SÁNG KIẾN HÓA 12 DỊ VÒNG THƠM NĂM, SÁU CẠNH

Đặt vấn đề Hóa học dị vòng có ý nghĩa lí thuyết cũng như thực tế rất to lớn, cũng với sự phát triển nhanh chóng của hóa học hữu cơ, hóa học các hợp chất dị vòngcũng được nghiên cứu và ứn

DỊ VÒNG THƠM NĂM, SÁU CẠNH

MÃ: H16

A Đặt vấn đề

Hóa học dị vòng có ý nghĩa lí thuyết cũng như thực tế rất to lớn, cũng với

sự phát triển nhanh chóng của hóa học hữu cơ, hóa học các hợp chất dị vòngcũng được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều nghành khoa học, kĩ thuật cũngnhư trong cuộc sống đặc biệt được phát triển mạnh mẽ trong hơn nủa thế kỉ nay

Với những ý nghĩa đó mà hóa học các hợp chất dị vòng được quan tâmnghiên cứu bởi nhiều các nhà hóa học hữu cơ trong các lĩnh vực khác nhau như:Hóa dược, phẩm nhuộm, hóa sinh, tổng hợp hữu cơ… Trong các đề thi chọn họcsinh giỏi cấp Quốc gia, Quốc tế, kiến thức về các hợp chất dị vòng ngày càngchiểm một lượng đáng kể, tuy nhiên những tài liệu về hóa học các hợp chất dịvòng còn ít và chủ yếu viết cho các nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu Vớihọc sinh THPT thì tài liệu về các hợp chất dị vòng còn ít, việc học tập của các

em về chuyên đề dị vòng còn gặp nhiều khó khăn Trên cơ sở đó chúng tôi lựachọn chuyên đề “hóa học các hợp chất dị vòng” với mục đích có thêm một phầnnhỏ tài liệu giúp các em học sinh trong việc học tập phần các hợp chất dị vòng

Tuy nhiên kiến thức về các hợp chất dị vòng rất lớn, với khuôn khổ củachuyên đề này chúng tôi chỉ bước đầu tìm hiểu đại cương về các hợp chất dịvòng và các dị vòng thơm năm, sáu cạnh

I.1.2 Phân loại.

+ Phân loại theo kích thước của vòng: Dị vòng 3 cạnh, 4 cạnh, 5 cạnh…

+ Phân loại theo đặc tính của vòng: Dị vòng no, dị vòng không no, dị vòng

thơm… Ví dụ:

I.2 Danh pháp các hợp chất dị vòng.

I.2.1 Danh pháp thông thường.

+ Danh pháp thông thường xuất phát từ nguồn gốc hoặc tính chất của hợp chất trong thiên nhiên

Ví dụ:

Một số chất có tên thông thường quy ước

I.2.2 Danh pháp hệ thống đối với hợp chất đơn vòng

(Danh pháp Hantzsh-Widman).

+ Theo danh pháp này tên gọi của dị vòng gồm hai phần:

- Phần tiếp đầu ngữ chỉ tên các dị tố (nhiều dị tố giống nhau ta dùng tiếpđầu ngữ: đi, tri, tetra…)

- Phần thân chỉ khung vòng, độ lớn của vòng no hoặc chưa no có số nối đôi lớn nhất

+ Cách đánh số:

- Dị vòng có 1 dị tử thì đánh số 1 cho dị tố tiếp tục đánh ngược chiều kimđồng hồ Quy tác này cũng được áp dụng đối với hệ vòng kiểu b enzo gồm một vòng benzen ghép với một dị vòng chứa một dị tố

- Dị vòng có nhiều dị tố thì đánh sao cho tổng số chỉ các dị tố là nhỏ nhất ( nếu có nhiều dị tố khác nhau thì thứ tự ưu tiên là: O > S > N > P)

Dị vòng có nhiều dị tố cùng loại thì dùng các tiếp đầu ngữ di, tri, tetra đểchỉ số lượng các dị tố cùng loại

Ví dụ:

- Hệ ngưng tụ kiểu đibenzo thi đánh số bắt đầu từ đỉ nh trên của vòng bênphải rồi tiến theo chiều kim đồng hồ quanh hệ đa vòng hoặc đánh từ đỉnh dướicủa vòng bên phải rồi tiến ngược theo chiều kim đồng hồ quanh hệ đa vòng

Ví dụ:

- Khi hệ thống vòng có số nôi đôi cực đại đã được no hóa dần, các gọi tên như sau:

Vị trí của nguyên tố bão hòa được đánh số kèm theo tiếp đầu ngữ

(preffixe) H và gọi tên của dị vòng chưa no (với số nối đôi cực đại) tương ứng.

Ví dụ:

- Cách gọi tên như thế này không áp dụng cho các gọi tên theo danh pháp thông thường

Ví dụ:

I.2.3 Danh pháp của thệ thống vòng ngưng tụ.

- Phần lớn các hợp chất dị vòng đều chứa hai nhay nhiều vòng ngưng tụvới nhau Một số hợp chất dị vòng ngưng tụ đã có tên thông thường quy ước.Nhưng phần lớn các hợp chất dị vòng loại này được gọi theo danh pháp hệ thống

I.2.3.1 Nguyên tắc gọi tên.

Biết cách chọn và gọi tên các thành phần ngưng tụ với nhau

- Tên gọi các thành phần ngưng tụ phải là tên gọi thông thường đã đượcquy ước Nếu hợp chất dị vòng chưa có tên thông thường quy ước thì dị vòng đógọi theo tên hệ thống Hantzsch – Widman Vòng lớn có tên thông thường quyước sẽ được chọn ưu tiên

Ví dụ: trong hệ thống vòng ngưng tụ có chứa vòng indol và pyrrol thì

indol sẽ được chọn hơn là pyrrol

- Tên gọi của dị vòng ngưng tụ có hai thành phần, thành phần cơ sở và thành phần thứ hai

Ví dụ: Pyrrolo[1,5-a]pyrimidin thì pyrimidin là thành phần cơ sở Pyrrol

là thành phần thứ hai

I.2.3.2 Cách chọn phần cơ sở theo nguyên tắc sau.

- Nếu dị vòng chỉ có một thành phần N: chọn thành phần cơ sở có nitơ

I.2.3.3 Cấu tạo tiếp đầu ngữ.

- Tên của thành phần thứ hai là tiếp đầu ngữ của thành phần cơ sơ Cấu

tạo tiếp đầu ngữ bằng cách thêm chữ “O” sau tên gọi của dị vòng thứ hai.

Ví dụ:

Bảng Một số ngoại lệ về tiếp đầu ngữ

I.2.3.4 Kí hiệu và gọi tên.

Các cạnh trong thành phần cơ sở được kí hiệu bằng các chữ cái a, b, c, d theo chiều đánh số Các nguyên tử tạo vòng của thành phần thứ hai được đánhbằng các chữ số 1, 2, 3…(như đánh số dị vòng) Cạnh chung của cả hai vòngđược gọi theo chữ số của thành phần thứ hai và chữ cái của thành phần cơ sở tất

cả đặt trong dấu ngoặc vuông

II MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUNG TỔNG HỢP DỊ VÒNG II.1 Phương pháp dùng phản cộng.

II.2 Phương pháp đồng phân hóa các liên kết.

Phương pháp này chủ yếu dùng để tổng hợp các dị vòng có số cạnh lớn,

từ 7 cạnh trở lên

II.3 Phương pháp ngưng tụ enamin

năng phản ứng tốt Các enamin được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ nóichung và dị vòng nói riêng

III DỊ VÒNG NĂM CẠNH - PIROL, FURAN, THIOPHENE

III.1 Đặc điểm cấu trúc, tính chất vật lý.

III.1.1 Đặc điểm cấu trúc

Cả 3 hợp chất trên đều có dien liên hợp, dựa vào độ dài liên kết trong dịvòng thơm và không thơm, dựa vào năng lượng cộng hưởng thực nghiệm,dựavào đặc trưng về cấu tạo qua các giá trị về phổ tử ngoại,cho thấy các hợp chấttrên đều có tính thơm

So sánh tính thơm của các dị vòng so với benzen:

Nguyên tử C của pyrol giàu điện tử hơn và có tính ái nhân hơn C của liênkết đôi

Dãy cấu trúc cộng hưởng:

pyrol

III.1.2 Tính chất vật lí.

Pirol là chất lỏng không màu Điểm sôi 130 ~ 131 0C, khối lượng riêng:

cơ khác

Furan là chất lỏng không màu Có mùi đặc biệt Có gây mê và kích thích

yếu, rất dễ cháy Đường hô hấp có thể gây ra đau đầu, chóng mặt, buồn nôn vàsuy hô hấp Điểm sôi 31,36°C

Thiophene là chất lỏng không màu Điểm nóng chảy -380C, nhiệt độ sôi

So sánh nhiệt độ sôi: Furan < Thiophen< Pirol.

vv Phản ứng thế electrophin vào nhân

pirol Thế ở vị trí số 2.

Thế ở vị trí số 3.

So sánh 2 trạng thái chuyển tiếp trên ta thấy rằng TTCT theo cách thế vào

vị trí số 2 bền hơn TTCT theo cách thế vào vị trí số 3

+ C 6H5N N Cl N N C6H5 + HCl

NH

vv Phản ứng cộng

III.2.1.2 Tính chất của dị tố

N + H

- H ‐

+ +

H HN

HC CHO

HCCHO

III.2.3.1 Tính chất dị tố

Dị tố ít hoạt tính, tính bền vững hơn pyrol và furan

III.2.3.2 Tính chất của nhân dị vòng

III.3 Các phương pháp tổng hợp

III.3.1 Tổng hợp Furan trong công nghiệp

Thủy phân polisaccarit (vỏ trấu, lõi ngô, bã mía…) trong môi trường axit

Từ furfural có thể điều chế axit furoic sau đó đecacboxyl hóa axit thu được furan

III.3.2 Tổng hợp Pirol trong công nghiệp

vv Từ Furan có thể điều chế pirol khi tác dụng với NH 3 , xúc tác Al 2 O 3 , ở

vv Nhiệt phân muối amoni mucat hay phân hủy nhiệt đường galactozơ:

III.3.3 Tổng hợp Thiophen trong công nghiệp

Trong công nghiệp thiophen được tổng hợp dựa trên sự đóng vòng butan, butadiene hay buten với lưu huỳnh

Thiophen cũng có thể điều chế bằng cách đun nóng hỗn hợp muối natri của axitsucxinic với photphotrisunfua

III.3.4 Phương pháp chung tổng hợp furan, pirol và thiophen

(phương pháp Pall- Knorr)

Bản chất của phương pháp này là tác dụng của các chất 1,4-đicacbonyl có

III.3.4.1.Tổng hợp furan theo Feist – Benari và tổng hợp pirol theo Hantzch

vv Tổng hợp furan theo Feist – Benari là phản ứng của halogen xeton hay halogen andehit với β-đixeton với sự có mặt của các bazơ như NaOH, piridin.

α Tổng hợp pirol theo Hantzch là phản ứng của α α halogen xeton hay α α

-halogen andehit với β-đixeton với sự có mặt của các bazơ nitơ như amoniac hayamin bậc 1

III.3.4.2.Tổng hợp vòng pirol theo Knorr

Phản ứng bao gồm sự ngưng tụ của các α -aminoxeton hay α xetoeste với các xeton trong sự có mặt của axit axetic hay kiềm

-amino-β-Các α-aminoxeton được tạo thành từ β-xetoeste hay β-xeton qua giai đoạnnitro hóa với sự tạo thành oxim tương ứng và sau đó được khử hóa tiếp bởi kẽmtrong axit axetic

III.3.4.3.Tổng hợp các thiophen theo Hinsberg

Tổng hợp thiophen theo Hinsberg dựa trên phản ứng của α đixeton, α halogen este hoặc các este của axit oxalic với ddietylesste của axit thiodiaxetictrong điều kiện ngưng tụ Claisen:

-III.4 Sơ lược về Indol và cacbazol.

III.4.1 Indol

III.4.1.1 Đặc điểm cấu tạo

Indol là hợp chất hữu cơ dị vòng thơm, nó có cấu trúc bicyclic bao gồmvòng benzene gắn với vòng pirol

Theo quan điểm của phương pháp cặp hóa trị thì Indol có thể được mô tảbằng sự lai tạo cộng hưởng cấu trúc như sau:

Indol là sự tập hợp của hai vòng benzen và pirol, sự tập hợp này làm choIndol ổn định hơn về mặt phân bố điện tích và khả năng phản ứng nhỏ hơn sovới pirol

Cấu trúc VIII không bền do hệ liên hợp thơm bị phá hủy, cấu trúc này chophép giải thích sự tấn công electrophin vào vị trí 3 của vòng Indol.

III.4.1.2 Phương pháp tổng hợp

vv Tổng hợp Indol từ anilin và etylenglycol.

vv Tổng hợp Indol theo Leimgruber-Batcho

Phương pháp này rất hiệu quả, và đặc biệt phổ biến trong ngành dược phẩm

vv Tổng hợp Indol theo Fischer

Một trong những phương pháp tổng hợp Indol quan trọng nhất và phổ biến

là sự chuyển hóa aryhidrazon của các andehit hay xeton thành dẫn xuất của

gồm sự chuyển vị phenylhidrazon kèm theo sự đóng vòng và tách loại phân tửammoniac

Cơ chế của phản ứng này được xác định theo kiểu chuyển vị o-benzidin

vv Tổng hợp Indol theo phương pháp Madelung

Bằng cách đóng vòng các fomamidin trong N- metylanilin đun sôi với sự

có mặt của natrimetylanilin

vv Tổng hợp Indol theo Reisert

Bản chất của phương pháp là sự đóng vòng axit o-nitro phenylpiruvic và cácdẫn xuất của nó bằng các tác nhân như Zn trong CH3COOH hoặc FeSO4 trong

NH3 Qua trình khử hóa kèm theo sự đóng vòng axit o -aminophenylpiruvic trung

gian thành các axit indol -2-cacboxylic, sau đó dễ dàng decacboxyl hóa để tạo Indol

vv Tổng hợp indol theo Nhenhixescu

Phương pháp này dựa trên sự ngưng tụ enamin của 1,4-benzoquinon với các este của axit β-aminocrotonic

vv Tổng hợp Indol theo Bisler

Dựa trên sự tương tác của các arylamin với các halogen hay các α - hidroxicacbonyl trong điều kiện xúc tác axit

III.4.1.3 Tính chất hóa học

Indol có khả năng phản ứng thấp hơn các dị vòng đơn, Indol dễ tham giacác phản ứng thế electrophin Indol kém bền vững trong môi trường axit, ví dụnhư trong dung dịch HCl Indol dễ dàng chuyển thành dạng đime

a Phản ứng thế electrophin

Khi thế ưu tiên thế ở vị trí số 3, đồng thời có một lượng nhỏ thế ở vi trí số 2

Nếu như vị trí có khả năng phản ứng cao nhất trong qua trình thếelectrophin cảu các dị vòng này bị chiếm bởi một nhóm đẩy electron thì phảnứng xảy ra ở vị trí khác

Khi có mặt nhóm thế hút electron trong phần dị vòng sẽ làm mất hoạt tính

ở nhân dị vòng và khi đó sự thế eletrophin sẽ xảy ra ở bên vòng benzene

b Phản ứng thế nucleophin

Trong điều kiện phản ứng với điclocacben hình thành từ clorofom trong kiềm, indol có thể cho ra sản phẩm indol-3-andehit hoặc 3-cloquinolin

c Phản ứng kim loại hóa

Do độ linh động khá cao của hidro trong NH trong vòng indol nên nguyên tuer H dễ thay thế bằng các nguyên tử kim loại kiềm ( Na, K, Mg)

Hợp chất cơ magiê của indol tồn tại dưới dạng cấu trúc ion Chính vì vậykhác với pirol, phản ứng của hợp chất cơ magie của indol thường dẫn tới sự tạothành các dẫn xuất ở vị trí 1,3

d Phản ứng oxi hóa indol

Do tính chất giàu electron nên indol dễ bị oxi hóa Ví dụ như

N-bromosuccinimide có thể oxi hóa indol tạo thành các hợp chất 4,5

o-III.4.2.2.Tính chất

vv Phản ứng thế electrophin (S E )

Các phản ứng thế electrophi n như halogen hóa, sunfonic hóa, axyl hóa,clometyl hóa, nitro hóa nói chung đều cho các dẫn xuất thế ở vị trí 2 và 2,8nghĩa là các vi trí para với dị tố

vv Phản ứng kim loại hóa

Cacbazol có thể phản ứng với kim loại kali hoặc KOH nóng chatr để tạo muối trên dị tố nitơ, từ đó chuyển tiếp thành các dẫn xuất ankyl hoặc cacboxylic

III.5 DỊ VÒNG 5 CẠNH 2 DỊ TỐ NHÓM ĐIAZOL

III.5.1 Cấu tạo

Trên dị tố nitơ của vòng còn có cặp electron tự do không tham gia vào sự ổn

Giá trị pKa trên phù hợp với thực nghiệm, imidazol có thể tạo muối kếttinh bền vững với nhiều axit, các azol khác có tính bazơ yếu hơn có thể bị protonhóa nhưng muối của chúng thường kếm bền vững.

Điều này được giải thích do cation imidazol có tính đối xứng cao mà ở cation của các azol khác không có:

Sự nghiên cứu tính chất vật lý chỉ ra rằng imidazol và piaol còn có khả năngtạo liên kết hidro giữa các phân tử, vì vậy chúng có nhiệt đ ộ sôi cao (256oC và

187oC tương ứng) Điều này được giải thích là do ở trạng thái lỏng imidazol ở dạngtập hợp khoảng 20 đơn phân tử liên kết hidro với nhau, còn piaol ở dạng đime:

Imidazol và pirazol nếu không có nhóm thế ở dị tố N số 1 (còn H axit) thìchúng có thể tạo thành 2 dạng autome, các dạng autome này dễ dàng đồng phânhóa lẫn nhau do sự có mặt của liên kết hidro

III.5.2 Các phương pháp tổng hợp

III.5.2.1 Tổng hợp 1,2-điazol ( pirazol)

Phương pháp chung được sử dụng rộng rãi để tổng hợp isoxazol và

pirazol là sự cộng hợp của hidroxylamin hay hidrazin vào hợp chất 1,3 –

đicacbonyl

Isoxazol và pirazol còn được điều chế bằng cách ngưng tụ hidroxylamin hay hidrazin với các hợp chất cacbonyl α,β- không no.

Isoxazol và pirazol còn được điều chế bằng sự cộng hợp kiểu 1,3 -lưỡngcực của điazo -ankan vào axetilen (liên kết ba đã được hoạt hóa bởi nhóm hútelectron bên cạnh)

III.5.2.2 Tổng hợp 1,3-điazol ( imidazol )

vv Đóng vòng các hợp chất 1,4 –đicacbonyl, mà giữa 2 nhóm cacbonyl

đó có 1 dị tố

vv Sự tương tác của các α - halogen cacbonyl với amidin có thể dung làm phương pháp tổng hợp imidazol:

vv Tương tác của 1,2- đicacbonyl với andehit và amoniac (hay amin) Phản ứng mang tên Đebu

vv Phản ứng của α-đixeton với fomandehit ở 150-180oC trong thời gian 2-4 giờ.

vv Sự tương tác của điamin với ancol, andehit hay axit cacboxylic no

III.5.3 Tính chất hóa học

vv Tính chất của nhân thơm:

+ Bền vững với tác nhân oxy hóa

trung gian giữa dị vòng thơm 5 cạnh 1 dị tố và piridin

Trong trường hợp của các phenylpirazol thì sự thế electronphin có thể xảy

ra ở vòng pirazol hay vòng benzene tùy thuộc vào độ axit của môi trường

Đối với 1,3-azol có thể sắp xếp khả năng thế electrophin theo thứ tự như sau:

Imidazol > thiazol > oxazolBrom hóa imidazol trong dung môi hữu cơ dẫn tới sự tạo thành 4(5)-bromimidazol

Nếu vị trí số 4 của vòng imidazol chứa nhóm thế đẩy electrophin sự thaythế diễn ra ở vị trí số 5; nếu cả vị trí 4,5 đều bị chiếm thì tác nhân electrophin tấncông vào vị trí số 2

vv Tính chất của dị tố của Nitơ:

+ Tính acid của NH

+ Tính base của N:

III.6 Các dị vòng có trong thiên nhiên, có ứng dụng thực tế.

III.6.1 Các dẫn chất của pyrazol

Thuốc hạ nhiệt và giảm đau

2,3-dimethyl-1-phenyl-5-pyrazolon

Thuốc điều trị viêm khớp

4-butyl-1,2-diphenyl-3,5-pyrazolidin dion

III.6.2 Các dẫn chất của imidazol

- Có trong phổi, gan và màng nhày

- Tác dụng giảm huyết áp, kích thích hoạt động

và tiết dịch của dạ dày

III.6.3 Dẫn xuất của Furan

Họ thuốc kháng khuẩn nitrofuran

Nitrofurazon: điều trị nhiễm khuẩn ngoài da

Nitrofurantoin: điều trị nhiễm khuẩn đường niệu

III.6.4 Dẫn chất của thiophen

- Các dẫn chất của Thiophen thường ít gặp trong thiên nhiên

- Một số dẫn chất được dùng làm thuốc

- Có trong khung phân tử một số chất có hoạt tính sinh học

Ví dụ Vitamin H (Biotin) giữ vai trò lớn trong quá trình tổng hợp Purin,