cắt dị ly này.

2.2.2 CẤU TRÚC VÀ ĐỘ BỀN TƯƠNG ĐỐI CỦA CACBANION2.1.2.1. Cấu trúc không gian:

Nhìn vào công thức của cacbanion ta có thể cho rằng các anion này có cấu trúc mặt phẳng như cacbôcation. Nhưng cacbanion lại có cặp electron còn dư, nên cũng có thể chop rằng chúng có cấu trúc hình tháp.

Để giải quyết vấn đề cấu trúc không gian của cacbanion người ta có dùng phương pháp đo sự biến đổi tính quang hoạt của hợp chất có cacbon bất đối trong quá trình tạo thành cacbanion. Tuy vậy phương pháp này gặp nhiều khó khăn căn bản. Vì thế trong từng thời gian, từng người có những nhận định khác nhau.

Hiện nay nói chung người ta đã nhất trí rằng cacbanion có thể có cấu trúc hình tháp hay cấu trúc gần như thẳng tuỳ theo bản chất của các nhóm thế ở nguyên tử cacbon mang điện tích âm.

Nếu giữa nhóm thế và cặp electron ở C(+) không có sự liên hợp thì cacbanion có cấu trúc hình tháp theo một cân bằng giữa hai dạng:

36

C C

R

RR

R

RR

1

2

3

1

23

Vì thế trong phản ứng dưới đây cấu hình của phân tử vẫn bảo toàn.

n - C H n - C H n - C H

CH C - D CH C CH C - H

C H SO C H SO C H SO

6 13

3

6 5 2 6 5 2 6 5 2

33

6 13 6 13OCH3 HOCH3

-- *

( TÝnh khiÕu quang häc) ( § é tinh khiÕt quang häc 90%)

Trái lại nếu giữa nhóm thế và cặp electron ở C (-) có sự liên hợp để cho anion trở về bền vững thì anion đó có cấu trúc phẳng hay gần như phẳng. Vì vậy, ta thấy trong quá trình sau đây có sự raxêmic hoá:

C H - C - COO C C H - C - H

CN CN. .

C HC H2 5

2 5 2 5* -

anion quang ho¹t cacbanion biÕn thÓ raxªmic

2.2.2.2. Cấu trúc tinh vi và độ bền tương đối

Giữa cấu trúc tinh vi (sự phân bố mật độ electron) và độ bền tương đối của cacbanion cũng có mối liên quan: điện tích âm hay là mật độ electron ở nguyên tử cacbon trung tâm càng được giải toả rộng độ bền của cacbon càng cao. Những nhóm thế với hiệu ứng –C có khã năng giải tảo điện tích âm như vậy, chẳng hạn tính toán cho thấy trong các anion alyl và benzyl điện tích âm ở nguyên tử cacbon trung tâm chỉ bằng khoảng ½ đơn vị điện tích.

C C C -0,14 C-0,50 0 -0,05

0 -0,14

0 -0,17

0 -0,14

37

Vì thế tôluen có pKa ( 38) nhỏ hơn của êtan ( 58) , triphênylmêtan có pKa còn nhỏ hơn nữa

( 33). Độ bền của các cacbanion như C6H5 – CH2(-), (C6H5)6C(-) sẽ tăng lên khi tăng lên ở

vị trí para có nhóm thế gây hiệu ứng –C ( thí dụ NO2, CN...) ngược lại sẽ giảm đi khi có nhóm thế +C.

Nếu những nhóm thế -C nối trực tiếp với nguyên tử câcbnion sẽ tăng lên rõ rệt (biểu hiện ở pKa). Thí dụ:

CH CN 25 CH (COOC H ) 13CH (CN) 11 CH (COCH ) 9

pKa pKa

3

2

2

2 3 2

2 53

Trong những trường hợp đó, điện tích của cacbanion phân bố ở 2 nguyên tử khác nhau. Thí dụ:

CH - C = CH COOC H......

O

3 2 5

Những nhóm có hiệu ứng -1 hoặc –H nối với C(-) cũng làm tăng mạnh độ bền của cacbanion. Thí dụ: pKa(theo thang Xtrêvizơ) của CF3H : 28, (CF3)3CH : 11.

Các anion vòng thơm như C3H5(-), C6H5

2 ... có tính bền cao là do sự liên hợp và các đặc tính khác của hợp chất thơm.

2.3 PHẢN ỨNG TẠO LIÊN KẾT CACBON – CACBON VỚI SỰ THAM GIA CỦA CACBÔCATION VÀ CACBONANION:

2.3.1. PHẢN ỨNG TẠO LIÊN KẾT CACBON – CACBON CỦA CACBÔCATION

2.3.1.1. Phản ứng ankyl hoá:

a. Phản ứng ankyl hoá của cacbôcation để tạo ra liên kết cacbon-cacbon là phản ứng cộng hợp với ankan. Ví dụ điển hình nhất của phản ứng này là sự tạo thành 2,2,4 – trimêtylpetan được dùng làm nhiên liệu cho động cơ từ izôbutan và izôbutylen.

38

(1) CH - C = CH + H CH - C - CH

CH CH

+

+

3 3

333 2

(2) CH - C = CH C - CH CH - C = CH - C - CH

CH CH CH CH

CH CH

++

3 3 3 3

3 3

3 2 3 3 2 3

(3) CH - C = CH - C - CH + H - C- CH CH - C = CH - C - CH + H - C - CH3 2 3 3 3 2 3 3

CH CH CH CH CH

CH CH H CH

+

3 3 3 3 3

3 3 3

CH3

+

Sau đó phản ứng lại tiếp tục 2, 3; 2, 3...

b. Phản ứng ankyl hóa của cacbôcation xảy ra ở các hợp chất thơm theo cơ chế SE

(phản ứng Faiden-Crap). Trong phản ứng này đã thiết lập nên một liên kết cacbon-cacbon mới:

RCl + AlCl AlCl + R

R

R + C H C H

R H

C H + AlCl C H - R + HCl + AlCl

3 4

6 6 6 5

6 5 4 6 5 3

H

- +

++

+ -

Bằng phản ứng này có thể điều chế được nhiều hợp chất thơm có mạch nhánh khác nhau. Ví dụ:

39

C H + CH CH CH C H - CH CH CH + H

CH CH

C H + CH C - CH C H - C - CH + H

CH

6 6 3 2 2 6 5 2 2 3

++

+

+3 3

3

6 6 3 3 6 5 3

AlCl

AlCl

3

3

2.3.1.2. Phản ứng cộng hợp vào anken

Đây là phản ứng cộng hợp tạo thành một caacbôcation mới với sự hình thành liên kết cacbon-cacbon:

R + > C = C< R - C - C++

Phản ứng này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình trùng hợp theo cơ chế cactionic. Ví dụ phản ứng trùng hợp izôbutylen trong axit xảy ra như sau:

(CH ) C = CH (CH ) C CH ) C = CH - C(CH ) 3 2 2 3 2 3 2 2 3 2

H CH = C(CH )+

...3 22++

Trong những điều kiện xác định dưới tác dụng của axit H2SO4 sẽ xảy ra phản ứng đime hoá:

2CH - C = CH

CH

H SO 2 4 CH CH CH - CH - CH - C - CH

CH

CH = C - CH - C - CH

CH

CH - C = CH - C - CH

CH

CH

CH

CH CH

3

3 3

2 2 3

3

3 3

3

3 3

3 3

3

3 2 3

H /Ni243

2.3.1.3. Phản ứng ngưng tụ crôtônic:Hợp chất cacbonyl trong môi trường axit bị prôtôn hoá tạo thành cacbocation:

40

CH CH CH

CH CH CH

3 3 3

3 3 3

C = O + H C = O - H C = OH+++

Các hợp chất tham gia phản ứng ngưng tụ crôtônic tạo thành liên kết cacbon – cacbon mới:

C - OH + CH - C -CH C - CH - C - CH 3 3 2 3

3 CH CH

CH O CH + OH O

3

3 3

+

2

- HOC

C - OH + CH - C - CH C = CH - C - CH

CH CH

CH CHO O

- H+

3 3

3 3

3 23 3

2.3.2. PHẢN ỨNG TẠO LIÊN KẾT CACBON – CACBON CỦA CACBANION:Cacbanion được tạo thành bằng sự tách đi nguyên tử - hyđrô của các hợp chất

cacbonyl. Vì vậy cacbonion là một bazơ mạnh tham gia các phản ứng tạo liên kết cacbon-cacbon như một tác nhân nuclêôphin.2.3.2.1. Phản ứng cộng hợp nuclêôphin vào hợp chất cacbonyl: a. Phản ứng ngưng tụ anatol:

C = O + - C - C = O - C - C - C =O

O

+

-

Ví dụ: Phản ứng tạo thành hợp chất - hyđrôxibutandehyt từ axxetanđehyt xảy ra theo sơ đồ sau:

41

CH CHO + HO CH CHO + H O3 2 2

- -

H H

CH - C = O + CH CHO CH - C - CH CHO3 2 2

-

O -

CH - C = O + CH CHO CH - C - CH CHO

H H

O OH

3 2 23

-

-

b. Phản ứng ngưng tụ peckin:Phản ứng của anhyđrit của axit cacbonxylic với các anđêhyt thơm tạo thành mối liên

kết cacbon-cacbon xảy theo cơ chế cộng hợp nuclêôphin (phản ứng Peckin).

CH - C

C H - CH = O + C H - C - CH = CCH - C

O

O

O

CH - C

O

O

O

O

C H - CH = CH - COOH + CH COOH6 5 3

-

6 5 26 5

3

3 3

Các phản ứng tạo liên kết cacbon – cacbon xảy ra theo cơ chế này còn tìm thấy ở rất nhiều hợp chất khác nhau như ở các hợp chất cơ kim loại, phản ứng Refocmatxki sẽ được trình bày trong phần sau:

2.3.2.2. Phản ứng thế nucleôphin ở nhóm axyl a. Phản ứng ngưng tụ claizenĐây là phản ứng tạo thành liên kết cacbon – cacbon ở hợp chất -xêtôn. Ví dụ phản

ứng điều chế êtyl axetôaxêtat xảy ra như sau:

42

CH COOC H + C H O C H OH + CH COOC H

CH - C - OC H + CH COOC H CH - C - CH COOC H

CH - C - CH COOC H + C H O

O OC H

O

O

3 2 5 2 5

-

2 5 2 2 5

2 5 2 2 5 3 2

-

2 5

3 2 2 5 2 5

2 5

3

-

-

-

bTổng hợp malônic:Một trong những phương pháp tạo liên kết cacboxylic được dựa trên cơ sở của hợp

chất etylmelonat gọi là tổng hợp malônic. Trong phản ứng này nguyên tử -hyđrô của etylmalônat rất linh động nên dễ dàng bị thay thế bởi các ion natri tạo thành cacbonion.

CH CH + C H OH

COOC H COOC H

COOC H

COOC H

2

2 5 2 5

2 5

5252

C H ONa2 5 -

Na-

Cacbanion được tạo thành rất dễ tham gia phản ứng với các dẫn xuất halogen tạo thành các sản phẩm khác nhau:

CH CH + NaHal

COOC H COOC H

COOC H

COOC H

2

2 5 2 5

5252

R - R - Ral +

Các este malônic dễ bị thuỷ phân trong môi trường axit và sau đó bị đêcacboxyl hoá bởi nhiệt tạo ra các axit monocacboxylic:

CH CH + R - CH - COOH

COOC H COOH

COOC H

COOH

2

2 5

52

R - R - HOH/H+

t C- CO2

02

Theo nguyên tắc của phản ứng trên đây không những có thể tổng hợp được axit kiểu R

– CH2COOH, R – CHCOOH mà còn tổng hợp được các điaxit kiểu HOOC – (CH2)n –

COOH.

43

R

2.4. TẠO LIÊN KẾT CACBON – CACBON BẰNG CÁC HỢP CHẤT CÓ KIM:

2.4.1. PHẢN ỨNG CỦA HỢP CHẤT GRINHA:Khi cho Magiê tác dụng với các dung dịch của ankyl – halogenua trong điêtyl ete khan

(C2 H5 )2OThì phản ứng sẽ xảy ra rất mãnh liệt kết quả là Magiê bị hoà tan và thu được một dung dịch mới. Dung dịch đó gọi là tác nhân Grinha. Tác nhân Grinha là một hợp chất hoạt động rất mạnh, nó tác dụng nhiều các hợp chất vô cơ kể cả nước, ôxy, CO2 và với một số lượng rất lớn các hợp chất hữu cơ. Một trong những hướng quan trọng cuả phản ứng các hợp chất Magiê là tạo ra các mối liên kết cacbon – cacbon.

2.4.1.1. Phản ứng cộng hợp của tác nhân Grinha:Phản ứng cộng hợp của tác nhân Grinha với các hợp chất Cacboxyl (anđehyt và

xêtôn). Các este và các dẫn xuất của êtylenôxit đều cho ra sản phẩm là các ancol với sự tạo thành các mối liên kết cacbon – cacbon mới. Trong phương pháp này sản phẩm của loại ancol thu nhận được tuỳ thuộc vào đặc điểm của các tác nhân có chứa ôxy được sử dụng.

a.Phản ứng của tác nhân Grinha với các hợp chất cacboxyl: Từ Focmandêhyt HCHO sẽ tạo thành ancol bậc 1, từ các anđêhyt tạo thành ancol bậc 20, và từ xêtôn sẽ tạo thành ancol bậc 30.

44

H - C = O + RMgX H - C - OMgX

R

H

H - C - OH (Acol 1 0 )

R

H

R - C = O + RMgx R - C - OMgx H - C - OH (Acol 2 )0HOH' ' '

H H H

R R

R - C = O + RMgx R - C - OMgx H - C - OH (Acol 3 )

R R R

R R

'' '' ''

' ' 0

Việc vận dụng phương pháp tổng hợp này để thu nhận một hợp chất cần thiết theo ý muốn cần phải căn cứ vào cấu tạo của sản phẩm ancol. Một nhóm ankyl liên kết với nguyên tử cabon mang nhóm - OH tạo thành từ phân tử của các tác nhân Grinha, hai nhóm còn lại từ hợp chất cacbonyl, ví dụ có thể thu nhận hợp chất 2 – phênylhecxanol -2 bằng 2 sơ đồ phản ứng sau:

45

- C + CH CH CH CH MgBr - C - CH CH CH CH

CH

O

CH

OH

3 3

3 2 2 2 2 2 2 3

Axªt«phennon n - butylmagiª br«mua

Phªnylmagiª broma Mªty - n - butylxªt«n

32222223

3

OH

CH

- MgBr + CH CH CH CH - C C - CH CH CH CH

CH

O

3

-

Như vậy có thể thu nhận 2-phênylhecxanol -2 từ một xêtrô thơm với tác nhân Grinha

có 4 nguyên tử cacbon (1) hoặc từ một xêtôn béo với tác nhân Grinha (2). Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy rằng trong trường hợp cụ thể này thì tiến hành điều chế 2 -phênylhecxal -2 theo sơ đồ (1) là tốt nhất.

b. Phản ứng cộng hợp của tác nhân Grinha với este là một trong những phương pháp tốt nhất để điều chế ancol bậc 30. Phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn: Giai đoạn 1 tạo ra hợp chất xêtôn và giai đoạn 2 là phản ứng của xêtôn với tác nhân Grinha tạo ra ancol:

R - C R - C - R R - C - R R - C - R

O

ORO R R

R R

R Mgx R Mgx HOH'' ''

'

'' ''

'' ''

''''''1 2

Như vậy ancol bậc 30 có thể thu nhận được từ xêtôn hoặc este bằng phản ứng cộng

hợp với tác nhân Grinha. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp điều chế ancol bậc 30 từ este là tốt nhất. Ví dụ triphênycacbinol có thể thu nhận bằng phản ứng của phênylmagiêbromua với este etylbenzoat hoặc xêtôn benzôphenon. Cả 2 quá trình đó có thể thực hiện từ axit benzôic theo sơ đồ sau:

46

- COOH - COOC H

- COCl - C -

O

PCl

C H /AlCl

C H OH, H 2C H MgBr

C H MgBr

5

2 5+

2 56 5

6 56 6 3 -

- C - OH

Rõ ràng qua sơ đồ cho ta thấy rằng phản ứng chuyển hoá axit benzôic thành triphênycacbinol bằng tác nhân Grinha qua bước tạo thành este xảy ra đơn giản hơn, ít giai đoạn hơn.

c. Phản ứng tạo thành liên kết cacbon – cacbon của tác nhân Grinha với ôxi êtylen là một phương pháp quan trọng để điều chế các ancol bậc 10. Phương pháp này có ưu điểm lớn so với phản ứng điều chế ancol bậc 10bằng focmanđêhyt sẽ tạo ra được sản phẩm có mạch dài hơn 2 nguyên tử cacbon so với gốc ankyl hoặc aryl của tác nhân Grinha:

R - MgX + CH - CH RCH CH OMgx RCH CH OH

O

2 2 2 2 2 2H+

2.4.1.2. Phản ứng của các nhân Grinha và phân tử cacbon electrophin:a. Phản ứng với các dẫn xuất Halogen:Về nguyên tắc tác nhân Grinha có thể tham gia phản ứng với các dẫn xuất halogen

theo cơ chế SN2 tạo ra liên kết cacbon – cacbon. Đây là một trong những phương pháp thuận tiện nhất để điều chế hydrocacbon no bậc bốn:

(C H ) C - Cl + C H MgBr (C H ) C + Mg

Br

Cl

6 5 3 6 5 6 5 4

(CH ) C - Cl + C H MgBr (CH ) C - C H + Mg

Br

Cl

3 53 2 3 3 2 5

Phản ứng này cũng có thể dùng để điều chế các hyđrôcacbon không no:

47

Br

Cl

CH CH - MgBr + ClCH - CH = CH CH CH CH - CH = CH + Mg3 2 2 2 3 2 2 2

Phản ứng của tác nhân Grinha với dẫn xuất halogen của axit cacboxylic sẽ tạo thành hợp chất xêtôn. Trong thực tế người ta có thể lái cho phản ứng dừng lại ở giai đoạn tạo ra xêtôn hoặc đi xa hơn nữa tạo thành amol bậc 3.

RCOL R - CO - R R - C - OHRMgBr RMgBr, HOH''

R

R'

'

b. Phản ứng với các hợp chất nitrin RC NNhóm xian trong các nitri R – C N phản ứng với hợp chất magiê tạo thành liên kết

cacbon – cacbon tương tự như nhóm cacbonyl:

R - MgBr + R - C N R - C - R R - C - R + Mg Br

Cl

' ' '

NMgBr NH

HOH

Sau đó nhóm Imin bị thuỷ phân để tạo thành hợp chất xêtôn:

R - C - R + HOH R - C - R + NH

NH O

' '3

Phản ứng này có thể sử dụng để điều chế các xêtôn béo.Ví dụ:

CH CH MgCl + CH - C N CH CH - C - CH

CH CH - C - CH CH CH - C - CH

3 2 3 3 2 3

3 2 3 3 2 3

HOH

HOHNMgBr

NH Ohoặc các xêtôn thơm:

C H - C N + RMgBr C H - C - R C H - C - R + Mg +NH 6 5 6 5 6 5 2

Br

ClNMgBr O

Trong đó R - gốc béo hoặc thơm.

48

c. Phản ứng của hợp chất magiê với các hợp chất ankel, xảy ra theo cơ chế cộng hợp. So với liên kết C = O thì liên kết đôi C = C khó tham gia phản ứng cộng hợp với hợp chất phi kim hơn:

C C + RMgHal - C - O - chËm

R MgHal

Trong khi đó:

C = O + RMgHal - C - O - MgHal nhanh

RTuy nhiên sự cộng hợp vào liên kết đôi có thể thực hiện được khi liên kết đó được

hoạt hoá bằng một nhóm hút điện tử:Ví dụ:

x = C - C = O + RMgHal - C - C = C - OMgHal

OR R OR

- C - CH - C = O - C - C = C - OH

R OR R OR' '

H O3

+

' '

2.4.2. PHẢN ỨNG CÁC HỢP CHẤT CƠ KIM VỚI CÁC PHÂN TỬ CACBON ELETROPHIN. 2.5.2.1. Các hợp chất cơ Natri và cơ Liti:

Các hợp chất ankyl natri và ankyl liti có nhiều điểm giống với tính chất của các hợp chất cơ magiê nhưng có khã năng phản ứng cao hơn. Để tạo thành liên kết cacbon – cacbon, các hợp chất ankyl natri và ankyl liti được sử dụng trong nhiều phản ứng khác nhau. Ví dụ phản ứng tổng hợp Vuyếc để điều chế các hợp chất ankhan xảy ra theo sơ đồ sau:

R - Hal + 2 Na + Hal - R R - R + 2 NaHal

Trong phản ứng này các ankyl halogenua có phân tử lượng càng cao thường cho hiệu suất cao và phản ứng thường được sử dụng để điều chế các hyđrôcacbon mạch dài:

2C H Br C H20 41 40 82nhanh

§ ihy®r«phytyl Bromua Pehi®r«licopin

49

Tuy nhiên phản ứng tổng hợp này chỉ có ý nghĩa dùng để tổng hợp ankan đối xứng R – R, còn đối với các ankan bất đối R – R’sẽ tạo ra một hỗn hợp nhiều sản phẩm.

Các hợp chất ankyl cơ liti có thể tác dụng với những hợp chất có nối đôi, nối đôi liên hợp với nhân thơm và các đien:

CH CH CH CH Li + nCH = CH CH CH CH CH (CH - CH ) Li

(C H ) C = CH + C HgLi (C H ) C = CH C Hg

Li

CH = C - CH = CH + RLi RCH - C = CH = CH Li

3 2 2 2 2 2 3 2 2 2 2 2 n

6 5 2 2 4 6 5 2 2 4

2 2 2 2

CH CH3 3

Các ankan liti cộng vào butađien -1,3 ở các vị trí 1,4 và 1,2 nhưng nếu tiến hành ở nhiệt độ cao thì phản ứng cộng vào vị trí 1,4 là thuận lợi. Phản ứng được sử dụng để tổng hợp polibutanđien có cấu trúc điều hoà tập thể làm cao su giống cao su tự nhiên.

C = C + CH = C - CH = CH C = C CH CH Li

H C H H C H

R - CH CH Li R - CH CH C = C

CH H

3 3

2 2

2 2 2 2

3

CH3

Polime ho

C = C CH CH - R

H C H

R - CH CH C = C

CH H

3

2 2

2 2

2 n

Khác với hợp chất cơ magiê, cơ kẽm tham gia phản ứng với các hợp chất cacbonnyl tạo thành ancol bậc ba có độ phân nhánh cao. Ví dụ: trizôpropylcacbinol có thể được điều chế từ izôpropylxêtôn và izôpropyl liti như sau:

50

CH - C - CH + CH - Li CH - C - CH

CH CH CH CH CHCH

H C CH

CH CH CH CH CHOLiO

CH - C - CH

H C CH

H C CH

CH

OH

H C CH

HOH - LiOH

3 3 3

3 3 3

3

3

3 3

3

3

3 3

3 3

3 3

2.5.2.2. Hợp chất cơ kẽm, catmi:Tương tự như hợp chất cơ magiê, cơ kẽm tham gia phản ứng với các hợp chất

cacbonyl tạo thành các ancol khác nhau tuỳ thuộc vào tác nhân cacbonyl tham gia phản ứng: focmađêhyt ancol bậc một; anđêhyt ancol bậc hai; xêtôn, clorua axit ancol bậc ba.

Điều đáng lưu ý là phản ứng của anđêhyt hoặc xêtôn với kẽm và este của các axit - halogen thế ta được - hyđrôxiaxit (phản ứng Refocmatxki).

BrCH COOCH CH + Zn BrZn - CH COOCH CH

CH CH - CH - CH COOCH CH CH CH - CH - CH COOCH CH

CH CH - CH - CH COOH

OZnBr OH

OH

CH CH CH =O

OHOH/H+

2 2 3 2 2 3

3 2 2 2 3 3 2 2 2 3

3 2 2

3 2

HOH

Để tạo mối liên kết cacbon – cacbon có thể sue dụng phản ứng của hợp chất cơ catmi với hợp chất clorua axit:

2RCOl + R Cd 2R - C - R + CdCl

O

'2

'2

Khác với phản ứng của hợp chất cơ magiê với clorua axit là sau khi tạo ra sản phẩm xêtôn, hợp chất magiê tiếp tục tác dụng với hợp chất này tạo thành ancol bậc ba, trong khi đó hợp chất cơ catmi có tính hoạt động hoá học yếu hơn nên sản phẩm thu được chỉ dừng

51

lại ở hợp chất xêtôn. Mặt khác hợp chất cơ catmi cũng không phản ứng với nhiều nhóm chức khán nhau như – NO2 – CN - , - COOR. Vì vậy sự có mặt của các nhóm chức khác trong phân tử clorua axit sẽ không gây cản trở đến phản ứng tổng hợp xêtôn. Ví dụ:

2O N COCl + (CH ) Cd 2O N COCl + (CH ) Cd

CH OCOCH CH COCl + (CH ) CHCH CH Cd

CH OCOCH CH CO CH CH(CH )

2 3 2 2 3 2

3 2 2 3 2 2 2

2 2 2 2 3 2

2

52

CHƯƠNG 3

PHƯƠNG PHÁP ĐÓNG VÀ MỞ VÒNG

3.1. PHƯƠNG PHÁP TẠO VÒNG ANKANQúa trình thu nhận các vòng anken từ các hợp chất hyđrôcacbon mạch thẳng thường

được thực hiện qua 2 giai đoạn phản ứng:a. Chuyển hoá một hợp chất mạch hỡ thành hợp chất mạch vòng bằng phản ứng đơn

vòng.b. Chuyển hoá hợp chất vòng thu được thành hợp chất vòng cần thiết phải điều chế,

ví dụ chuyển hoá xycloancol thành xycloankan hoặc xycloanken thành xycloankan.

3.1.1. ANKYL HOÁ TRỰC TIẾP:Để chuyển hoá các hợp chất mạch hỡ thành mạch vòng bằng phương pháp ankyl hoá

trực tiếp thì các hợp chất mạch hỡ cần phải chứa 2 nhóm chức như halogen, ancol, cacboxyl... Ví dụ phản ứng để tạo các hợp chất vòng nhỏ được thực hiện bằng các sơ đồ sau đây:

(CH )

CH - X

CH - X

( CH )

CH

CH

Xóc t c2 n

2

2

2 n

2

2

Trong phản ứng này n = 1,2,3,4,5, - tức là có thể điều chế từ xyclopropan đến xyclohecxan. X và Y là các nhóm halogen, cacboxyl. Xác tác thường hay dùng là kim loại kiềm hoặc các hỗn hợp kim loại. Ví dụ xyclôpropan được điều chế từ 1,3 – đibrompropan với xúc tác natri kim loại theo phản ứng sau:

CH Br

CH Br

CH

CH2

2

2

2

CH CHNa

+ 2NaBr2 2

Về thực chất đây là phản ứng đóng vòng nội phân tử Vuyếc nếu phản ứng này được thực hiện với tác nhân tách loại là bột kẽm trong ancol thì sẽ có hiệu suất cao hơn.

Để điều chế xyclobutôn với hiệu suất cao konor đã dùng phản ứng của 1,4 – dibrombutan với hỗn hợp Liti trong dung môi không phân cực tetrarydofuran:

CH - CH Br CH - CH

CH - CH Br CH - CH + 2 Li - Hg + 2 Li - Hg

2

2 2

2 2

2 2

2

53

Bằng phương pháp tương tự cũng có thể điều chế xyclopental từ 1,5 dibrompentan với hiệu suất 75%.

H C + 2Li - Hg H C + 2LiBr + Hg

CH CH Br CH - CH

CH CH Br CH - CH

2 2

2 2 2 2

2 22 2

Tuy nhiên trường hợp các hợp chất vòng có thể điều chế bằng phương pháp Peckin với các tác nhân phản ứng là muối natri của este nalônia và dẫn xuất halogen:

CH + Na CH COOC H CH

CH Br CH - CH COOC H

CH Br CH Br

2

2

2

2 2 2 5

2

+2 5 22

2

Na CH COOC H

-NaBr

2 52 H C C (COOC H ) + NaBr + CH (COOC H )

CH

CH

2

2

2 2 5 2 2 2 5 2

+

Để điều chế các vòng 5, 6 và các hợp chất đa vòng thường sử dụng phương pháp Piria nhiệt phân muối canxi của Điaxit cacboxylic.

CH - CH - C CH - CH

O

O

Ca C = O + CaCO

CH - CH - C

O

CH - CH

2 2 2

22

3

2 2

t C0

O

2

Phản ứng loại này nếu dùng để điều chế xyclopentanon và xyclohecxanon thì có hiệu suất cao còn với các vòng có số nguyên tử cacbon lớn hơn thì có hiệu suất rất thấp. Phản ứng này cũng không sử dụng được để điều chế các hợp chất 3 hoặc 4 vòng.

Phương pháp ngưng tụ các đieste và các dẫn xuất của nó cũng thường được sử dụng để điều chế các hợp chất vòng - phản ứng Đicmon:

54

(CH ) - COOHC H C

CH - COOC H

(CH ) -- CH - COOC HC H ONa

O

2 n 2 5

2 5 2 n 2 5

2 2 5

Trong điều kiện tương tự như vậy sẽ xảy ra phản ứng ngưng tụ của hợp chất nitrin:

(CH ) (CH ) C = NH (CH ) C = O

CH CN CH CH

CH CN CH - CN CH - CN

2 n 2 n 2 n

2

2 2 2

HOH

Phản ứng ngưng tụ este liên phân tử cũng có thể sử dụng để điều chế hợp chất vòng. Ví dụ phản ứng của đietylôxalat với este glutariat hoặc đồng đẵng axêtôn của nó sẽ tạo ra các vòng xêtôn 5 cạnh:

O OC H CH - COOC H

C

C

O OC H

+ CH

CH - COOC H

O = C - CH - COOC H

CH

O = C - CH - COOC H

C H ONa2 5

2 5 2 5

2

2 5 2 2 5

2 5

2

2 5

O OC H CH R

C

C

O OC H

+ C = O

CH R

O = C - CHR

C - O

O = C - CHR

C H ONa2 5

2 5

2 5 2

2

Sự ngưng tụ của 2 phân tử este xuxinat sẽ tạo thành hợp chất vòng 6 cạnh:

55

C

O OC H H C O - C

O

CH C

CH + CH

H C

C

O

OC H C

O OC H O C

O

CH - C

OC H

O

CH H C

C - CH

O OC H

C H ONa2 5

2 5 5 2

2

2 5

2 2

22

2 5

2

2 5

2 5

Phương pháp ankyl hoá trực tiếp cũng có thể thực hiện bằng phản ứng đóng vòng các hợp chất hyđrôcacbon có 5 nguyên tử cacbon với xúc tác Platin ở nhiệt độ 3000C.

CH - C - CH - CH - CH H C - C - CHCH - CH + H

CH - CH

CH

CH

CH CH

3

3

3 3

3

2

2 2

2

3 2

2 3P(300 C)

0

Đối với các khung hyđrô cacbon có lớn hơn 5 nguyên tử cacbon thì bước đầu sẽ tạo thành vòng 6 cạnh nhưng tiếp sau đó có thể bị đêhyđrô hoá thành vòng benzen nếu như vòng không có một nguyên tử cacbon bậc 40.

CH - CH - CH - CH - CH - CH

H C CH

CH

H C CH

CH

+ 3H3 2 2 2 3

2 2

22

2

2

3

Sự có mặt của nguyên tử cacbon bậc bốn sẽ cản trở quá trình thơm hoá :

CH - C - CH - CH - CH H C + H

CH CH

CH CH H C CH - CH

C CH

H C CH2

CH

3 33

2

23

2 3

2

33

3 2 2Pt

56

Phản ứng ankyl hoá để thu nhận hợp chất vòng có quan sát thấy ở sự chuyển hoá lẫn nhau của các hợp chất vòng. Phản ứng mở rộng vòng được thực hiện bằng sự tấn công của một nguyên tử cacbon ở mạch nhánh của vòng vào khung cacbon của vòng (sự chuyển vị):

Ví dụ:

H CH - CH OH H C - CH

H C - CH + H O

CH2

2

2

22H SO2 4

H C - CH H C CH + H O

H C - CH - CH OHH SO2 4

H CCH

2 2 2 2 2

222

2

Phản ứng cũng có thể xảy ra theo hướng ngược lại kèm theo sự hẹp vòng:

CH - CH OH OH

H+

2

Cơ chế chuyển hoá của quá trình chuyển vị trên đây xảy ra theo sơ đồ sau:Sự mở vòng:

(CH ) - C - C (CH ) - C - C (CH ) - C - C

OH O

H

R RO

H + H

C R

O

CH R CH R CH R

+ H

2

2 n 2 n 2 n

++

22

H SO-HOH

2

Sự hẹp vòng:

OHCHOH

CH

3

3 3

3

CHOHCH

++H

-HOH

+

- CH

C = O

CH3

3

Các phản ứng ankyl hoá không những chỉ dùng để điều chế các hợp chất đơn vòng mà các hợp chất đa vòng khác nhau. Ví dụ sự tạo thành các hợp chất hai vòng có thể được thực hiện theo các phản ứng sau:

a. Tổng hợp vuyếc:

57

2 - CH Cl + 2 Na - CH - CH2 2 2

b. Tổng hợp bằng sự hỗ trợ giống của tác nhân cơ magiê:

-Br + Mg MgBr

-

= O + - MgBr

OH

c.Ngưng tụ các vòng anđêhyt hoặc xêtôn với nhau:

= O + - MgBr

O Od.Khử hoá các vòng xêtôn:

= O2Mg - Hg

OH OHe. Phản ứng tạo thành các hợp chất spiran:

CH CH COOC H

CH COOC H

COOC H

O

NaOH2 2 2 5

2 2 5

2 5

OH OHO

O

OH

OH

3.2. PHẢN ỨNG CỘNG HỢP:

58

3.2.1. PHẢN ỨNG CỘNG HỢP ĐINXƠ – ANĐƠCác hợp chất cacbonyl không no tham gia một phản ứng rất quan trọng với các đien liên hợp được gọi là phản ứng Đinxơ – Anđơ. Sản phẩm của phản ứng này là một vòng 6 cạnh được hình thành do kết quả các mối liên kết giữa nguyên tử cacbon của nối đôi trong hợp chất cacbonyl không no. Duwowis đây là một số ví dụ về phản ứng cộng hợp Đinxơ – Anđơ:

CH C

CH C

CH

CH

H

H

C

C

O

O

O

+ O

O

O

20 C benzer0

Buta®ien -1,3

Anhy®rit maleic

An®ehyt cis -1,2,3,6 -tetrahy®r«phatalic

2

2

59

CH HC

CH HC

CH

CH H

H

C = O

+

2

2

CHO100 C0

Buta®ien -1,3 Arc«lªin

An®ªhyt cis -1,2,3,6 -tetrahy®r«benzan®ªhyt

Buta®ien -1,3 2

2

CH

CH

CH

CH + 20 C beyzen

0 But ®iªn -1,3, 100 C0

O

O

O

O

5,8,9,10 -Tetrahy®r« - 1,4 -napht«quinon

p - Benzoquinon

O

O

+

C

C

C

C

O

H

H

O

O

Benzen t C0

C

C - O

= O

OXyclohecxa®ien -1,3

Thực nghiệm đã chứng minh rằng phản ứng cộng hợp xảy ra dễ dàng nếu Anken (thường gọi là phần đienophin) được thế bởi một hoặc nhiều nhóm kéo electron mạnh, thí

dụ như –COOH,

- C - R, - C N...

O

60

Trong bảng sau đây là một số đienophin có khã năng phản ứng cao.

MỘT SỐ CHẤT ĐIENÔPHIN HOẠT ĐỘNGTÊN CÔNG THỨCTêtraxianêtylenCrôlonanđêhytAxitxinamic (els và trans)

Anhiđrit malêic

Dimêtyl malêic

1- NitrôpropenAcrilônitrinAcrôlêinÊtyl acrital

61

N –phênylmalêimit

Đimêtyl fumaral

-Nitrositren

Một trong những ưu điểm của phương pháp Đinxơ – Anđơ là nó xảy ra rất đặc thù về mặt lập thể.

Đien phản ứng ở cấu dạng s-eis của các nối đôi của nó, bởi vì nối đôi ở sản phẩm (một vòng sâu) phải có cấu hình cis.

C C

C C

CH H CH H

CH H CH H

2

2

2

2

CH

CH

CH = CH2 2

CH

C

CCH

H

H

2

2

2

2CH

CH

C C

H

CH

2

2

2

H CH2

Một điểm đáng chú ý nữa là cấu hình của đien và của chất đienôphin vẫn giữ nguyên ở sản phẩm. Điều ddod có nghĩa là hai chất này đã cộng hợp cis với nhau. Chẳng hạn butađien phản ứng với đimêtyleste của axit fumaric hoặc axit malêic trong tôluen và ở nhiệt độ 1550C để cho đimêtyleste của các axit trans - hoặc cis – xyclôhexen - 1 –đicacbôxylic -4,5.

62

CH OOC

H - COOCH H

COOCH

CH OOCH H

COOCH

HCOOCH

3

3

3

33

3

§ imªtyleste cña axit trans -xicl«hexen -1-®icacb«xylic -4,5

CH OOC

H - COOCH H

COOCHCH OOC

H H

COOCH

H COOCH

3

3

33

3

3

§ imªtyleste cña axit trans -xicl«hexen -1-®icacb«xylic -1,5

COOCH3H

Ở các thí dụ này ta thấy cấu hình của chất đienôphin được giữ nguyên .Ta cũng cần kể đến một đặc điểm nữa của phản ứng Đixơ – Anđơ là trong nhiều

trường hợp các chất phản ứng bị định hướng về mặt hoà lập thể. Thí dụ phản ứng cộng anhiđrit vào xyclôpentađien có thể đi theo hai con đường dẫn tới hai sản phẩm khác nhau.

O

O

O

O

OO

O

O

O

S¶n phÈm cña en®«

63

O

O

O

O

O O

O

O

S¶n phÈm cña ex«Trong thực tế thường hình thành đồng phân enđô là sản phẩm chủ yếu duy nhất.Phản ứng Đixơ – Anđơ có lẽ xãy ra theo một cơ chế nhiều trung tâm, trong đó hai liên

kết mới giữa đien và chất đienôphin hình thành đồng thời (Hoặc hầu như đồng thời). Một tiến trình phản ứng đồng thời như vật có những yêu cầu rất cao về mặt lập thể, các đối tượng phản ứng phải được sắp xếp sao cho hai liên kết có thể hình thành cùng một lúc, phù hợp với điều này các phản ứng Đixơ – Anđơ thường có entropi hoạt hoà âm mạnh (từ -20 đến -25 cal/độ. Mol).

Sản phẩm phản ứng của các tổng hợp đien thường là các chất trung gian cho nhiều tổng hợp hữu cơ. Bixiclô -[2,2,1] –heptađien –(2.5) (I) được tổng hợp từ xyclôpentađien và axêtien với hiệu suất khoảng 65%. Chất này phản ứng với hecxaclozxiclôpentađien một cách hầu như toàn lượng trong một tổng hợp đien thứ hai để thành chất anđrin II là một loại thuốc trừ sâu có hiệu lực:

H C

CH

+

( I )

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

Cl

HH

ClCl

Cl

Cl

Cl Cl

98

6

5

4

312

2

1

10

11

( I ) ( II )Trong số các sản phẩm cộng hợp Đixơ – Anđơ của hecxaclopentađien còn có nhiều

loại thuốc trừ sâu khác và một số pôlime chịu nhiệt.

Các phản ứng Đixơ – Anđơ là thuận nghịch. Ta có thể sử dụng tính chất đó của phản ứng vào trong tổng hợp và sau khi thực hiện các biến đổi ở các sản phẩm cộng hợp Đixơ – Anđơ ta lại có thể tách chúng ra thành các hợp phần. Chẳng hạn chất tiôanhiđrit của axit

64

malêic cộng hợp với butalien, sau đó sản phẩm được chuyển thành dẫn xuất ion III rồi tách ra thành các hợp phần.

+ O O O + O

O O O O

Na Sx2HCl

( I )

O O O O

( II ) ( III ) ( IV )Mặc dầu nói chung các đien liên hợp tác dụng với các chất đienôphin ở vị trí 1,1 để

cho các hợp chất vòng sáu, người ta cũng biết có một số phản ứng cộng 1,2 cho các hợp chất vòng 4. Rất có thể bản chất của chất đienôphin là yếu tố quết định việc cộng hợp theo 1,4 hoặc 1,2. Chẳng hạn mặc dầu êtylen cộng hợp 1,4 với butadien, têtrafloêtylên lại cộng hợp ở 1,2:

CH = CH - CH = CH CH = CH

+ 100 C CH - CH

F C = CF F C CF

2 2 2

2 2

2

2 2

0

Trong khi đó têtraflôêtylen cộng vào xyclôpentađien cho một hỗn hợp các sản phẩm cộng hợp đóng vòng 1,2 và 1,4.

+ F C = CF 2 2190 C

0

+

F

F

2

2

3.2.2. PHẢN ỨNG CỘNG HỢP CỦA CACBEN VÀ NITREN VÀO ANKENLà những hợp chất hoá học hoạt động rất mạnh và trong các phản ứng với các hợp

chất anken chúng sử dụng nhóm mêtylen: CH2 để tạo thành các hợp chất vòng. Mêtylen và dẫn xuất mêtylen tham gia phản ứng cộng hợp vào nối đôi (- C = C -) theo sơ đồ sau:

65

C = C + : CH C C

C = C + : CH C C Cl

CH

l C

CCl2

2

2

2

2

Cl

Cl

2

+ : CCl CCl2 2

Loại phản ứng này cũng đã được Điakônôp sử dụng để điều chỉnh một số dẫn xuất của axit cacbôxylic:

C

H COOC H

C H - C = C - C H

2 5

3 7 3 7

+ N = N = C

H

COOC H

H C - C - C - C H

C

C

COOC H H

H COOC H2 5

3 7

2 5

2 5

7 3

+

Phản ứng cũng có thể dùng để tổng hợp xyclôbutan từ Anken:

CH = C = O H O C = O

CH = N = N

+ CH + N

H C - C = O2

CH + CH = N = N

H C C = O

H C CH

+ N

2

2

22

2

2 2

2

2 2

2

Mêtylen và dẫn xuất của nó có thể tham gia phản ứng cộng hợp vào hệ nối đôi của bên:

66

+ :CH CH

noc - caradien xycloheptatrien

Tương tự như vậy clocacben tác dụng với benzen tạo thành ion tripili theo sơ đồ sau:

+ :CH CH

noc - caradien xycloheptatrien

+ Cl -

Cl

Cl

Các hợp chất cacben và điazômêtan cũng có thể tham gia phản ứng cộng hợp vào nối ba (Chỉ có phản ứng với dẫn xuất của axetylen, nhưng không phản ứng với axêtylen) tạo thành vòng không no.Ví dụ:

CH - C C + CH + : CH CH C = C - CH

CH

CH - C = C - CH + : CH

C H

Br

CH C = C - C H

CH

3 3 2 3

2

3

3 3 2 3

2

6 5

6 5

C H + C H

C H

Br-

6 5

6 5

6 5

Mêtylen cũng có thể cộng hợp vào các hợp chất vòng ete và mở rộng vòng hơn:

+ : CH

O - CH

2

2O

O

3.3. PHƯƠNG PHÁP TẠO VÒNG THƠM VÀ DỊ VÒNG

3.3.1. TỔNG HỢP BENZEN VÀ DẪN XUẤT CỦA BENZENBenzen có thể được tổng hợp bằng phản ứng trime hoà hợp chất axêtylen:

67

HC CH

+HC CH

HC

HCPhản ứng này đã được nhiều nhà hoá học nghiên cứu với các xúc tác và điều kiện phản

ứng khác nhau.Để thu được benzen Zelinxki đã tiến hành phản ứng trên than hoạt tính ở nhiệt độ 450

– 5000C. Trong khi đó Repe đã sử dụng xúc tác là đicabony – đitriphenylphotphin Niken [ (C6H5)3P2 Ni (Co)2 và đã thu được dẫn xuất thế 1, 3, 4 của Benzen. Bằng việc sử dụng xúc tác là [ Al(C2H5)3 + TiCl4 Xigler đã thu nhận được các dẫn xuất thế 1, 3, 5 của benzen. Với xúc tác là CrCl3 Xeis đã điều chế được hợp chất hecxaphênylbenzen từ điphênylxêtylen:

C

+

C

C - C H

CC H

C H

C - C H

C

C H

C H

C H

C H

C HC H

H C

H C

6 5

6 5

6 5

6 5

6 56 5

5 6

5 6

6 5

6 5

6 5

6 5

b. Hợp chất axêtôn dưới tác dụng của axit sunfuric đạm đặc sẽ tạo thành 1, 3, 5 – trimêtylbenzen (mêzitilen).CH

C

O CH

CH

C

H C O

+ + 3H O

C - CH

O

CH

H C CH

CH

3

3

3

3

3 3 3

3

2

3

Phản ứng cũng xãy ra tương tự đối với các xêtôn loại R-CO-CH3.Ví dụ từ axêtôphenon C6H5COCH3 có thể điều chế 1, 3, 5 –triphênylbenzen.

