30 chuỗi chuyển hóa hữu cơ

1 Xác định cấu trúc (1) Hợp chất hydrocarbon A, có công thức phân tử là C7H10, khi được hydrogen hoá có xúc tác thì thu được B (C7H14) A phản ứng với nước dưới sự hiện diện của xúc tác HgSO4 thì tạo t.

1 Xác định cấu trúc (1)

Hợp chất hydrocarbon A, có công thức phân tử là C7H10, khi được hydrogen hoá có xúc tác thì thu được B (C7H14) A phản ứng với nước dưới sự hiện diện của xúc tác

HgSO4 thì tạo thành ancol (ancol này không có cấu trúc của enol, nghĩa là không

chuyển hoá tiếp thành ketone được) A phản ứng mãnh liệt với KMnO4 tạo thành hợp chất C có công thức cấu tạo như sau:

Xác định công thức cấu tạo có thể có của A

Hướng dẫn:

Các công thức cấu tạo có thể có của A:

Phản ứng III: khử-ghép mạch (reductive coupling) các xeton với tác nhân khử là samari điiot, chẳng hạn hai phân tử xeton sau được khử-ghép mạch để tạo thành một hợp chất điol:

Hãy cho biết công thức cấu tạo của các chất A, B và C, nếu có thể hãy trình bày rõ cấu

trúc dạng không gian ba chiều của chúng

Cho biết những đặc điểm về “hoá học xanh” thể hiện qua chuỗi phản ứng trên là gì?

Hướng dẫn:

Công thức cấu tạo của các hợp chất A, B và C:

Trong chuỗi phản ứng trên, các nguyên tử trong hợp chất đầu đều tham gia phản ứng

để tạo thành trung gian A và B, thoả mãn nguyên lý về “tiết kiệm nguyên tử” trong hoá học xanh Hơn nữa, ba phản ứng để tổng hợp nên hợp chất có dạng khung C được

đề cập ở trên đề có nguồn nguyên liệu ban đầu ít độ tính và ít có phản ứng phụ xảy

ra, thoả mãn yêu cầu về hoá học môi trường

3 Tổng hợp ciprofloxacin

Ciprofloxacin là thuốc kháng sinh bán tổng hợp, có phổ kháng khuẩn rộng, thuộc nhóm quinolone, còn được gọi là các chất ức chế ADN girase Do ức chế enzim ADN girase nên thuốc ngăn cản sự sao chép của nhiễm sắc thể khiến cho vi khuẩn không sinh sản được nhanh chóng Ciprofloxacin có tác dụng tốt với các vi khuẩn kháng lại kháng sinh thuộc các nhóm khác (aminoglycoside, cephalosporin, tetracyclin, penicillin…) và được coi là một trong những thuốc có tác dụng mạnh nhất trong nhóm flouroquinolon Nó có thể được tổng hợp thông qua chuỗi phản ứng dưới đây:

• Xác định cấu trúc của các hợp chất A, B, D, E, F

• Tại sao khi chuyển hoá A thành B người ta phải sử dụng NaH, trong khi đó chuyển hoá B thành C lại dùng NaOC2H5 ?

• Phản ứng chuyển hoá từ C thành D gồm hai giai đoạn, hãy cho biết và giải thích

ngắn gọn hai giai đoạn đó

Hướng dẫn:

Công thức cấu trạo các hợp chất A, B, D, E và F:

Do A là hợp chất carbonyl nên tính acid của nguyên tử hydrogen trên carbon alpha kém, do đó cần một base mạnh như NaH để bứt được hydrogen đó Ngược lại B có hai

nhóm carbonyl rút điện tử mạnh hơn, làm cho hydrogen trên carbon alpha (ở nhóm methylene) có tính acid mạnh hơn, nên chỉ cần dung NaOC2H5 là đủ

Phản ứng từ C tạo thành D qua hai giai đoạn là cộng – tách:

4 Tổng hợp macmiror

Dưới đây là sơ đồ tổng hợp một loại dược phẩm có tên gọi Macmiror:

Xác định cấu trúc của các hợp chất B, C và D

Gọi tên theo danh pháp các hợp chất B và D

Hợp chất CH3SH ở điều kiện nhiệt độ và áp suất phòng bình thường thì tồn tại trạng thái nào (rắn, lỏng hay khí) Tại sao ?

Hướng dẫn:

Công thức cấu tạo các chất B, C và D:

Tên gọi của B: 3-thiomethyl-1,2-epoxypropane hoặc methyl-2,3-epoxypropyl sulfide Tên gọi của C: 2-hydroxy-3-thiomethylpropylhydrazine hoặc 1-thiomethyl-3-hydrazino-2-propanol

H2O và CH3OH tồn tại ở trạng thái lỏng do có sự hiện diện của liên kết hydrogen liên phân tử H2S không có liên kết hydrogen nên ở trang thái khí CH3SH cũng không tạo được liên kết hydrogen nên cũng tồn tại ở trạng thái khí

5 Tổng hợp ibuprofen

Năm 1997, công ty BHC đã cải tiến quy trình thông dụng để sản xuất dược phẩm ibuprofen và đã giành được giải thưởng hoá học xanh của Hoa Kỳ Dưới đây là các chuỗi chuyển hoá để tổng hợp ibuprofen

Con đường tổng hợp cũ:

Con đường tổng hợp mới:

• Xác định công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C và D

• Gọi tên theo danh pháp của ibuprofen

Hướng dẫn:

Công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C và D:

Tên gọi theo danh pháp của ibuprofen: (4-Isobutylphenyl)propionic acid hoặc

2-[4-(2-Methylpropyl)phenyl]propionic acid

6 Tổng hợp 2,3,4,5,6-pentaphenylbenzaldehyde

Một hợp chất có cấu trúc không gian đặc biệt cồng kềnh là phentaphenylbenzaldehyde – nguyên liệu phát huỳnh quang đỏ mới này là một chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất khác phức tạp hơn Nó đã được tổng hợp theo chuỗi phản ứng sau:

2,3,4,5,6-Hợp chất A được điều chế nhờ phản ứng:

Một nhà hoá học sau khi nghiên cứu các tài liệu thích hợp, và từ nguyên liệu có sẵn

là anđehic cinnamic (F), đã đề nghị một con đường tổng hợp

2,3,4,5,6-pentabenzealdehyde theo sơ đồ sau:

Trong các phương trình trên TsOH, DMSO và TCQ tương ứng là axit

p-toluensulfonic, đimetyl sulfoxit và cloranil

• Viết công thức phân tử của A

• Vẽ cấu trúc của các hợp chất A, C, E, G, H, I, J trong chuỗi tổng hợp trên

• Gọi tên hợp chất A và E

• Cho biết phản ứng tổng hợp C và A thuộc loại phản ứng gì ?

• Hãy cho biết mục đích của việc chuyển hoá F thành G ? Tại sao không sử dụng

HCl khô thay vì p-TsOH)?

Hướng dẫn:

• Công thức phân tử của A: C29H20O

• Công thức cấu tạo các hợp chất A, C, E, G, H, I, J:

• Tên gọi theo danh pháp hợp chất A: tetraphenylcyclopentadienone hoặc 2, 3,

7 Hợp chất hướng dẫn sinh học

Ung thư, cũng được biết đến là những khối u ác tính, được điều trị truyền thống bằng cách xạ trị hoặc hoá trị Nhưng những phương pháp này thường cho tỉ lệ thuyên giảm bệnh rất thấp Trong những năm gần đây, người ta bắt đầu nghiên cứu một số “hợp chất hướng dẫn sinh học” (cũng được biết đến là các thuốc mục tiêu, như trong hình), các chất này đóng vai trò là một chất mang có ái lực chuyên biệt với mô tế bào nhất định, nhằm chuyên chở thuốc đến đúng vị trí bị tổn thương Điều này sẽ giúp đạt được cả hai mục tiêu là làm giảm bệnh tật cũng như giảm đi các tác dụng phụ không mong muốn khác

(药物: thuốc, 导向载体: chất mang định hướng)

Các hợp chất có vòng porphine có một ái lực rất đặc biệt với các mô tế bào, do đó chúng có thể sử dụng để làm chất mang chuyên chở Một nhóm các nhà nghiên cứu

về cấu trúc vòng porphyrin đã thiết kế, cải tiến và tổng hợp một tiền chất A dưới đây với hy vọng làm chất mang:

A được tổng hợp theo sơ đồ sau:

• Viết công thức cấu tạo của (B), (C) và (D)

• Hãy cho biết nhóm hydroxyl nào trong 5 nhóm của Beta-D-glucopyranose có hoạt tính cao nhất ? Xác định cấu hình tuyệt đối R, S tại C1 và C3

• D-galatose và D-glucose chỉ khác nhau cấu hình tại C4 Hãy vẽ công thức cấu tạo của alpha-D-galactopyranose

• Hợp chất A có thể được sử dụng như một chất hướng dẫn sinh học sau khi được thuỷ giải trong môi trường kiềm Giải thích ngắn gọn

Hướng dẫn:

Công thức cấu tạo của (B), (C) và (D):

Hemiacetal hydroxyl (glycosyl, hydroxy trên carbon C1) C1 có cấu hình R, C3 có cấu hình S

Công thức cấu tạo của A2D2 galactose:

Sau quá trình thuỷ phân trong môi trường kiềm, các phân tử đường này sẽ có 4 nhóm hydroxyl, do đó phân tử nước sẽ dễ dàng tạo liên kết hydrogen hơn, do đó hợp chất này sau khi thuỷ phân sẽ tan trong nước nhiều hơn, thuận lợi để làm chất mang

8 Chuyển hoá ECH

Theo các bản báo cáo gần đây, nước tương của Trung Quốc đã bị cấm sử dụng do thừa một lượng chất có tên gọi là chloropropanol, đây là một dẫn xuất clorua của glycerol được tạo ra khi thuỷ giải glycerol bằng acid HCl Một nguồn khác là trong quá trình lọc với nhựa trao đổi ion trong việc sản xuất nước tương đã phát sinh ra cloropropanol

do việc sử dụng 1,2-epoxy-3-chloropropane (ECH) làm tác nhân gắn kết, sau khi thuỷ phân ECH sẽ thu được chloropropanol Ngoài ra, ECH cũng có thể được có từ các vật liệu polymer bao bì dung để đóng gói thực phẩm

• Hãy viết các công thức chloropropanol có thể có dựa trên glycerol (đánh dấu sao vào nguyên tử carbon bất đối), và viết phản ứng thuỷ giải ECH

• Biết rằng hợp chất chloropropanol với hai nhóm hydroxyl hoặc một nhóm hydroxyl và một nhóm clorua gắn trên cùng một nguyên tử carbon là kém bén bền, do đó sẽ có phản ứng tách loại xảy ra ở điều kiện bình thường Hãy viết hai phản ứng ví dụ cho trường hợp này

Hướng dẫn:

Các công thức có thể có của chloropropanol và phản ứng thuỷ giải của ECH

Các phản ứng minh hoạ:

9 Xác định cấu trúc (2)

Phân tích nguyên tố của các hợp chất A và B cho thấy C chiếm 85.71% và H chiếm 14.29% về khối lượng Dữ kiện phổ khối lượng chỉ ra rằng khối lượng phân tử tương đối của A và B là 84 Ở nhiệt độ phòng, A và B có thể làm nhạt màu nước brom, nhưng không thể làm mất màu dung dịch KMnO4 A tác dụng với HCl tạo thành 2,3-dimethyl-2-chlorobutane Tiến hành hydrogen hoá có xúc tác A thì thu được 2,3-dimethylbutane B tác dụng với HCl tạo thành 2-methyl-3-chloropentane, Tiến hành hydrogen hoá có xúc tác B thì thu được 2,3-dimethylbutane

• Xác định công thức cấu tạo của A và B

• Hãy viết tất cả các đồng phân có cùng khung carbocyclic như A và B, và viết

sản phẩm phản ứng của các đồng phân đó với HCl

Hướng dẫn:

Công thức cấu tạo của A và B là:

Các đồng phân của A và B và sản phẩm với HCl tương ứng:

10 Tổng hợp thuốc chống co giật

Dưới đây là sơ đồ tổng hợp một hợp chất chống co giật E:

• Xác định công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C, D, E

• Hãy cho biết các đồng phân lập thể của E bằng việc dùng các kí hiệu trước chữ

E để cho biết cấu hình lập thể của từng đồng phân, giữa hai đồng phân là đối quang của nhau thì dùng dấu gạch thẳng

• Hãy vẽ một công thức cấu tạo của E và xác định rõ cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối xứng:

Hướng dẫn:

Công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C, D, E

E có 8 đồng phân lập thể

Một công thức cấu tạo của E và cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối xứng

11 Nghiên cứu về phản ứng trùng hợp

Phản ứng trùng hợp mô phỏng lại một sự lắp ráp các phân tử Quá trình cơ bản này bao gồm việc kết nối các thành phần kéo dài mạch vào thành phần lõi để tạo thành một đại phân tử với cấu trúc và khối lượng nhất định Thành phần lõi có thể là các phân tử đơn chức hoặc đa chức (phải tương đồng hoàn toàn), còn thành phần kéo dài mạch là phân tử nhỏ có một (và chỉ một) nhóm chức có khả năng ngưng tụ với thành phần lõi Chẳng hạn monoancol ROH có thể đóng vai trò là thành phần lõi, và H2NCH2CH2CN có thể đóng vai trò là thành phần kéo dài mạch Sơ đồ tổng hợp loại

polime này như sau:

(l） ROH + CH2=CHCN → ROCH2CH2CN → ROCH2CH2COOH → ROCH2CH2COCl (2） ROCH2CH2COCl + H2NCH2CH2CN → ROCH2CH2CONHCH2CH2CN

(3) lập lại n lần:

(4) Cuối cùng là phản ứng thuỷ giải, ester hoá để tạo thành một loại polymer bền Để làm tăng khối lượng của phân tử polymer, người ta sử dụng các thành phần lõi và thành phần kéo dài mạch đa hướng

Chẳng hạn: Thành phần lõi hai hướng: (CH2OCH2CH2COCl)2

Thành phần kéo dài mạch hai hướng: HN(CH2CH2OCH2CH2CN)2

• Hãy viết công thức của polymer được tạo thành từ thành phần lõi hai hướng ngưng tụ 1 lần, 2 lần và n lần với thành phần kéo dài mạch đơn hướng

• Xác định các nguyên liệu thích hợp để điều chế thành phần kéo dài hai hướng sau: HN(CH2CH2OCH2CH2CN)2

• Hãy viết công thức polymer được tạo thành từ các thành phần lõi và kéo dài mạch hai hướng đã cho: (CH2OCH2CH2COCl)2 và HN(CH2CH2OCH2CH2CN)2 sau khi ngưng tụ lần 1 và lần 2

• Hãy cho biết nghĩa của từ “kéo dài” trong thành phần kéo dài

• Tại sao sự trùng hợp đa hướng lại cần điều kiện các thành phần lõi và thành phần kéo dài có các nhóm chức “tương đồng về hoàn toàn” về mặt hoá học Cho biết glycerol có thể đóng vai trò thành phần lõi và Beta-glucosamine có thể đóng vai trò thành phần kéo dài trong phản ứng trùng hợp đa hướng không

?

• Trong phản ứng trùng hợp đa hướng, khối lượng phân tử tăng rất nhanh Hiện nay, bằng việc tiến hành trùng hợp giữa một thành phần lõi 4 hướng và thành phần kéo dài 3 hướng, người ta có thể thu được một polimer có trọng lượng

phân tử lên tới 60604 Hãy cho biết công thức của một thành phần lõi 4 hướng

và thành phần kéo dài 3 hướng, và sơ đồ điều chế chúng từ các hợp chất hữu

cơ đơn giản (<3 carbon)

Hướng dẫn:

Công thức các polymer:

Con đường tổng hợp:

Công thức polymer được tạo thành:

Công thức polymer được tạo thành sau lần ngưng tụ thứ hai

Chữ |”kéo dài” muốn nói đến khối lượng phân tử (hay kích thước phân tử) của polymer tăng luỹ tiến theo từng giai đoạn phản ứng

Nếu các nhóm chức không tương đồng về mặt hoá học thì khả năng phản ứng của mỗi nhóm sẽ khác nhau, điều đó không đảm bảo việc phản ứng đồng thời ở các trung tâm hoạt động, cũng như không thể kiểm soát tốt việc tăng trọng lượng phân tử Glycerol không thê được sử dụng để làm thành phần lõi trong phản ứng polymer đa hướng vì

ba nhóm hydroxyl của nó không tương đồng hoàn toàn về mặt hoá học Tương tự,

Beta-glucosamine không thể được sử dụng làm thành phần kéo dài mạch do bốn nhóm hydroxyl của nó không tương đồng hoàn toàn về mặt hoá học

Thành phần lõi 4 hướng: C(CH2OH)4

Thành phần kéo dài mạch 3 hướng: H2NCH2C(CH2OCH2CH2CN)3

12 Phản ứng của hợp chất carbonyl không no

Phản ứng xảy ra giữa một cacbanion và hợp chất cacbonyl α,-không no thông thường

Một hợp chất có tên gọi là este Hagemann tham gia phản ứng dây chuyền (bao gồm

cả phản ứng cộng Micheal) để tạo thành sản phẩm như sau:

Hãy đề nghị cơ chế hợp lí để giải thích sự tạo thành sản phẩm của phản ứng trên

Hướng dẫn

Cơ chế của phản ứng tạo thành sản phẩm:

13 Tổng hợp L-carnitine

L-carnitine là một hợp chất có cấu trúc như sau:

Những nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp chất này có khả năng thúc đây sự oxi hoá  các axit béo, được dùng làm thức uống cho các vận động viên, nâng cao sức chịu đựng, giảm lượng lipid trong thức ăn, hỗ trợ tiêu hoá, tạo cảm giác ngon miệng, hạ huyết

áp và các tác động khác Tuy nhiên, đồng phân D-carnitine lại không có hoạt tính sinh học Vì vậy, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu nhằm tổng hợp chọn lọc được L-carnitine

• Vẽ công thức của L-carnitine và D-carnitine theo hình chiếu Fischer, xác định

cấu hình R, S tại các tâm bất đối

Một tác chất phi đối xứng được sử dụng nhằm tổng hợp nên sản phẩm phi đối xứng Vào năm 1982, M Fiorini đã sử dụng D-mannozơ làm nguyên liệu ban đầu để tổng hợp L-carnitine qua nhiều giai đoạn

• Hãy viết cấu trúc các hợp chất hay điều kiện cần thiết để hoàn thành chuỗi

tổng hợp sau, lưu ý đến hoá học lập thể của các chất

Hướng dẫn

Công thức L-carnitine và D-carnitine và cấu hình R/S

Điều kiện phản ứng và các hoá chất và sản phẩm cần thiết:

14 Tổng hợp melatonin

Nhân indol xuất hiện rất phổ biến trong các hợp chất thiên nhiên Để tổng hợp cấu trúc vòng indol này, một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất đó là tổng hợp Fischer Tổng hợp này dùng nguyên liệu là anđehit, xeton, xetoaxit, este, hoặc là các nhân thơm có nhóm thế đion cho tác dụng với hiđrazon xúc tác ZnCl2 trong môi trường có axit poliphosphoric hoặc axit Lewis như BF3 và đun nóng Ví dụ:

Melatonin là một dẫn xuất indol có hoạt tính sinh học, có thể được điều chế từ nguyên liệu ban đầu là anisol theo sơ đồ tổng hợp sau:

Viết cấu trúc hoặc điều kiện phản ứng cần thiết cho các chữ kí tự A, B, C, D, E, F, G,

H và I

Hướng dẫn

Công thức cấu tạo và các điều kiện cần thiết:

15 Hoạt chất từ sinh vật biển

Khoảng 70% bề mặt của Trái đất là đại dương, và cũng có khoảng 95% các sinh vật trên trái đất sống trong khắp các đại dương đó, chúng ta có thể thấy đại dương quả

là một nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, đó là một báu vật của tạo hoá cần phải bảo tồn và tiếp tục phát triển

Được chiết xuất từ một loài vi sinh vật biển, hợp chất A là một chất có hoạt tính sinh

lý Sử dụng phương pháp phổ khối lượng và phân tích nguyên tố cho thấy công thức

hoá học của A là C15H28O4 Trong dung môi benzene, A cho phản ứng với một lượng

Pb(OAc)4, và sau khi thuỷ giải nhờ acid thì thu được một acid và hợp chất B Đun nóng

để làm mất nước B, người ta thu được hợp chất C Hợp chất C được xử lý với dung

dịch KMnO4 đặc nóng cho oxalic acid và một undecanoate

• Hãy cho biết cấu trúc của các hợp chất A, B và C

• Hợp chất A có thể có bao nhiêu đồng phân quang học ?

• Hợp chất B được xác định có cấu hình S, hãy viết cấu dạng bền nhất của hợp chất A

• Hãy viết cấu trúc của sản phẩm monoglycoside được tạo thành khi cho hydroxy phản ứng với D-manose Biết rằng D-mannose có cấu trúc như sau:

A-3-Hướng dẫn

Cấu trúc của các hợp chất A, B và C:

Hợp chất A có 23 = 8 đồng phân quang học

Cấu dạng bền nhất của hợp chất A:

Trong cấu dạng ghê thì ba nhóm thế sẽ ưu tiên ở vị trí xích đạo, trong đó nhóm hydroxyl ở vị trí số 2 có cấu hình S, và nhóm hydroxyl ở vị trí số 3 có cấu hình R Cấu trúc của hợp chất A: