Chuyen de Tong Hop Huu Co [PDF]

Zitiervorschau

GS.TS.NGND. ĐÀO HÙNG CƯỜNG

CHUYÊN ĐỀ TỔNG HỢP HỮU CƠ

2011

1

CHƯƠNG I CÁCH 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 HYĐRÔCACBON 1.1.1. 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: C

H + X2

250-4000c hoặc chiếu sáng

C

X + HX

Phản ứng xảy ra theo cơ chế gốc (S R) là thường tạo thành hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau. Khả năng phản ứng của tác nhân halogen X 2: 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: N2

CH2N2 C

hoặc

H

Tia cực tím

C

CH2 - H +

hoặc CO

CH2 = C = O

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: CH2 +

C

H

C

A CH2

2

C

CH2 - H

2. Cơ chế tách - cộng hợp: CH2 +

C

H

C

+ CH3

C

CH3

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 CH2 + HNO3

0 470 C

CH3 - NO2 + H2O

Phản ứng xãy ra thường kèm với oxi hoá ankan tạo thành CO 2 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: CH3CH2CH2NO2 + CH3 - CH - CH3 CH3CH2CH3

0 HNO3, 425 C

NO2 CH3CH2NO2

+ CH3NO2

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: R - H + HO - SO3H

R - SO3H + H2O

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: R - H

SO2, Cl2, t0C

R - SO2Cl + HCl

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

CH3

CH3 C

H3C +

H

KMnO4

H3C

C CH3

CH3 B2O3, không khí

R - CH3

OH

R - CH2 - OH

0

Không khí, 600 C, NO

CH4

H - CHO

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: C = C

+ XY

C

C

X

Y

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. Không có peôxit

CH3CH = CH2

CH3CHBrCH3 Theo Macôpnhicốp

HBr Có mặt peôxit

CH3CH2CH2Br

Phản Macôpnhicốp

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

4

C = C

+ R

axit

H

C

C

H

R

CH2N2 C = C

Hv

+

C

C CH2

CH2 = C = O

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: H

C

X

C = C + X2

C

C = C

X2 = Cl2, Br2

Ví dụ: 0

CH3CH = CH2

Cl2, 600 C

Cl - CH2CH = CH2 Br2

0

+ Br2

600 C

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: C = C

+ KMnO4

hoặc

HCOOOH

C

C

OH

OH

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 KMnO 4 thường tạo ra các sản phẩm đồng phân Cis – trái lại HCOOOH tạo ra các sản phẩm đồng phân trans.

5

KMnO4 OH OH cis - xyclopentadiol -1,2 H

H

H2O2, HCOOOH

+ H OH

OH H

trans - xyclopentadiol -1,2

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

+ O3

C

C

O

O

H2O,Zn

C = O + O = C

Ví dụ: H

H CH3CH2CH = CH2

O3

H2O, Zn

CH3CH2C = O + O = CH

CH3 CH3

C = CH2

O3

H2O, Zn

CH3 CH3

H

C = O + O = CH

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: C

C

+ YZ

C = C

YZ

Y

Z

C

C

Y

Z

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

C

C

H

H

C

C

H

H

2H2

+ YZ

Ni, H hoặc pd

H

Na hoặc Li,NH3

đồng phân trans

C=C H

C

C H2, pd hoặc Ni – B

H C=C

đồng phân cis H

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: H C

C

+ H2O

HgSO4, H2SO4

C = C

C

C

H

H

O

OH

Ví dụ: H H

C

C

H + H2 O

HgSO4, H2SO4

H

H

C

C

H

O H

H CH3

C

C

H + H2 O

HgSO4, H2SO4

H

C

C

C

H

O

H

H

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: C

C

H + M

C

7

C

H + H

M = Ag , Cu

Trong đó: Hoặc: C

C

H + Na

NH3 lỏng

C

C

Na + 1/2H2

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: -C

C-M+X-R

-C

C - R + MX

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 (S E). Dưới đây là sơ đồ của một số phản ứng cơ bản thường gặp: a, Nitrrô hoá: H2SO4

ArH + HONO2

ArNO 2 + H2O

b, Sunfô hoá: ArH + HOSO3H

SO3

ArSO3 + H2O

c, Halogen hoá ArH + X2

Fe

ArX + HX (X2 = Cl2, Br2)

d, Ankyl hoá theo Friđen – Craf: ArH + RCl

AlCl3

ArR + HCl

d, Ankyl hoá theo Friđen – Craf: ArH + ROCl

AlCl3

ArCOR + HCl

e, Nitrrôzô hoá: ArH + HONO

ArN = O + H2O

8

g, Azô hoá: ArH + Ar'N2X

ArN = N - Ar' + HX

h, Phản ứng Konbe: OH

OH 0

+ CO2

COONa

125 c, 7atm

i, Phản ứng Raimơ – Timan: OH

OH + CO2

CHO

dung dich NaOH

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 Tăng hoạt mạnh - NH2 (-NHR, -NH2) - OH Tăng hoạt vừa - OCH3 (-OC2H5...) - NHCOCH3 Tăng hoạt yếu - C6H5

NHÓM THẾ LOẠI II Định hướng mêta - NO2 - N(+) (CH3)2 - CN - COOH (COOR) - SO3H - CHO, COR Định hướng Octô, para

9

- CH3 (-C2H5,...) - F, - Cl, - Br, - I Việc 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: CN

SO3H

O2N

O2N

NHCOOCH3 CH3

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 S E 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: HO

HNO3/H2SO3

CH3

HO

CH3 NO2

CH3CONH

CH3

Br2/Fe

CH3CONH

CH3 Br

HO

HO CHO

HO

Br2/Fe

CHO + Br Br

CHO Br

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

+

SO3H

: SO3 O

O

furan

furan – 2 sunfô axit 0

+ (CH3CO)2O + (C2H5)2O : BF3

0C

COCH3 O

O

2- axêtylfuran

COC6H5

+ C6H5COCl + SnCl4 S

O tiophen

+ C6H5N

2 - Bezoyltiophen

N = NC6H5

NCl

N

N

H

H

Pirol

2- (phenylazô) pirol

N

CHO

+ CH3Cl + KOH N

H

H

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)

11

NO2

0

KNO3, H2SO4, 300 C N

SO3H

0

H2SO4, 350 C N piridin

N Br +

Br2, 3000C N

Br N

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

N

N

+ NaNH2

H

Đun nóng N

+ C6H5 - Li

Đun nóng

NH2

NH2 + NaNH2 + H2 N

H N

NH2

C6H5 + LiH N

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: ROH + HX

RX + H2O

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 một Nhiều khi phản ứng xảy ra với sự chuyển vị. 12

Ví dụ: CH3 H CH3

CH3 H CH3

C

C

H

OH

HCl

CH3

C

C

H

Cl

CH3

CH3 H CH3

C

C

Cl

H

CH3

Hoặc: CH3 CH3

CH3 CH3

C

CH2OH

C

CH2

Cl

CH2

CH3

CH3 CH3

HCl

CH3

CH3

C Cl

* Phản ứng photpho halogennua: RX +H3PO 3

R - OH +PX n

Trong đó: PXn = PBr, PL3, PCl5 Ví dụ: - CH - CH3

PBr3

- CH - CH3

OH

CH 3CH 2OH

Br

P +I

CH3 CH 2I

CH3 CH3 CH2CHCH2OH

CH PCl5

3

CH3 CH2 CHCH2Cl

* Phản ứng với tioonyl clorua:

13

R - OH +SOCl 2

piri®in -

R - O - SOCl HCl (kh«ng bÒn)

