SKKN Xây dựng hệ thống bài tập bảo vệ nhóm chức trong tổng hợp hữu cơ dùng cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi quốc gia

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

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

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 mộttrong những trọng tâm của sự phát triển Công cuộc đổi mới này đòi hỏi nhà trường phảitạo 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 triểncủa đất nước cần phải tạo sức chuyển biến cơ bản toàn 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 củangười học, coi trọng thực hành, thực nghiệm, làm chủ kiến thức, tránh nhồi nhét, họcvẹt, học chay "

Bên cạnh đó, nền công nghiệp hoá chất của nước ta đang ngày một phát triển, cầnphải có một lực lượng, đội ngũ cán bộ giỏi trong các lĩnh vực của công nghệ hoá học.việc tiếp tục bồi dưỡng, đào tạo các thầy cô giáo giảng dạy Hoá học ở các bậc học phổthông, 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 nằmtrong nhiệm vụ phát hiện, đào 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 họcsinh giỏi người thầy phải luôn mang lại cho học sinh niềm say mê học tập, sự hiểu biếtsâu sắc về kiến thức cùng với những ứng dụng thực tế mà môn học hoá học mang lại chocuộc sống Một trong những cách gây hứng thú và phát triển tư duy của học sinh là làmbài tập gắn liền với học lý thuyết

Trong hệ thống trường THPT Chuyên thì sách giáo khoa dành cho học sinh các lớpchuyên được dùng riêng để phù hợp với yêu cầu nâng cao kiến thức, học sâu hơn so vớicác học sinh không chuyên Đối với học sinh lớp chuyên hoá cũng vậy, khi học phần hoáhọc hữu cơ thì học sinh học theo tài liệu [1] Tuy nhiên mới chỉ có cuốn sách giáo khoachứ chưa có cuốn sách bài tập Và số lượng sách bài tập hoá học hữu cơ dành riêng chohọc sinh giỏi THPT chuyên còn rất ít Chính vì lí do đó nên tôi mạnh dạn chọn hướngnghiên 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 duysáng tạo của học sinh

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

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 và đội dự tuyển HSGQG

IV Nhiệm vụ nghiên 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 chắckiến thức hoá hữu cơ của học sinh chuyên và tích cực hoá hoạt động nhận thức của họcsinh chuyên, giúp học sinh có thể làm được các bài tập hữu cơ trong đề thi chọn học sinhgiỏi Quốc gia nhằm phát triển năng lực hành động và giải quyết các vấn đề gặp phảitrong 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 thựcnghiệm để tìm cách nghĩ ra bài tập sao cho phù hợp với thực tế bồi dưỡng HSGQG

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 họcsinh giỏi QG

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 họcsinh đang trong đội tuyển HSGQG chính thức

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 thì tổng hợp hữu cơ có quátrình lịch sử lâu dài nhất Tổng hợp hữu cơ là một lĩnh vực rộng lớn và hấp dẫn Các nhàhoá 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 khókhăn trong sự tiếp thu khối kiến thức đó nếu như không có một cách lựa chọn và hệ thốngthích hợp.Trong một số giai đoạn của tổng hợp hữu cơ, phân tử phản ứng thường “chịutác động hoá học” một cách mạnh mẽ làm cho các nhóm chức cần được giữ lại bị pháhuỷ Để tránh quá trình không mong muốn này phải bảo vệ nhóm chức trong quá trìnhtổng 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 HưngYên tôi nhận thấy phần tổng hợp hữu cơ luôn là phần khó đối với học sinh Trong quátrình 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 racho các em cách lựa chọn hướng đi và phương pháp bảo vệ nhóm chức trong tổng hợphữu 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 cần thiết phải chuyển hoá ở nhómchức này đồng thời phải bảo vệ nhóm chức khác trong phân tử để sao cho chúng không bịthay đổi trong phản ứng chuyển hoá nhóm chức ở trên Để đạt được yêu cầu đó người tathường 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 nhómchức khác mà nó sẽ không bị biến đổi trong suốt quá trình chuyển hoá nhóm chức cầnthiết

Chính phương pháp thứ hai này gọi là phương pháp bảo vệ nhóm chức trong tổng hợphữu 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 chứcmới này được ổn định và không tham gia vào quá trình phản ứng chuyển hoá nhóm chứccần chuyển hoá

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

2) Bảo vệ nhóm chức ancol

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

a) Chuyển qua nhóm chức ete

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 (CH3)3SiCl ( trong pirindin ) , trityl( triphenylmetyl) clorua ( trongpirindin ), benzyl (C6H5-CH2-)

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

b) Chuyển 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, cloanhiđritaxithoặc với axit cacboxylic Các este dễ dàng được thuỷ phân cho lại nhóm chức ancol banđầu

c) Bảo vệ điol

Các điol được bảo vệ một cách thuận tiện và đồng thời ngay lập tức cả hai nhóm –OHkhi chuyển chúng thành axetat, xetat Thường sử dụng phản ứng của chúng với axetonhay benzanđehit để chuyển thành axetat và xetat Các xeton thường tương tác với cis-1,2điol trong môi trường axit, còn benzanđehit tương tác với 1,3- điol trong sự có mặt củaZnCl2 Sau đó các điol được tái tạo khi dùng axit loãng phân huỷ các axetat và xetat

_ Nhóm tert- butoxi cacbonyl (CH3)3C-O-CO- (kí hiệu Boc) bằng cách cho butylđicacbonat (CH3)3C-O-CO-O-CO-O-C(CH3)3 tác dụng với aminoaxit Sau khi tổng

đi-tert-hợp được peptit nhóm bảo vệ Boc được loại ra khỏi phân tử peptit nhờ tác dụng của HBrhoặc CF3COOH.

_ Dùng trityl clorua (C6H5)3CCl

Axyl, axetyl, amin rất nhạy cảm với tác dụng của chất oxi hoá , vì vậy khi sử lý vớiHNO3 hoặc chất oxi hoá nào khác thì phải dùng nhóm axyl để bảo vệ Với anilin khi tiếnhành nitro hoá bằng HNO3 thì phải khoá nhóm –NH2 bằng cách chuyển thành axetatnilit

C6H5NHCOCH3 Để hồi lại anilin phải tiến hành thuỷ phân axetatnilit trong môi trườngkiềm

4) Bảo vệ nhóm chức cacbonyl

Nhóm cacbonyl rất nhạy cảm với tác nhân nucleofin Vì vậy trong hợp chất lưỡngchức chứa nhóm cacbonyl khi tác dụng với tác nhân nucleofin mà muốn giữ nguyênnhóm cacbonyl thì phải khoá nhóm chức lại Thông thường người ta chuyển nhóm nhómcacbonyl 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 thườngdùng hơn Tác nhân thường dùng là HOCH2CH2OH

Trong trường hợp có nhóm nhạy cảm với axit thì sử dụng monothioaxetat và xetatvòng, vì các hợp chất này bị tách loại trong điều kiện êm dịu hơn Thường dùngHOCH2CH2SH có mặt ZnCl2

5) Bảo vệ nhóm chức axit cacboxylic

Để bảo vệ nhóm –COOH người ta thường chuyển chúng thành nhóm chức este khicho chúng tác dụng với ancol Ancol được sử dụng thông thường là CH3OH và C2H5OH.Nhưng trong điều kiện axit mạnh hay kiềm đối với các metyl hay etyl ese thì sự tách loạichúng sau quá trình tổng hợp thường không có lợi.

Khi đó để thuận lợi hơn, người ta dùng tert-butylancol để chuyển hoá –COOH thànheste 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) vàtricloetyleste ( 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 ứngdụng 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 điềukiện axit Benzyl hoá cũng không hiệu quả vì Ag2O có thể phản ứng với -Br của tác nhân

để cho - OH Chỉ có silyl hoá là cho hiệu suất tốt

HOCH2(CH3)2CH2Br (CH3)3SiCl (CH3)3SiOCH2C(CH3)2CH2Br

Mg

D2O

(CH3)3SiOCH2C(CH3)2CH2DHOCH2(CH3)2CH2D H3O

+

1 )

2 )

2) HOCH2 C CH HOCH2C CCH3

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

CHHOCH2C

O

O

CHOCH2C

O OCH2C CCH3

CCH3HOCH2C

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

CH2=CHC(CH3)2OH C6H5CH2Br

Ag2O CH2=CHC(CH3)2OCH2C6H5

HBr/ peoxit

BrCH2CH2C(CH3)2OCH2C6H5BrCH2CH2C(CH3)2OH

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

HOCH2(CH2)2CH2Br (CH3)3SiCl (CH3)3SiOCH2(CH2)2CH2Br

Bài 3 : Từ CH2=CHCHO điều chế ra HOCH2CHOHCHO

Phân tích nhận thấy: - Mạch C không đổi

- Hình thành điol

Điều chế điol: oxi hoá C=C bằng KMnO4, OsO4 hoặc cộng Br2, sau đó thuỷ phân.Trong điều kiện đó nhóm – CHO bị oxi hoá nên trước hết phải bảo vệ nhóm – CHO Cóthể dùng C2H5OH / HCl.

CH2=CH-CHO CH3CHCH(OC2H5)2

Br

CH2=CH-CH(OC2H5)2

HOCH2CHOHCH(OC2H5)2HOCH2CHOHCHO

dd KMnO4

H3O+

Bài 4 : Từ glixerol điều chế ra HOCH2CHOHCHO

HOCH2CHOHCH2OH KHSO4 CH2=CH-CHO

Sau đó làm tương tự bài 2 thu sản phẩm

Bài 5 : Từ (CH3)2CClCHO điều chế ra CH2=C(CH3)CHO

Phải bảo vệ nhóm – CHO bằng cách dùng HOCH2CH2OH

(CH3)2CClCHO (CH3 )2C

O O

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

LiAlH4

O

HO HO

CHO

CH3HO

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

BrCH2CH2CHO BrCH

2 CH2O

O

HOCH2CH2OH

O

O BrMgCH2CH2

Bài 11 : Từ

CH3COCH3 điều chế ra CH3COCH2CH(CH3)2

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

- Giữ nguyên nhóm – CHO ban đầu.

Do đó phải bảo vệ nhóm – CHO

CHO

O O

H2 / Pd CHO

CHO

H3O+

Bài 13 : Từ CH3COCH2CH2COOCH3 điều chế ra CH3COCH2CH2CH=C(CH3)2

Chuyển nhóm – COOCH3 thành –CH=C(CH3)2 Muốn vậy phải chuyển nhóm

– COOCH3 thành nhóm – CHO, sau đó dùng phản ứng Vittic Nhóm - CO - cũng thựchiện phản ứng Vittic nên phải bảo vệ nó

CH3COCH2CH2COOCH3 HOCH2CH2OH CH3CCH2CH2COOCH3

Chuyển hỗn hợp cis, trans xibeton thành cis- xibeton

Bảo vệ nhóm - CO -, chuyển hỗn hợp thành hợp chất có 1 liên kết ba C C

Sau đó dùng tác nhân khử chọn lọc để thu được đồng phân cis

(CH2)7

(CH2)7

CH CH

(CH2)7

(CH2)7

CHBr CHBr O=C

(CH2)7

(CH2)7

CHBr CHBr

O O C (CH2)7

(CH2)7

C C

H H

Bài 15 : Từ toluen hãy tổng hợp

– NHCOCH3 có kích thước lớn định hướng cho -Cl vào vị trí para

CH3

NH2

CH3NHCOCH3

CH3NHCOCH3Cl

CH3

NH2Cl

(CH3CO)2O Cl2

Fe

OH +

2- iođo-4-metyl benzen

+

Bài 16 : Từ benzen và các hoá chất cần thiết hãy tổng hợp ra :

N=N N

NaNO2 / HCl

NH2N

H2+

Bài 17 : Tổng hợp đi peptit glyxyl alanin từ các amino axit tương ứng

- Bảo vệ nhóm – NH2 của glyxin

Bài 18 : Tổng hợp peptit glyxyl alanyl phenyl alanin từ các amino axit tương ứng

- Bảo vệ nhóm – NH2 của glyxyl

Bài 19 : Tổng hợp 3-o-metyl-β-D-glucopiranozo từ glucozo

- Cần phải bảo vệ các nhóm – OH ở vị trí 1,2,5 và 6 Các nhóm – OH ở vị trí synmới phản ứng được với anđehit và xeton, ở dạng vòng 6 cạnh không có các nhóm – OH ở

vị trí syn mà chỉ dạng vòng 5 cạnh mới có các nhóm – OH ở vị trí syn Trường hợp nàyphản ứng ngưng tụ xảy ra đối với vòng 5 cạnh

OH O

H

O H

H O

H

OH

O

O O

H

O

H O

O

OH O

Bài 20 : Chuyển hoá D- glucozo thành D- anlozơ

O O

H O

O

O

O O

H O

CH2OH

CH2OH

O

OH O

OH

O OH

RuO4

+

α-và β-D-anlo piranozo

Phần thứ ba : KẾT LUẬN

1 Đề tài đã thực hiện được các mục tiêu sau:

- Bồi dưỡng kiến thức và kỹ năng cho học sinh giỏi tham dự các kỳ thi Học sinhgiỏi cấp Tỉnh, cấp Quốc gia và thi chọn đội tuyển thi Olimpic Hoá học Quốc tế

- Đã chuẩn hóa các kiến thức hoá học hữu cơ, đó là nội dung kiến thức nền tảng,xuyên suốt chương trình mà học sinh cần được trang bị

- Đã đề xuất hệ thống bài tập kèm theo hướng dẫn giúp học sinh có khả năng tựhọc và tự nghiên cứu phục vụ cho kì thi chọn HSG cấp Quốc gia và Quốc tế

2 Khối lượng công việc mà tác giả làm được :

- Về mặt nội dung, đề tài đã tổng kết và làm chính xác hóa các khái niệm, chuẩnxác nội dung và đã đưa ra các ví dụ minh họa cho lí thuyết

-Các câu hỏi và bài tập đó được sắp xếp một cách khoa học, tư duy logic theo trình

độ nhận thức người học, người đọc

- Đã thực nghiệm sư phạm kết quả ứng dụng đề tài đối với đội tuyển HSGQG trongbốn năm học liên tiếp: 2009-2010, 2010-2011, 2011-2012, 2012-2013 ở trường THPTChuyên Hưng Yên, kết quả đạt được cụ thể như sau:

 Năm học 2009-2010 thi học sinh giỏi quốc gia có 6/6 em đoạt giải, trong đó có 5giải ba, 1 khuyến khích

 Năm học 2010-2011 thi học sinh giỏi quốc gia có 7/8 em đoạt giải, trong đó có 5giải ba và 2 giải khuyến khích

 Năm học 2011-2012 thi học sinh giỏi quốc gia có 7/8 em đoạt giải, 1 giải nhì, 5giải ba, 1 giải khuyến khích và có 1 HS được BGD & ĐT triệu tập tham gia kì thichọn đội tuyển Quốc gia tham dự kì thi Olympic quốc tế

 Năm học 2012-2013 thi học sinh giỏi quốc gia có 9/9 em đoạt giải, 1 giải nhì, 1,giải nhì, 6 giải ba, 1 giải khuyến khích và có 2 HS được BGD & ĐT triệu tập thamgia kì thi chọn đội tuyển Quốc gia tham dự kì thi Olympic quốc tế

3 Đề tài không những được áp dụng vào giảng dạy thực tế cho đối tượng bồi dưỡng học

sinh giỏi quốc gia mà còn có tác dụng lớn trong việc bồi dưỡng đội ngũ giáo viên thamgia bồi dưỡng HSGQG, QT

Hưng Yên, ngày 20 tháng 05 năm 20013