68

Loại phản ứng này cũng có thể sử dụng để điều chế các dẫn xuất bên từ các hợp chất anđêhyt có nhóm mêtyl linh động:

CHO CH

CH+ CHO

HOOC

CH

COOH COOH

OHC COOH

COOH COOH2

2

2

c. Một trong những phản ứng được sử dụng rộng rãi để điều chế benzen là phản ứng thơm hoá các hợp chất parafin bằng xúc tác platin ở nhiệt độ ~3000C:

CH - CH - CH - CH - CH - CH + 4HPt3 2 2 2 2 3 2

2322223Pt

CH - CH - CH - CH - CH - CH - CH + 4H3

CH3

Phản ứng này có thể thực hiện bằng xúc tác [ Al2O3 + Cr2O3 ] ở nhiệt độ trên 4000C.d. Các hợp chất benzen cũng có thể được điều chế bằng phản ứng đehyđrô hoá

xyclôhecxan và xyclohecxađien với xúc tác platin ở nhiệt độ cao.

+ 23

3

Pt

Pt

Pt +

3.3.1.2. Tổng hợp các dị vòng 5 cạnh:a. Phương pháp quan trọng và chung nhất dùng để tổng hợp các hợp chất dị vòng thơm, 5 cạnh được bắt đầu bằng 1,4 - dicacbonyl.

69

R C C R R C C R

CH - CH

O O

HC - CH

OHOH

HC - CH

C C

S R R

HC - CH

C C R R

NH

NH

R RC C

HC - CH

O

P O2 5

2 2P O2 5

P S2

3

5

Các hợp chất dị vòng 5 cạnh có thể được thu nhận bằng phản ứng nhiệt phân (đêcacbonxyl hoá) axit muxic như sau:

3

HO - CH - CH - OH

HO - CH CH - OH

O = C C = O

OH OH

NH

+ 2CO + 3 H O

+ 2 CO + 4 H O

t C

NH , t C

0

0

2 2

2 2

O

Phản ứng này không sử dụng để điều chế tiôphen được nhưng tiôphen có thể được điều chế bằng phản ứng của axit với P2S3

CH - CH

OHOOC COOH

NH ,t C30

2 2

c. Để chuyển hoá lẫn nhau giữa các dị vòng thơm và không thơm 5 cạnh lurep đã sử dụng xúc tác Al2O3 ở 4000C cho các phản ứng xảy ra theo sơ đồ sau:

70

HÖ th¬m HÖ kh«ng th¬m

O

S NHH S

HOH HOHH S NH

2

NH3

2

3

O

S NHH S

HOH HOHH S NH

2

NH3

2

3

d. Phản ứng cộng hợp 1, 3 vào hệ nối đôi và nối ba của tác nhân loại điazo, axit nitơ, axit, oxit nitril, hợp chất nitron... đã cho phép thu nhận một số lượng rất lớn các hợp chất dị vòng 5 cạnh khác nhau dưới đây là một số ví dụ:

71

1. R - C C - R R - C = C - R R - C - C - R

N = N - CH : N CH : N C. . . .

N NH. .

. . NHN

. . . .

N = N - N - R : N N - R

2. R - CH CH - R R - CH = CH - R R - C - CH - R

- +

- +

22

2 2 2

+ -

3. R - C C - R R - C = N - R

N = N - CH : N CH : N CH

. . . .N. .

. .

. .N

4. R - C N R - C = N

N = N - N - R : N N - R . .

5. H - C = N - OH R - C = N - O R - C = N - O

Cl

+ + - + -

¤xit nitril

R - C = N - O R - C O

H - C C - R H - C = C - R

N

. .+ -

+ . .

N

H - C C - R H C - CH - R

R - C = N - O R - CH O

nitrol

-+-+6. H - C = N - OH R - CH = N - O R - CH = N - O

R

2''

R R

-

' '

RI,HO'-

. .

72

e. Các hợp chất dị vòng 5 cạnh cũng có thể được điều chế bằng phản ứng của Shulte như sau:

H O,C H O HC C - C HC

NH ,CuCl

150 CS NH

-2 2 5 3

0

e. Ngoài các phương pháp chung để điều chế các hợp chất dị vòng 5 cạnh trên đây, người ta còn sử dụng những phương pháp để tổng hợp các hợp chất riêng biệt.

Ví dụ:1. Phản ứng điều chế furan và dẫn xuất furan:

HO - CH - CH - OH

CH CH - CHO

OH OH

CHO

O

-3H O22

HO - CH - CH - CH - CH - OH

O2 2 2 2

1. Phản ứng điều chế tiôphen:

Ar OC H Ar COOC H Ar COOC H

CHCl C = O

C = O CH

Ar C N

+ = NHOAr Ar O

NHNa

+

2 5

-

2 5 2 5

2

2. Phản ứng điều chế diophen:

73

CH CH CH CH + 4S + 3 H S

S700 C0 23 2 2 3

CH CH

CH CH +

Al O

400 - 500C2 3

0 + H2

H S2

2C H - CH = CH - C H + S ®un nãng

S

S

S

H C C H

C HH C

5 6 6 5

6 5

5 6

6 5 6 5

R - CH - CH - C = CH_

C

R O'

R

R

CH3'2

3. Phản ứng điều chế pirol:

R

R

' +

CH

NOH

''R - CH O = C - R

C

R O'

2

R

NH

''

4. Phản ứng điều chế indol:

74

CH = CH - Cl

NH

+ C H ONa

NH

+ NaCl + C H OH

2

2 5 2 5

NH

+ CH

CH- H

NH2

2

2

N - N

CH

CH - CH

H H

CH - CH

CH

N - N

3 3

H

C - CH

CHCH

3

2

2

NH

CH

NH

- NH3

3

3.3.2. TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT DỊ VÒNG 6 CẠNH:a. Tổng hợp piriđin:

Piriđin có thể thu nhận bằng phản ứng của axetylen với axianhyđric (phản ứng Betlo):

CH

CH

N

+

CH

CHN

CH

b. Các dẫn xuất của Piriđin có thể điều chế bằng phản ứng của anđehyt R’CH2CHO với amôniac khi có một xúc tác Al2O3 ở 4000C như sau:

75

R - CH H C - R

CH CH

O ONH

H O - R

+ 3H O + H

CH R

R R

CH - R

CH

O

O

CH

R - CH CH

R

R - CH CH

CH

O . NH

O

+

RR

RCHN

N

+ H O + H

2

2

2

2

2

2 2

22

3

2 2

2

3

3

+

Dẫn xuất Piridin cũng có thể được điều chế bằng phản ứng của các đien với ankylinitril:

2

2 RN

CH

CH

CH

CH+ C - R

N

3.4. PHẢN ỨNG MỞ VÒNG:Phản ứng mở vòng của các hợp chất vòng xảy ra dưới tác dụng của các tác nhân khác

nhau theo những cơ chế khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc của vòng. Dưới đây là một số phản ứng mở vòng cơ bản thường gặp.

3.4.1. MỞ VÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HOÁDo quá trình tạo thành hợp chất vòng, các nguyên tử cacbon đã bị biến dạng khỏi

trạng thái lai tạo tương ứng cảu mình nên trong các hợp chất vòng tồn tại một sức căng (Sức căng Baye, sức căng Fitze...). Điều này đã dẫn đến các hợp chất vòng tham gia một số phản ứng khử hoá tương tự như các hợp chất hyđrôcacbon không no.

Ví dụ: Xyclôpropan tham gia phản ứng hđrô hoá với sự phá vỡ vòng liên kết cacbon – cacbon ở nhiệt độ 800C.

76

CH2

H C CH CH - CH - CH

2 2

3 2 3H /Ni2

Trong khi đó phản ứng với xiclôbutan xảy ra ở 1200C.H C - CH

H C - CH

CH - CH - CH3 2 3H /Ni2 - CH2

2 2

2 2

Phản ứng cũng xảy ra tương tự đối với các dẫn xuất của Xyclôpropan và xiclôbutan nhữnh tuỳ thuộc vào sự có mặt của các nhóm chức khác nhau sẽ thu được các sản phẩm khác nhau. Ví dụ phản ứng hyđrô hoá izôpropyl - xiclôpropan và izôpropenyl – xiclôpropan sẽ tạo thành các sản phẩm khác nhau như sau:

H C

H C

CH

2

2

CH - CH - CH CH - CH

CH CH

CH CH

3 3

33

3

3H2

H C

H C

CH

2

2

CH - CH - CH CH - CH - CH - CH

CH

CH

3

3

3H2

2 2

3.4.2. PHẢN ỨNG CỘNG HỢP THEO CƠ CHẾ ELECTROPHIN:Các hợp chất vòng có thể tham gia các phản ứng cộng hợp với các tác nhân

electrophin với sự phá vòng. Phản ứng thường xảy ra dưới tác dụng của các hyđrôhalogenua.

Ví dụ: phản ứng của xiclôpropan và xiclôbutan với HBr xảy ra như sau:H C CH

(CH )

2

2 n

CH - (CH ) - CH Br3 2 2

2 HBrn

Phản ứng cũng xảy ra tương tự khi sử dụng tác nhân electrophin là H2SO4 hoặc Brôm.H C CH

(CH )

2

2 n

CH - (CH ) - CH OSO H3 2 2

2

n 3

Br CH - (CH ) - CH Br2 2 2 n 2

H SO

Br

2 4

2

Kết quả nghiên cứu các phản ứng mở vòng cho thấy rằng sự có mặt của các nhóm thế ái điện tử của vòng như – COOH, - CHO... sẽ làm cho phản ứng phá vòng xảy ra khó

77

khăn. Ví dụ các dẫn xuất ankyl hoá của xiclôpropan rất dễ dàng phản ứng với axetat thuỷ ngân:

R - CH - CH - R + Hg(OCOCH ) R - CH CH - HgOCOCH

CH CH

CH O CO R

2

3 2

2

3

2

Đặc biệt các phản ứng của hệ liên hợp vòng với nối đôi thường xảy ra theo quy tắc phản Macopnhicop:

H C - CH - C - C H + HBr CH - CH - CH - C - C H

CH

2

6 52 6 5 2 2 2

O Br O3.4.3. PHẢN ỨNG CỘNG HỢP THEO CƠ CHẾ NUCLEÔPHIN:

Phản ứng cộng hợp dẫn đến pá vỡ vòng theo cơ chế nuclêonphin xãy ra chủ yếu ở các vòng xêtôn, lactôn... Ví dụ phản ứng cộng hợp của xianat Kali vào vòng lactôn xảy ra theo sơ đồ sau:H C - CH CH - CH - CN

H C - C CH - C - OK

O + KCN

O O

2

2

2 2 2

2

Đây là phản ứng rất quan trọng dùng để điều chế axit cacboxylic. Phản ứng Buton với tác nhân Grinha tạo thành các hợp chất xêtôancol:H C - CH H C - CH

H C - C = O H C - C

O + RMgCl 2

2

2 2 2

2

O

R

MgCl

R - C - CH - CH - CH OH + MgOH

ClO

2 2 2

O

HOH

3.4.4. PHẢN ỨNG MỞ VÒNG BẰNG MỘT SỐ TÁC NHÂN KHÁC:

Các hợp chất vòng không no hoặc xêtôn có thể tham gia phản ứng oxy hoá dẫn đến sự phá vòng. Ví dụ hợp chất xiclohexen bị phá vỡ bởi phản ứng oxy hoá bằng ôzôn theo sơ đồ sau:

78

OO HOHZn

O = CH - (CH ) - CHO23

4

O - OPhản ứng ôxy hoá cũng xảy ra tương tự đối với hợp chất Xibêtôn như sau:

HC

HC

(CH )2

(CH )

C = O HOOC - (CH ) - COOH + HOOC - (CH ) - COOH

2 7

2 7 2 6

7

Một số loại hợp chất vòng có thể bị phá vỡ bởi phản ứng thuỷ phân. Ví dụ hợp chất caprolactam bị thuỷ phân thành axit aminocaprôic như sau:

H C CH

H C C = O 2

CH

H C - NH

2

22

2

2

H O,H2 CH - (CH ) - COO

NH

4

+

+

-

Phản ứng thuỷ phân dẫn đến sự phá vòng của các hợp chất xêtôn cũng có thể xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng.

CH

O

3

CH - (CH ) - COOH2 55

Hv,H O2

79

CHƯƠNG 4BẢO VỆ NHÓM CHỨC TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ

CHIẾN LƯỢC CHUNG:Trong tổng hợp hữu cơ nhiều trường hợp người ta phải tiến hành bảo vệ một số

nhóm chức mà những nhóm đó nếu ở trạng thái tự do thì nó có thể tham gia vào một số phản ứng hoá học theo những hướng không cần thiết. Phương pháp này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất hoá chất nhằm tạo ra nhiều loại sản phẩm cần thiết với chất lượng tốt.

Trong lịch sử phát triển của nghành hoá học hữu cơ trước đây, người ta đã sử dụng khá nhiều phương pháp bảo vệ nhóm chức khác nhau. Đặc biệt là trong những năm gần đây, khi mà các phản ứng tổng hợp hữu cơ được thực hiện với các hợp chất có nhiều nhóm chức khác nhau thì phương pháp bảo vệ các nhóm chức lại cũng được phát triển hết sức nhanh chóng. Một trong những thành công lớn nhất của việc sử dụng phương pháp này là sự bảo vệ các nhóm chức trong các phản ứng tổng hợp các chất Peptít (ví dụ việc tổng hợp các protit như Inxulin, Ribonuclêazas). Vì vậy việc nghiên cứu một cách có hệ thống các phương pháp bảo vệ các nhóm chức trở nên hết sức quan trọng và cần thiết cho ngành hoá học nói chung và ngành hoá học hữu cơ nói riêng.

BẢO VỆ CÁC LIÊN KẾT C – H:BẢO VỆ LIÊN KẾT C – H AXÊTILEN:

Liên kết C – H trong các hợp chất axêtilen loại RC CH thường cần được bảo vệ trong các phản ứng điều chế các hợp chất cơ kim loại vì nguyên tử Hyđro ở đây rất linh động - có tính axit.

Ví dụ:

C H L + RC CH RC CLi + C H

C H MgBr + RC CH RC C - MgBr + C H

6 5 i 6 6

2 5 2 6

Vì vậy, khi ta muốn thu nhận một hoá chất Grinha n – LiC6H4C MgBr (Ví dụ từ n – Bromphênylaxêtilen) (1) và magiê) mà nếu ta không tiến hành bảo vệ liên kết C – H bằng một tác nhân Grinha và sau đó cho tác dụng với hợp chất cơ Liti thì sẽ thu được hợp chất cần thiết (hướng b).

80

n - BrC H C CH n - BrMgC H C CH n - C H C CMgBr

(1)

n - BrC H C CMgBr

n - BrC H C CMgBr (b)

6 4 6 4 6 5

6 4

6 4

LiC H6 5

Mg

Trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp thường hay sử dụng nhóm Triankylsilyl làm nhóm bảo vệ cho liên kết C – H. Ví dụ có thể đưa nhóm Trimêtylsililclorua vào phần tử hợp chất Broma (2) sau đó cho tác dụng với hợp chất Grinha và cuối cùng tái tạo lại liên kết C – H bằng phản ứng thuỷ phân trong môi trường kiềm.

n - BrC H C CMgBr n - BrMgC H C CSiMe 6 4 6 4

Mg, THF

3

3

CO , H O

4646n - R MC H C CSiMe n - BrMgC H C CSiMe

Me SiCl3

R MH L

2 3

+

n - R MC H C CH n - HOOC C H C CSiMe63 4 6 4 3

HO, H O+

3-

n - HOOC C H C CH6 4

(2)

HO

Ngoài ra, người ta cũng thường hay chọn các nhóm như cacboxyl, -OH... để bảo vệ liên kết C – H các axêtilen.

Ví dụ:RC CH + BrC CCOOH R(C C) COOH R(C C) H

R (C C) COOH R (C C) H

2 2

3 3

Hoặc là;

RC CH + BrC CCH OH R(C C) CH OH R(C C) H

R (C C) CHO R (C C) H

2 22 2

2 2

BẢO VỆ LIÊN KẾT C – H CỦA HỢP CHẤT THƠMPhản ứng thế electrophin là một trong những phản ứng rất cơ bản dùng để tổng

hợp các dẫn xuất của các hợp chất thơm khác nhau. Phản ứng thế xảy ra theo hướng

81

ưu tiên vào những vị trí giàu điện tử của vòng thơm. Vì vậy, để hướng phản ứng vào những vị trí cần thiết ...(ví dụ vị trí có mật độ điện tử thấp) thì cần phải bảo vệ nguyên tử hyđrô của vị trí có mật độ điện tử cao.

Ví dụ phản ứng brôm hoá chất tecbutylbenzen sẽ cho sản phẩm chủ yếu là p – bromtecbutylbenzen. Vì vậy để thu nhận sản phẩm thế octo thì cần phải bảo vệ liên kết C – H của vị trí Para như sau:

HNO Br /H SO Fe/HCl

C H - tec C H - tec C H - tec

H SO AgSO

NO NO

4 9 4 9 4 9

3

2 4 4

22 4

22

Br

HNOH PO

C H - tec C H - tecBr

4 9 4 9

3 2

2

Br

NH2

a, Để định hướng octô và Para thường người ta sử dụng các nhóm bảo vệ như: cacboxyl, Nitrô, Sunfô.Ví dụ để thu nhận hợp chất 2,6 –diclophenol người ta thực hiện như sau:

OHOH OHOH

COOH COOH

xtt C

ClClClCl 0

Các phản ứng cũng tiến hành tương tự như vậy khi sử dụng nhóm bảo vệ là sunfô:

OH OH OHY

OHY

XX

SO H SO H3 3

X

X = CH3 X = CH3 X = ClY = NO2 Y = Br Y = NO2

b, Để định hướng mêta thường người ta sử dụng các nhóm bảo vệ như: aminô, halogen, tiôête... Ví dụ để điều chế các đồng phân mêtacủa các hợp chất ankylbenzen có thể tiến hành như sau:

82

XX

R R R R

NH NH2 2

R = CH3, Izô C3H7 R = C6H3, C2HG5, Izô –C3H7, tec –C4H9

X = NO2 X = BrĐặc biệt việc sử dụng nhóm bảo vệ là halogen có rất nhiều thuận lợi vì sau khi

phản ứng kết thúc, chúng ta dễ dàng bị khử đi bằng những tác nhân chọn lọc thích hợp.

Ví dụ:

xtt C 0

I ICH CN

OCH C HOCHH COOCH

OCH C HHCOOCH

OCH C HHCO

CH CN

OCHOCH C H

H CO

3 3 3 3 3 3

2

2 6 5 2 6 5 2 6 5

2

32 6 5

3

LiAlH4

BẢO VỆ LIÊN KẾT C – H HỢP CHẤT BÉO:Mục đích chính của các phương pháp này là nhằm bảo vệ các liên kết C – H của

nguyên tử Hyđrô nằm ở vị trí so với nhóm cacbonyl. Để đạt được điều này người ta đã sử dụng các phương pháp bảo vệ trực tiếp và không trực tiếp.a, Phương pháp bảo vệ trực tiếp: CH2 > C = CH C6H5

Ví dụ: Qúa trình bảo vệ nguyên tử để mêtyl hoá hợp chất decalon -1 ở cacbon C3

như sau:

83

O O OCHC H CHC HMetyl ho

Cl

CHO

CHClC H

ClC H ONa

CHO

OC H

C H

OCH

OCH

H O COC H HOH

9

2 6 5 6 5CH3

3 3

2

6 5

2 56 5

2 5

3

+3

6 5

- 3

Bảo vệ bằng phương pháp trực tuyến cũng có thể thực hiện qua phản ứng chuyển hoá thành hợp chất anđêhyt:

> CH2 > CH – CHO

CHO CHOO O O O

RR

b, Phương pháp bảo vệ không trực tiếpĐây là phương pháp bảo vệ các nhóm mêtylen hoạt động bằng cách khử các

nhóm cacbonyl bên cạnh và sau khi phản ứng kết thúc thì khôi phục lại nhóm cacbonyl bằng phản ứng oxi hoá.

Ví dụ: Phản ứng mêty hoá ở cacbon C2 của vòng A tetrahyđromđanon như sau:

O OH

Metyl ho

OHCH3

O

OCH3

CHO

OA

CH

B NaBH4

3CH

O

3

3

BẢO VỆ NHÓM AMINÔ:BẢO VỆ CÁC NHÓM AMIN BẬC MỘT VÀ BẬC HAI:

84

Các amin bậc 10 và bậc 20 là những hợp chất rất dễ tham gia các phản ứng oxy hoá và phản ứng thế. Vì vậy để bảo vệ các nhóm này thường người ta thực hiện bằng cách bảo vệ các liên kết N – H của các amin. Dưới đây là một số phương pháp bảo vệ cơ bản:

Phương pháp Protôn hoá:Đây là phương pháp bảo vệ các nhóm aminô đơn giản nhất. Phản ứng xảy ra

trong môi trường axit và khi đó nhóm nhóm amin chuyển hoá thành Protôn và ngăn cấm các phản ứng thế không cần thiết

NH NH hoÆc NH NHH H

2

+ ++

3+

Tuy nhiên, phản ứng này không ngăn cản được các phản ứng oxy hoá.Phương pháp selat hoá

Đây là phương pháp bảo vệ các nhóm chức aminô rất có hiệu quả bằng sự tham gia của cặp electron tự do của nguyên tử Nitơ để tạo thành một nội phức (selat) với các kim laọi chuyển tiếp. Ví dụ có thể tiến hành phản ứng Benzol hoá nhóm Hyđrôxi của hợp chất tirozin sau khi đã bảo vệ nhóm aminô bằng phức với đồng:

CH - CH - C

HO

H N HO

O

HO

O

2

2

CH - CH - C2

2 H N O

Cu

O

CH - CH - C2

2 H N O

Cu

C H COO6 2

Phức chất được tạo thành sau phản ứng có thể thuỷ phân bằng H2S để tái tạo lại hợp chất aminô axit ban đầu.4.3.1.3. Phương pháp axyl hoá

Đây là phương pháp nhằm bảo vệ dựa vào khã năng dễ tạo thành các hợp chất axyl của các nhóm amio. Thông thường trong phương pháp này hay sử dụng các nhóm bảo vệ như focmyl axêtyl và benzoyl.

Ví dụ:a, Phản ứng sử dụng phương pháp bảo vệ focmyl hoá để điều chế các aminô axit:

85

CH (COOR) HON = C(COOR)

HONH - CH(COOR) HONH - C(COOR)

H N - CH COOH

R = CH C H

2 2 2

2 2

2

3, 52

R

R

NaNO , AcOH Zn, HCOOH2

'

'

'

b, Phản ứng tổng hợp synfanilamit từ anilin:NH NHCHO

HCOOH, toc2

CHCHO NH CHO

H NO SClO S2 2 2

2

c, Phản ứng dùng phương pháp bảo vệ nhóm chức axyl hoá (COCF3) để tổng hợp các hợp chất glycozit:

N O

O

CH

N O

O

CH

OH

CH OH CH OAc CH OAc

CH OH HN

CH OHN

H

OAcOAc

HO NH Aco NHCOCF NHCOCF

BrOAcOH

AcO NHCOCFHO

NH

2 2 2

2 3 3

2 2

3233

d, Phản ứng tổng hợp ete của dẫn xuất piperidin bằng phương pháp bảo vệ benzoyl hoá nhóm amin bậc 20:

86

N

CH Br CH Br

NN

CH CH COOC H

H COC H COC H

CH CH COOC H

N

COC H

2 2 2 2 2 5

6 56 5

2 2 2 5

6 5

e, Phản ứng bảo vệ bằng tạo ra hợp chất diaxyl:

NK

O

O

RX

O

N - R

O

H, H O2+

COOH

COOH

RN H ++

3

4.3.1.4. Phương pháp azômêtyl hoá:Đây là phương pháp dựa vào phản ứng tạo thành các nhóm azômêtin (các bazơ ship) bằng phản ứng của các nhóm amin bậc 10 với các anđehyt và xêtôn.Ví dụ: Phản ứng chuyển hoá amin bậc 10 thành amin bậc 20

O

O

O

O

CH CH NH C H CHO

CH CH N = CH - H H (CH) SO2 2 26 5

2 2 6 5 2 4

O

O

CH CH - N = CH - C H

CH

22CH CH NHCH O

O

t C2 2+

3

6 5

3

0

87

4.3.1.5. Phương pháp: Nitrozô và nitrô hoá:Phương pháp nitrozô hoá được thực hiện chủ yếu với các amin bậc 20. Sau khi

kết thúc phản ứng nhóm amin được phục hồi bằng phản ứng khử có xúc tác kim loại hoặc trong môi trường axit.

Ví dụ:

H C NH H C NH - NO H C - N - NO N N N

CH C H

H C - N

CH C H

3-

3 3

2 6 5

O

O

2 6 5

NHH / Ni2

Phản ứng nitrô hoá để tạo liên kết N – N nhằm bảo vệ nhóm amin, chỉ có ý nghĩa đối với hợp chất arginin. Oử đây, người ta sử dụng phương pháp này để tổng hợp Poly – Li – arginin. 4.3.1.6. Phương pháp tạo thành các liên kết N – P và N – S

Các ete của - aminoaxit tác dụng với đibenzylclôphtphat được sử dụng để bảo vệ nhóm amin trong phản ứng tổng hợp peptit.

''R CH

O

PNH - CH - CO - Peptit

R

O

O

O

NH - CH - CO - Peptit

RO

HO

HO

H , HOH

pH = 4 H PO + H N - CH - CO - Peptit3 4 2

Người ta cũng sử dụng nhiều hợp chất của lưu huỳnh để làm nhóm bảo vệ các hợp chất amin:a. Phản ứng của sunfenylclorua với các amin

R - NH C H SCl6 5

C H S

C H SN - R RNH Cl

+ -

32

6 5

6 5

b. Phản ứng của fenanxylsynfonyclorua với các amin:

88

R - NH + C H COCH SO Cl RNHSO CH COC H

NSO CH COC H NHR

R

' R

R

'Zn/CH COOH

2 6 5 2 2 2 2 6 5

2 2 6 53

R X'

c. Phản ứng bảo vệ bằng sự tạo thành hợp chất N – surfôaxit:

NO2 NO2 NH +N

NH NHSO H NHSO H NHSO H

NHSO H

N = N - Ar

2

2 3 3 3

3

4.3.2. BẢO VỆ NHÓM N – NH2 CỦA NHÓM HYĐRAZIN:Để bảo vệ nhóm chức N – NH2 của Hyđrazin trong tổng hợp hữu cơ, người ta đã

sử dụng nhiều loại hợp chất khác nhau.a. Sử dụng nhóm tec – Butoxicacbonyl làm nhóm bảo vệ để tổng hợp 1 – Benzoyl – 1-

Benzythyđrazin.H N - NH tec-Bu-OCONHNH tec-Bu-OCONHN = CHC H

tec-Bu-OCONHNHCH C H tec-Bu-OCONH-N-CH C H COC H

C H CH

NNHC H CO

2 2 2 6 5

2 6 5 2 6 5 6 5

6 5 2

6 52

H

b. Sử dụng phản ứng bảo vệ focmyl hoá để điều chếhợp chất 1 – aminobenzimiđrazol từ 0 – Nitrophenyl hyđrazin:

89

NHNH

NO2

NHNHCHO

NO2 NH

NHNHCHO

N

N

CH

N

N

CH3 3

NHCHO NH2

2

2

d. Bảo vệ nhóm N – NH2 bảng anđêhyt - tổng hợp 1 – aminôtetrazol.H N - NH + C H - CHO C H - CH = N - NH C H - CH = N - N = CH = O - C H2 2 6 5 6 5 2 6 5 2 5

N

N

N

NN

N

N

NC H - CH = N H N6 5

2

4.3.3. BẢO VỆ NHÓM O – NH2 CỦA HYĐRÔXYLAMIN:Để thu nhận các hợp chất O – axyl và O – ankyl của Hyđrôxylamin thì cần phải bảo vệ

liên kết N – H. Điều này có thể đạt được bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ có thể dùng các hợp chất cacsonyl như sau:

CH

CHC = N - CH C H H N - OCH - C H

3

3

CH

CHC = O + H N - OH N - OH

3

3

CH

CHC =

3

3

C H CH Cl2

6 5 2

2 6 5 3

+

2 6 5HCl

Phương pháp bảo vệ trên đây tuy rằng được sử dụng rất rộng rãi nhưng trong một số trường hợp khi dùng phản ứng thuỷ phân hợp chất thu được sau phản ứng để tái tạo lại nhóm aminô thì phá huỷ luồng liên kết O- Axyl hoặc O- Ankyl. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường sử dụng nhóm Tec – Butoxi cacbonyl làm nhóm bảo vệ.

90

tec - BuOCON tec - OCONHOHNO

ClNO

; KOH

ONHCOO - Bu - tec

NO

NO

CF COOH

NO

NOONH

NH OH2

2

23

2

2

2

2

2

III.4. BẢO VỆ NHÓM AMIN BẬC 30 – NR3

Để bảo vệ các nhóm amin bậc 30 người ta tìm cách chuyển hoá chung thành muối amôni bậc 40 hoặc thành các hợp chất nicôtin thành muối của Pirdin như sau:

N

N

HI N

NCH

+

CH H

CH

N

N HCH

+

3

3+

33

+

N

N

3CH

3CH

CH I3

Để bảo vệ nhóm amin bậc 30 của Piniđin, trong các phản ứng chuyển hoá, người ta dùng phương pháp tạo hợp chất N – oxit.Ví dụ:

91

2

2

N N

NH CNC HC H

H C H CO

3 3

2 555

2

N

NHC H

H CO

3

2

+N

C H

H CO

3

2

COOCH3

5

+N

C H

H C3

2

COOCH3

5

4.4. BẢO VỆ NHÓM CHỨC ANCOLAncol tham gia dễ dàng vào các phản ứng ankyl hoá, axyl hoá, ôxy hoá, đêhyđrát hoá... Vì vậy trong rất nhiều các phản ứng tổng hợp để thu được những sản phẩm cần thiết thì phải bảo vệ nhóm ancol được sử dụng rất rộng rãi trong các phản ứng tổng hợp sterôit, các loại đường, glyxerit... Các phương pháp cơ bản thường được sử dụng để bảo vệ nhóm chức ancol thường là ete hoá, axêtal hoá và ketal hoá.

4.4.1. PHƯƠNG PHÁP ETE HOÁ:Nhóm Hyđrôxy của các hợp chất ancol rất dễ dàng tham gia phản ưngd để tạo thành

các hợp chất ete khác nhau. Dưới đây là một số ete thường được sử dụng để bảo vệ nhóm chức ancol.a. Ete metylic:Các nhóm chức hyđrôxyl trong hyđrôcacbon và trong ancol rất dễ dàng mêtyl hoá bởi

đimêtylsunfat trong môi trường kiềm hoặc bởi metyliođua với xúc tác oxit bạc. Đây chính là cơ sở của phản ứng dùng để bảo vệ các nhóm chức ancol bằng phương phương pháp ete mêtylic.b. Ete Tec – Butylic:Nhóm tec – Butylic thường được sử dụng để bảo vệ các nhóm chức ancol trong các

phản ứng tổng hợp peptit steroit. Ete tec – Butylic có thể được điều chế với một hiệu suất khá cao bằng phản ứng của ancol và izôbutylen với Metylen clorua được xúc tác bằng axit:

ROH + (CH )C = CH ROC(CH )3 2 3 3

H+

Sau phản ứng có thể tách nhóm bảo vệ tec – Butyl bằng phản ứng với trifloaxêtic axit khan.c. Ete alylic:

92

Trong rất nhiều trường hợp đặc biệt là trong môi trường axit yếu thì có thể sử dụng ete allylic để bảo vệ nhóm chức ancol.

ROH + CH = CH - CH Br ROCH CH = CHNaOH

2 2 2 2

d. Ete Benzylic:Nhóm bảo vệ benzyl được ứng dụng rất rộng rãi để bảo vệ các nhóm chức ancol trong

các tổng hợp đường, nucleozit, glyxêrit, aminôaxit. Phản ứng bảo vệ được thực hiện bằng sự đun nóng ancol với benzyl clorua dư trong dung môi không phân cực. Ví dụ phản ứng chuyển D- glucoza thành L –sorboza được bảo vệ bởi Ete benzylic như sau:

OCH OH

OH

HO

OHOH

OC H CH Cl

C H CH O

OCH C H

OHOCH C H

O

HCOCH C H

C H CH CH

HCOCH C H

HCOH

CH OCH C H

CH OH

HOOH

OH

CH OH

2

6 5 2

2 6 5

6 5 2

2 6 5

2

2 6 5

6 5 2

2 6 5

2 2 6 5

2

e. Ete triarylmêtylic:Ete triarymêtylic được sử dụng rất rộng rãi để bảo vệ nhóm ancol bậc 10 trong các

phản ứng tổng hợp đường, nucleozit, glyxerit và steroit. Hợp chất bảo vệ được tạo thnhf khi cho ancol tác dụng với triphenylclomêtan.Ví dụ:

3 C Cl + ROH H CO C OR H CO 3

Nhóm bảo vệ sau phản ứng được tác đi bằng phản ứng thuỷ phân trong môi trường axit.f. Ete trimêtysilic:Nhóm trimêtyl silyl được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ các nhóm chức ancol trong

cacbon hyđrat, steroit. Ưu điểm lớn của phương pháp này là nhóm bảo vệ rất dễ dàng bị đẩy đi trong những điều kiện phản ứng không khắc nghiệt lắm. Hợp chất bảo vệ thường được thu nhận bằng phản ứng của ancol với trimêtylclosilan.

93

ROH + (CH ) SiCl ROSi(CH )3 3 3 3

4.4.2. PHƯƠNG PHÁP EXETAL VÀ KETAL HOÁ:a. Ete tetrahyđrôfiranylic:Phản ứng của 2, 3 đihyđrô – 4H- piran tác dụng với ancol trong môi trường axit tạo

thành ete tetrahyđrôpiranylic là cơ sở của phương pháp bảo vệ axêtal:

O

+ HOR

O

H

OR

+

Phản ứng này được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các nhóm chức ancol trong các phương pháp tổng hợp steroit, nucleotit. Ete tetrahyđrôpiranylic rất bền vững trong môi trường kiềm, nhưng dễ dàng bị thuỷ phân trong môi trường axit để cho lại hợp chất ancol ban đầu.b. Các hợp chất axetal.

Cho đến nay trong hoá học tác dụng hữu cơ chủ yếu vẫn sử dụng Tuy nhiên, trong một số trường hợp người ta có sử dụng một số axetal Ete tetrahyđrôpiranylic để bảo vệ nhóm ancol theo phương pháp axetal. Tuy nhiên, trong một số trường hợp người ta có sử dụng một số axeta khác như dẫn xuất của uridin, tetrahyđrôtiôfuran, tetrahyđrôtiôpiran.

SOR

S ORCH COOCH3

NO

HN

O

C

O P - O OOCHOC H

CH3

23 2 5

2

c. Các hợp chất ketal:Việc sử dụng nhóm bảo vệ tetrahyđrôpiranyl cho các nhóm chức ancol quang hoạt đã

dẫn đến một khó khăn là tạo thành hỗn hợp đồng phân khác nhau. Để khắc phục vấn đề này trong nhiều trường hợp người ta thay nhóm tetrahyđrôpiranyl bằng một hợp chất axetal đối xứng (ketal). Những ketal thường được sử dụng để bảo vệ nhóm chức ancol trong các phản ứng tổng hợp như ketal axêtôn, ketal uridin, ketal của dẫn xuất tetrahyđrô – 4H – piranon – 4.

94

CH O

C

OR

CHCH

CH O O - Ur CH O

O

OR33

3 3

3

4.4.3. PHƯƠNG PHÁP ESTE HOÁ;Một trong những phưong pháp được sử dụng rộng rãi nhất để bảo vệ các nhóm chức

ancolcủa các phản ứng xảy ra trong môi trường axit hoặc là trung tính là phương pháp este hoá - tạo thành các hợp chất axetat, hoặc là các hợp chất cacboxylat. Các phản ứng axyl hoá này thường xảy ra ở nhiệt độ thường bởi phản ứng của ancol với anhyđrit hoặc cloranhyđrit của các axit cacboxylic trong piridin.a. Các hợp chất axetat:Đây là phương pháp được sử dụng tương đối rộng rãi để bảo vệ nhóm chức ancol

trong các hợp chất steroit, cacbonhyđrat, nuclêozit... Hợp chất bảo vệ được tạo thành bởi phản ứng của anhyđrit axetic với ancol cần bảo vệ trong piridin. Sau khi phản ứng kết thúc thì nhóm bảo vệ được tách ra bằng phản ứng thuỷ phân trong môi trường axit.b. Các hợp chất Benzoat và p notrobenzoat:Để bảo vệ các nhóm chức ancol đặc biệt là trong các hợp chất đường thừng sử dụng

rộng rãi phương pháp benzoat hoá. Phản ứng tạo thành hợp chất bảo vệ xảy ra giữa nhóm ancol với hợp chất Benzoyl clorua trong piridin. So với phương pháp axetat hoá thì phương pháp này xảy ra trong những điều kiện chọn lọc tốt hơn và ít có các phản ứng chuyển vị hơn.c. Phương pháp focmiat hoá:Phương pháp này có ưu điểm lớn là dễ bị thuỷ phân để phục hồi lại ancol ban đầu mà

không làm ảnh hưởng đến các nhóm bảo vệ của các loại este khác. Hợp chất bảo vệ được tạo thành bầy phản ứng của nhóm ancol với axit focmic và sau khi kết thúc phản ứng nhóm ancol được tái tạo lại bởi phản ứng thuỷ phân của bicacbonat Kali trong rượu metylic.Ví dụ phương pháp focmiat hoá được sử dụng để bảo vệ nhóm ancol trong phản ứng

chuyển hoá chất đêhyđrôizoanđrosteron thành testosterron.

95

O

3

HO HCOO HCOO

O O OCOCH

OCOCH3

4.4.4. PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CÁC ĐIOL: Các nhóm chức 1, 2 và 1, 3 glycol thường được bảo vệ bằng các axêtal và kêtal vòng hoặc các este vòng.4.4.4.1. Các axêtal và kêtal vòng Phương pháp bảo vệ các hợp chất glycol bằng các axêtal và kêtal vòng được ứng dụng rộng rãi trong hoá học steroit, glyxerit, cacbon hyđrát. Các nhóm bảo vệ thường được hình thành bằng phản ứng của hợp chất glycol với các hợp chất cacbonyl tương ứng trong môi trường axit. Phản ứng cơ thể tiến hành trong các dung môi như điôxan ete, benzen, tetrametylfocmamit hoặc không có dung môi. Các nhóm bảo vệ loại này bền trong môi trường trung tính và môi trường kiềm, dễ bị thuỷ phân bởi axit. Sau đây là một vài phương pháp hay được sử dụng.1. Mêtylenaxetal:Hợp chất này thu nhận được bằng phản ứng của glycol với focmanđêhyt trong môi

trường axit. Nếu phản ứng tiến hành với các ancol đa chức thì thường tạo ra một hỗn hợp nhiều sản phẩm. Ví dụ nếu cho focmanđêhyt tác dụng với D – Glucoxit trong HCl thì sẽ thu được một hỗn hợp sản phẩm điaxetal và triaxetal.

HO - CH

CH OH

OH

OHOH

OH

HCHO

2

2O - CH

CH OH

O

OO

OH

2

2O - CH

CH - O

O

OO

O

2

2

+

2. Etyliđen axetal:

96

Hợp chất này được ứng dụng chủ yếu trong tổng hợp các loại đường. Nhóm bảo vệ được hình thành bằng phản ứng glycol với axetanđêhyt, 1, 1 – đimetôxyetanol với sự xúc tác của axit. Ví dụ hợp chất metyl – 4,6 – O – etyliđen - - D – Glucopiranozit được tạo thành bằng phản ứng trao đổi giữa mêtyl - - D – Glucopiranozit với 1,1 đimetôxietan với xúc tác H2SO4.

Etyliđenaxetal là hợp chất bền trong môi trường kiềm nhưng dễ bị thuỷ phân trong môi trường axit để tái tạo lại hợp chất ban đầu.3. Benzyliđen axetal:Hợp chất bảo vệ này được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp đường và glyxêrit.

Benzyliđen axetal được tạo thành bằng phản ứng của các glycol với benzanđêhyt với xúc tác axit. Ví dụ phản ứng tạo thành dẫn xuất benzyliđen axetal 1,2 và 1,3 của glyxêrin xảy ra như sau:

Benzyliđen axetal rất bền trong các điều kiện phản ứng khác nhau (trừ axit). Mặt khác

mối liên kết bảo vệ của hợp chất cũng dễ bị phá vỡ bằng phản ứng khử có xúc tác.Ví dụ:

Ngoài ra để bảo vệ các điol theo phương pháp này người ta còn sử dụng nhiều các hợp chất khác nhau như dẫn xuất của benzeliđen axetal, izopropy liđen ketal, xyclohecxyliđen ketal. Ví dụphản ứng tạo thành hợp chất bảo vệ xyclohecxyliđe axettal giữa D – Kxiclofuranoza với xúc tác H2SO4 xảy ra như sau:

+ = O

O

OH

O

O

HOCH2

O

OH

OH

OH

HOCH2

H+

4.4.4.2. Các este vòng;

97

Để bảo vệ các điol theo phương pháp này, thường người ta hay phenyborat vòng. Phương pháp này được ứng dụng rất rộng rãi trong các tổng hợp đường, nuclêofit, glyxerit. Các hợp chất cacbonat được hình thành bằng phản ứng của glycol với focgen trong piriđin. Ví dụ các nhóm glycol của D – glucôza được bảo vệ bằng hợp chất cacbonat vòng như sau:

Ưu điểm lớn nhất của các hợp chất bảo vệ cacbonat là khá bền trong môi trường axit và chỉ bị phá vỡ trong môi trường kiềm.

Các hợp chất bảo vệ phenolborat vòng được tạo thành khi cho glycol tác dụng với axit phenylbonic trong các dung môi như benzen axêtôn, điôxan… Đây là những hợp chất bền ở trong không khí nhưng rất bị phá vỡ bởi 1,3 – propanđion. Ví dụ phản ứng chuyển hoá - D - Kxylopiranozit thành dẫn xuất 3 – 0 – axêtyl bằng phương pháp phenolborat vòng xảy ra như sau:

4.5 BẢO VỆ NHÓM CHỨC CACBOXYLTrong tổng hợp rất nhiều khe cần thiết phải bảo vệ nhóm chức cacboxyl để tiến

hành phản ứng tại các vị trí khác và sau khi phản ứng kết thúc thì tìm cachs phân huỷ nhóm bảo vệ để khôi phục lại nhóm chức các boxyl ban đầu. Ví dụ nhóm chức cacboxyl được bảo vệ trong phản ứng tổng hợp penyxylin như sau:

98

Phương pháp chủ yếu là phương pháp este hoá.

99

4.5.1. PHƯƠNG PHÁP ESTE HOÁ BẰNG ANCOL:Để bảo vệ nhóm chức cacbonyl người ta tiến hành este hoá các axit caboxyl hoặc

là các dẫn xuất của nó bằng các ancol khác nhau. Sau đây là một số phương pháp cơ bản:a. Phương pháp este hoá trực tiếp các axit có thể thu nhận được cacboxylat cuar

mêtyl, êtyl, benzyl, các dẫn xuất benzyl…bằng phương phản ứng của axit và ancol tương ứng. Các phản ứng này thường được xúc tác bằng axit vô cơ hoặc một số axit á kim khác nhau.

b. Phương pháp este hoá bằng phản ứng của halogenanhyđrit – axit với ancol được thực hiện trong môi trường kiềm. Phản ứng này thường dùng để điều chế tec-butyl cacboxylat.c. Phản ứng este hoá của các anhyđrit axit với các ancol có thể được xúc tác bởi

axit hoặc bazơ. Một trong những ưu điểm lớn của phản ứng này là nó tạo thành mônô este khi cho ancol tác dụng với cá anhyđrit vòng của các hợp chất điaxit.Ví dụ: Người ta đã ứng dụng ưu điểm đó để tổng hợp glutamic như sau:

d. Phương pháp este hoá bằng phản ứng của các dẫn xuất halogen với các muối của axit cacboxylic được sử dụng để điều chế mêtyl, êtyl, benzyl cacboxylat.e. Ngoài ra, để điều chế este người ta còn sử dụng các phương pháp như trao đổi

este, phản ứng của axit cacboxylic với olefin, với điafoankan, và những phương pháp khác.

4.5.2. ỨNG DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÁCH CÁC NHÓM BẢO VỆ CỦA ESTE:a. Mêtyl và êtyl este: Đây là các nhóm bảo vệ được ứng dụng rộng rãi trong những

phản ứng anlyl hoá và ngưng tụ. Các nhóm bảo vệ này có thể được tách ra bằng phản ứng thuỷ phân bởi axit hoặc bazơ.

b. Tec – Butyl este: Hợp chất này rất bền trong các phản ứng thuỷ phân bởi bazơ nhưng rất bị thuỷ phân bởi axit. Vì vậy, nó thường được sử dụng để bảo vệ các nhóm caboxyl trong các phản ứng tổng hợp xảy ra trong môi trường kiềm, đặc biệt là để điều chế các xêtôn.

Ví dụ:C6H5CH2 – CH(COO – tec – Bu)2 + P – O2N C6H4COCl

P – O2N C6H4 – CO – CH2 – CH2 C6H5

d. Benzyl và các dẫn xuất benyl este:

100

Các nhóm bảo vệ này rất dễ dàng tách đi bằng phương pháp thuỷ phân. Nhóm benzyl có thể bị tách đi bằng phương pháp thuỷ phân trong môi trường kiềm hoặc là trong môi trường axit với điều kiện khắc nghiệt. Tốc độ thuỷ phân của các este này phụ thuộc vào nồng độ của axit, nhiệt độ, thời gian, phản ứng …Ưu điểm về độ bền của các nhóm bảo vệ này trong môi trường axit yếu đã được áp dụng để tổng hợp nhiều hợp chất mà không thể điều chế được trong môi trường kiềm.

Ngoài ra, để bảo vệ nhóm chức caboxyl trong tổng hợp hữu cơ người ta còn sử dụng nhiều nhóm bảo vệ khác nhau: 2,4 đinitrô – benzensunfophenyl, O – nitrôbenzhyđryl, benziliđenyl, phenylaxêtyl…Sau phản ứng những nhóm chức này cũng được tách ra bằng phản ứng thuỷ phân trong môi trường axit hoặc bazơ.

4.6 . BẢO VỆ CÁC NHÓM CHỨC ANĐÊHYT VÀ XÊTÔNNhóm cacbonyl trong các hợp chất anđêhyt và xêtôn là nhóm chức rất linh động, tham

gia nhiều phản ứng khác nhau trong tổng hợp hữu cơ. Vì vậy, việc bảo vệ nó để tiến hành một phản ứng theo ý muốn có ý nghĩa rất lớn. Dưới đây là một số phương pháp quan trọng thường được sử dụng.4.6.1. AXÊTAL VÀ KÊTAL HOÁ4.6.1.1. Các phương pháp bảo vệ bằng Axêtal và Kêtal:a, Phương pháp 1,3 – điôxôlan – Nhóm điôxôlan:

được sử dụng để bảo vệ các nhóm anđêhyt và xêtôn trong môi trường kiềm và trung tính. Khã năng tạo thành hợp chất điôxêlan được sắp xếp theo dãy sau: Các anđêhyt > Các xêtôn mạch hở và xyclô-hecxannon > xyclopentanon > , - xêtôn không no > các dẫn xuất xuất -mônô và đixêtôn > Các xêtôn thơm.

Dưới đây là một vài phương pháp điều chế các điôxôlan từ anđêhyt và xêtôn:* Phương pháp trực tiếp: Trong phương pháp này điôxôlan được điều chế bằng phản ứng của các hợp chất cacbonyl với êtylenglycol trong môi trường axit. Phản ứng được tiến hành với sự tham gia của octôeste, là tác nhân tách loại nước. Ngoài xúc tác bằng axit thường người ta sử dụng các xúc tác như sunfoaxit, pirinđin clohyđrat. Đối với các xêtôn hoạt động mạnh thì có thể sử dụng các xúc tác như ôxyt selen, axit malônic…* Phương pháp trao đổi: Cơ sở của phương pháp này là phản ứng trao đổi giữa các nhóm chức cabonyl với các hợp chất điôxolan của các xêtôn có nhiệt độ rất thấp. Thường hay sử dụng các hợp chất điôxôlan của butanon – 2, axêtôn. Phương pháp này có thể dùng để bảo vệ cho các đixêtôn có khã năng phản ứng tương tự như nhau.* Một số phương pháp khác: Để điều chế các điôxolan trong tổng hợp hữu cơ, người ta còn sử dụng một số hợp chất như etylenôxyt với xúc tác clorua thiếc, sunfit glycol…b, Các phương pháp axetal và ketal vòng: Sự tạo thành các hợp chất axetal và ketal vòng được thực hiện bởi phản ứng của các anđêhyt và xêtôn với ancađiol. Các kết quả

101

nghiên cứu cho thấy rằng khã năng tạo thành các ketal biến đổi theo dãy: 2,2 – đimêtyprôpađiol – 1,3 > etylenglycol > propađiol – 1,3.c. Phương pháp điankylaxetal và đianxylxêtal:

Sự tạo thành các điankylaxetal và đianxylxêtal chủ yếu chỉ xảy ra với các anđêhyt và các xêtôn hoạt động mạnh. Phản ứng xảy ra với xúc tác axit giữa các hợp chất cacbonxyl với các ancol. Đây là các hợp chất tương đối bền trong môi trường trung tính và môi trường kiềm.4.6.1.2. Phương pháp phân huỷ axêtal và kêtal:Các axêtal và kêtal thường được phân huỷ để phục hồi lại các nhóm chức cacbonyl

dưới tác dụng của axit. Tuy nhiên tuỳ thuộc vào các hợp chất axêtal và kêtal, cụ thể nà người ta sử dụng axits thích hợp. Thường thì sự tạo thành các axêtal và kêtal càng dễ dàng bao nhiêu thì sự phân huỷ bằng axit càng nhẹ nhàng bấy nhiêu. Mặt khác, sự phân huỷ của các ketal quang hoạt thường xảy ra trong điều kiện khắc nghiệt với các tác nhân là những axít vô cơ.4.6.2. POLYTIÔ VÀ ĐIÔ – AXÊTAL VÀ KÊTAL:4.6.2.1. 1,3 – Ocxatiolan (Polytioketal):

Các hợp chất này được tạo thành khi cho xêtôn tác dụng với 2-mêcaptoetanol trong môi trường axit. Trong một số trường hợp cũng có thể chuyển hóa các anđêhyt bằng phản ứng này. Ngoài ra các polytiôketal cũng có thể thu nhận bằng phương pháp này từ các dẫn xuất của mêcaptoetanol và mêcaptôpropanol. So với etylen – glycol thì các phản ứng của các anđêhyt và xêtôn xảy ra với mêcaptoetanol dễ dàng hơn. Mặt khác, cũng tương tự như điôxalan, các polytiôkêtal rất bền vững trong môi trường trung tính và bazơ nhưng không bền trong môi trường axit. Các polytiôkêtal thường bị phân huỷ bởi các axit vô cơ trong ancol hoặc điôxan. Nhược điểm cơ bản nhất của phương pháp này là việc tạo thành hợp chất polytiôkêtal dẫn đến sự xuất hiện trung tâm bất đối và do đó có thể tạo thành sản phẩm là những đồng phân quang học không đối quang.4.6.2.2. Đitiôaketal và đitiôkêtal:Các hợp chất này có thể thu nhận bằng phản ứng của các hợp chất cacbonyl. Với

ankylmêcaptan hoặc đimêcaptan trong môi trường axit. Thường hay sử dụng các tác nhân phản ứng như: 1,2 – đimêcaptoêtan, êtylmêcaptan. Các Đitiôaketal và đitiôkêtal đều bền trong môi trường trung tính và bazơ nhưng không bền trong môi trường axit. Để phân huỷ các hợp chất này tốt nhất là sử dụng không phải axit mà các muối của thuỷ ngân (II) trong các dung môi khác nhau.4.6.3. CÁC DẪN XUẤT ENOL VÀ ÊNAMIN

102

Đây là phương pháp bảo vệ được sử dụng rộng rãi trong hoá học sterôit, đặc biệt là đối với các - xêtôn chưa no. Vì vậy các hợp chất có ý nghĩa chủ yếu là các đienol và đienamin. 4.6.3.1. Các ete enol và tiôenol:

Phản ứng chuyển hoá các - xêtôn chưa no thành các ete đienol thường xảy ra dưới tác dụng của este octôfocmiat hoặc 2,2 – đimêtôxypropan trong ancol với xúc tác axit. Để thu nhận ete đienol thường sử dụng các điol hoạt động mạnh, ví dụ như benzylmêcaptan.

Các ete enol và đienol cũng như các dẫn xuất của chúng rất bền trong môi trường kiềm nhưng rất dễ bị phân huỷ bởi các axit. Ngoài ra, để phục hồi lại các nhóm chức cacbony cũng có thể phân huỷ các điôenol bằng muối thuỷ phân (II).4.6.3.2. Enanin và các muối của enamin:

Các hợp chất enamin thường được dùng để bảo vệ các nhóm anđehyt và - xêtôn chưa no trong các hợp chất sterôit. Để tái tạo lại các nhóm cacbonyl ban đầu, có thể thuỷ phân các enamin bằng các dung dịch axit hoặc bằng kiềm loãng.

4.6.4. SEMICACBAZON, OXIM VÀ CÁC DẪN XUẤT HYĐRAZON;4.6.4.1. Semicacbazon:

Trong những trường hợp, đặc biệt là trong hoá học sterôit các hợp chất semicacbazon được điều chế rất dễ dàng. Hợp chất semicacbazon rất bền dưới tác dụng của NaBH4, LiBH4 và trong môi trường kiềm. Trong hoá học hyđrat cacbon, hợp chất semicacbazon được sử dụng để bảo vệ nhóm anđêhyt của các hợp chất mạch hở khi tiến hành phản ứng ankyl hoá các nhóm ancol. Để phân huỷ các semicacbazon để tái tạo lại các nhóm cacbonyl thường tiến hành phản ứng thuỷ phân trong axit mạnh.4.6.4.2. Oxim

Hợp chất bảo vệ laọi này có độ bền vững tương đương với semicacbszon nhưng phản ứng phân huỷ nó xảy ra khó khăn hơn. Phản ứng thuỷ phân hợp chất ôxim để tái tạo lại

103

nhóm cacbonyl ban đầu cũng được tiến hành trong môi trường axit nhưng phải có thêm một số chất xúc tác khác. Trong một số trường hợp có thể sử dụng phương pháp ôxi hoá trong môi trường axit.4.6.4.3. Dẫn xuất hyđrazon:

Hợp chất 2,4 – đinitrôphenyl hyđrazon được sử dụng chủ yếu để định tính anđêhyt và xêtôn còn để bảo vệ nhóm chức thì ít hơn vì phản ứng phân huỷ nó xảy ra rất khoá khăn. Tuy vậy, trong các phản ứng tổng hợp và chyển hoá các hợp chất steroit hợp chất này nhiều khi cũng được sử dụng. Nhóm bảo vệ thường được tách ra bằng phương pháp khữ với các tác nhân như clorua thiếc (II), clorua thiếc (III), Liti nhôm hyđrua..Hợp chất N, N – đimêtylhyđrazon là một trong những hợp chất khá lý tưởng dùng để bảo vệ các nhóm anđêhyt và xêtôn vì rằng việc tái tạo lại các hợp chất cacbonyl sau phản ứng được thực hiện trong những điều kiện rất nhẹ nhàng trong môi trường trung tính.

104

CHƯƠNG 5SỰ ÔXI HOÁ - KHỬ

Sự ôxi hoá và sự khử là hai hiện tượng có liên quan mật thiết với nhau và không thể tách rời nhau được, không có sự ôxi hoá nào mà lại không có sự khử đồng thời với nó. Hai quá trình đó được coi là một: Sự ôxy hoá - khử. Trong thực tế ta nói một phản ứng nào đó là ôxy hoáầhy là khử chỉ là quy ước để nhấn mạnh từng mặt. Sự ôxy khoá - khử là một khái niệm tương đối phức tạp. Vì vậy, trước khi xét đến cơ chế phản ứng này ta cần đề cập đến vấn đề này.5.1. SỰ ÔXI HOÁ - KHỬ VÀ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG.

5.1.1. Quan niệm về sự ôxy hoá - khử trong hoá hữu cơ:Trước kia người ta cho rằng sự ôxy hoá là quá trình cộng thêm ôxy, còn sự khử là

quá trình tách bớt ôxy, hoặc tăng hàm lượng tương đối của hyđrô trong phân tử. Định nghĩa đó không có tính tổng quát, tuy rằng do sự thuận tiện và thói quen người ta vẫn dùng nó trong việc phân chia các phản ứng của hợp chất hữu cơ.Trong hoá vô cơ, phản ứng ôxy hoá- khử thường đặc trưng bằng sự thay đổi hoá trị hoặc sự chuyển dịch một số electron. Trong hoá hữu cơ quan niệm đó không được dùng vì nguyên tử cacbon trong phân tử hữu cơ luôn luôn có hoá trị 4, còn những phản ứng có sự chuyển dịch hẳn các electron thì ít gặp.

Vì những lẽ trên, hiện nay người ta thường định nghĩa sự ôxy hoá - khử dựa trên cơ sở biến đổi của những đại lượng có tính chất quy ước gọi là số ôxy hoá hoặc bậc ôxy hoá.

Số ôxy hoá là số điện tích quy ước của nguyên tử, tính được khi giả thiết rằng phân tử gồm toàn những iôn đơn giản trái dấu kết hợp lại. Nói một cách khác, số ôxy hoá là số điện tích xuất hiện ở nguyên tử trong phân tử nếu như xảy ra sự dịch chuyển hoàn toàn tất cả các cặp electron liên kết về phía nguyên tử nào có độ âm điện tương đối lớn hơn. (Nếu hai nguyên tử đồng nhất liên kết với nhau thì không có sự chuyển địch đó, và như vậy không làm xuất hiện điện tiách).

Số ôxy hoá được ký hiệu bằng chữ n (từ tiếng Anh oxidation number) và biểu thị bằng số Ar rập cùng với dấu điện tích và ghi ở phía trên ký hiệu của nguyên tố. Thí dụ:

Số ôxy hoá là một khái niệm có tính hình thức, vì tất cả các liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử thuộc hai nguyên tố khác nhau đều được coi như là những liên kết ion điển

105

hình, mà thực ra không phải như vậy: phần lớn các liên kết đó chỉ phân cực ít nhiều mà thôi.

Một nguyên tố có thể có nhiều số ôxy hoá khác nhau, tuỳ theo bản chất và số lượng các nguyên tử liên kết với nguyên tử của nguyên tố đó trong phân tử. Thí dụ: cacbon có số ôxy hoá (ký hiệu nC) từ -4 đến +4 trong dãy các hợp chất sau:Hợp chất: CH4 CH3OH C CO CO2

nC : -4 -2 0 +2 +4

Ta có thể tính số oxy hoá cho một nguyên tử nhất định trong phân tử bằng cách lấy tổng cộng các điện tích xuất hiện ở nguyên tử đó khi cho “ion hoá” tất cả các liên kết. Thí dụ:

Cũng có thể xác định số ôxy hoá trung bình cho các nguyên tử của một nguyên tố nhất định trong phân tử. Khi ấy ta phải tuân theo một số quy tắc sau:a. Tổng đại số các ôxy hoá trong phân tử luôn luôn bằng o, trong ion bằng số điện tích của ion.b. Số ôxy hoá của một nguyên tố ở dạng đơn chất đều bằng 0.c. Trong các hợp chất, hydrô có số oxi hoá +1 ( trừ trường hợp các hydrua kim loại, trong đó nH

= -1), ôxy có số oxi hoá -2 ( trừ trường hợp các peoxyt và một số hợp chất khác), kim loại có số oxy hoá dương và bằng hoá trị của nó.Thí dụ tính số oxy hoá trung bình: CH4 nC + 4nH = 0 NC + 4(+1) = 0 nC = -4 CH3OH nO + 4nH + nO = 0 nC + 4(+1) + (-2) = 0 nC = -2 CH3CH2OH 2nC + 6nH + nO= 0 nC + 6(+1) + (-2) = 0 nC = -2 CH3COOH 2nC + 4nH + 2nO = 0 2nC + 4(+1) + 2(-2) = 0 nC = -2

106

Ta nhận thấy rằng số oxy hoá trung bình của cacbon chẳng hạn sẽ trùng với số oxy hoá tính cho từng nguyên tử cacbon khi trong phân tử chỉ chứa một nguyên tử cacbon ( thí dụ CH4, CH3OH,….) hoặc chứa 2 nguyên tử C giống hệt nhau:Thí dụ: CH3 – CH3, CHO – CHO, …..Trong các thành phần khác, số oxy hoá tính cho từng nguyên tử bao giờ cũng là một số nguyên hoặc 0, thì số oxy hoá trung bình có thể là một số thập phân, thí dụ số ôxy hoá trung bình của cacbon trong phân tử prôpan bằng – 2,67, trong phân tử butan bằng -2,5.Bên cạnh khái niệm số oxy hoá, trong hoá hữu cơ còn một khái niệm tương đương gọi là bậc ôxy hoá. Theo định nghĩa, bậc ôxy hoá của nguyên tử cacbon là số nhóm hydrôxy có thể xuất hiện ở nguyên tử cacbon, nếu giả thuyết là phân tử bị thuỷ phân hoàn toàn.

Theo quan niệm này thì cacbon trong phân tử hữu cơ có thể có 5 bậc oxy hoá khác nhau: 0, 1, 2, 3, và 4. (Xem bảng trang sau).Khái niệm oxy hoá ( và khái niệm bậc oxy hoá cũng vậy) cho phép hình dung mức độ tương đối khả năng oxy hoá hay khử của một chất. Số oxy hoá càng lớn thì khả năng oxy hoá ( hay là bị khử ) càng tăng, và khả năng khử ( hay bị oxi hoá) càng giảm. Từ đây ta có thể định nghĩa: Quá trình oxy hoá là quá trình làm tăng số oxy hoá ở chất phản ứng vag làm giảm số oxy hoá ở tác nhân phản ứng, còn quá trình khử là quá trình ngược lại. Nói chung, oxy hoá - khử là quá trình biến đổi số oxy hoá (hay bậc oxy hoá)

bậc ôxy hoá:1

bậc ôxy hoá:2

107

Định nghĩa trên về sự oxy hoá - khử có tính cách tổng quát và bao hàm được tất cả các định nghĩa cũ. Trong hoá hữu cơ, ngoài những phản ứng oxy hoá - khử bằng các tác nhân oxy hoá hay các tác nhân khử.Bảng phân loại các nhóm nguyên tử theo bậc oxy hoá của cacbon.

108

BËc «xy hocña cacbon ®Æc tr ng

Nhãm nguyªn tö ThÝ dô

CH ; RCH

C M

4 3

C Li C MgBr

C = C

C X

C

C Hal ; C O ; C C NS ,

CH = CH ; RR C = CRR2' '

0

1

C

X

X

C = Y

C = C X

CHal

HalC

OH

OHC

S

S; ;

C = O ; C = S ; C = N ;

C = C - Hal ; C = C - OH

C = C C = CH RC = CR

2

C = N

C = CX 2 C = CX 2

- C - X

Y

- C - OH

O

- C - Hal

Y

C = C(OH) 2

3

4

- CX - CHal ; -C(OR)-C = Z

CX CHal : C(OR)

4 4 4

Y = CX O = CCl : S = C(OR)

Y = C = Y S = C = S

= Z C - X N C - OH : N C - Cl= =

109

Số ôxy hoá của cacbon trong một số phân tử hữu cơ và quá trình ôxy hoá - khử

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

CH CH - OH

R - CH R - CH OH R - CHO R - COOR

CH - CH CH = CH CH = CH

HCHO HCOOH CO

3

3 3 2 2

3

2

2

Sù «xy ho

Sù khö

4

Thông thường như ôxy, hyđro, pemanganat kali, axit crômit … còn nhiều phản ứng khác củng được coi là phản ứng ôxy hóa - khử. Thí dụ các phản ứng halôgen hoá hoá và nitro hoá hyđrocacbon, phản ứng dêhalôgen hoá dẫn xuất đihalôgen, phản ứng đêcacbôxyl hoá axit cacbôxylic.v.v. Trong khi đó những phản ứng như thuỷ phân dẫn xuất halogen và hợp chất cơ kim, este hoá và thuỷ phân este… không thuộc loại phản ứng ôxy hoá khử.

Khi cân bằng phương trình phản ứng ôxy hoá khử trong hoá hữu cơ người ta cũng áp dụng nguyên tắc thăng bằng số ôxy hoá như trong hoá vô cơ. Thí dụ có sơ đồ phản ứng:

Trong đó êtanol là chất khử vì số ôxy hoá của cacbon tăng 4 đơn vị (từ -1 ở êtanol đến +3 ở axit axêtic) còn pemanganat kali là chất ôxy hoá, vì số ôxy hoá của mangan giảm 5 đơn vị (từ +7 ở KmnO4 đến +2 ở MnSO4). Để đảm bảo nguyên tắc thăng bằng số ôxy hoá ta phải lấy 5 phân tử êtanol và 4 phân tử pemanganat kali, còn số phân tử H2SO4 được lấy sao cho tương ứng với số ion Mn2+ và K2+ sinh ra trong phản ứng. Do đó ta có thể viết:

5CH3CH2OH + 4KmnO4 + 6H2SO4 → 5CH3COOH + 4MnSO4 + 2K2SO4 + 11H2ONhư vậy quan niệm về ôxy hoá khử dựa theo sự biến đổi số ôxy hoá có thể trong cả hoá vô cơ lẫn hoá hữu cơ.

5.1.2. Cơ chế phản ứng ôxy hoá - khửĐịnh nghĩa trình bày ở trên về ôxy hoá - khử không nói lên điều gì về cơ chế các

phản ứng đó cả. Ta biết rằng phản ứng ôxy hoá - khử có thể xảy ra theo kiểu đồng ly hay dị ly. Tuy vậy cơ chế ôxy hoá - khử là một vấn đề rất phức tạp, vì cơ chế đó rất đa dạng và thường biến đổi nhiều tuỳ theo bản chất của tác nhân ôxy hoá - khử được dùng. Nhiều người đã cố gắng hệ thống hoá các cơ chế ôxy hoá - khử vào một số loại nhất định. Cơ chế của các phản ứng ôxy hoá - khử được tập trung nói đến ở 5.2 và 5.3. Dưới đây là một số loại cơ chế ôxy hoá - khử phổ biến. 5.1.2.1. Chuyển dịch trực tiếp electron:Sơ đồ tổng quát:

110

A + e → Bhoặc B – e → AThí dụ:Khử hợp chất cacbônyl bằng halri kim loại:

Chuyển hoá giữ ion và gốc tự do:

5.1.2.2. Chuyển dịch nguyên tử hyđrô:Sơ đồ tổng quát:

Thí dụ:

hoặc:

5.1.2.3. Chuyển dịch ion hyđruaSơ đồ tổng quát:

Thí dụ:

hoặc:

5.1.2.4. Chuyển dịch cặp electronSơ đồ tổng quát:

Thí dụ:

hoặc:

111

5.1.2.5. Tạo este trung gian:Chất phản ứng và tác nhân tác dụng với nhau tạo thành este trung gian (thường là

este vô cơ), sau đó este bị phân tích:

Z thường là CrO3H, MnO3, SeO2H…Thí dụ:

5.2. Các phản ứng ôxy hoá:

5.2.1. Ôxy hoá liên kết của HyđrôcacbonTa biết rằng năng lượng phân ly các liên kết trong phân tử alkanthươngf không

khác nhau nhiều, cho nên ít có phương pháp ôxy hoá làm dứt một cách chọn lựa hoặc liên kết C – C hoặc liên kết C – H mà không đụng đến phân tử nói chung. Tuy vậy, năng lượng phân ly của các liên kết C – H bậc ba hay các vị trí alyl và benzyl yếu hơn các liên kết khác một cách rõ rệt, do đó ta có thể chỉ ôxy hoá các liên kết đó mà phần còn lại của phân tử vẫn được nguyên vẹn. Thí dụ:

Phản ứng ôxy hoá các arylalkan bằng Cr(VI) đã được nghiên cứu tương đối nhiều. Tôluen bị ôxy hoá thành axit benzôic, điphênylmêtan tạo ra benzôphênon còn triphênylmêtan tạo ra triphênylcacbinol. Tốc độ ôxy hoá phụ thuộc nhiều cấu tạo của

Prôpen Acrôlêin

Cumen Hyđôpcôxylcumyl

112

hyđrôcacbon. Trong trường hợp ôxy hoá, nhóm p – mêtyl làm tăng tốc độ, còn nhóm p – nitrô làm giảm tốc độ, hiệu ứng nó được tổ hợp tuyến tính với σ+, ρ = -1,4. Nếu hai nguyên tử hyđrô tham gia phản ứng được thay bằng đơteri, tốc độ phản ứng sẽ giảm 6,4 lần, điều đó chứng tỏ rằng tốc độ phản ứng xảy ra sự phân cách liên kết C – H. Tuy vậy cơ chế của giai đoạn này nói riêng cũng như toàn bộ phản ứng nói chung còn chưa rõ ràng.

Phản ứng ôxy hoá nhóm alkyl ở nhân thơm bằng pemaganat kali cũng thường tạo ra axit. Các dẫn xuất thế ở nhân của toluen bị ôxy hoá tạo thành axit benzôic tương ứng. So với CrIV thì MnVII thường ôxy hoá mạnh hơn.

Chẳng hạn 2-5 đibrôm-p-xylen bị ôxy hoá cả hai nhóm mêtyl bởi penmanganat Kali, nhưng chỉ ôxy hoá một nhóm mêyl bởi axit crômic.

Bất kể chất ôxy hoá là CrVI hay MnVII, phản ứng ôxy hoá nhóm alkyl với vòng benzen thường xảy ra ở vị trí α (tạo ra các axit benzôic tương ứng). Tuy vậy, cần lưu ý rằng nhóm alkyl bậc 3 thí dụ t- butyl rất khó bị ôxy hoá vì không còn nguyên tử α – hyđrô.

5.2.2.1. ÔXY HOÁ LIÊN KẾT CỦA HYĐRÔCACBON5.2.2.2. Ôzôn phân

Hợp chất có nối đôi C = C tác dụng với ôzôn sinh ra ôzônit. Có thể phân lập được ôzônit, nhưng người ta thường đem phân huỷ nó bằng cách khử thành hai phân tử hợp chất cacbônyl. Cũng có thể khử ôzônit thành hai phân tử alcol (tác dụng của LiAlH4) hoặc ôxy hoá thành xêton và cacbôxylic (tác dụng của H2O2).Cơ chế của giai đoạn tạo thành ôzônit có thể như sau:

Nếu quả thực có tạo ra sản phẩm trung gian III và Iv như đã nêu ở sơ đồ trên thì III có thể Đime hoá

Ôzônit (III) (IV)

113

hoặc chuyển hoá thành hyđrôpeôxyt.Trong một số trường hợp, thí dụ ôzôn hoá (CH3)2C=C(CH3)2, người ta đã tách được

sản phẩm V, và nếu được ôzôn hoá trong mêtanol có thể phân lập được hyđrôpeôxyt:

Một dẫn chứng nữa về cơ chế ôzôn hoá ở trên là sự tạo thành các sản phẩm chéo: theo cơ chế đó nếu xuất phát từ một alken không đối xứng RCH = CHR’ ta phải được 3 ôzônit khác nhau:

Trong thực tế, khi ôzôn hoá những hợp chất như penten-2, hexen-2, ôlêat mêtyl…người ta đã phân lập được cả ba loại ôzônit trên ở các dạng đồng phân cis-trans tương ứng.

Các hợp chất có nối ba C ≡ C và hợp chất thơm bị ôzôn hoá khó hơn alken.

5.2.2.2. Đihyđrôxy hoá:

Muốn cộng hai nhóm OH vào nối đôi (đihyđrôxy hoá) có thể dùng OsO4 hoặc KmnO4 trong môi trường kiềm. Đó là những phản ứng cộng theo kiểu cis.

Khi dùng chất ôxy hoá là OsO4 cơ chế phản ứng như sau:

Người ta đã phân lập được este vòng trung gian I.Khi dùng KmnO4 trong môi trường kiềm, ta có cơ chế:

114

Hiện nay, tuy chưa phân lập được este vòng MnV nhưng đã có chúng cớ khác về cơ chế

trên, cụ thể là khi dùng Mn18O(-)4 người ta thu được: . Ngoài ra, để

chứng minh rằng phản ứng chạy theo kiểu cis, người ta đihyđrôxy hoá axit d,l-tactric, đúng như dự đoán theo cơ chế trên.

Muốn trans-đihyđrôxy hoá nối đôi C=C người ta dùng H2O2 và axit fomic. Trong trường hợp này, axit pefomic sinh ra từ H2O2 và axit fomic êpôxy hoá nối đôi theo kiểu cộng cis, sau đó êpôxit sinh ra sẽ bị thuỷ phân theo cơ chế SN2 với sự quay cấu hình, kết quả xét toàn bộ thì phản ứng chạy theo kiểu trans:

Epôxy hoá:

Thuỷ phân:

Do đặc tính cộng trans của phản ứng, khi cho H2O2 và HCOOH tác dụng với xyclohexen ta được trans-1,2-xyclohexandiol

115

5.2.2.3. Oxy hoá cắt mạch:

Nối đôi C=C có thể bị oxy hoá cắt mạch theo các sơ đồ trên nhờ tác dụng của nhiều chất oxy hoá khác nhau, phổ biến là các chất oxy hoá pemanganat và bicromat trng môi trường axit.

Cơ chế phản ứng còn chưa được rõ ràng. Cũng có thể trong phản ứng đã sinh ra những sản phẩm trung gian là glycol hoặc este của nó.

Nối ba C≡C thường khó bị oxy hoá hơn nối đôi. Axêtylen bị oxy hoá bằng pemanganat kali tạo thành một hỗn hợp sản phẩm trong đó có axit ôxalic.

Vòng thơm cũng có thể bị oxy hoá đứt mạch bởi các chất oxy hoá mạnh. Khi oxy hoá benzen và naphtalen bằng V2O5 ta được lần lượt anhydrit malêic và anhydrit phtalic.

5.2.3. ÔXY HOÁ ALCOL:5.2.3.3. Ôxy hoá mônôalcol thành hợp chất cacbônyl

Sự oxy hoá các alcol bậc một và bậc hai bằng pemângnat kali xảy ra rất chậm trong dung dịch trung tính, nhưng thường lại rất nhanh trong dung dịch bazơ và axit mạnh.

Khảo sát phản ứng ôxy hoá benzhydrol (C6H5)2CHOH trong dung dịch trung tính và bazơ, người ta thấy: V = k [alcol][MnO4

-][OH-] hiệu ứng đồng vị ở 250C khi oxy hoá (C6H5)2CDOH có giá trị bằng 6,6; benzôphênôn sinh ra không chứa oxy từ pemângnat kali. Từ các dữ kiện đó người ta đề nghị cơ chế phản ứng như sau:

Khảo sát phản ứng oxy hoá alcol izổppylic bằng axit cromic người ta thấy tốc độ phản ứng trong dung dịch axit axetic lớn hơn trong dung dịch axit vô cơ với cùng giá trị về H0; khi thay thế nguyên tử α-hydro bằng đơteri ở 250C tốc độ giảm 6,6 lần, trong khi đó thay thế các nguyên tử - hydro bằng đơteri hầu như không làm thay đổi tốc độ phản ứng:

chậm

116

Từ các dữ kiện người ta đề nghị cơ chế phản ứng như sau:

Sau đó: Hoặc:

5.2.3.2. Ôxy hoá cắt mạch 1,2 – điolCác 1,2 – điol có đặc tính khác và mônôalcol ở chỗ chúng bị ôxy hoá bởi axit peiôđic và têtraxêtat chì làm đứt liên kết

Khi ôxy hoá bằng HIO4 phản ứng đi qua một este vòng trung gian:

HIO4 hoặc Pb(CH3COO)4

Tốc độ: 1,0 0,16 1,0

117

Những thí nghiệm dùng 18O đã cho thấy rằng nguyên tử ôxy cacbônyl ở sản phẩm cũng chính là nguyên tử ôxy –glycol.

Cơ chế tạo este vòng trung gian của phản ứng trên đã được xác nhận bằng các dữ kiện động học và quang phổ, dẫn chứng đặc biệt là các glycol với hai nhóm trans-OH thí dụ trans-9,10-đêcalindiol không phản ứng với axit peiôđic.

Khi ôxy hoá 1,2 -ddioolbằng Pb (CH3COO)4 người ta cũng có nhiều dữ kiện cho thấy phản ứng xảy ra theo cơ chế vòng. Thí dụ phản ứng có bậc một nối đôi với mỗi chất phản ứng giảm đi, cis-ddiolbị ôxy hoá nhanh hơn trans-điol tương ứng…Cơ chế vòng như sau:

Tuy nhiên, có một số trans-1,2-ddiol lại dễ phản ứng hơn dạng cis tương ứng. Ví dụ trường hợp 9,10 –đihyđrôphênantren-9,10 -ddiol dạng trans phản ứng nhanh hơn dạng cis 9,4 lần, trans 9,10 –đecalinđiol không phản ứng với HIO4 nhưng lại bị ôxy hoá bởi Pb(CH3COO)4. Như vậy, có thể ở đây phản ứng đã xảy ra theo cơ chế không vòng.

1,2-điol cũng có thể bị ôxy hoá cắt mạch bởi axit crômic và phản ứng cũng chạy theo cơ chế este vòng trung gian.

5.2.4. ÔXY HOÁ ALĐEHYT VÀ XÊTÔN

118

5.2.4.1. Ôxy hoá bằng tác nhân vô cơ:

Các hợp chất cacbônyl, nhất là alđêhyl có thể bị ôxy hoá bởi các hợp chất ôxy hoá khác nhau như MnVII, CrVI, Cu'', AgI, CeIV…

Nghiên cứu phản ứng ôxy hoá alđêhyt thơm bằng KmnO4 trong dung dịch trung tính người ta thấy rằng phản ứng có bậc một đối với alđêhyt cũng như đối với pemanganat, hiệu ứng đồng vị đteri bằng 7, nếu dùng KMn18O4, 18O sẽ xuất hiện trong thành phần phân tử của axit thơm sinh ra, các nhóm thế ở vòng thơm chỉ có ảnh hưởng yếu đến tốc độ phản ứng (ρ = -0,25).

Ta có thể mô tả cơ chế phản ứng ôxy hoá đó bằng sơ đồ sau:

Phản ứng ôxy hoá alđêhyt bằng axit crômic có nhiều nét tương tự phản ứng ôxy hoá alcol cũng bằng tác nhân đó. Cơ chế phản ứng như sau:

Trong trường hợp dùng C6H5CDO người ta thấy hiệu ứng đồng vị bằng 4,3, điều đó chứng tỏ giai đoạn phân cắt liên kết cacbon-hyđrô quyết định tốc độ chung của phản ứng.

Giữa hai phản ứng ôxy hoá alđêhyt và ôxy hoá alcol bằng axit crômic có hai điểm khác nhau đáng kể. Một là, các nhóm thế hút electron xúc tiến sự ôxy hoá alđêhyt (ρ = +1,02) nhưng lại làm giảm nhẹ tốc độ ôxy hoá alcol (ρ = -1,0). Hai là thay thế dung môi

chậm

119

nước bằng axit axetic không làm tăng mạnh tốc độ ôxy hoá alđêhyt như đã thấy khi ôxy hoá alcol.

Khác với anđêhyt, xêtôn tương đối khó bị ôxy hoá bởi pemangant kali và axit crômic. Tuy vậy các xêtôn vòng dẽ dàng bị ôxy hoá thành axit đicacbôxylic. Thí dụ:

O COOH

COOH

Có thể các xêtôn đã tác dụng dưới dạng enol tạo ra este vô cơ trung gian, sau đó este này bị thuỷ phân:

Đáng chú ý là nhóm α-metylen của xêtôn cũng như aldêhyt có thể bị ôxy hoá thành cacbônyl thứ hai nhờ tác dụng của ôxyt selen:

Trong phản ứng trên, tác nhân ôxy hoá trực tiếp có lẽ là axit selenơ: axit này tác dụng với liên kết π của dạng enol theo sơ đồ:

Ôxy hoá tiếp thuỷ phân

CrO3

Hoặc HNO3

Axitađipic

120

5.2.4.2. Ôxy hoá bằng tác nhân hữu cơ:

Những phản ứng ôxy hoá alđêhyt bằng chất hữu cơ còn có thể được coi là phản ứng khử đối với chất hữu cơ đó. Những phản ứng này thường chạy theo cơ chế chuyển dịch iôn hyđrua, mà tiêu biểu hơn cả là phản ứng Cannizarô và phản ứng Tissencô.

a. Khi có tác dụng của một bazơ mạnh như NaOH chẳng hạn các alđêhyt thơm và alđêhyt béo không có nguyên tử π-hyđrô sẽ tham gia phản ứng Cannizarô, trong đó một phân tử alđêhyt bị ôxy hoá thành cacbôxylic tương ứng, còn phân tử alđêhyt bị ôxy hoá thành alcol tương ứng. Trong phản ứng này, thoạt tiên aion HO(-) tác dụng vào nguyên tử cacbon-cacbônyl của một phân tử alđêhyt:

Sau đó aion sinh ra sẽ chuyển iôn hyđrua sang nhóm cacbônyl của phân tử alđêhyt thứ hai:

hoặc

121

Phản ứng trên có bậc một đối với bơ và bậc hai đối với anđêhyt, phản ứng của RCHO trong D2O - kiềm tạo ra alcol không chứa đeteri, điều đó có sự chuyển dịch trực tiếp hyđrô từ phân tử anđêhyt thứ nhất sang phân tử anđêhyt thứ hai.

Phản ứng Cannizarô có thể xảy ra giữa hai nhóm C = O của một phân tử (Thí dụ: C6H5CO – CHO) hoặc giữa hai nhóm C = O của hai phân tử khác hẳn nhau(thí dụ: (CH3O)2C6H3CHO và HCHO2.

b. Tất cả các alđêhyt không có hoặc có α-hyđrô nói chung đều tác dụng được với alkôxyt nhôm, khi ấy một phân tử alđêhyt bị ôxy hoá tạo ra axit cacbôxylic, còn phân tử khác bị khử tạo ra alcol, hai sản phẩm này ở dạng este (Phản ứng Tisenco):

Khi dùng hỗn hợp hai alđêhyt khác nhau ta có thể thu được tới bốn este RCOOCH2R', R'COOCH2R, RCOOCH2R và R'COOCH2R'. Tương tự phản ứng Cannizarô, phản ứng Tisencô chạy theo cơ chế chuyển dịch iôn hyđrua:

5.3. CÁC PHẢN ỨNG KHỬ5.3.1. KHỬ LIÊN KẾT BỘ CACBON – CACBON5.3.1.1. Khử bằng hyđrô trên bề mặt chất xúc tác kim loại

Bất kể có nhóm thế là đẩy electron các liên kết bội cacbon-cacbon đều có thể bị hyđrô hoá trên bề mặt chất xúc tác kim loại. Những chất xúc tác hay dùng là Ni, Pt, Rd, Ru… và CuCr2O4. Khử hoá và đêhyđrô hoá là những quá trình thuận nghịch đối với nhau. Qúa trình hyđrô hoá phát nhiệt (28-33kcal/mowl), còn quá trình đêhyđrô hoá thu nhiệt. Cơ chế của phản ứng hyđrô hoá trên bề mặt chất xúc tác kim loại là một vấn đề phức tạp còn chưa được giải quyết trọn vẹn.

Phản ứng hyđrô hoá luôn luôn xảy ra theo kiểu cis. Vậy các alkyn bị hyđrô hoá tạo thành cis-alken.

122

Các axit đimêtylmalêic và đimêtylfumaric khi bị ôxy hoá tạo ra những đồng phân khác nhau của axit đimêtylsucxinic:

Về khã năng phản ứng, alkyn dễ bị hyđrô hoá hơn alken. Nếu so sánh khã năng phản ứng hyđrô hoá của các liên kết bội cacbon-cacbon với các liên kết bộ khác ta có thứ tự gần đúng như sau:

> dẫn xuất của naphtalen > RC = O > O dẫn xuất của benzen

Vòng benzen khi đã bị hyđrô hoá thường không dừng lại ở giai đoạn cộng một phân tử hyđrô, vì anken dễ bị hyđrô hoá hơn vòng benzen rất nhiều. Thí dụ một mol benzen tác dụng với một mol hyđrô không cho xyclôlexađien hay xyclôhexen mà cho 1/3 mol xyclôhexan. Trong điều kiện như vậy naphtalen bị khử cho ta têtrahyđrônaphtalen (têtralin). Tuy vậy, đối với những hợp chất thơm nhiều vòng ngưng tụ hơn như antraxen, phênantren ta lại dễ dàng cho phản ứng dừng ở giai đoạn cộng hyđrô vào hai nguyên tử 9, 10 vì những vị trí này hoạt động hơn cả:

123

5.3.1.2. Khử bằng các tác nhân khác:Các alken -1 dễ dàng bị khử bởi hyđrua nhôm tạo thành alken:

Điboran cũng khử được alken tương tự như vậy

Tốc độ cộng điboran vào anken sẽ giảm khi số nhóm alkyl ở nối đôi tăng lên. Khi dùng điboran để khử alkyl ta được cis.alken.

Trái lại nếu dùng chất khử là natri trong amôniac lỏng ta sẽ được trans-Anken:

2Na2 2

CH R

RCH

2NH C = C RCH C = CCH R C = C

RCH

CH R-2NaNH

2 H

H

22

2

( )+

( )-

( )-

( )+

Na

Na2

Dùng natri-amôniac để khử vòng thơm ta được sản phẩm cộng 1,4 là xyclôhexađien không liên hợp:

124

H H

H H H H HH

H H H H H H

Na NH Na NH3 3Na

(+)

Nd

Các nhóm thế đẩy electron (thí dụ OCH3) trong vòng benzen định hướng phản ứng tạo ra dẫn xuất 2,5 – đihiđrô, trong khi đó các nhóm thế hút electron (thí dụ COOH) lại định hướng tạo ra dẫn xuất 1,4-đihyđrô:

OCH OCH COOH H COOHH

H H

HH H

3 3

Naphtalen bị hyđrô hoá bởi natri-êtanol trước tiên cho ta 1,4-đihyđrônaphtalen nhưng chất này không bền, nó chuyển hoá ngay thành 1,2- đihyđrônaphtalen (cả hai phản ứng đều toả nhiệt)

Naptalen 1,4-§ ihy®r«- 1,2 -§ ihi®r«

Naptalen Naptalen

NaC HOH6 5

5.3.2 KHỬ ALĐEHYT VÀ XÊTÔN:5.3.2.1. Khử thành alcol:

Alđêhyt và xêtôn nói chung dễ bị khử thành alcol bậc một và bậc hai. Các chất khử có thể là: natri trong rượu, hyđrô trên niken Ranây, hyđrua litinhôm, hyđrua natribo…

a. Khử bằng LiAlH4 và NaBH4:Về thực chất các phản ứng này là phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbônyl:

Các hyđrua kim loại như LiAlH4 thường không khử liên kết bội cacbon – cacbon vì thế chúng có thể khử chọn lọc nhóm C = O của hợp chất cacbônyl chưa no.

Thí dụ:

Tuy vậy ở điều kiện nhiệt độ phòng phản ứng khử trên tạo ra alcol no C6H5CH2CH2CH2OH.

125

Dùng NaBH4 làm chất khử có ưu điểm là tính chọn lựa cao và có thể thực hiện phản ứng trong môi trường nước. NaBH4 không khử các nhóm C = C, COOH, COOR…9về tính khử chọn lựa, xem bảng XV-3)

b. Khử bằng izôproopylat nhôm:Một số alcolat kim loại, đặc biệt là izôprôpylat nhôm có khã năng khử alđêhyt và

xêtôn thành alcol tương ứng theo một quá trình thuận nghịch.

Qúa trình thuận, dùng để khử hợp chất cacbôny, được gọi là phản ứng Mecvai-Pondoo-Veclây, còn quá trình nghịch, dùng để ôxy hoá alcol, được gọi là phản ứng Openaoơ.

Bản chất của các phản ứng trên là quá trình chuyển dịch ion hyđrua từ alcolat nhôm sang nhôm cacbônyl qua một trạng thái chuyển tiếp vòng:

Dẫn chứng về sự chuyển dịch ion hyđrua là khi dùng izôprôpylat nhôm có chứa - đơteri RR’CDOH.

Khi khử bằng izôprôpylat nhôm người ta chưng cất cho axêtôn thoát ra khỏi môi trường phản ứng và cân bằng về bên phải. Trái lại khi muốn ôxy hoá alcol người ta dùng dư axêtôn và dùng t-butylat nhôm làm xúc tác, vì chất này không còn - hyđrô để có thể khử axêtôn mà chỉ có thể chuyển alcol cần oxy hoá thành alcolat tương ứng.

5.3.2.2. Khử thành hyđrôcacbon no:

Có một số phương pháp khử nhóm C = O thành nhóm CH2, quan trọng nhất là

phương pháp Kizne – Vônfơ và phương pháp clemmenxen.Trong phương pháp clemmenxen người ta đun nóng alđêhyt hoặc xêtôn hỗn hợp

kẽm trong axit clohyđric đậm đặc. Cơ chế của phản ứng còn chưa rõ ràng, chỉ biết rằng sản phẩm trung gian không phải là một alcol vì chất này không bị khử thành hyđrôcacbon trong điều kiện nói trên.

Nếu trong phân tử anđêhyt và xêtôn có những nhóm thế không bền trong môi trường axit, thì tốt nhất nên dùng phương pháp Kizne – Vônfơ. Theo phương pháp này

126

hợp chất cacbonyl được chuyển thành hyđrazô tương ứng, rồi đun hyđrazon với kiềm đặc hoặc êtylat natri:

Cơ chế của giai đoạn chuyển hoá hyđrazon thành hyđrôcacbon có thể được mô tả bằng sơ đồ sau:

Phương pháp Kizne – Vônfơ được Hoàng Minh Long cải tiến bằng cách đun trực tiếp hợp chất cacbônyl với hyđrazin và kiềm trong êtylenglycol dưới áp suất thường (vì thế có tên gọi phương pháp Hoàng Minh Long). Cram lại cải tiến thêm bằng cách dùng i-butoxyt kali làm bazơ và đimêtylsunfôxyt làm tăng dung môi, do đó có thể thực hiện phản ứng ngay ở nhiệt độ phòng mà hiệu suất đạt được vẫn cao.

5.3.3. KHỬ AXIT CACBOXYLIC VÀ CÁC DẪN XUẤT CỦA CHÚNG:

Axit cacbôxylic RCOOH không bị khử bằng các chấ khử thông thường, nhưng lại dễ bị khử bởi LiAlH4, và một vài chất khác tạo thành alcol bậc nhất:

Cơ chế của phản ứng đó có thể như sau:

127

Este dễ bị khử hơn axit cacbonxylic, phản ứng khử este bằng LiAlH4, xảy ra tương tự phản ứng khử alđêhyt và xêtôn.

Ngoài LiAlH4, este còn có thể bị khử bởi một số chất khác như hyđrô trên cromit đồng, natri trong êtanol…

Phương pháp khử este thành alcol bằng natri trong êtanol được gọi là phương pháp Buvô-Blăng. Trước khi tìm ra LiAlH4, phương pháp Buvô-Blăng được dùng rất phổ biến.

Clorua và anhyđrit axit cũng dễ bị khử bởi LiAlH4, thành alcol bậc nhất:

Clorua axit có thể bị khử bởi hyđrô trên chất xúc tác Pd tạo thành alcol, qua chất trung gian là alđêhyt:

Để ngăn cản giai đoạn chuyển alđêhyt thành alcol người ta dùng BaSO4 làm chất độc đối với Pd (phương pháp khử Rôzenmun):

Muốn khử clorua axit thành alđêhyt ta còn có thể dùng các chất khử là liti hyđrua hoặc tri-t-butôxy nhôm hyđrua. Trong trường hợp dùng chất khử là hỗn hợp natri trong ête ta sẽ được este của enđiol:

128

Khã năng phản ứng của một số nhóm chức đối với các chất khử khác nhau:

Phản ứng Hyđrô hoá có xúc tác

LiAlH4

trong êteB2H6

trong THF

NaBH4

trong etanol

NaBH4 + AlCl3 trong điglime

RCH = CHR RCH2CH2RTCHO RCH2OHRCOR RCHOHR RCHORCOCl RCH2OHRCOOR’ RCH2OH + R’OHRCOOH RCH2OHRCOO(-) RCH2OH

+++

+

+--

-++

+

+++

+++

-

+-

-++

+

---

+++

+

+++

THF: têtrahyđrôfuran, điglime: (CH3OCH2CH2)2O

5.3.4. KHỬ CÁC HỢP CHẤT CHỨA NITƠ:Sự khử các hợp chất chứa nhôm –C ≡ N, - C = N – và – CONH2… nói chung

tương tự sự khử hợp chất cacbônyl, sản phẩm sinh ra thường là amin. Thí dụ các ôxim bị khử bằng LiAlH4 thành amin bậc nhất:

Phản ứng khử ôxim chạy chậm hơn phản ứng khử xêtôn. Amit bị khử bởi LiAlH4(NaBH4 không có tác dụng) tương tự este. Cơ chế phản ứng khử đó như sau:

129

Amit, ôxim cũng như nitrin đều có thể bị khử bằng hyđrô nhờ chất xúc tác kim loại.

Các hợp chất nitrô và những dẫn xuất thế của chúng rất dễ bị khử bằng nhiều tác nhân khác nhau. Sự khử trong môi trường axit hoặc khử bằng hyđrô trên chất xúc tác kim loại thường cho ta hợp chất aminô:

Sự khử nhóm nitrô trong môi trường kiềm phức tạp hơn nhiều vì có những phản ứng ngưng tụ giữa các sản phẩm khử khác nhau:

RNO RNO RNHOH 2

ChÊt khö, kiÒm

Hî p chÊt nitr«

Hî p chÊt Hî p chÊt Amin nitr«z« hy®r«xyamino

RNO RNO

RN - NR RN - NHR

OH OH OH

- H O2 2

- H O

RN = NR RN = NR

Hî p chÊt az«

O

Hî p chÊt az«xy RNHNHR

Hî p chÊtHy®r«z«

Tuy sự khử hợp chất nitrô phức tạp như vậy, nhưng nếu chọn các chất khử thích hợp người ta có thể cho phản ứng ưu tiên dừng lại ở một giai đoạn nhất định nào đó.

Chất khử, axitH2, Pt, Pd hoặc Ni

RNH2

130

CHƯƠNG 6SỰ CHUYỂN VỊ

Trong những chương trước, chúng ta thường khảo sát các phản ứng của hợp chất hữu cơ trên cơ sở của nguyên tắc biến đổi cực tiểu cấu tạo, nghĩa là thừa nhận rằng trong phản ứng trong phản ứng hoá học chỉ các nhóm chức thay đổi, còn phần gốc hyđrôcacbon vẫn được bảo toàn. Nguyên tắc đó tỏ ra đúng đắn trong rất nhiều trường hợp, và rất bổ ích trong việc xác định cấu trúc phân tử bằng con đường hoá học.

Tuy vậy, ta biết có những trương hợp không theo nguyên tắc biến đổi cực tiểu. Chẳng hạn, có những phản ứng thế, trong đó nhóm thế đi vào phân tử lại không vào chổ vốn có nhóm thế đi ra trước đây, mà lại vào nguyên tử khác thường là ở cạnh đó. Hiện tượng này được gọi là chuyển vị. Hiện tượng chuyển vị rất đa dạng và phong phú. Ta phân biệt ba loại chuyển vị chủ yếu.

a. Chuyển vị 1,2 là loại chuyển vị từ vị trí 1 đến vị trí 2 trong phân tử hợp chất thuộc dãy trọ.

b. Chuyển vị 1,3 từ vị trí 1 đến vị trí 3 trong phân tử hợp chất thuộc dãy chưa no.c. Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm trong dãy thơm.Chương này sẽ nói về sự chuyển vị 1,2 và chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm.

6.1. SỰ CHUYỂN VỊ 1,2 NUCLÊÔPHINNhững quá trình chuyển vị, trong đó nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) chuyển dịch

tới một trung gian đang thiếu hụt electron, mang theo cả cặp electron liên kết, được gọi là chuyển vị nuclêôphin.

R: Nhóm chuyển dịch: A: vị trí chuyển đi B: Vị trí chuyển đến

Hợp chất hữu cơ tham gia chuyển vị có thể là ion hay phân tử. Thường thường vị trí chuyển đi (A) là nguyên tử cacbon, còn vị trí chuyển đến (B) có thể là cacbon, ôxy, nitơ…

131

Nếu R là nguyên tử có chứa cặp electron chưa sử dụng (Z) như halôgen, ôxy, lưu huỳnh, nitơ… sự chuyển vị 1,2 có thể đi qua bước trung gian tạo thành vòng ôni ba cạnh không bền:

Nếu R là nguyên tử cacbon hoặc hyđrô, đặc biệt khi R là nguyên tử cacbon thơm thì sản phẩm trung gian có thể là một ion cầu nối:

132

Vì vậy, trong quá trình chuyển vị thường xảy ra sự quay cấu hình của nguyên tử cacbon ở vị trí chuyển đến cũng như ở vị trí chuyển đi.

Đa số các quá trình chuyển vị 1,2 nuclêôphin đều là chuyển vị nội phân tử, nhóm R không tách ra ở trạng thái tự do mà luôn luôn gắn với các phân tử chất phản ứng theo một cách nào đó. Điều này được chứng minh bằng các thí nghiệm chéo và bằng cách xác nhận sự bảo toàn cấu hình của các nhóm R quang hoạt.

6.1.1 SỰ CHUYỂN VỊ ĐẾN NGUYÊN TỬ CACBON6.1.1.1. Chuyển vị Vanhe – Mecvai:

Trong các quá trình thế và tách nucleophin đơn phân tử cũng như trong quá trình cộng electrôphin vào liên kết bội cacbon – cacbon đều sinh ra cacbôcation. Những cacbôcation đó có thể tham gia chuyển vị, làm cho một nguyên tử hyđrô hoặc nhóm alkyl hay aryl ở vị trí α đối với C(+) chuyển dịch C(+) đến đó. Thí dụ:

Để chứng minh sự chuyển dịch cacbôcation sinh ra từ alcol neôpentylic người ta đã dùng phổ hồng ngoại và phổ CTN để xác định cấu tạo của các alken sinh ra từ (CH3)3CCD2OH. Kết quả cho thấy phản ứng đã sinh ra alken phù hợp với sơ đồ tạo thành cacbôcation trung gian như sau:

chuyển vị

Alcol neôpentylic

Clorua neôpentyl Clorua t-amyl

133

Loại phản ứng làm thay đổi bộ khung cacbon như kiểu trên được gọi là chuyển vị Vanhe-Mecval. Sự chuyển vị đó có thể xảy ra không những ở alcol mà còn ở nhiều loại hợp chất khác như dẫn xuất halôgen, amin, hyđrôcacbon… Thí dụ:

Sự chuyển vị Vanhe-Macvai có tính đặc thù lập thể rõ rệt: điều đó cho thấy rằng cacbôcation trung gian không phải là cacbôcation cầu nối. Thí dụ khi cho tôsylat của các 3 –phênylbutanol -2 tác dụng với axit axêtic ta sẽ được các axêtat tương ứng, với cấu hình lập thể khác nhau, tuỳ theo cấu hình của tôsytal ban đầu:

Tôsylat êrytrô Ion phênôni

Axêtat êrytrô(quang hoạt)

134

6.1.1.2. Chuyển vị pinacol – pinacolon:Thí dụ có tính cách kinh điển nhất về chuyển vị pinacol – pinacôlon là chuyển hoá 2,3

– đimêtylbutanđiol -2,3 (pinacol) trong môi trường axit thành 3,3 –đimêtyl butanon -2 (pinacôlon):

Sự chuyển vị cacbocation I – II có thể xảy ra đối với bất kì hợp chất nào có khả năng tạo ra cacbocation tương tự I. Thí dụ:

Tôsylat êrytrô Ion phênôni

Axêtat êrytrô(quang hoạt)

Pinacôlon

135

Tương tự như trong sự chuyển vị Vanhe-Mecval, cation I sinh ra ttrong sự chuyển vị pinacal-Pinacolon không phải là một cabotion tự do với cấu trúc phẳng, vì xuất phát từ hợp chất quang hoạt với C đã quay cấu hình (quang hoạt). Thí dụ:

Như vậy, nhóm phênyl bị chuyển dịch đã tiến công nguyên tử C từ phía đối lập với phía có nhóm N2

(+) (sinh ra từ nhóm NH2). Trong trường hợp tạo ra cacboncation kinh điển với cấu trúc phẳng thì nhóm C6H5 ắt phải tiến công C từ hai phía với xác suất như nhau và tạo ra sản phẩm raxemic.

Vì nhóm bị chuyển vị mang theo cả cặp electron liên kết như một tác nhân nuclêôphin, cho nên khi có hai nhóm thế, nhóm dễ bị chuyển dịch hơn chính là nhóm có tính đẩy electron mạnh hơn. Thí dụ trong phản ứng dưới đây hầu như chỉ nhóm p-tôlyl chuyển dịch:

136

Trong các pinacol không đối xứng hướng chuyển vị thường được quyết định bởi khã năng tách nhóm OH, tức là bởi độ ổn định tương đối của cacbocation trung gian, vì vậy trong phản ứng dưới đây không phải nhóm p-anyzyl mà chính nhóm phênyl chuyển vị là chủ yếu:

Ngoài ra, hướng chuyển vị còn phụ thuộc vào các yếu tố không gian. Chẳng hạn khã năng chuyển dịch của o – anazyl kém p – anizyl hơn 1500 lần.

6.1.1.3. Chuyển vị Vônfơ:Khi có mặt Ag2O các - điazôxêtôn chuyển vị thành xêten là chất có khã năng

phản ứng rất cao và dễ dàng tác dụng với nước (hoặc alcol) trong môi trường, tạo thành axit cacbôxylic (hoặc este):

Khác với các phản ứng chuyển vị pinacol – pinacolon và Vanhe-Macvai, trong sự chuyển vị Vônfơ nhóm thế R không chuyển dịch đến nguyên tử cacbon mang điện dương của cacbôcation, mà chuyển đến nguyên tử cacbon trung hoà với lớp vỏ electron chưa đủ của một cacbon.

Sự chuyển vị Vônfơ được dùng trong tổng hợp Acnơ – Aixtơ để chuyển hoá một axit cacbôxylic thành đồng đẳng cao kế tiếp, theo sơ đồ sau:

137

Cũng có thể dùng sự chuyển vị vônfơ vào việc chuyển hoá một xêtôn thành đồng đẳng cao hơn hoặc mở rộng vòng xyclôalkanôn. Thí dụ:

Trong những phản ứng đó, hướng cạnh tranh đáng kể là đồng vòng tạo thành ôxyt êtylen.

6.1.1.4. Chuyển vị benzilic:Chuyển vị benzilic hay còn gọi là chuyển vị benzil – axit – benzilic là phản ứng

chuyển hoá - đixêtôn trong môi trường bazơ thành - hyđrôxyaxit. Đơn giản và tiêu biểu nhất là trường hợp chuyển vị benzyl thành axit benzilic (vì thế có tên gọi trên). Phản ứng bắt đầu bằng tương tác giữa bazơ và một nhóm cacbônyl, sau đó nhóm aryl chuyển dịch đến nhóm cacbônyl thứ hai mang theo cả cặp electron liên kết:

Nếu thay NaOH bằng CH3Ona ta sẽ thu được este mêtylic của - Hyđrôxyaxit:

Chú ý rằng không thể dùng các alcolat như C2H5ONa và i-C3H7Ona thay cho CH3Ona được, vì những alcolat đó khử ArCOCOAr thành ArCHOH – COAr. Mặt khác phản ứng không xảy ra khi dùng C6H5Ona, có lẽ vì phênolat có tính bazơ yếu. Sự chuyển benzilic thường chỉ xảy ra ở các - đi xêtôn thơm, bao gồm cả các đixêtôn nội vòng như 9, 10 – phênantrenquinôn. Khi trong vòng bên có nhóm thế hút electron khã năng chuyển dịch nhóm chứa vòng đó giảm đi.

XyclôhexaNôn Xyclôheptanon

- đixetôn

- Hyđrôxyaxit

138

Ngoài các đixêtôn thơm, một số đixêtôn béo và xêtôaxit cũng tham gia chuyển vị benzilic. Thí dụ:

6.1.2. SỰ CHUYỂN VỊ ĐẾN NGUYÊN TỬ NITƠ6.1.2.1. Các phản ứng chuyển vị Hôpman, Cuatiut, Lôtxen, Smit

Đặc điểm chung của các phản ứng chuyển vị này là tạo ra một cacbenôit trung gian và nhóm alkyl hoặc aryl trong cacbenôit đó chuuyển dịch nội phân tử đến nguyên tử nitơ thiếu hụt electron.

Trong sự chuyển vị Hôpman một amit không có nhóm thế chịu tác dụng của hypôbromit kiềm (hoặc kiềm và brôm cũng vậy) chuyển thành izôxyanat là chất có khã năng phản ứng cao, nên bị huỷ phân ngay thành amin bậc nhất kém amit một nguyên tử cacbon.

Trong những điều kiện thích hợp, người ta đã tách riêng được các sản phẩm trung gian N- brômamit, izôxyanant…

Giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng trong sơ đồ trên là tách Br (+) ra khỏi anion brômamit, tuy nhiên rất có thể là sự chuyển dịch nhóm R xảy ra gần như đồng thời với sự tách Br(-), tương tự một phản ứng thế SN2 nội phân tử. Như vậy, ta có thể dự đoán rằng tốc độ phản ứng sẽ càng lớn nếu tính chất nhường electron của R càng mạnh. Điều dự đoán này đã được các kết quả thực nghiệm xác nhận, khi đo tốc độ phản ứng của các benzamit có chứa những nhóm thế khác nhau trong vòng benzen.

Sự chuyển vị Hôpman có thể áp dụng tốt cho amit của các axit béo cũng như axit thơm. Thí dụ:

Axit xêtôpinic Axit xitric

Amit N - Brômamit

Amin Axit cacbomic Izôxyanot

139

Sự chuyển vị Cuatiut xảy ra khi phân tích bằng nhiệt azit của axit cacbôxylic tạo ra izôxyanat, rồi izôxyanat lại chuyển hoá thành sản phẩm bền.

Chất azit khởi đầu có thể điều chế từ clorua axit và aziđua natri, hoặc bằng cách cho axit nitơ tác dụng với hyđazit của axit.

Nếu sự chuyển vị được tiến hành trong dung môi trơ (Thí dụ: benzen) ta có thể cho phản ứng dùng ở sản phẩm Izôxyanat, nhưng nếu thực hiện trong dung môi có hyđrô linh động ta sẽ được sản phẩm chuyển hoá Izôxyanat đó (thường là amin). Thí dụ:

Trong sự chuyển vị Lôtxen muối của axit hyđrôxamict hoặc hợp chất tương tự bị phân tích trong môi trường kiềm thành izôxyanat, tương tự như trong phản ứng Hôpman:

Azit Izôxyanat

Clorua izôvalêryl

Izôbutylamin 70%

140

Trong thực tế người ta thường không tực hiện sự chuyển vị Lôtxen với các axit hyđrôxamit tự do, mà với các dẫn xuất O-axyl của chúng (RCÔNHAc), vì như vây đạt được hiệu suất cao hơn. Cơ chế phản ứng trong trường hợp đó vẫn không thay đổi, chỉ khác ở chỗ gion bị tách không phải là HO(-) mà là ArO(-).

Cũng như phản ứng Hôpman, phản ứng Lôtxen được xúc tiến khi nhóm thế trong gốc phênyl chuyển dịch có tính đẩy electron, trái lại các nhóm thế hút electron làm cho phản ứng chậm lại. Ngoài ra, tốc độ của phản ứng Lôtxen còn phụ thuộc vào bản chất nhóm thế trong vòng benzen ở nhóm bị tách Oac theo một quy luật ngược lại: nhóm thế hút electron làm tăng tốc độ, còn nhóm đẩy electron làm giảm. Những dữ kiện đó là bằng chứng xác nhận thêm rằng giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là tách nhóm Oac ở dạng AcO(-).

Sự chuyển vị Smit là một biến dạng của các chuyển vị Hôpman và Cuatiut. Đó là phản ứng giữa axit cacbôxylic với axit hyđrazôic khi có mặt H2SO4 tạo ra azydua axyl, sau đó azydua axyl tham gia chuyển vị:

Cơ chế phản ứng với axit cacbôxylic như sau:

Giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là tạo ra ion axyli. Các axit béo tham gia phản ứng với hiệu suất tốt nhất khi R mạch dài. Nếu R là aryl, hiệu suất phản ứng biến động, tốt nhất là khi aryl có nhóm thế án ngữ không gian (thí dụ trường hợp axit mêzitôic).

Ngoài axit cacbôxylic, ta còn thấy phản ứng Smit với xêtôn tạo ra amit.Trong trường hợp đó, cơ chế phản ứng tương tự phản ứng Becman (Xem dưới). Ta

có thể mô tả cơ chế đó như sau:

Axit hyđrôxamic Izôxyanat

Cation axyli Axylazit

Izôxyanat

141

Trong phản ứng trên một hoặc cả hai nhóm R có thể là alkyl hoặc aryl. Nói chung các đialkylxêtôn và xêtôn vòng dễ tham gia phản ứng hơn alkyl aryl, xêtôn và điarylxêtôn. Đối với alkyl arylxêtôn, nhóm chuyển dịch thường là aryl, Thí dụ:

6.1.2.2. Sự chuuyển vị Becman:Chuyển vị becman là quá trình chuyển hoá xêtôxim hoặc các dẫn xuất O-axyl của

chúng tạo thành amit thế:

Phản ứng trên được xúc tiến nhờ các tác nhân axit như H2SO4, PCl5, SO3, RSO2Cl BF3, P2O5… Trong những điều kiện thông thường chỉ có một số ít alđôxim tham gia phản ứng, nhưng nếu dùng đúng axit pôlyphôtphoric làm chất xúc tác ta có thể mở rộng diện tích các alđoxim tham gia chuyển vị.

Trong sự chuyển vị becman không có sự trao đổi trực tiếp giữa nhóm R và OH (nhóm OH từ dung môi đi vào sản phẩm). Điều này đã được chứng minh bằng cách cho benzôphênôxim chuyển vị trong H2

18O.

Ta biết rằng ôxim cũng như anilit sinh ra không có khã năng trao đổi oxi với 18O trong H2

18O cho nên sự trao đổi nội phân tử các nhóm R và OH không thể dẫn đến anilit chứa 18O được. Song, trong thí nghiệm trên người ta lại thấy anilit chứa 18O ở nhóm cacbônyl với tỷ lệ 18O/16O như ở nước dùng lúc đầu. Rõ ràng sự chuyển vị đã xảy ra theo cách tách nhóm OH và cộng nước.

Ta có thể mô tả cơ chế của sự chuyển vị Becman bằng sơ đồ sau:

hoặc

142

Theo sơ đồ trên thì sự chuyển vị Becman trong môi trường axit mạnh bắt đầu quá

trình prôtôn hoá oxim, còn khi có mặt clorua axit X-Cl thì tạo ra dẫn xuất axit RR ’C = NOX. Để xác minh sự tạo thành dẫn xuất axyl đó người ta đã điều chế nó và thậm chí cho dẫn xuất đó tham gia chuyển vị trong môi trường trung tính không có tính chất xúc tác. Ngoài ra, người ta còn thấy rằng nếu axit X-OH càng mạnh, tức là nếu XO(-) càng bền thì anion này càng dễ tách ra khỏi phân tử và tốc độ phản ứng càng tăng như sau: CH3COCl < ClCH2COCl < C6H5SO2Cl. Khi tăng độ cực phân của dung môi tốc độ chuyển vị cũng tăng lên C6H6 < C6H5Cl < (CH3)2CO < CH3NO2. Điều đó chứng tỏ ion hoá (tạo ra R’C(+) = NR quyết định tốc độ của phản ứng.

Hiện nay, nó còn khó mà khẳng định rằng trong sự chuyển vị Becman sự phân cắt liên kết N-O và sự chuyển dịch nhóm R có xảy ra đồng thời hay không. Dù cho hai quá trinhg đó không đồng thời thì sự chuyển dịch nhóm R cũng phải diễn ra ngay tức khắc sau khi liên kết N-O bị đứt. Chứng cớ là nhóm R đã tiến công nguyên tử nitơ từ phía đối lập với nhóm OH bị tách, tức là sự chuyển vị xảy ra ưu tiên với nhóm R nào đó ở vị trí anti với nhóm OH.

Để chứng minh quy luật trên về hoá lập thể của phản ứng người ta xác định cấu hình của sản phẩm chuyển vị xuất phát từ hai đồng phân hình học của một xêtôxim không đối xứng. Kết quả cho thấy rằng chỉ nhóm R nào anti đối với nhóm OH mới bị chuyển dịch:

143

Để chứng minh đặc tính nội phân tử của sự chuyển vị người ta tiến hành chuyển vị đồng thời hỗn hợp hai ôxim có nhóm thế khác nhau và thấy không tạo ra sản phẩm chuyển vị chéo.

Sự chuyển vị Becman được dùng trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt trong việc tổng hợp -caprôlactam để sản xuất pôlycaprôlactam (capron hay peclon):

6.1.3. SỰ CHUYỂN VỊ ĐẾN NGUYÊN TỬ ÔXY:6.1.3.1. Chuyển vị Baiơ- Viligiơ:

Trong phản ứng Baiơ-Viligiơ, xêtôn chịu tác dụng của peaxit chuyển thành este:

Ta có thể mô tả cơ chế phản ứng đó như sau:

Xyclohexanon Xyclôhexanôxim Caprôlactom

Xêtôn Este

144

Để chứng minh rằng nguyên tử ôxy – cacbônyl của este chính là nguyên tử ôxy của xêtôn ban đầu, người ta cho benzôphênol chứa C = 18O tác dụng với axit pebenzôic, kết quả là thu được benzôat phênyl cũng chứa nhóm C = 18O

Khi dùng -phênylêtyl cũng quang hoạt:

Điều đó chứng tỏ nhóm C6H5CHCH3 bị chuyển dịch vẫn giữ nguyên cấu hình và

phản ứng chuyển vị có đặc tính nội phân tử. Dữ kiện trên cũng cho thấy rằng nhóm -

phênylêtyl dễ chuyển dịch hơn nhóm mêtyl. Nói chung đối với các xêtôn không đối xứng

khã năng chuyển vị của các gốc R tăng theo thứ tự: mêtyl < alkyl bậc I < alkyl bậc II <

alkyl bậc III.

Các -đixêtôn có khã năng enol hoá không thể bị ôxy hoá theo Baiơ-Viligiơ được,

nhưng -đixêtôn có thể bị ôxy hoá thành anhyđrit axit:

Xêtôn

Este

Quang hoạt Quang hoạt

145

6.1.3.2. Chuyển vị Hyđrôpeôxit:

Khi phân hủy nhiều hợp chất peôxyt khác nhau người ta thấy có hiện tượng chuyển

vị tương tự chuyển vị Bai-Viligiơ.

Thí dụ có ý nghĩa thực tiển là phân hủy hyđrôpeôxyt cumyl (điều chế từ izôprôpylbenzen bằng cách ôxy hóa bởi ôxy). Cơ chế phản ứng như sau:

Giai đoạn cuối cùng ở sơ đồ trên là giai đoạn thủy phân sêmiaxêtal.Phản ứng ôxy hóa một dẫn xuất hyđrôxy hoặc dẫn xuất aminô của benzal-đêhyt

nhờ pcôxyt hyđrô thay thế nhóm CHO bằng nhóm OH cũng là một trường hợp của chuyển vị pêôxyt.

6.2. CÁC KIỂU CHUYỂN VỊ 1,2 ELECTRÔPHIN VÀ ĐỒNG LY6.2.1. Sự chuyển vị 1,2 electrôphin:

Ta gọi chuyển vị electrôphin là những quá trình chuyển vị trong đó, nhóm chuyển dịch (R) ở dạng electrôphin, không mang theo cặp electron liên kết. Nhóm chuyển dịch đó sẽ tạo nên liên kết mới bằng cách phối trí với cặp electron chưa sử dụng ở trung tâm chuyển đến (B), trong khi đó cặp electron ở lại trung tâm chuyển đi (A) sẽ kết hợp với prôton. Thường thường phản ứng bắt đầu bằng một quá trình tách prôton ra khỏi trung tâm B nhờ tác dụng của bazơ.

Bazơ-Viligiơ

Hyđrôpeôxyt cumyl

146

Sự chuyển vị 1,2 electrôphin có thể tạo ra sản phẩm bền hoặc ít bền, để rồi lại chuyển hóa tiếp thành sản phẩm bền hơn. Dưới đây sẽ trình bày một vài phản ứng chuyển vị electrôphin quan trọng.

6.2.1.1. Chuyển vị Xtêven:Sự chuyển vị nhóm alkyl hoặc aryl từ nguyên tử nitơ (hoặc lưu huỳnh) của nhóm

amôni (hoặc sunfôni) sang nguyên tử cacbon bên cạnh gọi là sự chuyển vị Xtêven:

Nhóm thế Z thường là những nhóm hút electron như R'CO, R'OOC… còn nhóm chuyển dịch R thường là alyl, benzyl, 9-fluorenyl, 3-phênylprôpacgyl,…Ta có thể hình dung cơ chế của sự chuyển vị Xtêven qua thí dụ sau:

Như vậy là trong phản ứng sinh ra một ylit trung gian. Đặc tính nội phân tử của sự chuyển vị Xtêven được xác nhận bằng phép thí nghiệm chéo (không thấy có sự chuyển vị chéo) và dùng nguyên tử đánh dấu 14C. Thí dụ khi thực hiện chuyển vị riêng rẽ hai chất:

Ta lần lượt được hai sản phẩm

Nếu cho chuyển vị hỗn hợp hai hợp chất amôni ở trên ta cũng chỉ được hai sản phẩm đó chứ không được sản phẩm chuyển vị chéo:

và

và

và

147

Các nhóm thế ở vị trí mêta và para trong nhóm benzyl có ảnh hưởng nhất định đến tốc độ chuyển vị: nhóm hút electron xúc tiến phản ứng, còn nhóm đẩy electron thì kìm hãm.

Ảnh hưởng của các nhóm thế ở gốc phênaxyl ArCOCH2 có phần yếu hơn: đáng cú ý là những nhóm thế hút electron lại làm giảm tốc độ phản ứng.

Về phương diện hóa lập thể của sự chuyển vị Xtêven, người ta thấy rằng nhóm chuyển dịch vẫn giữu nguyên cấu hình sau phản ứng.Thí dụ:

6.1.2.1.2. Chuyển vị VitticSự chuyển ở một êtê làm đứt liên kết C-O và hình thành liên kết C-C được gọi là

chuyển vị Vittic. Để thực hiện quá trình này, người ta phải dùng những bazơ mạnh như phênyl liti, amiđua natri…Thí dụ:

Khảo sát khã năng chuyển dịch của gốc R trong các 9 fluorenyl ête khác nhau, người ta thấy có trật tự sau: alyl, benzyl > mêtyl, êtyl > phênyl.

Đáng chú ý là khi nhóm chuyển dịch có trung tâm bất đối như trong trường hợp dưới đây, thì sau phản ứng người ta thấy có sự razêmic hóa một phần cùng với sự giữ nguyên cấu hình:

Quang hoạt Các đồng phân đia

Quang hoạt Một phần raxêmic hoá: Một phần giữa nguyên cấu hình

148

Sự raxêmic hóa một phần cho thấy rằng có thể còn có một cơ chế chuyển vị khác nữa xảy ra song song với cơ chế nêu trên.

6.2.2. SỰ CHUYỂN VỊ 1,2 ĐỒNG LYSự chuyển vị 1,2 đồng ly kém phổ biến rất nhiều so với những sự chuyển vị 1,2 dị ly. Tương tự như sự chuyển vị ở một cacbôcation, ta có thể khái quát hóa sự chuyển vị ở một gốc tự do bằng sơ đồ:

Gốc tự do mới sinh ra phải tự bền vững hóa bằng các phản ứng tiếp theo. Hướng chuyển vị là tạo ra gốc tự do tương đối bền hơn như đã nêu.

6.2.2.1. Chuyển vị aryl 1,2:Loại chuyển vị gốc tự do tương đối phổ biến hơn cả là chuyển vị nhóm aryl từ vị trí 1 sang vị trí 2. Thí dụ: khi có mặt chất khơi mào pêôxyt đi-t-butyl alđêhyt -phênyllizôvalêric trong clobenzen sẽ bị phân huỷ đồng thời làm chuyển dịch nhóm phênyl:

Khơi mào:

Chuyển vị:

Phản ứng:

149

Thực nghiệm cho thấy rằng trong phản ứng trên sinh ra hai sản phẩm (C) và (D) với tỷ lệ 1:1, đạt hiệu suất chung ~70%.

Ta nhận thấy ở giai đoạn chuyển vị nhóm phênyl chuyển dịch chứ không phải nhóm mêtyl. Điều này cho phép nghĩ rằng trong phản ứng đã tạo ra một gốc trung gian cầu nối, tương tự như cacbôcation cầu nối.

Bền vững hoá:

hoặc:

150

Có lẽ gốc trung gian này được hình thành sau khi đã tạo ra gốc (A) vì như trên đã thấy trong phản ứng sinh ra sản phẩm tương ứng với (A) là (D), và trong một số trường hợp còn thu được cả sản phẩm đime hóa gốc (A) đó.6.2.2.2. Chuyển vị halôgen 1,2:

Gần đây sự chuyển vị nguyên tử halôgen từ vị trí 1 sang vị trí 2 bên cạnh cũng đã được chú ý. Thí dụ khi clo hóa brômua izôprôpyl bằng t-C4H9Ocl người ta được một hỗn hợp sản phẩm gồm CH3CClCH2Br và (CH3)2CClBr:

Sự tạo thành CH3CClCH2Br cho thấy sự chuyển vị gốc tự do trung gian theo sơ đồ:

Lẽ tất nhiên, hướng chính của phản ứng là tạo ra gốc tự do ở nguyên tử cacbon bậc hai (CH3)2CBr, vì gốc này bền hợp gốc bậc nhất tham gia chuyển vị ở trên. Do đó 2-brom-2-cloprôpan chiếm tỷ lệ cao hơn 1-brom-2-cloprôpan:

6.3. SỰ CHUYỂN VỊ TỪ NHÓM THẾ VÀO VÒNG THƠM:Phần lớn những phản ứng chuyển vị vào vòng thơm là những phản ứng làm

chuyển dịch một nhóm X từ dị nguyên tử Z vào vị trí octô hoặc para của vòng:

151

Ở đây Z = O khi X = alkyl, aryl…; Z = N khi X = alkyl, halôgen, hyđrôxy, nitrô, nitrôzô, azô, sunfô…

Hầu hết các phản ứng chuyển vị trên được xúc tác bằng axit và sự tấn công của nhóm X vào vòng thơm có tính cách một phản ứng thế electrôphin. Ta gọi đó là phản ứng chuyển vị electrôphin vào vòng thơm.

Những phản ứng chuyển vị nuclêôphin vào vòng thơm (thí dụ chuyển vị nhóm OH ở phênylhyđrôxylamin) tương đối ít gặp.

6.3.4. SỰ CHUYỂN VỊ TỪ NGUYÊN TỬ ÔXY VÀO VÒNG THƠM:6.3.1.1. Chuyển vị Frai:

Khi có tác dụng của axit Liuyt (AlCl3, ZnCl2, FeCl3.) nhóm axyl trong este của phênyl chuyển dịch vào các vị trí octô và para của vòng:

R là alkyl hoặc alyl.Các kết quả thí nghiệm chéo cho thấy rằng chuyển vị Frai có tính cách liên phân

tử. Tuy vậy, cơ chế của sự chuyển vị này chưa được xác định hoàn toàn đầy đủ, người ta cho rằng quá trình chuyển vị Frai tương tự quá trình axyl hóa theo Friden-Crap. Dưới tác dụng của chất xúc tác, este tạo ra cation axyli RC(-) = 0, cation này sẽ tiến công các vị trí octô và para của vòng thơm:

152

Do tính chất electrôphin của quá trình chuyển vị nên khi trong vòng có nhóm thế đẩy electron, phản ứng sẽ trở nên dễ dàng hơn.

Phản ứng Frai luôn luôn tạo ra một hỗn hợp hai sản phẩm đồng phân, nhiệt độ thấp là điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành đồng phân para. Thí dụ:

Lẽ tất nhiên khi vị trí para đã bị chiếm thì chỉ tạo thành sản phẩm octô. Thí dụ:

6.3.1.2. Chuyển vị Claizen:Khi đun nóng alyl aryl ête sẽ chuyển thành octô-alylphênol theo một phản ứng gọi

là chuyển vị claizen. Thí dụ:

Nghiên cứu sự chuyển vị alylphênyl ête có đánh dấu bằng 14C hoặc có nhóm thế vị trí para, người ta đã đề nghị một cơ chế nội phân tử như sau:

153

Để chứng minh rằng trong phản ứng có hình thành đienôn trung gian I người ta đã cho thêm anhyđrit malêic vào môi trường phản ứng và thấy có xảy ra phản ứng Đixơ-đo giữa đienôn và anhyđrit đó. Hơn nữa, trong một số trường hợp người ta còn điều chế được đienôn với hiệu suất định lượng. Thí dụ:

Để chứng minh cơ chế nội phân tử của sự chuyển vị người ta tiến hành phản ứng chéo với hỗn hợp hai ête I và II. Nếu phản ứng xảy ra theo cơ chế nội phân tử thì chỉ sinh ra hai sản phẩm III và IV; trái lại nếu phản ứng xảy ra qua giai đoạn tạo thành thì ngoài các sản phẩm III và IV còn tạo ra V và VI. Thực tế không tìm thấy V và VI.

Trong trường hợp các vị trí octô đã bị chiếm nhóm alyl của êtê sẽ chuyển dịch đến vị trí para. Người ta gọi đó là sự chuyển vị para-Claizen. Nếu tất cả các vị trí octô và para đều bị chiếm thì khi đun nóng không xảy ra sự chuyển vị nào cả.

Rất có thể sự chuyển vị para-Claizen cũng phải qua bước chuyển vị octô, sau đó mới xảy ra sự chuyển vị tiếp đến vị trí para:

154

Để chứng minh cơ chế chuyển vị hai lần nói trên, người ta đã dùng alyl 2,6-ddialyl-phênyl êtê có đánh dấu bằng 14C ở vị trí của một nhóm octô-alyl; sau khi chuyển vị người ta được 2,4,6-trialylphênol trong đó nguyên tử 14C phẩm hoặc ở vị trí của nhóm p-alyl hoặc ở vị trí của nhóm o-alyl.

Nếu như nhóm alyl chuyển dịch trực tiếp từ nguyên tử ôxy đến vị trí para thì đã không sinh ra sản phẩm có 14C ở p-alyl.

6.3.2. SỰ CHUYỂN VỊ TỪ NGUYÊN TỬ NITƠ VÀO VÒNG THƠM.6.3.2.1. Chuyển vị nhóm alkyl:

Khi đun nóng các muối halôgenhyđrat của alkyl sẽ chuyển dịch đến vị trí octô hoặc para của nhân thơm. Thí dụ:

Có lẽ phản ứng bắt đầu bằng một quá trình thế nucleôphin để tách dẫn xuất halôgen Rhal ra khỏi muối halôgenhyđrat, sau đó Rhal sẽ tác dụng với nhân thơm theo cơ chế thế electrôphin. Thí dụ:

hoặc

hoặc

155

Phù hợp với cơ chế trên, trong một số trường hợp người ta đã tách được Rhal trung gian, và khi thay đổi Hal(-) tỷ lệ các sản phẩm o/p cũng thay đổi.

Đáng chú ý là phân tử chuyển vị nhóm alkyl như trên có thể xảy ra khi đun amin tự do với CoCl2. Khi ấy phản ứng mang tên Râyli-Hickinbôttơm. Cơ chế của sự chuyển vị Râyli-Hickibôttơm chưa rõ ràng.

6.3.2.2. Chuyển vị nguyên tử HalogenSự chuyển vị nguyên tử Halogen từ nguyên tử Nitơ vào vòng Benzen gọi là chuyển

vị Octơn. Thí dụ: Khi đun N-Cloaxêtanilit trong axit axêtic hoặc nước có clorua hyđrô ta được o- và p- cloaxêtanilit.

Người ta cho rằng trong phản ứng trên clorua hyđrô đã tác dụng với cloaxêtanilit sinh ra axêtanilit và clo, sau đó clo tác dụng với vòng thơm của axêtanilit theo cơ chế electrôphin:

Tốc độ của phản ứng trên tuân theo phương trình: v~ [cloaxêtanilit] [H(+)] [Cl(+)].

Nếu thay HCl bằng HBr ta sẽ thu được o- và p- brômaxêtanilit. Những dữ kiện đó chỉ có thể giải thích được dựa trên cơ chế đã nêu cụ thể là theo sơ đồ sau:

Như vậy sự chuyển vị Octơn thuộc loại chuyển vị liên phân tử

6.3.2.3. Chuyển vị nhóm arrylazô:Thí dụ tiêu biểu về chuyển vị nhóm arrylazô là phản ứng chuyển hóa

điazôaminôbenzen thành p-aminôazôbenzen:

Trong trường hợp vị trí para đã bị chiếm nhóm arylazô sẽ chuyển dịch đến vị trí octô. Thí dụ:

156

Nếu thay p-CH3C6H4NH2 bằng C6H5NH2 trong phản ứng trên ta sẽ được 4-mêtyl-4'-aminôazôbenzen. Điều này cho thấy phản ứng chuyển vị nhóm arylazô thuộc loại chuyển vị liên phân tử.

Nghiên cứu động học của phản ứng người ta đã xác định được tốc độ chuyển hóa của điazôaminôbenzen tỷ lệ với nồng độ của anilinclohyđrat; nếu lấy muối của amin với axit khác thay cho anilinclohyđrat thì tốc độ phản ứng phụ thuộc lực của axit đó. Điều này cho phép ta giả thiết rằng chính axit tự do đã tham gia vào quá trình chuyển vị. Đáng chú ý nữa là phản ứng của clorua phênylđiazôni với anilin có thể xảy ra theo hai hướng khác nhau tùy theo pH của môi trường:

Dựa trên các dữ kiện thực nghiệm ở trên người ta cho rằng sự chuyển vị nhóm arylazô xảy ra qua hai giai đoạn tạo thành ion arylđiazôni và amin tự do, sau đó ion aryđiazôni sẽ tác dụng vào nhân thơm của amin theo cơ chế electrophin:

6.3.2.4. Chuyển vị nhóm nitrôzô (Chuyển vị Fisơ – Hep)Khi có mặt axit clohyđric, nhóm nitrzô của nitrôzamin thơm sẽ chuyển dịch vào

nhân thơm. Thí dụ:

Cơ chế chuyển vị Fisơ-Hep tương tự cơ chế chuyển vị Octơn. Dưới tác dụng của

axit, nitrôzamin bị phân tích thành amin và clcorua nitrozyl (NOCl) hoặc ion nitrôzôni;

sau đó là quá trình nitrôzô hoá nhân thơm theo cơ chế electrôphin:

pH lớn hơn

pH nhỏ hơn

và

157

Có nhiều dữ kiện thực nghiệm xác nhận cơ chế chuyển vị giữa các phân tử vừa

nêu. Chẳng hạn, khi cho vào hỗn hợp phản ứng muối nitri natri 9muối này sẽ tạo ra NO

hoặc NOCl). Hiệu suất phản ứng chuyển vị sẽ tăng; trái lại nếu cho thêm rê (chất này dễ

kết hợp với NO và NOCl) ta sẽ không thu được dẫn xuất nitrôzô mà chỉ được amin bậc

hai.

6.3.2.5. Chuyển vị benziđin:

Khi cho axit mạnh tác dụng lên hyđrazôbenzen sẽ xảy ra sự chuyển vị làm đứt liên

kết nitơ – nitơ và hình thành ln kết cacbon – cacbon tạo ra benziđin (4,4 –

điaminôbiphênyl):

Trong phản ứng chuyển vị của hyđaôbenzen ngoài benziđin là sản phẩm của sự tổ

hợp o,p’ (chiếm ~ 30%) và lượng rất nhỏ các sản phẩm tổ hợp khác.

Nếu cả hai vị trí para trong phân tử hyđrazobenzen ban đầu đều đã bị chiếm cả bởi

các nhóm thế. Còn nếu chỉ có một vị trí para bị chiếm thì phản ứng có thể tạo ra các dẫn

xuất thế của điphênylin, p-xemiđin và o-xêmiđin.

Vấn đề cơ chế của sự chuyển vị benziđin là vấn đề phức tạp được nhiều người

quan tâm từ đầu thế kỷ này.

Hyđrôzôbenzen Benziđin

Điphenylin 0-Benziđin p-Xemidin o-Xemidin

158

Khi cho hỗn hợp hai hyđrazôbezen cùng chuyển vị người ta không thu được sản

phẩm chéo, điều đó cho thấy sự chuyển vị xảy ra theo kiểu nội phân tử. Khảo sát động

học cho thấy rằng phản ứng chuyển vị thường có bậc hai đối với H (+), và khi thay hyđrô ở

vị trí para của hyđrazobenzen bằng đơtêri, tốc độ nói chung không thay đổi. Như vậy giai

đoạn phân cắt liên kết C – H không quyết định tốc độ chung của phản ứng và tiểu phân

trực tiếp tham gia phản ứng là hyđrazôbenzen đã prôton hoá hai lần ArNH3 - NH2Ar.

Rất có thể cơ chế chuyển vị benziđin như sau:

Theo cơ chế trên thì phản ứng bắt đầu bằng quá trình prôton hoá hai nguyên tử nitơ

của hyđrazôbenzen tạo thành đication. Điều này đã được mọi người thừa nhận. Tuy vậy,

các chi tiết về những giai đoạn tiếp theo, nhất là về cấu tạo của trạng thái chuyển tiếp còn

chưa được trả lời đầy đủ và thống nhất. Điều này chắc chắn là trong môi trường phản ứng

phải sinh ra đication của benziđin như một sản phẩm trung gian.

(+) (+)

159

MỤC LỤC

Chương 1: Cách đưa nhóm chức vào phân tử chất hữu cơ và sự chuyển hoá giũa

chúng………………………………………………………………………………Trang 1

Chương 2: Sự phân cắt và tạo thành liên kết Cacbon – Cacbon…………………Trang 28

Chương 3: Phương pháp đóng và mở vòng………………………………………Trang 52

Chương 4: Bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ…………………………...Trang 80

Chương 5: Sự ôxy hoá - khử……………………………………………………Trang 105

Chương 6: Sự chuyển vị…………………………………………………………Trang 131

160