R - Cl +SO2

* Phản ứng tách loại đêhyđrát hoá:

C

C

H

OH

axit

C

C

+H 2O

Phản ứng tách loại ancol xảy ra theo cơ chế E 1 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: CH3 CH2 CH2CH 2OH H2SO4 CH3CH =CHCH3 vµ CH 3CH 2CH =CH 2 ®un nãng (S¶n phÈmchÝnh)

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: H Cu, 2500C R - CH 2OH

KMnO4 R - C =O HoÆ c K 2Cr2O 7 HoÆ c K 2Cr2O7 KMnO 4

 Bậc hai: R

R

c K 2Cr2O 7 R - C =O R - C - HOH KMnO4 ,CrO3 0, hoÆ hoÆ c Cu, 250 C

 Bậc ba:

14

R - COHH

R R - C - OH

KMnO4 (trung tÝnh hoÆ c kiÒm)

Kh«ng ph¶n øng

R VÝdô:

H

0

CH 3CH 2CH 2OH

Cu, 250 C

CH33 CH2 C =O +H2

CH3 CH 3CH2CHCH2 OH

OH

CH3

KMnO4

CH3CH2 CH COOH

K 2Cr2 O7

=O

1.2.2. CHUYỂN HOÁ NHÓM AMINÔ Tương 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 2 +H

+ RNH

3

R2NH

+ +H

+ R NH

R3N

+ +H

+ R 3NH

2

2

b, Ph¶n øng ankyl ho¸: RX

R 2NH

ArNH2 RX

ArNHR

RNH 2

RX RX

R 3N A rNR2

Ví dụ:

15

RX

+ R NX 4

RX

+ ArNR X 3

(n - C4H 9) 2NH +C6 H5 CH 2Cl

(n - C4 H9)2 NCH 2C6 H 5 CH3

H n - C3H 7NH2 CH3I

n - C3H 7NCH 3

CH3I

n - C3H 7NCH 3

CH3I

CH3 + n - C 3H 7NCH3 I CH3

c, Phản ứng tạo thành amit: * Bậc một

, R COCl

O R

H

C N

RNH

O ArSO2 Cl

H R

Ar - S - N R

O

* Bậc hai:

, R COCl

O R

R

C N

R2NH

O ArSO2 Cl

Ar - S - N O

* Bậc ba: , R COCl

R R

R

kh«ng ph¶n øng

R2N ArSO2 Cl

Ví dụ:

kh«ng ph¶n øng

16

H (CH 3CO)2O

- N - C - CH3 H OO

NH 2 C6H5 SO2Cl dung dÞch NaOH

- N - SO

CH3

C5 H6 COCl

-C-N

H

CH3

O

C6 H5NCH3

O n - CH3 C6 H5 SO2 Cl dung dÞch NaOH

CH3 -

CH3

S- N C2 H5

d, Phản ứng với axit nitơ: * Amin thơm bậc một: ArNH2

HONO

+

N Ar - N muèi ®i«fini

* Amin béo bậc một: RNH 2

HONO

+

R-N

N

H2O N +hçn hî p ancol vµ anken 2

* Amin thơm và béo bậc hai: R ArNHR hoÆ c R 2NH

HONO

Ar - N - N =O hoÆ c

N - Nitrozamin

R2N - N =O

17

* Amin thơm bậc ba: HONO

NR 2

NR2

O =N

* Amin béo bậc ba:

R3 N

HONO

R2N - N =O +an®ªhyt, xªt«n

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: H ® un nãng - C - C - HO,

>C =C < +R3 N +H2O

NR3

Ví dụ: CH3 CH3 - N - CH2 CH2 CH3

CH3 HO, ®un nãng

CH3 - N +CH2 =CHCH3 +H 2O

CH3

CH3

* Phản ứng tách loại theo Kopu: 2 Amin bËc ba H O2

-C-C

® un nãng

HO O O N

Ví dụ:

>C =C Bậc hai > Bậc một. c, Phản ứng khử Phản 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 +H2

Ni

RH +HX

* Khử hoá học: RX +M +H

RX +M +X

Ví dụ: 20

CCl4

Fe,H2O

CHCl 3

(CH3 )3 CCl

(CH 3)3 CMgCl Br

(CH 3 )3 CD

Na, CH3 OH

Br Norcaran

7,7 -® ibr«m 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: Ag(NH3)3 KMnO 4

RCHO hoÆ c ArCHC

RCOOH hoÆ c ArCOOH

K 2Cr2O 7

Ví dụ: CH3 CHO +2Ag (NH 3)3 +3HO

Ag +CH 3COO +4NH3+2 H 2O

* Mêtyl xêtôn: R - C - CH3 hoÆ c Ar - C - CH3 O

OX

RCOO hoÆ c ArCOO +CHX 3

O

Ví dụ:

21

C2 H5 - C - CH3 +3OI

-

C 2H5 COO +CHI 3 +2HO

O CH3

CH3

CH3 C =CH - C - CH 3

KOCl

CHCl 3 +CH 3C =CHCOOK

0

60

O

b, Phản ứng thế: - Khử hoá thành ancol: H 2 +Ni, Pt hoÆ c Pd C

C =O

OH

LiAlH4hoÆ c NaBH4,tiÕp theo H

Ví dụ: O

H

OH

H2 , Ni

C

CH

LiAl H 4

+

H

CH

CH3

OH

O

- Khử hoá thành hyđrôcacbon: Zn (Hg), HCl(® )

-C-H

khö Klemenxen

H C =O NH2 NH2, Baz¬

Ví dụ:

-C-H H

22

khö Kizne - Vonfa

CH3CH 22CH 22COCl

CCH2 CH2 CH 3

AlCl 3

Zn(Hg), HCl(®)

CH2CH2 CH2CH3

O O

H

H

NH2 NH2, NaOH

- Khử hoá thành pinacol: khö ho¸ l ì ng ph© n tö

C

C

O

C

OH OH Pinacol

Ví dụ:

CH3 CH 3

CH3 CH3 2CH3CCH3

Mg, Benzen

CH 3 C

O

C

O

CH 3

H2 O

O

CH 3

C

C

CH3

OH OH

Mg

Mg +MgI , ete, benzen

C

2

O

-

Amin hoá - khử hoá:

>C =O +NH 3

>C =NH

H2 , Ni

>CH - NH 2

Ví dụ: CH 3 (CH 2) 5 CHO CCH 3

NH3 , H2, Ni

CH 3 (CH 2)5CH 2NH 2

NH3 , H2, Ni

CH - CH 3 NH2

O -

Phản ứng cộng hợp Grinha:

23

C

C

HO

OH

C +RMgX

C

R

O

OMgX

H2 O

C

R

OH

Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng hợp nuclêôphin A N : 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: H

CH 3

CH3

CH 3 CH 2 CHCH 3 +H - C =O

CH 3 CH 2 CHCH 2 OMgBr

H2 O

CH 3 CH 2 CHCH 2 OH

MgBr CH3

H MgBr +CH3 - C =O

CHOMgBr

CH 3 n - C4 H9 MgBr +CH 3 - C =O

CH3 n - C4 H 9 COMgBr CH 3

d, Phản ứng cộng hợp tạo thành xianhyđric: C + CN O

H

C

CH3

CN

OH

Ví dụ:

24

H2 O

CHOH

CH 3 H2O

n - C4 H 9 C - OH CH 3

H

H CH3 - C =O +NaCN

H2 SO4

H

CH3 - C - CN

H2O;HCl

CH3 - C - COOH

OH

OH

CH3 CH3 - C =O +NaCN

CH 3 H2O,H2SO4

CH 3 - C - CN

O

CH 3 - C - COOH

OH

OH CH3 CH2 =C - COOH

e, Phản ứng cộng bisunfit: +

C + Na HSO

3

O

Ví dụ:

C

-

+

SO3 Na

OH

H

H

C =O +Na HSO4

C

SO3 Na

OH CH3 CH 3 CH2 CCH 3 +Na HSO4

CH 3 CH 2 C - SO 3 Na OH

O

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

25

H2 N - G

S¶n phÈm

H2N - OH

Hy® r«xilamin

C =NOH

H2N - NH2

Hy® razin

C =N - NH 2

H2N - NHC6H 5

Phenylhy® razit

C =NNHC6H 5

Phenylhy® razit

C =NNHCONH 2

Semicacbazit

H2N - NHCONH2 Semicacbazit

¤ xim Hy® razon

Ví dụ: H

CH3OH =O +H2 N - OH

CH 3CH =NOH +H 2O

CH =O +H2 N - NHC6 H 5

H

CH =NNHC6H 5 +H 2O CH3

CH3COOH3 +H2N - NHCONH 2

H

CH3C =NNHCONH 2 +H 2O

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

C +2ROH

H

- C - OR +H 2O

O

Ví dụ:

OR H

H

CH3 - C =O +2C2 H5 OH

HCl

CH 3 - C - OC2 H 5+H 2O OC2H5

i, Phản ứng Kaizarô: H

2 - C =O

Baz¬m¹nh

-

- COO + - CH2 OH

Ví dụ: 2HCHO

dd 50% NaOH

HCOO +CH2OH

k, Phản ứng ngưng tụ:

26

R Baz¬

ArCHO +(RCH2 CO)2O

Ar CH =C - COOH

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: O

O

R-C

(Z =Cl, OR ,'NH )2

R-C OH

Z

* Chuyển hoá thành cloranhyđrat: O R-C

+ OH

O

SOCl 2 PCl 3

R-C Cl

PCl 5

Ví dụ: 3 CH3 COOH +PCl 3

0

50 C

3 CH 3 COCl +H 3PO 3

* Chuyển hóa thành este: O

R-C

+ OH

SOCl3

R-C

O

O R' OH

R -C OR'

Cl

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

+R' OH

H

OH

* Chuyển hoá thành amit:

O R-C

+ H2 O OR

27

R-C

O NH3

RCOONH

®un nãng

O R-C

OH

- H2 O

NH2

O

O

O

R-C +

SOCl2

NH 3

R-C

OH

R -C

Cl

NH2

VÝdô: NH3

CH3COOH NH3 CH3COONH 4 SOCl2

C6 H5 CH2 COOH

CH 3 CONH 2

C6 H 5CH 2COCl

NH3

C 6 H 5CH 2CONH

b, Khử hoá: RCOOH

LiAl H4

RCH2OH

VÝdô: 4 (CH 3 )3 C COOH +LiAl H4

ete

(CH 3 ) 3 C CH 2O

4

Al Li

H2 ,Li AlO 2

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

RCOO +H

VÝdô: 2 CH3 COOH +Zn

(CH 3 COO)2Zn +H 2

CH3(CH )10 COOH +NaOH

CH 3 (CH 2)10COONa +H 2O

h, Phản ứng đêcacboxyl hoá: C6 H5 COONa +NaOH (CaO)

t0C

C6H6 +Na2CO3

NO2 NO

COOH

NO2 H2O, H ® un s«i

O2 N

NO2

+CO2 NO2

28

(CH 3 ) 3 C CH 2OH

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

-

KiÓu ph© n c¾ t dÞly

cacb«cation b. - C :

X

+

-C

+

X

-

cacb«cation c. - C :

X

+

-C

+

X

-

KiÓu ph© n c¾ t® ång ly

hèc cacb« tù do

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.CACBÔCATION Cácbôcation 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: CH 5(+). Trong phần này chủ yếu đề cập đến loại cacbôcation thứ nhất. 2.1.1. NHỮNG PHẢN ỨNG TẠO THÀNH CACBÔCATION 2.1.1.1 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: (C6 H 5)3 C - Cl

+

SO2láng

(C6 H 5 ) 3 C

+Cl

-

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 0 0c 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: SnCl 4, AlCl3, SbCl5, HgCl2... Thí dụ: (C6 H5)3 C - Cl +SbCl 5

+

(C 6 H 5 ) 3 CCl +SbCl 5

(C 6H 5) 3C

-

+SbCl 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 (C6H 5)3COH +2H 2SO4

+

-

(C 6H 5) 3C +H 3O +2HSO 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. +

(CH3)2 C - C6H5

(CH 3)3C

d. Một số hợp chất khác như este của axit vô cơ mạnh ROSO 2H, ROSO2Ar, hoặc hợp chất azô trong những điều kiện thích hợp củng có thể phân ly thành cacbôcation. Thí dụ: +

R-N

N

+

R + N2

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. R2C =CR 2 +HA

+

-

R 2C - CHR 2 +A

nếu ion này rất ít bền nó sẽ chuyển hoá ngay. Ví dụ: CH 2 =CH 2 +H2SO4

+

CH 3 CH2 HSO4

CH 3CH 2OSO 3H

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 2SO4

-

- CH =CH - 2C - OH +H 2SO4

2

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 R 1R2R3C – Hal. Ta biết rằng khi hoà tan hợp chất trên vào SO2 lỏng sẽ xãy ra quá trình thuận nghịch. R1

R1 R 2 - C - Cl

+

-

R 2 - C - Cl

R3

R3

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:

R1 C R2

R1

R1

+

+Cl R3

Cl - C -

vµ R2 R3

C - Cl R2 R3

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. Cl +

C

-

+

Cl

C

R1 R 2 R 3

R 1 R2 R 3

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:

CH3 C CH3

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 H 2SO4 đặc cũng khong cho dung dịch màu. Những điều đó chứng tỏ chúng rất khó tạo ra cacbôcation hình tháp.

33

Br

OH

C

C

-C

-C

H

H

(A)

(B)

2.1.2.2. Cấu trúc tinh vi và độ bền vững tương đối Độ 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 H

C

+

C- C

C

+

+

C

C

C

C

C

+

O

C

H

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 3

+


C = CH C6H5 Ví dụ: Qúa trình bảo vệ nguyên tử

H để mêtyl hoá hợp chất decalon -1 ở cacbon

C3 như sau:

84

O CH3

O

O

CHC6H5 Metyl ho¸

2

CHC6H5

9

CH3

O

CHClC6H5 C2H5ONa Cl

Cl2 O CH3

+

H

H3O

CH3

OC2H5 C6H5

CH3

-

COC6H5

O

O

HO

Bảo vệ bằng phương pháp trực tuyến cũng có thể thực hiện qua phản ứng chuyển hoá thành hợp chất anđêhyt: > CH2  > CH – CHO O

O

O

CHO

R

CHO R

O

b, Phương pháp bảo vệ không trực tiếp Đây 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 CH3 A

B

CH3

OH CH3

OH Metyl ho¸

NaBH4

O

O O CH3 O

BẢO VỆ NHÓM AMINÔ: BẢO VỆ CÁC NHÓM AMIN BẬC MỘT VÀ BẬC HAI: 85

CH3

O

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 +

NH2

H

+

+

NH3 hoÆ c

NH

H

+

NH

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: O

O

CH2 - CH - C

CH2 - CH - C H2N HO HO

H2N

O

Cu

HO

O CH2 - CH - C H2N C6H2COO

O

Cu

Phức chất được tạo thành sau phản ứng có thể thuỷ phân bằng H 2S 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:

86

CH2 (COOR)2

NaNO2, AcOH

Zn, HCOOH HON = C(COOR)2 R'

HONH - CH(COOR)2 R'

HONH - C(COOR)2

H2N - CH COOH R' = CH3, C2 H5

b, Phản ứng tổng hợp synfanilamit từ anilin: NH2 HCOOH, toc

NHCHO

NH2 CHO

CHCHO H2NO2 S

ClO2 S

c, Phản ứng dùng phương pháp bảo vệ nhóm chức axyl hoá (COCF 3) để tổng hợp các hợp chất glycozit: CH2OH OH

OH

HO

CH2OAc OAc

NH2

OAc

OAc

NHCOCF3

Aco NHCOCF3

CH2OH

O N

AcO

CH2OAc Br

NHCOCF3

H N

CH2OH O

CH3

O N

HO

NH 2

H N

O

CH 3

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

87

CH2 Br

CH2 Br

CH2CH2COOC2H5

N

N

N

H

COC6H5

COC6H5

CH2 CH2COOC2H5

N COC6H5

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

O NK

+

RX

N-R

H, H2O

O

O

COOH +

RN H3 + COOH

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

CH2 CH2 NH2

C6 H5 CHO

O

CH2CH2N =CH - H6H5 (CH)2 SO4

O

O O

O

+

CH2 CH2 - N =CH - C6H5 t0C CH3

O O

88

CH2 CH2NHCH3

4.3.1.5. Phương pháp: Nitrozô và nitrô hoá: Phương pháp nitrozô hoá được thực hiện chủ yếu với các amin bậc 2 0. 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: H3 C-

NH

N

H 3C N

O H 3C - N

NH - NO

N - NO

CH2C6 H5 H2 / Ni

H C - ON

NH

CH2 C6 H5

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 ''

HO

O

CH O O

P

O

R O HO NH - CH - CO - Peptit

R NH - CH - CO - Peptit

H , HOH H3PO4 +H2 N - CH - CO - Peptit pH =4

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 - NH2

C6H5 SCl

C6 H5S

N-R

C6 H5S

b. Phản ứng của fenanxylsynfonyclorua với các amin:

89

+

-

RNH3 Cl

R - NH2 + C6 H5 COCH2 SO2 Cl R' NSO2 CH2 COC6 H5

R

RNHSO2 CH 2COC6 H 5

' Zn/CH3COOH R

R' X

NH

R

c. Phản ứng bảo vệ bằng sự tạo thành hợp chất N – surfôaxit: NO2

NO2

NH2

+N

NH 2

NHSO3 H

NHSO3 H

NHSO3 H

N =N - Ar

NHSO3 H

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 – 1Benzythyđrazin. H2 N - NH2

tec-Bu-OCONHNH 2

tec-Bu-OCONHNHCH2 C6 H5

tec-Bu-OCONHN =CHC6 H5 tec-Bu-OCONH-N-CH2C6 H5 H

C6 H5 CH2 C6 H5 CO

COC6 H 5

NNH2

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

90

NHNH2

NHNHCHO

NO2

NO2

NHNHCHO

NH2

NHCHO

NH2

N

N

CH3

CH3

N

N

d. Bảo vệ nhóm N – NH2 bảng anđêhyt - tổng hợp 1 – aminôtetrazol. H2 N - NH2 +C6 H5 - CHO

C6 H 5- CH =N - NH 2

C6 H5- CH =N - N =CH =O - C2H 5

H2N

C6 H5 - CH =N

N

N N

N

N

N N

N

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: CH3

CH3 CH3

C =N - OH

C =O +H2 N - OH

C6 H5 CH2 Cl

CH3

CH3 CH3

C =N - CH2 C6 H5

HCl

+

H3 N - OCH 2- C6 H 5

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.

91

Cl NO2 tec - BuOCON

NH2 OH

; KOH

tec - OCONHOH

ONHCOO - Bu - tec NO2 CF COOH

ONH2

NO2

NO2

3

NO2

NO2

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

CH3

N N

CH3 H

+

CH3 I

N +

N

CH3 H

CH3 N +

N

CH3

CH3

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:

92

NH2

H3C

H3C

C2 H5

N

COOCH3

NH2

N

H3C

COOCH3

N+

H3C

C2 H5 H3C

O

C2 H5

CN

C2 H5

N O

C2 H5

N+

O

4.4.

BẢO VỆ NHÓM CHỨC ANCOL Ancol 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 3)C =CH2

H

ROC(CH3)3

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

93

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 +CH2 = CH - CH2 Br

NaOH

ROCH2 CH = CH 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: CH2 OH O OH OH OH HO

C6 H5 CH2 Cl

OCH2C6 H5 O OH OCH2 C6 H5

C6 H5 CH2O

CH2OH HCOCH2C6 H5 C6 H5CH2CH HCOCH2 C6 H5 HCOH

HO

O OH

OH

CH2OCH2 C6 H5

CH2OH

e. Ete triarylmêtylic: Ete triarymêtylic được sử dụng rất rộng rãi để bảo vệ nhóm ancol bậc 1 0 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:

H3 CO

C

H3 CO

Cl +ROH

C

OR

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.

94

ROH +(CH3)3 SiCl

ROSi(CH3) 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: +

+HOR

H

O

O

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. O HN O

N

CH3 COOCH2

S

C

OR

S

OR

2

O3 P - O OOCHOC2 H 5 CH3

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.

95

CH3 O

OR

CH 3O

O - Ur

OR

CH3O

C CH 3

O

CH 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.

96

O

HO

OCOCH3

O

HCOO

HCOO OCOCH3

O

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. O - CH2

O - CH2

HO - CH2 OH OH

O

O

OH HCHO

O

O +

O

OH

OH

CH2OH

CH2OH

2. Etyliđen axetal:

97

O O CH2 - O

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. HOCH2

O - CH2

OCH3 OCH3

O OH

+ CH3 - CH

3

CH3CH OCH3

HO

OCH3

O OH

3

O HO

OH

OH

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: CH2 - OH

CH2 - O H+

CH - OH + C6H5 - CHO CH2 - OH

CH2 - O

CH - O

CHC6H5

+ CHOH

CH2OH

CH2 - O

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: HOCH2

O - CH2 O

C6H5 - CH O

O

H2, Pd/c HO

O

OCH3

O

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: HOCH2

O

+

OH

OH

+

=

OH

O

H

HOCH2

O OH

O O

4.4.4.2. Các este vòng;

98

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: HOCH2

O

O - CH

OH

O =

OH

O

OH

O OH

O

COCl2/Piridin

O

O

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: OCH3

OH O

OH

OH C6H5(OH)2

OCH3 O

O OH

OH CH3COO

B

1.(CH3CO)2O 2.HOCH2CH2CH2OH

O

C6H5

O

OCH3 OH

4.5 BẢO VỆ NHÓM CHỨC CACBOXYL Trong 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:

99

O

O COOH S N-CH

COO(CH3)3

CH3

S

CH3

NH

N-CH

NH

COOH

COO(CH3)3 (C6H5)3C-NH-CH

S

CH3

NH

(C6H5)3C-NH-CH

COOCH2C6H5

CH3 N

COOCH2C6H5

O

S S

H2N -CH O

CH3

CH

CH

N

CH3 N

+

NH

CH3

S

(C6H5)3C-NH-CH

COOH

CH3

S

2.H3O

CH3 COOCH2C6H5

O

O

1.H2/pd

CH3

COOH

O

Phương pháp chủ yếu là phương pháp este hoá.

100

O

N

CH3 CH3 COOH

CH3 CH3 COOCH2C6H5

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: COOH COO + NH3

C C

O O

COOH COOCH2C6H5

C6H5OH

O NHCOCH2C6H5

NHCOCH2C6H5

CONH2 COO + NH3

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:

101

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 XÊTÔN Nhóm 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 HOÁ 4.6.1.1. Các phương pháp bảo vệ bằng Axêtal và Kêtal: a, Phương pháp 1,3 – điôxôlan – Nhóm điôxôlan: R'

R' C=O

R

O

CH2

O

CH2

C R

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 102

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: R'

R' C=O

R

OR" C OR'''

R

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): R'

R' C=O

R

O

CH2

S

CH2

C R

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 103

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: R H R'

R

C =O

C

C

O(S)

R''

C R' , 

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: R'

R' C =O

R'

C

C R

N

C

H

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: C=O

C=N

NH

CONH2

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 NaBH 4, 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 C=O

C = NOH

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 104

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: O2 N C=O

CH3

C = N - NH

NO2 va

C=N-N CH3

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.

105

CHƯƠNG 5 SỰ 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: 0 H +1 -2 H - O -

0 H +1 H

+1 H

+1 H

+1 -4 +1 H - C - H

+1 -2 -1 H - C - H

+1 H

+1 H

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

106

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: +1 H H+1 -1C-1 +1H -1 -1 +1 H nc = 4

H+1 -1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 H C O H -1 +1 H nc = -2

H+1 H+1 -1 +1 -1 -1 +1 +1 -1 H C C O H -1 +1 +1 H H nc(CH3) = -3; nc(CH2OH) = -1

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

107

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.

C C

Cl

H2O

C

H2O

C

Cl

H2O

C

OH

C

C

H

OH

C

OH

OH

H2O C

C

O

bậc ôxy hoá:1

bậc ôxy hoá:2 OH

OH

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)

108

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.

109

BËc «xy ho¸ cña cacbon

Nhãm nguyªn tö ®Æ c tr ng

ThÝdô

C

0

1

CH ;4

RCH

C

M

C

Li

C

X

C

Hal ;

C

C =Y

;

C

S,

N

X

C =S ;

C =C - Hal ;

C = C - OH

C =CH

S C

;

S C =N ;

RC =CR

- CHal ; C =N - C - Hal

-C(OR) - C - OH

Y

Y

O

C = CX2

C = CX2

C =C(OH)

CX4

4

OH

C =O ;

C =C

3

C

C

Hal

X

-C- X

O;

MgBr

OH

C

C =C

C

Hal

X

- CX - C =Z

C

CH2 = CH ; RR'C = CRR '

C =C

2

3

CHal

2

:

4

Y =CX

O =CCl

Y =C =Y

S =C =S

Z =C - X

N

C(OR)

:

C=- OH

110

4

S =C(OR)

:

N

C=- Cl

Số ôxy hoá của cacbon trong một số phân tử hữu cơ và quá trình ôxy hoá - khử -4

-3

CH4

-2

-1

0

CH - 3OH R - CH3

1

HCHO R - CH OH 2

2

3

4

HCOOH R - CHO

CO

2

R - COOR

CH3- CH3 CH2=CH2 CH =CH Sù «xy ho¸ Sù khö

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: -1

+7

CH3CH2OH + KMnO4 + H2SO4

+3

+2

CH3COOH + MnSO4 + K2SO4 + H2O

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 H 2SO4 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 + 11H2O Như 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 - khử Định 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: 111

A+ e → B hoặc B–e→ A Thí dụ: Khử hợp chất cacbônyl bằng halri kim loại: R2 C = O + e

R2C - O

...

Chuyển hoá giữ ion và gốc tự do: e-

(+)

R

e

-

ee-

R

R

(- )

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

Z

A - H + Z

Thí dụ: R

H + Cl

HCl + R

...

RH + CR'3

...

hoặc: R + H - CR'3

5.1.2.3. Chuyển dịch ion hyđrua Sơ đồ tổng quát: (- )

A + H

Z

AH

(+)

+ Z

Thí dụ: (+)

R + H - R'

RH + R'

(+)

hoặc: (- )

R2C = O + LiAlH4

(+)

R2CH - O Li + AlH3

...

5.1.2.4. Chuyển dịch cặp electron Sơ đồ tổng quát: A: + Z

A

-> Z

Thí dụ: C + Br - Br C Br

C Br - Br C

hoặc:

112

C (+)Br + C

(+) (-) R3N - O - H + HO

R3N: + O - O - H

(+)

R3 N

(-) O + H2 O

H

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: H

(+) (-) A - C - B -> A - C - B + Z + H

...

OZ

O

Z thường là CrO3H, MnO3, SeO2H…Thí dụ: H RCH = O + HMnO4

B

R - C - OH

(+)

R - O = O + MnO

OMnO3

OH

5.2. Các phản ứng ôxy hoá: 5.2.1. Ôxy hoá liên kết  của Hyđrôcacbon Ta 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: O2

CH2 = CHCH3

CuCl2

CH2 = CHCHO

Prôpen (CH3)2C - H

Acrôlêin O2

(CH3)2C - OOH

C6H5

(CH3)2CO + C6H5OH

C6H5

Cumen

Hyđôpcôxylcumyl

C6H5CH3

(CH3CH)2O CrO3

C6H5CHO

C6H5CH3

KMnO4

C6H5COOH

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

113

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 HYĐRÔCACBON 5.2.2.2. Ôzôn phân C = C

O O

O3

C

C O

Zn AcOH

C = O + O = C

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 LiAlH 4) hoặc ôxy hoá thành xêton và cacbôxylic (tác dụng của H2O2). Cơ chế của giai đoạn tạo thành ôzônit có thể như sau: C = C

O3

C

C

C - C

O

O

Alken O C = C O O

O3

(+)

C

O

O (+) O (-)

O = C (-)

O Ôzônit

(III)

(IV)

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

114

(+)

(-)

C

O

O

+

(-)

C

O

O

O

(+)

O

C

C

O

(III)

C (V)

hoặc chuyển hoá thành hyđrôpeôxyt. Trong một số trường hợp, thí dụ ôzôn hoá (CH 3)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: (CH3)2C - OCH3 O - OH

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: O RCH O

O

O CHR

O

RCH

CHR' O

R'CH O

O

CHR' O

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: C = C

C

C

OH OH

Muốn cộng hai nhóm OH vào nối đôi (đihyđrôxy hoá) có thể dùng OsO 4 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: C ==C

C

C

O

O

HOH

C

C

OH

OH

OsO2 (I)

Người ta đã phân lập được este vòng trung gian I. Khi dùng KmnO4 trong môi trường kiềm, ta có cơ chế: 115

C

+

C

(-) MnO4

C

O

C

OH

C

(-) H O MnO4 2

O

OH

C

(MnVII)

(-)

+ MnO4 (MnVII)

(MnVII) (-)

(-) H2MnO4

MnO4

(MnV)

MnO42-

C = C

MnO2

(MnV)

(MnV)

Hiện nay, tuy chưa phân lập được este vòng MnV nhưng đã có chúng cớ khác về cơ chế H18 O - C - C - 18OH

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 H 2O2 và axit fomic. Trong trường hợp này, axit pefomic sinh ra từ H 2O2 và axit fomic êpôxy hoá nối đôi theo kiểu cộng cis, sau đó êpôxit sinh ra sẽ bị thuỷ phân theo cơ chế S N2 với sự quay cấu hình, kết quả xét toàn bộ thì phản ứng chạy theo kiểu trans: H - C - OH + H2O2

H - C - O - OH + H2O O

O

Epôxy hoá: O C

O

C

C

H

O

H

O

H C

C O +

C

HO

Thuỷ phân: OH2 (+)

O C

C

C

H

OH

O - H

H2O

C

C HO

C -H (+)

C HO

Do đặc tính cộng trans của phản ứng, khi cho H 2O2 và HCOOH tác dụng với xyclohexen ta được trans-1,2-xyclohexandiol

116

HCOOH H2 O2

H2O (+) H

O

OH

OH

5.2.2.3. Oxy hoá cắt mạch: - C = C -

- C = O + O = C -

H H - C = C -

OH OH - C = O + O = C OH

H - C = C -

- C = O + O = C -

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 CHOH

C

= O

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 (C 6H5)2CHOH trong dung dịch trung tính và bazơ, người ta thấy: V = k [alcol][MnO 4-][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: (C6H5)2CHOH (-)

(C6H5)2CHO 2-

HMnO4

(-)

(-)

+ HO

(-)

+ MnO4 (-)

(-)

+ MnO4 + HO

(C6H5)2CHO chậm nhanh

(C6H5)2C = O 2-

2MnO4

+ H2O 2-

+ HMnO4

+ H2O

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 25 0C 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: (CH3)2 CH - OH

(CH3)2 CDOH

(CD3)2 CHOH

117

Tốc độ:

1,0

0,16

1,0

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

(CH3)2 CHOH + HCrO4 + 2H

(+)

(+)

(CH3)2CHOCrO3H2 + H2O

VL

(Cr ) (+)

CH3

CH3

O - CrO3H2

(+)

C = O + BH

C CH3

(CrIV)

CH3

H

(+)

+ HCrO3

:B

Sau đó: Hoặc:

3Cr

IV

3Cr + Cr V

Cr

(+)

H

IV

III

IV

Cr

+ 2Cr

IV

+ 2CrV

+ (CH3)2CHOH

III

-H

(+)

Cr

+ (CH3)2 C = O

5.2.3.2. Ôxy hoá cắt mạch 1,2 – điol Các 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 - COH - COH - C - OH C - OH

HIO4 hoặc Pb(CH3COO)4

- C - OH + C - OH

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

+ HIO4

- C - O C- O

118

IO3H

- C - OH C - OH

+ HIO3

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. OH +

HIO4

OH

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: - C - OH

- C - O + Pb ( CH3COO)4

C - OH

-2CH3COOH

C- O

Pb(CH3COO)2

Pb(CH3COO)2

- C - OH + C - OH

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 HIO 4 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. O

OH

O + Pb(CH3COO)2

Pb(CH3COO)2 -CH3COOH

OH

-2CH3COOH

O

O Pb(CH3COO)2

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

119

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 KmnO 4 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 KMn 18O4, 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: O

OH (-)

ArC

+ MnO4

(+)

+ H

Ar - C OMnO3 H

H

OH

chậm (+)

Ar - C - O - MnO3 H

(+)

ArCOOH + BH + MnO3

:B

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: OH

O (-)

RC - H + HCrO4

(+)

+H

OH RC - H

O - CrO3H

:OH2

(+)

RC + HCrO3 + H3O O

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

120

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

CrO3 Hoặc HNO3

Axitađipic

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

- C -CO

H

- C = C -

H2CrO4

(+)

- C - C (+)

OH

OH

OCrO3 H2 -H

Ôxy hoá tiếp

- C - C O

thuỷ phân

OH

(+)

- C - C O

(-)

OCrO3 H2

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: - C - CH2 - + SeO2 O

AeOH -H2O

- C - C - + Se +H2O O

O

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:

121

- C - CH2 -

- C = CH -

O

H2SeO3 - C = CH -H2O

OH

O - SeO2H

- C - C O

- Se - C - CH - H2 O

O

O

O - SeOH

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: (-)

OH (-)

R - C - H + HO

O (-)

HO

R - C - H

R - C - H

(-)

O

(-)

O

O

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

R

R-C -H +C=O (-)

O

H

OH

R

O (-)

R-C + H-C-O O

H

H2 O

(-)

R - C + H - C - OH O

hoặc

122

R

H

O

(-)

(-)

R

O

(-)

O (-)

R-C -H +C=O O

R

R-C + H-C-O

H

O

H2 O

H

(-)

R

R - C + H - C - OH O

H

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): Al(OR')3

RCHO + RCHO

RCOOCH2R

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: (-)

O RC H

O Al(OR')3 Al(OR')2

RC H

O = CHR

(-)

O Al(OR')3 RC - O - CHR

O

Al(OR')3

RC - O - CH2R

H

5.3. CÁC PHẢN ỨNG KHỬ 5.3.1. KHỬ LIÊN KẾT BỘ CACBON – CACBON 5.3.1.1. 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.

123

RCH2 RCH2 - C

C - CH2R

CH2R

H2,Pd

C=C

quinôlin H

H

Các axit đimêtylmalêic và đimêtylfumaric khi bị ôxy hoá tạo ra những đồng phân khác nhau của axit đimêtylsucxinic: CH3

CH3

H

H2/Ni CH3

COOH

CH3

Axit dimêtylfumaric

CH3

COOH COOH

Mêzô-

HOOC

COOH

H

H2/Ni CH3

H

COOH

COOH

CH3

H

H CH3

COOH

H

+ HOOC

COOH CH3

CH3

D, L -

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: RC = O > RNO2 > RC Cl

CR > RC = O > RCH = CHR >RC = O > H

H

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

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:

124

H2 xt Benzen

H2 xt

Xyclôhexan

Antraxen

9,10- Dihydrôantraxen

H2 xt Napncaten

H2 xt

Tetralin Phenantren

9,10- Dihydrôantraxen

5.3.1.2. Khử bằng các tác nhân khác: Các alken -1 dễ dàng bị khử bởi hyđrua nhôm tạo thành alken: RCH = CH2 + AlH3

Benzen

(+)

(RCH2CH2)3Al

H3 O

RCH2CH3

Điboran cũng khử được alken tương tự như vậy (+)

RCH = CH2 + B2H6

(RCH2CH2)3B

H

RCH2CH3

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. RCH2C

CC2R

(+)

B2H6

RCH2CH = C - B RCH2

H3O

RCH2

CH2R C=C

3

H

H

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

RCH C = CCH R 2

2

2Na

(+)

RCH2

(-)

C=C (+)

Na

(-)

RCH2

Na

CH R

2NH -2NaNH

2

2

H C=C

H

CH R 2

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

125

H

(+)

Na

Na H

H

H H

H NH3

H

H

H

H

NH3

Na H

H

H

H

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: OCH3

OCH3

H

COOH

H

COOH

H

H

H

H

H

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) Na C6 HOH 5 Naptalen

1,4-§ ihy®r«-

1,2 -§ ihi®r«

Naptalen

Naptalen

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: R'

R'

R'

R - C = O (-)

H - AlH3

(-)

R - C = OAlH3

RR'C = O

R - C = O Al H

H

R' (-) H O 2

4

R - C = OH H

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: C6H5CH = CH - CH = O

LiAlH4

C H CH = CH - CH2OH ete -100C 6 5

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

126

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. R

R C = O + (CH3)2CHOH

(i-C3H7O)3Al

R'

CH - OH + (CH3)2C = O

R'

Qúa trình thuận, dùng để khử hợp chất cacbôny, được gọi là phản ứng MecvaiPondoo-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: CH3

CH3

CH3

CH3

C

C O

CH3

O

H +

(i - C3H7O)2Al

O

C H

O R

R (i - C3H7O)2Al

C

C O

R'

CH3

+ HHR

(i - C3H7O)2Al

R'

C O

R'

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: RCR'

RCH2R'

O

Có một số phương pháp khử nhóm C = O thành nhóm CH 2, 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

127

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

R

R C = O + NH2 - NH2

-H2O

R

C2H5ONa

C = N - NH2

CH2 + N2

2000C

R

R

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

R

R

(-)

C = NNH2

C2H5O

R'

(-)

R'

R' R

R

R

(-)

CH2

C2H5O

R'

R'

C - N = NH

C = NNH2

(-)

(-)

CH

-N2

CH - N = N

R'

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 ibutoxyt 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: RCOOH

LiAlH4

RCH2OH

Cơ chế của phản ứng đó có thể như sau:

128

(-)

RCOOH + LiAlH4

(+)

H2 + AlH3 + RCOO Li

LiAlH4 H RCH2OH

1.LiAlH4

(-)

R - CH = O

(+)

2.H2O

Li2O

R - C - OLi (-)

O

(+)

(-)

Li

Este dễ bị khử hơn axit cacbonxylic, phản ứng khử este bằng LiAlH 4, xảy ra tương tự phản ứng khử alđêhyt và xêtôn. R'

R'

R - C = O

R - C - O

(-)

(-)

H - Al H2

- RO

(-)

R- C = O

H

1.LiAlH 2.H2O

R - CH2OH

H

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: LiAlH4

RCOOCOR

2RCH2OH

LiAlH4

RCOCl

RCH2OH

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

H2

RCHO

xt

H2

xt

RCH2OH

Để ngăn cản giai đoạn chuyển alđêhyt thành alcol người ta dùng BaSO 4 làm chất độc đối với Pd (phương pháp khử Rôzenmun): RCOCl

H2

RCHO

Pd-BaSO4

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: R

R 4RCOCl + 4Na

C = C RCOO

+ 4NaCl OCOR

129

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

Hyđrô hoá có xúc tác + + +

RCH = CHR RCH2CH2R TCHO RCH2OH RCOR RCHOHR RCHO RCOCl + RCH2OH RCOOR’ RCH2OH + + R’OH RCOOH  RCH2OH (-) RCOO  RCH2OH

LiAlH4 trong ête + +

B2H6 trong THF + + +

NaBH4 trong etanol + +

NaBH4 + AlCl3 trong điglime + + +

+

-

+

+

+ + +

 + -

-

+ + +

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 – CONH 2… 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: R

R C = NOH R'

LiAlH4

CHNH2 R'

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:

130

R - C - NH2

(-)

(-)

AlH4

(-)

AlH4

(-)

RC - NH

R - CH - NH (-)

O

O

O RCH2 - NH2

H2O

RCH2 - NH

(-)

AlH4

(-)

R - CH = NH

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: Chất khử, axit RNO2 H , Pt, Pd hoặc Ni 2

RNH2

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

ChÊt khö, kiÒm

2

Hî p chÊt nitr«

RNO Hî p chÊt nitr«z«

RNHOH Hî p chÊt hy®r«xyamino

RNH2 Amin

RNO

RNO

RN - NR

RN - NHR

OH OH

OH

- H2O

RN = NR

- H2O

RN = NR Hî p chÊt az«

O Hî p chÊt az«xy

RNHNHR Hî p chÊt Hy®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.

131

CHƯƠNG 6 SỰ 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 NUCLÊÔPHIN Những 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 A

R B

A

B

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…

132

R C

(+)

(+)

C

C

CR

R C

(+)

O

C

.. N

C

(+)

OR

R C

NR

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: Z (+)

C

C

Thi du: CH3

Br

CH3

CH3

(+)

CH3 - C - CH - CH3 CH3O:

Ag

AgBr

CH3 - C - CH - CH3 (+)

O

H2O

CH3 - C - CH - CH3 OH

OCH3

CH3

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:

133

Z (+)

C

C

Thi du: H

H

H (+)

(+)

CH3 - CH - CH2

(+)

CH3 - CH - CH2

CH3 - CH - CH2

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 CACBON 6.1.1.1. 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: CH3

CH3 CH3 - C -CH2 - OH CH3 Alcol neôpentylic

HCl -H2O

(+)

CH3 - C -CH2

chuyển vị

CH3

CH3 Cl

(+)

CH3 - C -CH2 - CH3

(-)

CH3 CH3 - C -CH2 - Cl CH3 Clorua neôpentyl

Cl

(-)

Cl CH3 - C -CH2 - CH3 CH3 Clorua t-amyl

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:

134

(+)

(+)

(CH3)2C - CD2OH -HHO (CH3)2C - CD2

(CH3)2C - CD2OH

2

(+)

CH2 = CCD2CH3

(+)

-H

CH3

CH3

CH3 (+)

-D

(CH3)2C = CDCH3

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: CH3

CH3 (+)

(CH3)2C - CH2Br

(+)

(CH3)2C - CH2

(CH3)2C - CH2 - CH3

(+)

-H

(CH3)2C = CH3 OH

H2O

(CH3)2C - CH2 - CH3

(+)

-H (+)

(CH3)2C - CH = CH2 H

(+)

(+)

(CH3)2C - CH - CH3

CH3

(CH3)2C - CH(CH3)

(+)

-H

(CH3)2C = C(CH3)2

CH3

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: H

CH3 C6H5 CH3

H

(+)

AcOH

(-)

(+)

-OTs

C6H5

CH3

OTs CH3

H

CH3

H

Tôsylat êrytrô

H

-H

H

OAc

CH3

H CH3

C 6 H5 CH3 H

OAc

Ion phênôni

Axêtat êrytrô (quang hoạt)

135

H

CH3 C6H5 CH3

H

(+)

C6H5

H

OTs H

CH3

H

AcOH

(-)

-OTs

CH3 C6H5

(+)

CH3 -H

CH3

H CH3

H CH3

H

Tôsylat êrytrô

OAc

OAc

Ion phênôni

Axêtat êrytrô (quang hoạt)

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): CH3 CH3 CH3 - C - C - CH3 OH OH

(+)

H

CH3 CH3 CH3 - C - C - CH3

CH3 -H2O

(+)

OH OH2

(+)

CH3 - C - C - CH3 OH CH3 (I)

CH3 CH3 CH3 - C - C - CH3 O CH3 Pinacôlon

CH3 (+)

(+)

-H

CH3 - C - C - CH3 OH CH3 (II)

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:

136

CH3 CH3

CH3

CH3 (+)

CH3 - C - C - CH3

(+)

(+)

Ag

-AgBr

OH Br

CH3 - C - C - CH3

CH3 - C - C - CH3

OH CH3

OH CH3 -H

-N2 CH3 CH3

CH3 CH3

CH3 - C - C - CH3

NaNO2-HCl

CH3

CH3 - C - C - CH3

OH Br

CH3 - C - C - CH3

(+)

OH

(+)

N2

O

CH3

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: C6H5

CH3

H

H

(+)

C 6H 5

N2

OH C6H5

-N2

C6H5

CH3 (-)

-H

(+)

OH

C6H5

C6H5

H

CH3

O

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 C 6H5 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 ptôlyl chuyển dịch: p-CH3C6H4 C6H4 CH3 - p C6H5 - C - C - C6H5 OH OH

C6H4 CH3 - p

C6H4CH3 - p

C6H5 - C - C - C6H4CH3 - P + CH3C6H4 - C - C - C6H5 O

C6H5 94%

137

O

C6H5 6%

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: (p-CH3OC6H4)2C - C(C6H5)2 OH OH 28%

72% (+)

(+)

(p-CH3OC6H4)2C - C(C6H5)2

(p-CH3OC6H4)2C - C(C6H5)2

OH

OH C6H4 CH3 - p

C6H5 (p-CH3OC6H4)2C - C(C6H5)2

(p-CH3OC6H4)2C - C(C6H5)2

O

O

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):

(+)

(+)

R - C - CH - N

N

Ag2O

-N2

R - C - CH ..

O = C = CH - R

O Cacben

O

H2O

O = C - CH2 - R OH

xeten

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: RCOOH

SOCl2

RCOCl

CH2N2

-HCl

RCOCHN2

138

Ag2O, H2O

Vonfo

RCH2COOH

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: CH2N2

O

CH2 - N

(-)

O

XyclôhexaNôn

N O Xyclôheptanon

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: Ar

Ar

(-)

Ar - C - C - Ar O

HO

Ar - C - C - OH

O

O

Ar - C - C - OH (-)

O

- đixetôn

O O Ar

Ar (+)

Ar - C - C - OH

H3O

(-)

Ar - C - C - O OH O

OH O - Hyđrôxyaxit

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

ArCO - COAr + CH3O

ArC - COOCH3 OH

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.

139

Ngoài các đixêtôn thơm, một số đixêtôn béo và xêtôaxit cũng tham gia chuyển vị benzilic. Thí dụ: OH 1.KOH

HOOC - CH2 - C - C - CH2COOH

HOOC - CH2 - C - CH2COOH COOH Axit xitric

O O Axit xêtôpinic

6.1.2. SỰ CHUYỂN VỊ ĐẾN NGUYÊN TỬ NITƠ 6.1.2.1. 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. (-)

(-)

R - C - NH2

BrO

R - C - NH - Br

HO

O N - Brômamit

O Amit

CO2 + H2NR

(-)

R - C - N - Br

R - C - NH :

O

O = C - NH - R

O

O = C = N - R

OH Amin

Axit cacbomic

Izôxyanot

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 S N2 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:

140

NaOBr

(CH3)3CCH2CONH2

(CH3)3CCH2NH2

94%

O

NH2

CONH2

NH3

C

Br2KOH

NH Br

Br

NaOCl

COOH

C O

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. R - C - N3

R - C - N:

-N2

O Azit

O = C = N - R

O

Izôxyanat

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: NaN3

(CH3)2CHCH2COCl

(CH3)2CHCH2CON3

Clorua izôvalêryl

-N2 H2 O

(CH3)2CHCH2NH2

(CH3)2CHCH2N = C = O

Izôbutylamin 70% H2NNH2

p-CH3OC6H4COOC2H5

p-CH3OC6H4CONHNH2 HONO

p-CH3OC6H4COOC2H5 85%

C2H5OH

p-CH3OC6H4CON3

p-CH3OC6H4 = C = O 86%

-N2

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: (-)

R - C - NH - OH -N 2

O

OH -H2O

(-)

R - C - N - OH O

R - C - N: O

141

O = C = N - R

Axit hyđrôxamic

Izôxyanat

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: (+)

H

R - C - OH

(+)

R - C

O

(-)

HN3

(+)

R - C - N-N

O

N

O

Cation axyli

Axylazit -N2

CO2

(+)

+ RNH3

(+)

H

O = C = N - R

R - C - N: O

Izôxyanat

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:

142

(+)

R - C - OH

H

(+)

R - C-R (+)

O

(-)

HN3

(+)

R - C - N-N

OH

N

OH R

R - C - NH - R

R - C = N - R

O

R - C - N: O

OH

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: C6H5 - CO - CH3

HN3

CH3 - CO - NH - C6H5

(+)

H

77%

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: R - C - R N - OH

R - C - NHR' O

hoặc

R' - C - NHR O

Phản ứng trên được xúc tiến nhờ các tác nhân axit như H 2SO4, 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 H218O. (C6H5)2C = NOH C6H5CO - NHC6H5 Ta biết rằng ôxim cũng như anilit sinh ra không có khã năng trao đổi oxi với 18O trong

H218O cho nên sự trao đổi nội phân tử các nhóm R và OH không thể dẫn đến anilit chứa 18 O 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:

143

R

R' C

R (+)

H

N

R'

R'

C

C

N OH

-H2O

R'

N

R

OH

C

H2 O

N

OH2 R

X-Cl -HCl

H2 O

(+)

R' C

(+)

N

-H

R

R

R'

O

C

R' C

(-)

-Ox

N

NH Ox

R x = R''CO

R''SO2 ...

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: CH 3COCl < 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:

144

C6H5 PCl5

C = N p-CH3OC6H4 C6H5

C6H5

O C = N

ete

p-CH3OC6H4

OH

C6H5

OH PCl5

C = N

C = N

ete

p-CH3OC6H4

O

p-CH3OC6H4

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): (+)

H2NOH

H

-HOH

O Xyclohexanon

Becman

NH

O

NOH Xyclôhexanôxim

Caprôlactom

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: RCR + R'C - O - OH

RC - OR + R'C - OH

O Xêtôn

O Este

O

Ta có thể mô tả cơ chế phản ứng đó như sau:

145

O

R R - C - R

R - C - R

R - C - O - O - C - R' -(+)

O

OH

OH

OH

Xêtôn R R - C - OR

-H

(+)

(+)

R - C - OR

R - C - O - R' - C - OH'

(+)

O

OH

OH

O

Este

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 O

C6H5 - C - C6H5 18

O

C6H5COOH

C6H5C - OC6H5 18

O

Khi dùng  -phênylêtyl cũng quang hoạt: CH5CHCCH3 CH3 O

Quang hoạt

C6H5CH - O - CCH3 CH3

O

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:

146

RC - CR R'COOOH

RC - O - CR

Bazơ-Viligiơ

O

O

O

O

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. R (+)

H

R - C - O - OH

R - C = O + ROH

R'

R

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: C6H5

C6H5

C6H5

(+)

CH3 - C - O - OH

H

(+)

CH3 - C - O - OH2

CH3

(+)

H2O

CH3 - C - O

CH

CH3

Hyđrôpeôxyt cumyl (+)

OH CH3 - C = O + HOC6H5

(+)

CH3 - C - OOC6H5

H2O

(+)

CH3 - C - OC6H5

H

CH3

CH3

CH3

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 LY 6.2.1. 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.

147

R

R A - B

H

A - B:

(+)

H

R

(+)

-H

A - B H

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: (-)

(+)

OH

Z - CH2 - N(CH3)2

Z - CH - N(CH3)2 + H2O R

R

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: (+)

C6H5C - CH2 - N(CH3)2 O

(-)

(-)

OH

(+)

C6H5C - CH - N(CH3)2

CH2C6H5

O

C6H5C - CH - N(CH3)2

CH2C6H5

O

CH2C6H5

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: (+)

p - Br - C6H4COCH2 - N(CH3)2 14 CH

và

(+)

C6H5COCH2 - N(CH3)2 CH2C6H5

2C6H5

Ta lần lượt được hai sản phẩm (+)

p - Br - C6H4COCH - N(CH3)2

và

(+)

C6H5COCH - N(CH3)2 CH2C6H5

14 CH C H 2 6 5

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 và vị chéo: p - Br - C6H4COCH - N(CH3)2

C6H5COCH - N(CH3)2 14 CH

CH2C6H5

148

2C6H5

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. CH3