Xây dựng hệ thống bài tập bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ dùng cho việc việc bồi dưỡng HSGQG

Trong hệ thống trường THPT Chuyên thì sách giáo khoa dành cho học sinh các lớp chuyên được dùng riêng để phù hợp với yêu cầu nâng cao kiến thức, học sâu hơn so với các học sinh không chu

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

Sáng ki n kinh nghiế ệm-Đề t ài cấp cơ sở Trang 2

Phần một: MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Trong sự nghiệp đổi mới toàn diện của đất nước ta, đổi mới nền giáo dục là một trong những trọng tâm của sự phát triển Công cuộc đổi mới này đòi hỏi nhà trường phải tạo ra những con người lao động tự chủ, năng động và sáng tạo

Để đáp ứng nhu cầu về con người, nguồn nhân lực là yếu tố quyết định sự phát triển của đất nước ần phải tạo sức chuyển biến cơ bản toc àn diện về giáo dục và đào tạo Đó là "Đổi mới phương pháp dạy và học, phát huy tư duy sáng tạo và năng lực tự đào tạo của người học, coi trọng thực hành, thực nghiệm, làm chủ kiến thức, tránh nhồi nhét, học vẹt, học chay "

Bên cạnh đó, nền công nghiệp hoá chất của nước ta đang ngày một phát triển, cần phải có một lực lượng, đội ngũ cán bộ giỏi trong các lĩnh vực của công nghệ hoá học ệc tiếp ục bồi vi t dưỡng, đào tạo các thầy cô giáo giảng dạy Hoá học ở các bậc học phổ thông, cao đẳng, đại học, các nghiên cứu viên ở các cơ sở nghiên cứu khoa học vẫn luôn là một vấn đề lớn Việc bồi dưỡng học sinh giỏi về Hóa học ở trường phổ thông nằm trong nhiệm ụ phát hiện, đv ào tạo nhân tài mà trong công cuộc đổi mới đất nước hiện nay nó có một vị trí không thể thiếu được

Để làm được điều đó, trong quá trình đào tạo học sinh giỏi người thầy phải luôn mang lại cho học sinh niềm say mê học tập, sự hiểu biết sâu sắc về kiến thức cùng với những ứng dụng thực

tế mà môn học hoá học mang lại cho cuộc sống Một trong những cách gây hứng thú và phát triển tư duy của học sinh là làm bài tập gắn liền với học lý thuyết

Trong hệ thống trường THPT Chuyên thì sách giáo khoa dành cho học sinh các lớp chuyên được dùng riêng để phù hợp với yêu cầu nâng cao kiến thức, học sâu hơn so với các học sinh không chuyên Đối với học sinh lớp chuyên hoá cũng vậy, khi học phần hoá học hữu

cơ thì học sinh học theo tài liệu [1] Tuy nhiên mới chỉ có cuốn sách giáo khoa chứ chưa có cuốn sách bài tập Và số lượng sách bài tập hoá học hữu cơ dành riêng cho học sinh giỏi THPT chuyên còn rất ít Chính vì lí do đó nên tôi mạnh dạn chọn hướng nghiên cứu:

“Xây dựng hệ thống bài tập bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ dùng cho việc

việc bồi dưỡng HSGQG”

II Mục đích nghiên cứu

+ Soạn thảo một hệ thống lí thuyết hóa hữu cơ dành cho học sinh chuyên hoá theo hướng bổ sung và hoàn chỉnh kiến thức tích cực hóa hoạt động nhận thức và phát triển tư duy sáng tạo của học sinh

+ Đưa ra các dạng bài tập gắn với thực nghiệm, thực tế, để bồi dưỡng HSGQG

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên III Đối tượng nghiên cứu

+ Tài liệu SGK chuyên hoá học phần hoá hữu cơ

+ Các sách tham khảo về hoá học hữu cơ

+ Học sinh đội tuyển chính thức v đội dự tuyển HSGQGà

IV Nhiệm vụ nghi ên cứu của đề tài

+ Nghiên cứu cơ sở lý luận liên quan đến đề tài

+ Nghiên cứu chương trình, SGK chuyên hoá,

+ Nghiên cứu, xây dựng, đề xuất hệ thống bài tập tự luận nhằm củng cố vững chắc kiến thức hoá hữu cơ của học sinh chuyên và tích cực hoá hoạt động nhận thức của học sinh chuyên, giúp học sinh có thể làm được các bài tập hữu cơ trong đề thi chọn học sinh giỏi Quốc gia nhằm phát triển năng lực hành động và giải quyết các vấn đề gặp phải trong học tập, nghiên cứu

V Phương pháp tiến hành nghiên cứu

+ Nghiên cứu tài liệu về cơ sở lý luận, có liên quan đến đề tài

+ Nghiên cứu tài liệu có tính chất lý luận về học sinh chuyên hoá ở trường

THPT

+ Thực tiễn dạy và học theo tài liệu giáo khoa chuyên

+ Đọc và nghiên cứu các sách về hoá học hữu cơ, các trang web, các bài giảng của các trường đại học

+ Nghiên cứu cách ra một đề bài tập về hoá học hữu cơ theo từng dạng cụ thể + Sử dụng các dữ kiện trong các luận văn, luận án, các bài báo khoa học về thực nghiệm để tìm cách nghĩ ra bài tập sao cho phù hợp với thực tế ồi dưỡng HSGQG b

VI Những đóng góp mới của đề tài

VI.1 Về mặt lí luận

- Góp phần xây dựng được một hệ thống lí thuyết hoàn chỉnh trong công tác bồi dưỡng

HSGQG môn hóa học

- Bước đầu nghiên cứu và đề xuất bài tập hóa hữu cơ đáp ứng yêu cầu bồi dưỡng học sinh gi QG ỏi

VI.2 Về mặt thực tiễn

Đề tài này có thể sẽ là một tài liệu tham khảo tốt đối với các giáo viên dạy chuyên hoá đồng thời là một tài liệu luyện tập đối với học sinh chuyên hoá nhất là những học sinh đang trong đội tuyển HSGQG chính thức

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

Sáng ki n kinh nghiế ệm-Đề t ài cấp cơ sở Trang 4

Phần hai: Nội dung

A ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Cơ sở lí luận

Trong số các hợp phần tạo nên hoá học hữu cơ hiện đại th ổng hợp hữu cơ có quá trình lịch ì t

sử lâu dài nhất Tổng hợp hữu cơ là một lĩnh vực rộng lớn và hấp dẫn Các nhà hoá học ngày nay càng tạo ra nhiều phương pháp mới và sự đa dạng của tổng hợp hữu cơ Do vậy lượng kiến thức đặt ra cho người học là rất lớn và mênh mông Họ sẽ rất khó khăn trong sự ếp thu khối ti kiến thức đó nếu như không có một cách lựa chọn và hệ thống thích hợp.Trong một số giai đoạn của tổng hợp hữu cơ, phân tử phản ứng thường “chịu tác động hoá học” một cách mạnh

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

mẽ làm cho các nhóm chức cần được giữ lại bị phá huỷ Để tránh quá trình không mong muốn này phải bảo vệ nhóm chức trong quá trình tổng hợp hay chuyển hoá các hợp chất hữu cơ

2 Cơ sở thực tiễn

Thực tế giảng dạy một số năm cho học sinh chuyên tại trường THPT Chuyên Hưng Yên tôi nhận thấy phần tổng hợp hữu cơ luôn là phần khó đối với học sinh Trong quá trình tổng hợp hữu cơ học sinh thường mắc một số sai lầm sau:

- Chưa chọn đúng hướng đi

- Chưa chú ý đến việc bảo vệ nhóm chức

Để giúp các em khắc phục được những sai sót trên đòi hỏi người giáo viên cần chỉ ra cho các em cách lựa chọn hướng đi và phương pháp bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ

B - NỘI DUNG

I) Bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ

1) Khái niệm về bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ

Trong quá trình tổng hợp hữu cơ thường xảy ra sự ần thiết phải chuyển hoá ở nhóm chức c này đồng thời phải bảo vệ nhóm chức khác trong phân tử để sao cho chúng không bị thay đổi trong phản ứng chuyển hoá nhóm chức ở trên Để đạt được yêu cầu đó người ta thường sử dụng hai phương pháp cơ bản:

+ Phương pháp 1: Chọn lựa cẩn thận các tác nhân chọn lọc và điều kiện phản ứng

+ Phương pháp 2: Chuyển hoá tạm thời các nhóm chức cần bảo vệ thành các nhóm chức khác mà nó sẽ không bị biến đổi trong suốt quá trình chuyển hoá nhóm chức cần thiết Chính phương pháp t ứ hai nh ày gọi là phương pháp bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu

cơ và các nhóm chức được thay đổi tạm thời đó gọi là nhóm được bảo vệ

Những yêu cầu cơ bản đối với nhóm chức được bảo vệ phải là:

- Nhóm được bảo vệ dễ dàng chuyển hoá thành các nhóm chức khác mà nhóm chức mới này được ổn định và không tham gia vào quá trình phản ứng chuyển hoá nhóm chức cần chuyển hoá

- Sau phản ứng chuyển hoá nhóm chức cần thiết, nhóm bảo vệ lại dễ dàng được chuyển hoá lại nhóm chức cũ trong điều kiện hết sức nhẹ nhàng

2) B ảo vệ nhóm chức ancol

Các ancol béo và thơm dễ bị oxi hoá cũng như dễ tác dụng với các tác nhân khác như hợp chất cơ magie , kim loại, axit, vv Để bảo vệ nhóm hidroxi trong ancol người ta thường chuyển chúng thành:

a) Chuy ển qua nhóm chức ete

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

Sáng ki n kinh nghiế ệm-Đề t ài cấp cơ sở Trang 6

Các ete bền với tác dụng của đa số các chất oxi hoá trong môi trường trung tính và kiềm

Các hợp chất thường dùng để tạo ete với ancol là tetrahidropiran O , trimetylsilylclorua (CH )3 3SiCl ( trong pirindin ) , trityl( triphenylmetyl) clorua ( trong pirindin ), benzyl (C6H5

-CH2-)

Các ete này dễ dàng chuyển lại thành ancol khi đun với dung dịch axit loãng Với phenol người ta thường chuyển thành ete metylic khi phản ứng với điazometan hoặc đimetylsunfat Loại nhóm metyl bằng cách thuỷ phân trong axit

b) Chuy ển qua nhóm chức este

Các este khá bền trong môi trường axit nên cũng được dùng để bảo vệ nhóm

–OH khi nitro hoá, oxi hoá và tạo ra cloanhiđrit của axit cacboxylic

Để tạo thành este thường cho nhóm chức ancol tác dụng với anhiđrit axit, cloanhiđritaxit hoặc với axit cacboxylic Các este dễ dàng được thuỷ phân cho lại nhóm chức ancol ban đầu

c) B ảo vệ điol

Các điol được bảo vệ một cách thuận tiện và đồng thời ngay lập tức cả hai nhóm –OH khi chuyển chúng thành axetat, xetat Thường sử dụng phản ứng của chúng với axeton hay benzanđehit để chuyển thành axetat và xetat Các xeton thường tương tác với cis 1,2 điol trong -môi trường axit, còn benzanđehit tương tác với 1,3 điol trong sự có mặt của ZnCl Sau đó các - 2 điol được tái tạo khi dùng axit loãng phân huỷ các axetat và xetat

3) Bảo vệ nhóm amino

Trong lĩnh vực tổng hợp peptit người ta thường sử dụng các chất sau đây để bảo vệ nhóm amino:

_ Nhóm benzyloxicacbonyl C6H5CH2OCO- (kí hiệu Cbz) bằng cách cho benzyloxi cacbonyl clorua C6H CH5 2OCOCl tác dụng với amino axit trong môi trường bazơ Sau khi tổng hợp được peptit nhóm bảo vệ được loại ra khỏi phân tử peptit nhờ phản ứng hiđro phân ( dùng

H2/ Pd)

_ Nhóm tert- butoxi cacbonyl (CH3)3C-O-CO- (kí hiệu Boc) bằng cách cho đi-tert-butylđicacbonat (CH3)3C-O-CO-O-CO-O-C(CH3)3 tác dụng với aminoaxit.Sau khi tổng hợp được peptit nhóm bảo vệ Boc được loại ra khỏi phân tử peptit nhờ tác dụng của HBr hoặc

CF3COOH

_ Dùng trityl clorua (C6H5)3CCl

Axyl, axetyl, amin rất nhạy cảm với tác dụng của chất oxi hoá , v ậy khi sử lý với HNOì v 3 hoặc chất oxi hoá nào khác thì phải dùng nhóm axyl để bảo vệ Với anilin khi tiến hành nitro hoá bằng HNO3 thì phải khoá nhóm –NH2 bằng cách chuyển thành axetatnilit

C H6 5NHCOCH Để hồi lại anilin phải tiến h3 ành thuỷ phân axetatnilit trong môi trường kiềm

4) Bảo vệ nhóm chức cacbonyl

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

Nhóm cacbonyl rất nhạy cảm với tác nhân nucleofin Vì vậy trong hợp chất lưỡng chức chứa nhóm cacbonyl khi tác dụng với tác nhân nucleofin mà muốn giữ nguyên nhóm cacbonyl thì phải khoá nhóm chức lại Thông thường người ta chuyển nhóm nhóm cacbonyl thành axetat

và xetat bởi vì các dẫn xuất này bền trong môi trường trung tính, môi trường kiềm và trong thời gian ngắn có thể bền trong môi trường axit yếu

Các axetat và xetat vòng bền hơn axetat và xetat không vòng, vì vậy người ta thường dùng hơn Tác nhân thường dùng là HOCH2CH OH 2

Trong trường hợp có nhóm nhạy cảm với axit thì sử dụng monothioaxetat và xetat vòng, vì các hợp chất này bị tách loại trong điều kiện êm dịu hơn Thường dùng HOCH2CH2SH có mặt ZnCl2

5) Bảo vệ nhóm chức axit cacboxylic

Để bảo vệ nhóm COOH người ta thường chuyển chúng th– ành nhóm chức este khi cho chúng tác dụng với ancol Ancol được sử dụng thông thường là CH OH và C3 2H5OH Nhưng trong điều kiện axit mạnh hay kiềm đối với các metyl hay etyl ese th ự tách loại chúng sau ì s quá trình tổng hợp thường không có lợi

Khi đó để thuận lợi hơn, người ta dùng tert-butylancol để chuyển hoá –COOH thành este Nhóm tert-butyl este được loại đi dễ dàng khi tác dụng với các axit yếu

Nhóm benzyl este ( dễ bị loại bởi hiđrohoá cắt đứt liên kết, tức là hiđro phân) và tricloetyleste ( bị tách loại dưới tác dụng của kẽm) cũng được sử dụng để bảo vệ nhóm – COOH

Sự chuyển hoá nhóm chức –COOH thành nhóm benzyleste hay tert-butyleste có ứng dụng đặc biệt trong tổng hợp peptit

II Các bài tập vận dụng

Bài 1 : Thực hiện các chuyển hoá sau:

1) Từ HOCH2(CH3)2CH2Br điều chế ra HOCH2(CH3)2CH2D

Để bảo vệ nhóm – OH không thể dùng O vì ancol có thể bị hoàn lại dưới điều kiện axit Benzyl hoá cũng không hiệu quả vì Ag O có th2 ể phản ứng với -Br của tác nhân để cho -

OH Chỉ có silyl hoá là cho hiệu suất tốt

HOCH (CH )2 3 2CH Br2

(CH3)3SiCl

(CH ) SiOCH C(CH3 3 2 3)2CH Br2

Mg

D O2

(CH3)3SiOCH C(CH ) CH D2 3 2 2 HOCH (CH2 3)2CH2D H3O

+

1)

2)

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

Sáng ki n kinh nghiế ệm-Đề t ài cấp cơ sở Trang 8

Bảo vệ nhóm –OH dùng benzyl hoá không được vì khi hiđro hoá xúc tác sẽ tác dụng vào

nối ba Dùng O sẽ tốt hơn

CH HOCH C2

O

O

CH OCH C2

CCH3 HOCH C2

C4H9Li

CH I3

1)

2)

H3O+

3) Từ CH2=CHC(CH3)2OH điều chế ra BrCH2CH C(CH2 3)2OH

Dùng benzyl hoá dễ bị bảo vệ nhóm - OH vì nếu không bảo vệ - OH, khi cho tác dụng với HBr nhóm – OH chuyển thành Br

CH =CHC(CH2 3)2OH

C6H5CH Br2

Ag O2

CH =CHC(CH ) OCH2 3 2 2C6H5

HBr/ peoxit

BrCH CH2 2C(CH3)2OCH2C6H5 BrCH2CH C(CH ) OH2 3 2

H2/Pd

Bài 2 : Chuyển hoá 4- Brom butan-1-ol thành nonan-1,5,9-triol được dùng thêm HCHO

- Mạch C tăng, tạo triol, bảo vệ nhóm – OH dùng (C6H5)3SiCl hoặc (CH3)3SiCl

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

HOCH2(CH ) CH Br2 2 2

(CH3)3SiCl

(CH3)3SiOCH (CH ) CH2 2 2 2Br

Mg

(CH3) SiOCH (CH ) CH MgBr3 2 2 2 2

H O3

HCHO

(CH3)3SiOCH (CH2 2)3CH OH2

(CH ) SiOCH (CH ) CHO3 3 2 2 3

(CH ) SiOCH (CH ) CH MgBr3 3 2 2 2 2

H O3

HOCH2(CH ) CH(CH ) CH OH2 3 2 3 2

OH

1)

2)

1)

+

Bài 3 : Từ CH =CHCHO điều chế ra HOCH2 2CHOHCHO

Phân tích nhận thấy: - Mạch C không đổi

- Hình thành điol

Điều chế điol: oxi hoá C=C bằng KMnO4, OsO ho4 ặc cộng Br2, sau đó thuỷ phân Trong điều kiện đó nhóm – CHO bị oxi hoá nên trước hết phải bảo vệ nhóm – CHO Có thể dùng

C H2 5OH / HCl

CH2=CH-CHO CH CHCH(OC3 2H5)2

Br

CH =CH-CH(OC H )2 2 5 2

HOCH CHOHCH(OC2 2H5)2 HOCH CHOHCHO2

2 H5OH

dd KMnO4 H

3 O+

Bài 4 : Từ glixerol điều chế ra HOCH2CHOHCHO

KH SO4

Sau đó làm tương tự bài 2 thu sản phẩm

Bài 5 : Từ (CH CClCHO điều chế ra CH3)2 2=C(CH3)CHO

Phải bảo vệ nhóm – CHO bằng cách dùng HOCH2CH2OH

O O

C H = C -C H O2

CH3

H O C H2CH2O H

CH2= C -O O

CH3

C l

KOH / C2H5O H

H3O+

Bài 6 : Thực hiện sự chuyển hoá:

BrCH2CH2CHO CH3CH2C CCH2CH2CH O

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên

Sáng ki n kinh nghiế ệm-Đề t ài cấp cơ sở Trang 10

Phải bảo ệ nhóm v – CHO nếu không khi cho tác dụng với RC CNa nhóm

– CHO cũng phản ứng

BrCH CH2 2CHO BrCH2CH2

O

O

HOCH CH OH2 2

O

3 O

CH CH3 2C CCH2CH2 CH CH3 2C CCH2CH CHO2

CH CH3 2C CNa

+

Bài 7 : Thực hiện sự chuyển hoá:

O

CHO

CHO

Phải bảo vệ nhóm – CHO nếu không khi cho tác dụng với H2 cả nhóm

– CHO cũng phản ứng

O

O

2 C H 2

O O

LiA l H4

O

H O

H O

C H O

O

C H O

H3O+

Bài 8 : Từ 3- fomyl xiclohexanon và CH MgBr vi3 ết sơ đồ điều chế ra:

CHO

CH3 HO

Phải bảo vệ nhóm – CHO, nếu không cả nhóm – CHO cũng phản ứng với CH3MgBr

CHO

HOCH CH OH2 2

O

O

CHO

CH3 HO

CH MgBr3

H3O

1)

Nguyễn Đình Thế Trường THPT Chuyên Hưng Yên Bài 9 : Từ xiclohexanon và BrCH2CH2CHO điều chế ra:

CH CH2 2OH OH

B rC H2C H2C H O B r C H

2C H2 O O

H O C H2CH2O H

O

O

B r M g C H2C H2

M g / e te

O

O

O

C H2C H2

O M g B r

C H2C H2O H

O H

H3O +

Bài 10 : Từ 4- brombutanal, CH OH và CH3 3CHO điều chế ra

- Từ các hợp chất mạch hở điều chế ra hợp chất mạch vòng như

vậy phải có sự đóng vòng, muốn có hợp chất trên phải tổng hợp được

CH3CHOHCH CH CH CHO 2 2 2 Bảo vệ - CHO của chất

BrCH2CH2CH CHO 2

O O CH

3

H C3

BrCH2(C H2)2CHO BrCH2(CH2)2

O

O

HOCH C H OH

CH CHO3

H3O

M g

CH3CHOH(CH2)3C HO

O OH

H3C

CH OH3

H3O

O O CH3

H3C

1)

2)

3)

+ +

Bài 11 : Từ CH3COCH3 điều chế ra CH3COCH CH(CH2 3)2

- Mạch C phân nhánh tăng gấp đôi Chứa chức xeton.Phải bảo vệ chức xeton

C H3C O C H3 C H3C O C H2C ( C H3)2

O H

C H3C O C H = C ( C H3)2

H O C H2C H2O H

C H3C C H = C ( C H3)2

C H3C C H2C H ( C H3)2

C H3C O C H2C H ( C H3)2

O H

H3O

H2 / Ni

- H O2

+

Bài 12 : Thực hiện sự chuyển hoá:

CHO

COOH

CHO

CHO

- Chuyển nhóm – COOH thành – CHO