GIÁO TRÌNH ĐẠI CƯƠNG HOÁ HỌC HỮU CƠ đại học dược p 1

Giáo trình Đại cương hoá học hữu cơ dành cho dược sĩ Đại học phần 1 của trường Đại học Nguyễn Tất Thành. Cấu trúc electron và liên kết hoá học trong hợp chất hữu cơ. Đồng phân và cấu dạng. Các hiệu ứng điện tử trong hợp chất hữu cơ. Các loại phản ứng trong hoá hữu cơ.

Hóa học Hữu cơ

Dược sỹ Đại học

Phần I Đại cương Hóa học Hữu cơ

1 Cấu trúc elec tron và liên kết hóa học trong hợp chất hữu cơ

2 Đồng phân và cấu dạng

3 Các hiệu ứng điện tử trong hợp chất hữu cơ

4 Các loại phản ứng trong hóa hữu cơ

2

Orbital lai hóa

Cấu hình electron của C ở trạng thái cơ bản: 1s22s22p2

Orbital lai hóa

Cấu hình electron của C ở trạng thái cơ bản: 1s 2 2s 2 2p 2

Cấu hình electron của C ở trạng thái kích thích (C*): 1s 2 2s 1 2p 3

Orbital lai hóa

Lai hóa sp2

-Một orbital 2s + hai orbital 2p

3 orbital lai hóa sp 2

-Giống hệt nhau

- Góc giữa các orbital là 120 o

-Liên kết đôi gồm một lk σ + một lk π

Orbital lai hóa

Hệ thống liên hợp π-π

Butadiene

Hệ thống liên hợp π-π

10

Benzene

1.3 Sự phân cực của liên kết cộng hóa trị

Độ âm điện của một nguyên tố là đại lượng đặc trưng cho khả năng của nguyên tử nguyên tố đó trong phân tử hút cặp electron liên kết về phía mình

Độ âm điện càng lớn  khả năng hút cặp electron càng mạnh

1.3 Sự phân cực của liên kết cộng hóa trị

12

Liên kết C-H coi như không phân cực

Lưu ý:

-Liên kết σ : mũi tên thẳng

- Liên kết π : mũi tên cong

1.4 Liên kết hydro

Liên kết hydro là 1 liên kết rất yếu được hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa hydro (đã liên kết trong 1 phân tử) với 1 nguyên

tử có độ âm điện mạnh có kích thước bé (N,O, F )

Liên kết hydro liên phân tử

Vòng 5,6 cạnh

Liên kết hydro liên phân tử làm tăng nhiệt độ sôi

và nhiệt độ nóng chảy so với những phân tử có khối lượng tương đương mà không có liên kết hydro hoặc chỉ có liên kết hydro nội phân tử

Liên kết hydro giữa chất tan và dung môi  tăng

Liên kết hydro giữa chất tan và dung môi  tăng

Bài tập

18

2 Chất nào sau đây tan trong nước

CHƯƠNG 2 ĐỒNG PHÂN VÀ CẤU DẠNG

Đồng phân: những hợp chất hữu cơ có công thức phân tử giống nhau, công thức cấu tạo khác nhau  tính chất hóa học, vật lý, sinh học khác nhau

Phân loại:

+ Đồng phân lập thể (đồng phân không gian)

2.1 Đồng phân cấu tạo

2.1.1 Đồng phân mạch carbon

Có mạch carbon sắp xếp khác nhau

20

2.1.2 Đồng phân do vị trí nhóm chức

Nhóm định chức trên mạch carbon ở các vị trí khác nhau

2.1.3 Đồng phân có nhóm định chức khác nhau

22

Sự hỗ biến - Tautomer

2.2 Đồng phân lập thể - Đồng phân không gian

Các loại đồng phân không gian:

- Đồng phân hình học

- Đồng phân quang học

- Đồng phân cấu dạng

2.2.1 Đồng phân hình

Do sự khác nhau về vị trí các nhóm thế đối với mặt phẳng liên kết đôi hoặc mặt phẳng của vòng

24

Điều kiện:

• Phân tử phải chứa liên kết đôi hoặc vòng kín

• Các nguyên tử C có chứa liên kết đôi và vòng kính phải liên kết với 2 nguyên tử hay 2 nhóm thế có bản chất khác nhau

a ≠ b , c ≠ d

Hệ cis-trans: abC=Cab hoặc acC=Cab

• Nhóm thế tương đương nằm cùng phía mặt phẳng π hoặc

Hệ Z-E: abC=Ccd (a>b, c>d)

• Nhóm thế lớn nằm cùng phía mặt phẳng π hoặc vòng  Z

(Zusammen = cùng phía)

• Khác phía  E (Eintgegen = khác phía)

Quy tắc xác định “độ lớn” Kahn-Ingold-Prelog -Liên kết đôi, ba  nguyên tử đó có 2, 3 lần liên kết với

nguyên tử khác

Đồng phân hình học trong hợp chất có C=N và N=N

30

2.2.2 Đồng phân cấu dạng (quay)

Biểu diễn phối cảnh

Biểu diễn Newman

(bền nhất)

Phân tử ethane có thể được trình bày các dạng công thức:

36

LK C-H gồm 2 nhóm: lk trục a (axial) & lk biên e (equatorial)

Đồng phân cấu dạng

•Là những cấu trúc không gian sinh ra do 1 nhóm

thế quay xung quanh trục C-C (không làm đứt C-C)

so với 1 nhóm nguyên tử khác

• Thường cần năng lượng 3-4 Kcal/mol

• Chỉ tồn tại những cấu dạng tương đối bền

• Không thể tách thành những đồng phân riêng

rẽ!!!

2.2.2 Đồng phân quang học

Đồng phân quang học quay mặt phẳng phân cực

38

Năng suất quay cực riêng:

α: góc quay cực (độ)

+ α mặt phẳng phân cực quay phải

- α mặt phẳng phân cực quay trái

L: bề dày lớp chất quang hoạt mà ánh sáng phân cực (dm) C: số gram chất hòa tan trong 100ml dung môi

λ : bước sóng ánh sáng

Điều kiện xuất hiện đồng phân quang học:

•Vật và ảnh trong gương không trùng khít

•Hai đồng phân này quay mặt phẳng phân cực những góc như

nhau nhưng ngược chiều  2 chất đối quang

(C*)

* C bất đối xứng:

Cabcd a ≠ b ≠ c ≠ d  không có tính đối xứng trong không gian

42

Đồng phân quang học không chứa C*

•Phân tử bố trí chặt chẽ trong không gian, có cấu tạo bất đối

xứng trên toàn phân tử

Ví dụ:

• Hợp chất allene

• Hợp chất biphenyl

Ngoài lề: thảm họa Thalidomide

Thalomide “thần dược”: giảm đau, an thần vô cùng hiệu quả; dùng điều trị chứng mất ngủ, ho, cảm lạnh và nhứt đầu; được phát hiện có hiệu lực rất tốt với chứng nôn mửa buổi sáng của phụ nữ ốm nghén

 Sử dụng Thalidomide trong khi mang thai có thể làm hư hại

cơ thể thai nhi, nhất là làm cụt 2 tay, 2 chân 44

Danh pháp đồng phân quang học

Có hai loại danh pháp: Danh pháp D,L và R,S

1 Danh pháp D,L:

L-glyceraldehyde

D-glyceraldehyde

Công thức tứ diện Công thức Fisher Công thức Fisher Công thức tứ diện

Trong công thức Fisher:

- OH quay phải  cấu hình D Rất khó xác định

Danh pháp đồng phân quang học

1 Danh pháp D,L:

46

- Dấu (+) và (-) chỉ chiều quay của mặt phẳng phân cực

- Danh pháp D, L cũng được áp dụng cho các amino acid

Danh pháp đồng phân quang học

2 Danh pháp R,S  cấu hình tuyệt đối

Cách xác định cấu hình: C*abcd, trong đó: a>b>c>d

Trường hợp 1: Theo công thức tứ diện / phối cảnh (không gian)

Danh pháp đồng phân quang học

2 Danh pháp R,S  cấu hình tuyệt đối

48

Trường hợp 1: Theo công thức tứ diện / phối cảnh (không gian)

Trường hợp 1: Theo công thức tứ diện / phối cảnh (không gian)

Danh pháp đồng phân quang học

2 Danh pháp R,S  cấu hình tuyệt đối

50

Trường hợp 2: Theo công thức Fisher

- Đặt nhóm nhỏ nhất ở phía dưới hoặc trên trong công thức Fisher

- Quy ước:

- Thay đổi vị trí của 1 cặp nhóm thế  Cấu hình thay đổi

- Thay đổi vị trí của 2 cặp nhóm thế  Cấu hình không đổi

Trường hợp 2: Theo công thức Fisher

Hợp chất chứa nhiều C*

52

Hợp chất chứa nhiều C*

Có 2 C* tương đương  3 đồng phân

Hợp chất chứa nhiều C*

54

Racemic là hỗn hợp 50% đồng quay trái và 50% đồng quay phải  do đó hỗn hợp không có tính chất quang học vì độ quay cực tự bù trừ nhau

Bài tập

1 Xác định đồng phân Z/E ?

2 Cấu dạng nào sau đây là bền nhất? Kém bền nhất?

Bài tập

56

3 Các chất sau đây có bao nhiêu carbon bất đối xứng?

Bài tập

CHƯƠNG 3 CÁC HIỆU ỨNG ĐIỆN TỬ

3.1 Hiệu ứng cảm ứng (Inductive effect): Ký hiệu là I

HU cảm ứng: sự dịch chuyển điện tử trong các liên kết do các nguyên tử trong phân tử có độ âm điện khác nhau  phân tử

phân cực

Độ âm điện Cl > C  Cl hút điện tử  điện tử dịch

chuyển theo chiều C1Cl, C2C1, C3C2

Phân loại

60

• C-H có I=O

• Y đẩy điện tử mạnh hơn hydro: HU cảm dương (+I)

• X hút điện tử mạnh hơn hydro: HU cảm âm (-I)

3.1.1 Hiệu ứng cảm ứng dương (+I)

Thường thấy ở nhóm alkyl (R-) và các nhóm mang điện tích âm

Gốc alkyl càng dài, càng phân nhánh  HU (+I) càng mạnh

Độ âm điện nhỏ  +I mạnh

3.1.2 Hiệu ứng cảm ứng dương (-I)

62

Phổ biến ở các nhóm không no, các nhóm mang điện tích dương và các nhóm có chứa các nguyên tố có độ âm điện lớn (Cl, O, N…)

Bài tập: so sánh tính acid của các chất sau:

Bài tập: so sánh tính base của các chất sau:

NH 3 (CH 3 ) 2 NH CH 3 CH 2 NH 2 CH 3 NH 2

64

• HU cảm ứng giảm dần theo mạch carbon

Đặc điểm của HU cảm ứng

3.2 Hiệu ứng liên hợp

3.2.1 Hệ liên hợp

• Hệ liện hợp π-π

3.2.1 Hệ liên hợp

66

• Hệ liện hợp p-π: phân tử có các nguyên tử hay nhóm nguyên tử

có cặp điện tử không liên kết, liên kết trực tiếp với hệ liên hợp

3.2.2 Hiêu ứng liên hợp (Conjugate effect)

• Hiệu ứng liên hợp: do sự phân cực của liên kết π được lan truyền trong hệ thống liên hợp – Kí hiệu là C, biểu diễn bằng mũi tên cong

CH2=CH-CH=CH2  mật độ điện tử phân bố đều trên các C

Độ âm điện của O > C

 nhóm C=O sẽ hút điện tử π của hệ  phân tử phân cực

O còn cặp electron p tự do

 cặp electron p liên hợp với lk π

 Phân tử phân cực

• Đa số các nhóm nguyên tử mang -C là những nhóm không no

như -NO 2 , -SO 3 H, -CN, -CHO, -COR, -COOH, -CONH 2

• Trong đó:

-C: C=O > C=NR > C=CR 2 > C=CR 2 -C: NO 2 > CN > CHO > COOH

- C:

Phân loại của HU liên hợp

Chú ý: một nguyên tử, một nhóm nguyên tử có thể có đồng thời

HU liên hợp và HU cảm ứng

Phân loại HU liên hợp

70

• HU liên hợp thay đổi rất ít khi kéo dài mạch liên hợp

• HU liên hợp chỉ có hiệu lực trên hệ liên hợp phẳng

Đặc điểm chung của HU liên hợp

Độ linh động của H ở hai chất là giống nhau

71

• HU liên hợp ảnh hưởng đến sự dịch chuyển điện tử  tạo thành

các công thức trung gian

Đặc điểm chung của HU liên hợp

Crotonaldehyde

3.3 Hiệu ứng siêu liên hợp

Bài tập:

Xét tính acid:

74

Bài tập:

Xét tính base:

CHƯƠNG 4 PHẢN ỨNG HỮU CƠ

4.1 Phản ứng thế

Phản ứng thế (ký hiệu bằng chữ “S” – Substitution) là phản ứng trong đó một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử trong phân

tử được thay thế bằng một nguyên tử hay một nhóm nguyên

tử khác

4.1.2 Phản ứng thế ái nhân (SN 1, SN 2)

81

Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử (SN 2)

Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử (SN 1)

Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử

Giai đoạn chậm có sự tham gia của 2 tiểu phân

Vd:

Ở trạng thái chuyển tiếp:

- Liên kết cũ sắp bị cắt đứt và liên kết mới sắp hình thành

- Tác nhân ái nhân (OH-) tấn công vào carbon từ phía xa của nhóm Cl

Phân tử có chứa C* sẽ có sự thay đổi cấu

Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử

83

Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử

Giai đoạn chậm có sự tham gia của 1 tiểu phân

Vd: (CH 3 ) 3 C-Br + HO -  (CH 3 ) 3 C-OH + Br -

Giại đoạn chậm: (CH 3 ) 3 C-Br  (CH 3 ) 3 C + + Br -

Giai đoạn nhanh: (CH 3 ) 3 C + + HO -  (CH 3 ) 3 C-OH

Tạo ra 2 sản phẩm có cấu hình ngược nhau  racemic hóa

Có cấu trúc phẳng

 Tác nhân ái nhân (OH-) tấn công

vào 2 phía của mặt phẳng

Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử

85

Hỗn hợp racemic

Đặc điểm của phản ứng thế ái nhân

 S N 1 : carbon bậc 3 (chỉ cho S N 1 ) > carbon bậc 2 > carbon bậc 1 (chỉ cho S N 2 )

Đặc điểm của phản ứng thế ái nhân

87

 Tác nhân ái nhân: OH - , Cl - , Br - , I - , CH 3 O - , NH 3 …

 Tính ái nhân thường đồng biết với tính base

 Dung môi phân cực  ưu tiên S N 1 ; dung môi không phân cực

 ưu tiên S N 2

4.1.3 Phản ứng thế ái điện tử trên vòng thơm (SE)

89

phức σ

Ví dụ:

4.2 Phản ứng tách loại (E1, E2)

Phản ứng tách loại (ký hiệu bằng chữ “E” – Elimination) là phản ứng trong đó có sự tách 1 nguyên tử hay nhóm nguyên tử

ra khỏi chất ban đầu

 Base sử dụng: các base mạnh như OH - , RO - , NH

-Cơ chế tách loại E2

91

Phản ứng tách loại dễ xảy ra khi các nhóm bị tách

ở vị trí trans, anti với nhau

Cơ chế tách loại E2

Cơ chế tách loại E1

93

Cơ chế tách loại E1

Hướng của phản ứng tách loại

 Dẫn xuất bậc 2, bậc 3  cho nhiều hơn 1 sản phẩm

 Quy tắc: pứ tách loại sẽ cho sản phẩm mà carbon của nối đôi liên kết với nhiều nhóm alkyl nhất

b Quy tắc Hofmann

Khi gốc R (bậc 1 & 2) của R-X chứa nhiều nhóm thế kích thước lớn, tác nhân base có kích thước lớn (vd (CH 3 ) 3 CO - ) hoặc X là

S + R 2 , SO 2 R…)  sản phẩm Hofmann chiếm chủ yếu (E2)

4.3 Phản ứng cộng hợp

97

Phản ứng cộng hợp (ký hiệu bằng chữ “A” – Addition) là phản ứng trong đó có hai phân tử kết hợp với nhau tạo thành một phân tử mới

Phân loại:

- Phản ứng cộng hợp ái điện tử

- Phản ứng cộng hợp ái nhân

Ví dụ:

Phản ứng cộng hợp ái điện tử vào nối đôi (AE)

Phản ứng cộng hợp vào nối đôi của hydrocarbon không no như alkene, alkyne với các hợp chất như X 2 (halogen), HX, H 2 O, HOX,

Phản ứng cộng hợp ái điện tử vào nối đôi (AE)

 Quy tắc Zaitsev-Wagner: H + sẽ tấn công vào phía tạo thành

carbocation trung gian bền nhất

Phản ứng cộng hợp ái nhân vào C=O (AN)

101

X-Y có thể là H-OH, H-OR, H-CN, H-SO 3 Na, Li-R, BrMg-R…

Bài tập

103

3 Sắp xếp thứ tự độ bền của các carbocation sau:

4 Viết sản phẩm của các phản ứng tách loại (E2) sau: