Bài giảng môn hóa hữu cơ hợp chất dị vòng

KHÁI NIỆM - PHÂN LOẠI- Các hợp chất dị vòng là các hợp chất hữu cơ có cấu trúc mạch vòng khép kín, trong cấu trúc vòng ngoài nguyên tử C còn có các nguyên tử khác của nguyên tố khác gọi

HỢP CHẤT DỊ VÒNG (1)

1 Khái niệm - phân loại

2 Cấu trúc

1 KHÁI NIỆM - PHÂN LOẠI

- Các hợp chất dị vòng là các hợp chất hữu cơ có cấu trúc mạch vòng khép kín, trong cấu trúc vòng ngoài nguyên tử C còn có các nguyên tử khác của nguyên tố khác (gọi là dị tố).

- Các hợp chất dị vòng quan trọng nhất thường chứa các dị

Một số hợp chất thiên nhiên chứa dị vòng

3 4

5

1

4 5

Pyrrol

N H

2 3

1

Imidazol

N N H

2

3 4

1 8

7 6

Thiophen

3 4

1 6

N

N

3 4 5

1 6

độ sôi ts = 131oC, tantốt trong ancol, ete

Là tiền chất hóadược: thuốc Tolmetinhoặc các dẫn xuấtnhư vitamin B12, sắc





Pyridin là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, rất độc,

có thể gây vô sinh, tan được trong dung môi hữu cơ,

ts =115oC, tnc = -42oC

Pyridin được sử dụng làm tiền chất của hóa chất nôngnghiệp và dược phẩm; làm dung môi trong các phản ứnghữu cơ

2 CẤU TRÚC CỦA CÁC HỢP CHẤT DỊ VÒNG

❖ Cấu trúc chung của các dị vòng 5 cạnh

Cấu trúc của các hợp chất dị vòng 5 cạnh một dị tố

Orbital nµy chøa 2 electron tham gia vµo hÖ thèng  cña vßng

H N

C C

C C

H

H

H

.

.

Orbital nµy chøa 2 electron tham gia vµo hÖ thèng  cña vßng

(Z = O, S)

H

H H

❖ Cấu trúc của dị vòng 6 cạnh 1 dị tố : PyridinPyridin có cấu tạo vòng phẳng 6 cạnh gần giống benzen

Pyridin Benzen

H

H

H

H H

Cấu trúc của pyridin

Phân tử pyridin tồn tại ở dạng cấu trúc cộng hưởng giới hạn:

N

H

H H

C¨p electron kh«ng liªn kÕt cña N, kh«ng tham gia vµo viÖc t¹o thµnh hÖ thèng 6e

Về mặt cấu trúc, các hợp chất thơm có những điều kiện:

+ Phải có hệ vòng kín, các liên kết đơn và đôi liên hợp;

+ Vòng thơm phải có cấu trúc phẳng, không nhất thiết phảigiống benzen, chẳng hạn đa vòng hoặc dị vòng thơm;

+ Các electron p phải cặp đôi và số electron  phải thoảmãn công thức của Hückel (4n + 2)e

Tính thơm của các hợp chất vòng thơm

+ Xét về tính thơm, độ bền của vòng, năng lượng ion hóa, khảnăng phản ứng thế, phản ứng cộng, phản ứng oxi hóa thì tính thơm các hợp chất thơm tiêu biểu sắp xếp theo thứ tự giảm dần:

Benzen > Pyridin > Thiophen > Pyrrol > Furan

+ Benzen có cấu trúc đối xứng, gồm 6 nguyên tử C nên phân

bố mật độ e đều trên toàn vòng, vòng bền nhất và tính thơmhoàn hảo nhất, khả năng phản ứng ở 6 nguyên tử C là nhưnhau

O 2

3 4

HỢP CHẤT DỊ VÒNG (2)

1 Điều chế

2 Hóa tính

1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ

❖ Điều chế pyrrol

- Pyrrol được điều chế bằng cách chưng cất nhựa than đá.

- Pyrrol được điều chế từ axetylen và formandehit:

Axetylen

N H

Pyrrol

- Phản ứng Iurev (Юрьев): trong công nghệp điều chế pyrrol bằng cách đun nóng furan với amoniac trên oxit nhôm ở 400-450 o C:

Các phản ứng chuyển hoá giữa các dị vòng thơm 5 cạnh một dị tố xảy ra khi có mặt xúc tác (các axit rắn:

Al 2 O 3 hoặc SiO 2 ) ở nhiệt độ cao.

- Tổng hợp Paal-Knorr: Điều chế dẫn xuất của pyrrol từ hợpchất 1,4-dicacbonyl.

- Tổng hợp Knorr: tạo thành pyrrol thế từ phản ứng ngưng tụcủa -xetoeste với a-amino xeton hoặc -amino--xetoestetrong sự có mặt của axit axetic

Hexa-2,5-dion 2,5-Dimetylpyrrol

( − NH3, − CO2, − 3H2O) (NH4)2CO3,100oC

CH2 CH2

- Trước đây, pyridine được chiết xuất từ nhựa than

đá hoặc thu được như một sản phẩm phụ của quá trình khí hóa than

O O

Di andehit cña axit glutaconic

N

Pyridin

- Tổng hợp Chichibabin sử dụng trong công nghiệp

Chất xúc tác thường là một muối kim loại chuyển tiếp florua cadmi(II) hoặc mangan(II)

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC

2.1 Hóa tính của pyrrol

Pyrrol có cặp electron không chia tham gia vào việc tạo

Do đặc điểm cấu trúc nên Pyrrol có tính

thơm Khác với benzen chỉ phân bố lại

mật độ điện tích khi có tác nhân tấn công,

bản thân pyrrol có sẵn sự phân bố mật độ

điện tích không cân xứng, tập trung ở vị trí

α nên khi thế SE , ưu tiên vị trí α

❖ TÍNH AXIT- BAZƠ CỦA PYRROL

* Tính axit:

- Pyrrol có tính axit yếu (Ka = 10-15) mạnh hơn nước (Ka =

10-16), amoniac (Ka = 10-35) và amin Pyrrol chỉ tham giaphản ứng với các bazơ mạnh như KOH hoặc hợp chất cơmagie:

+ KOH + H2O N

+ CH4N

H

- Tính bazơ: Pyrrol có tính bazơ rất yếu (Kb  2,5.10-14).Khi tác dụng với axit vô cơ mạnh, cũng như furan, pyrrol bịpolime hóa:

+ RX

N

 R

+ KX

Đồng phân hóa

t 0

N

 H

 - alkyl pyrol – R

N

 K

dùng để điều chế dẫn xuất – alkyl pyrol

❖ PHẢN ỨNG THẾ ELECTROPHIL (S E )

PYRROL: Pyrrol tham gia phản ứng thế electrophil SE vàphản ứng thế SE của pyrrol thường cho sản phẩm ở vị trí 2(vị trí ) là chủ yếu do mật độ e cao hơn và có thể tạo nhiềucông thức cộng hưởng hơn

❖ PHẢN ỨNG THẾ ELECTROPHIL (S E )

PYRROL: Pyrrol tham gia phản ứng thế electrophil SE và phản ứng thế

SE của pyrrol thường cho sản phẩm ở vị trí 2 (vị trí ) là chủ yếu.

5oC (−CH3COOH)

H

H

SO3H N

NO2N

H

Pyrrol

N H

SO3/pyridin

4I2, KI

2-Formyl pyrrol

(Formyl hãa theo Gattermann)

1 (HCl+HCN)/

ZnCl2(−NH 3 , −HCl)

CHO N

H

CH2−N N

N

Br Br

Br Br

CHO N

H

CH2−N N

N

Br Br

Br Br

Pyridin có cặp electron không chia không tham gia vào việc tạo thành hệ liên hợp của vòng thơm nên pyrindin có tính

bazơ.

Ở pyridin, dị tố N có độ âm điện lớn

hút electron tương tự như nhóm thế

loại 2, làm phản ứng S E của pyridin xảy

ra khó khăn hơn nhiều, đòi hỏi điều

kiện khắc nghiệt và hiệu suất thu được

thấp Tác nhân electrophil dễ tấn công

vào vị trí  (vị trí 3) của vòng pyridin

2 TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Như vậy, sự phân bố mật độ electron trong vòng pyridin làmcho vòng có đặc tính electrophil và dị tố N mang đặc tínhnucleophil

❖ Tính bazơ: Do pyridin còn có cặp electron chưa tham

gia liên kết trên dị tố N nên có tính bazơ (Kb = 2,3.10-9)

(anilin) và lớn hơn so với pyrrol Có thể làm xanh quỳ tím

N

NH2

N H

+ Pyridin có thể tạo muối kết tinh với axit protonic:

→ Pyridin thường được dùng làm dung môi tiếp nhận proton sinh ra trong phản ứng.

+ Pyridin tạo muối với ankyl halogenua:

+

Cl N

+ HCl

Pyridin Pyridin clorua

+ Tính bazơ của pyridin còn bị ảnh hưởng bởi bản chất và nhóm thế có trong vòng.

Pyridin có thể tham gia một số phản ứng thế S E trên các nguyên

tử cacbon của vòng trong các điều kiện khó khăn hơn nhiều so với benzen.

- Do N có độ âm điện lớn hơn C nên hút electron về phía mình (như nhóm thế loại 2 điển hình) làm cho cacbon trở nên dương điện hơn so với các nguyên tử cacbon trong vòng benzen.

- Do đa số các phản ứng thế S E thường diễn ra trong môi trường axit mạnh nên pyridin đi vào phản ứng không phải ở dạng bazơ

tự do mà thực tế ở dạng cation pyridin Hoạt tính của cation này đối với các tác nhân electrophil giảm đi nhiều lần so với benzen (khoảng 10 12 -10 18 lần).

❖ PHẢN ỨNG THẾ ELECTROPHIL (S E ) CỦA PYRIDIN

Về mặt định hướng thế S E ở vòng pyridin: Tác nhân electrophil dễ tấn công vào vị trí  (vị trí 3) do tích điện dương ở vị trí này nhỏ nhất.

Về mặt năng lượng của trạng thái chuyển tiếp cũng cho thấy sự thế electrophil ở vị trí 3 là thuận lợi hơn cả.

CH3COCl, AlCl3

2Br2, 300oC (−2HBr)

❖ PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIL (S N ) CỦA PYRIDIN

Pyridin kém hoạt động trong phản ứng thế electrophil SEnhưng lại thuận lợi hơn trong phản ứng thế nucleophil SN

Phản ứng xảy ra đặc biệt ở các vị trí có mật độ electronthấp như vị trí 2 và 4

2-Brompyridin 2-Aminopyridin

4-Brompyridin 4-Aminopyridin

+ HCl Br

N

NH3180-200oC

NH2N

+ HCl

Br

N

NH3180-200oC

NH2

N

Phản ứng amin hóa theo Chichibabin (1914):

Phản ứng của pyridin với natriamidua dẫn tới sự tạothành 2-aminopyridin và giải phóng hydro phân tử:

2-Aminopyridin Pyridin

NaNH2, C6H5N(CH3)2

100oC

+ H2

NH2N

N

- Phản ứng oxi hóa:

+ Oxi hóa ở nguyên tử N: cho pyridin tác dụng với H2O230% trong axit axetic hoặc peraxit RCO 3 H

❖ PHẢN ỨNG OXI HÓA VÀ KHỬ CỦA PYRIDIN

+ Mạch nhánh ankyl hoặc aryl pyridin bị oxi hóa dễ hơnvòng pyridin thành axit cacboxylic (giống đồng đẳng củabenzen)

+ N

Pyridin

KMnO4 / H+[O]

to

Axit pyridin-3-cacboxylic

(Axit nicotinic)

COOH N

3-Metylpyridin (-Picolin)

CH3

N

2-Phenylpyperidin