Thực hành hóa học hữu cơ

Trong các thí nghiệm của chương này, ta sẽ được làm quen với các hoá học khác nhau và tầm quan trọng của các dẫn xuất acid carboxylic bằng cách điều chế các hợp chất được sử dụng như là

Chương 13

ACID CARBOXYLIC VÀ DẪN XUẤT

Hóa học của các hợp chất hữu cơ có chứa liên kết đôi carbon-oxy được cho là phong phú hơn so với bất kỳ lớp phân tử hữu cơ khác Trong các thí nghiệm ở Chương 17 ta đã

có cơ hội tìm hiểu về hóa học của aldehyd và keton với sự có mặt của nhóm chức carbonyl Trong chương này, ta sẽ có thể làm quen về hóa học có liên quan với các acid carboxylic

và một số dẫn xuất của chúng Các hợp chất này chứa liên kết đôi carbon-oxy, trong đó nguyên tử carbon carbonyl mang một dị tố bổ sung như oxy, nitrogen, hoặc halogen Sự có mặt của dị tố này làm thay đổi đột ngột các tính chất hóa học của nhóm carbonyl, nhưng theo cách mà ta sẽ học là có thể dự đoán được Các dẫn xuất của các acid carboxylic thường gặp trong vật liệu mà chúng tôi gặp phải hàng ngày và bao gồm vải, thuốc kháng sinh và thuốc trừ sâu Trong các thí nghiệm của chương này, ta sẽ được làm quen với các hoá học khác nhau và tầm quan trọng của các dẫn xuất acid carboxylic bằng cách điều chế các hợp chất được sử dụng như là một chất gây mê và thuốc diệt côn trùng

13.1 MỞ ĐẦU

Các acid carboxylic được đặc trưng bằng sự có mặt của nhóm chức carboxyl,

–CO2H, bao gồm một nhóm carbonyl và một nhóm hydroxyl, và có công thức cấu trúc tổng quát 1, trong đó R là hydro hoặc nhóm thế alkyl hoặc aryl Dẫn xuất của chúng xuất hiện bằng cách thay thế nhóm hydroxyl trong 1 bằng các nhóm thế dị tố như Cl ở acid

cloride, OCOR1 ở acid anhydrid, OR2 ở ester, và NR3R4 ở amid Các dẫn xuất này có thể được tóm tắt bằng công thức tổng quát 2 trong đó nhóm acyl, R–C(=O)–, liên kết với một

nhóm âm điện Z, có thể đại diện cho một nguyên tử duy nhất, như ở acid cloride, hoặc một nhóm các nguyên tử, như ở anhydrid, ester, và amid Mặc dù sẽ không được bao hàm trong

các thảo luận ở đây, các nitril, R–CN, thường được phân loại như là dẫn xuất của các acid

carboxylic, vì chúng có thể bị thuỷ phân để cho các acid này

O C Z R

δ−

1: Z = OH 2: Z = Cl, OCOR1, OR2, NR1R2

Nhóm acyl xác định hóa học của các acid carboxylic và các dẫn xuất Giống như nhóm carbonyl, C=O, ở aldehyd và keton (Chương 17), liên kết π carbon-oxy trong các acid carboxylic và dẫn xuất bị phân cực do độ âm điện của nguyên tử oxy Độ âm điện

(nhóm) của nguyên tử carbon acyl gây ra bởi sự phân cực này được tăng cường bởi sự có

mặt của nhóm thế âm điện khác, Z Sự kết hợp của một nhóm thế âm điện được gắn với

liên kết đôi carbon-oxy bị phân cực có các hậu quả quan trọng về khả năng phản ứng của các dẫn xuất acid carboxylic đối với các nucleophil Thật vậy, loại phản ứng chung, đặc

trưng nhất cho các hợp chất này, là phản ứng thế acyl nucleophil (Ptr 13.1)

carboxylic (Ptr 13.2) Bước đầu tiên trong phản ứng này có thể được coi là một phản ứng

acid-base Lewis, trong đó nguyên tử carbon acyl là acid Lewis và nucleophil là base Lewis

S¶n phÈm thÕ nucleophil Acid carboxylic

(13.2)

Khi các nucleophil yếu hơn, thường là trung tính, hoặc dẫn xuất acid carboxylic có khả năng phản ứng kém hơn được bao hàm, thì phản ứng có thể được xúc tác bằng acid

như được chỉ ra trong Sơ đồ 13.1 Nguyên tử oxy của nhóm acyl 3 bị proton hoá trước hết

để cho cho cation 6, trong đó liên kết carbon-oxy thậm chí bị phân cực cao hơn và nguyên

tử carbon acyl có tính electrophil hơn so với ở 3 Sự tấn công nucleophil bởi nucleophil trung tính, H–Nu, sau đó cho hợp chất trung gian tứ diện 7, mà sau khi chuyển một proton

đến một base, B–, trong hỗn hợp phản ứng để cho 8 Các chi tiết về việc hợp chất trung gian tứ diện 8 được biến đổi thành sản phẩm thế 5 như thế nào sẽ phụ thuộc vào bản chất

của nhóm bị thế, Z–, của nucleophil, Nu–, và các điều kiện phản ứng Chẳng hạn, nếu Z–không phải là một nhóm dễ bị thế so với Nu–, nó sẽ có khả năng bị proton hoá để cho 9 trước khi bẻ gãy liên kết C–Z; cation 9 sẽ bẻ gãy sau đó để cho 5

C O

δ−

δ+

H B B

C O

H

H Nu

R C Nu Z

O H

R C Nu Z

O H

H B

Z

O H

Việc so sỏnh cỏc phản ứng của cỏc dẫn xuất acid carboxylic với cỏc phản ứng của cỏc hợp chất carbonyl (Chương 17) cho thấy cú một số điểm tương đồng, cũng như một số khỏc biệt quan trọng Cỏc phản ứng của cỏc hợp chất carbonyl, cho dự chỳng được xỳc tỏc

bằng acid hay khụng, đều dẫn đến sự hỡnh thành của sản phẩm cộng hợp nucleophil theo

Phương trỡnh 13.3, trong khi đú, cỏc dẫn xuất acid carboxylic phản ứng với cỏc nucleophil

để cho cỏc sản phẩm thế (Ptr 13.1) Trong cả hai trường hợp, bước đầu tiờn là sự tấn

cụng nucleophil lờn nguyờn tử carbon cú tớnh electrophil của liờn kết đụi carbon-oxy Tuy nhiờn, aldehyd và keton khụng cú nhúm õm điện, Z, để cú thể hỡnh thành anion ổn định và

do đú cú vai trũ như một nhúm dễ bị thế Một nhúm dễ bị thế phải là một base tương đối yếu như Cl–, RO–, H2O và ROH, và khụng phải là một base rất mạnh như H– hoặc R–(Phần 13.1)

Cỏc thớ nghiệm được mụ tả trong chương này minh họa một số phản ứng điển hỡnh

của cỏc acid carboxylic và cỏc dẫn xuất Chẳng hạn, ta sẽ thực hiện phản ứng ester hoỏ

Fischer, một trong cỏc phản ứng cổ điển trong húa hữu cơ đó được phỏt hiện bởi nhà hoỏ

học được giải Nobel, Emil Fischer, để điều chế tỏc nhõn gõy tờ benzocaine từ

p-aminobenzoic acid (Phần 13.2) Trong một thớ nghiệm khỏc, ta sẽ tổng hợp chất đuổi muỗi

N,N-diethyl-m-toluamid (DEET) bằng một quỏ trỡnh hai bước, bao hàm việc chuyển hoỏ

một acid carboxylic thành một acid cloride và sau đú cho phản ứng với một amin để tạo ra amid mong muốn (Phần 13.3) Trong một thớ nghiệm khỏc ta sẽ điều chế một hydrazid, một dẫn xuất gần với amid

13.2 PHẢN ỨNG ESTER HOÁ FISCHER

Sự biến đổi trực tiếp của một acid carboxylic và một alcohol thành một ester thường được xỳc tỏc bằng acid vụ cơ, chẳng hạn như acid sulfuric, như được nờu trong Sơ đồ 13.2

Cỏc chất xỳc tỏc thỳc đẩy sự cộng hợp của alcohol cú tớnh nucleophil yếu vào liờn kết đụi

carbon-oxy bằng sự proton hoỏ oxy carbonyl của acid 10 để cho 11 Do đú, 11 được hoạt

hoỏ đối với sự tấn cụng nucleophil, và vỡ thế phản ứng nhanh chúng với alcohol để cho hợp

chất trung gian tứ diện 12 Hai bước chuyển proton tiếp theo cho 13, nú bị bẻ góy do mất nước, một nhúm dễ bị thế, để cho trước hết 14 và sau đú là ester 15

C O

C OH

H H

H H

Sơ đồ 13.2

Như ta có thể nhìn thấy từ các cân bằng của Sơ đồ 13.2, sự thủy phân được xúc tác

bằng acid của ester 15 thành acid tương ứng 10 đơn giản chỉ là sự ngược lại của phản ứng

ester hoá Do đó, chiến lược đặc biệt được đòi hỏi để ester hoá hiệu quả của một acid carboxylic với hiệu suất cao Các chiến lược này bao hàm việc sử dụng một lượng dư lớn của một trong các chất phản ứng hoặc loại bỏ một trong các sản phẩm khi nó được hình thành Cả hai chiến thuật thực nghiệm đều sử dụng nguyên lí Le Chatelier (Phần 10.3) Khi alcohol rẻ tiền và dễ bay hơi, nó thường được sử dụng như là dung môi, do đó buộc cân bằng chuyển dịch về bên phải và làm tăng hiệu suất ester Trong trường hợp khác, ta có thể

để loại bỏ sản phẩm nước từ phản ứng bằng cách sử dụng một tác nhân hút nước, như rây phân tử đã được hoạt hoá (Phần 2.22), hoặc bằng cách chưng cất đẳng phí (Phần 4.5) Thông thường, sự tạo thành ester theo sự ester hoá Fischer là không hiệu quả vì sự tồn tại của cân bằng, và các ester nói chung được điều chế bằng phản ứng của các alcohol với các acid cloride hay acid anhydrid

Trong qui trình được mô tả trong phần này, ta sẽ thực hiện sự ester hoá Fischer của acid p-aminobenzoic (16) với ethanol để cho ethyl p-aminobenzoat (17), được biết nhiều

hơn dưới tên gọi benzocaine, theo Phương trình 13.4 Benzocaine là một chất gây tê tại chỗ hữu ích, và sự khám phá ra tính chất gây tê của nó thể hiện cho một ví dụ thú vị về “sự thiết kế thuốc hợp lí”

Cân bằng giữa các chất đầu và các sản phẩm dễ dàng được thành lập bằng cách đun

nóng hồi lưu một hỗn hợp của 16 và ethanol khi có mặt của một lượng chất xúc tác acid

sulfuric để cho 17 và nước (Ptr 13.4) Tuy nhiên, nếu một bộ máy lò vi sóng có sẵn để đun

nóng (Phần 2.7), thì phản ứng này có thể được thực hiện trong một lọ chịu áp suất Đây là bài thí nghiệm để so sánh thời gian phản ứng đòi hỏi và kết quả nhận được khi sử dụng việc đun nóng thông thường so với việc đun nóng bằng lò vi sóng để thúc đẩy phản ứng

nD20 1,3614

Ethyl acetat, §s 77,15°C M=88,11; d420 0,901, nD20 1,3724

Acid acetic, §s 118°C

M=60,05; d420 1,049,

nD25 1,3717

Mục đích

Để chứng minh sự ester hoá được xúc tác bằng acid của acid carboxylic với alcohol

An toàn phòng thí nghiệm

1 Bởi vì acid sulfuric đặc có tính ăn mòn mạnh và có thể gây bỏng hóa chất nặng, nên

không được để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su khi xử lí các chất phản ứng

Lau ra bất kì các giọt trên bề mặt ngoài của chai đựng và ống đong trước khi cầm Rửa

sạch bất kì khu vực bị ảnh hưởng ngay lập tức và hoàn toàn với nước lạnh, và dùng dung

dịch natri bicarbonat 5%

2 Acid acetic băng: làm rộp da Sơ cứu: nếu bị acid acetic dính vào tay, cần rửa với

rất nhiều nước Nếu mắt bị thương, rửa 15 phút với nước trước khi đưa đi y tế

3 Ethanol: có mùi thơm đặc trưng Dễ cháy

4 Ethyl acetat: có mùi quả khi ở nồng độ thấp; dễ cháy, gây kích thích da và niêm

mạc khi ở nồng độ cao

Chuẩn bị

1 Đọc MSDS (chẳng hạn, ở trang web http://www.msdsprovider.com) cho các hoá chất

được sử dụng hay được tạo ra trong qui trình này; hoặc các nguồn tài liệu tham khảo như

The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cũng có thể cung cấp các

thông tin này

2 Trả lời các Câu hỏi và Bài tập chuẩn bị

3 Đọc các Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, và 2.19

Hoá chất & dụng cụ

Acid acetic băng 20 ml Bình cầu dung tích 100 ml 1

Dung dịch CaCl2 (hoà tan 25 g calci cloride

khan trong 25 ml nước hoặc 33 g

CaCl2.2H2O trong 17 ml nước)

hợp phản ứng trong bình cầu để bảo đảm chất lỏng là đồng thể

Tiến hành phản

ứng

1 Lắp sinh hàn hồi lưu và đun sôi hồi lưu hỗn

hợp trên bếp điện sao cho hỗn hợp hồi lưu nhẹ trong 10 phút Sau đó để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phòng

Có thể dùng nồi nước lạnh

để làm lạnh nhanh bình cầu

2 Lắp bộ chưng cất đơn và cất ra khoảng 3/4

thể tích chất lỏng trong bình cầu hoặc cho đến khi nhiệt độ sôi đạt quá 82°C Chuyển phần cất được vào phễu chiết

Xử lí phản ứng,

phân tách sản

phẩm

1 Thêm khoảng 25 ml dung dịch natri carbonat

30% vào phần chất lỏng trong phễu chiết, đậy nút phễu và lắc cẩn thận! Trong quá trình này, khí carbon dioxide được giải phóng, do đó thỉnh thoảng cần thoát áp suất trong phễu bằng cách mở nút phễu một cách cẩn thận, hoặc bằng cách dốc ngược phễu và ngay lập tức mở khoá phễu Quá trình lắc này được lặp lại cho đến khi không còn khí carbon dioxide thoát ra nữa Để yên để hai lớp tách ra, và cẩn thận tách

bỏ toàn bộ lớp nước ở dưới để chắc rằng dung dịch natri carbonat được loại ra hết

2 Sau đó cho 25 ml dung dịch calci cloride đã

chuẩn bị vào phần ethyl acetat trong phễu chiết,

và lắc mạnh Để yên để hỗn hợp tách lớp, rồi tách bỏ hoàn toàn lớp nước ở dưới

3 Chuyển lớp ethyl acetat vào bình nón nhỏ

(dung tích 50 ml hoặc 100 ml), thêm một vài cục calcium cloride đã được tán nhỏ, và thỉnh thoẳng lắc đều Sau khoảng 20 phút, khi chất

Cần làm khan tốt sản phẩm, nếu không khi chưng cất,

lỏng trở nên khan, lọc vào bình cầu đáy tròn

dung tích 100 ml qua giấy lọc gấp

nhiệt độ của phần cất chủ yếu nằm trong khoảng 72°C!

Chưng cất lấy sản

phẩm

Lắp bộ chưng cất phân đoạn, thêm 1–2 viên đá bọt và đặt hệ chưng cất vào nồi nước lạnh Tiến hành đun nóng từ từ nồi cách thuỷ Lúc này, một ít ether luôn được tạo thành như là sản phẩm phụ cùng với ethyl acetat, sẽ được tách ra

ở phân đoạn sôi ở 35–40°C; tuy nhiên, nếu bình

chưng cất được đun nóng nhanh trên nồi nước

đã được đun sôi từ trước thì ether không được chưng cất ra ở phân đoạn rõ ràng, và điểm sôi của phần cất ra tăng đều đều mà không có điểm ngắt có thể nhận thấy rằng bản thân ethyl acetate được chưng cất ra Thu lấy phân đoạn sôi giữa 74°C và 79°C, loại bỏ phân đoạn nhỏ sôi ở dưới khoảng này Hiệu suất điển hình khoảng 20 g (23 ml)

Phân tích sản

phẩm

Đong thể tích ethyl acetat nhận được Đo chiết

suất Tính hiệu suất sản phẩm nhận được

Ethyl acetat là chất lỏng không màu, có mùi thơm của quả chín, có thể tạo một số hỗn hợp đẳng phí với alcohol ethylic và nước mà nhiệt độ sôi của chúng thường nhỏ hơn 75°C: 1) hỗn hợp 91,8% ester và 8,2% nước sôi ở 70,4°C; 2) hỗn hợp 69,2% ester và 30,8% ethanol sôi ở 71,8°C; 3) hỗn hợp 83,2% ester, 9% ethanol và 7,8% nước sôi ở 70,3°C Phân đoạn sôi ở 78°C là ethyl acetat tinh khiết: Đs 77,15°C; d4200,901; 1,3724 Phổ tử ngoại (trong ether dầu hoả) có cực đại ở 207nm Phổ hồng ngoại cho vạch dao động hoá trị của nhóm CO (ester) ở 1745cm-1 Phổ cộng hưởng từ proton có các tín hiệu triplet ở 1,25ppm; singlet ở 2ppm và một quartet ở 4ppm

THÍ NGHIỆM 2 TỔNG HỢP n-BUTYL ACETAT

H

Butan-1-ol, §s 117,7°C M=74,12; d425 0,8057,

nD251,3992

Mục đích

Để chứng minh sự ester hoá được xúc tác bằng acid của acid carboxylic với alcohol

An toàn phòng thí nghiệm

1 Bởi vì acid sulfuric đặc có tính ăn mòn mạnh và có thể gây bỏng hóa chất nặng, nên

không được để chúng tiếp xúc với da Đeo găng tay cao su khi xử lí các chất phản ứng

Lau ra bất kì các giọt trên bề mặt ngoài của chai đựng và ống đong trước khi cầm Rửa

sạch bất kì khu vực bị ảnh hưởng ngay lập tức và hoàn toàn với nước lạnh, và dùng dung

dịch natri bicarbonat 5%

2 Acid acetic băng: làm rộp da Sơ cứu: nếu bị acid acetic dính vào tay, cần rửa với

rất nhiều nước Nếu mắt bị thương, rửa 15 phút với nước trước khi đưa đi y tế

3 n-Butanol: có mùi khó chịu, gây nhức đầu

4 Butyl acetat: có mùi quả khi ở nồng độ thấp; dễ cháy, gây kích thích da và niêm

mạc khi ở nồng độ cao

Chuẩn bị

1 Đọc MSDS (chẳng hạn, ở trang web http://www.msdsprovider.com) cho các hoá chất

được sử dụng hay được tạo ra trong qui trình này; hoặc các nguồn tài liệu tham khảo như

The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cũng có thể cung cấp các

thông tin này

2 Trả lời các Câu hỏi và Bài tập chuẩn bị

3 Đọc các Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, và 2.19

Hoá chất & dụng cụ

n-Butanol 16 ml Bình cầu dung tích 100 ml 1

Dung dịch NaHCO3 bão hoà Bình nón dung tích 100 ml 2

Cách tiến hành phản ứng

Chuẩn bị phản ứng Trộn lẫn 13,8 ml n-butanol và 25 ml acid acetic

băng trong bình cầu đáy tròn dung tích 100 ml, rồi vừa lắc đều vừa thêm từ từ 0,5 ml acid sulfuric đặc vào hỗn hợp phản ứng

Tiến hành phản

ứng

Lắp bộ phản ứng đun nóng hồi lưu Cho một vài viên đá bọt vào bình phản ứng và tiến hành đun sôi mạnh trong 2−3 giờ

Hiệu suất ester tăng đáng kể nếu tăng lượng acid acetic và kéo dài thời gian đun nóng hồi lưu lên

12−18 giờ

Xử lí phản ứng,

phân tách sản

phẩm 1 Để nguội hỗn hợp phản ứng đến nhiệt độ phòng, rồi rót vào 120 ml nước lạnh, đồng thời

khuấy đều Chuyển vào phễu chiết dung tích

250 ml, tách lấy lớp hữu cơ ở phía trên, là sản phẩm ester thô, rửa bằng 30 ml nước lạnh, rồi

sau đó bằng dung dịch NaHCO3 bão hòa đến

ph 8 (lớp nước) và một lần nữa bằng 30 ml

nước lạnh

a Sản phẩm nằm ở lớp trên!

b Quá trình rửa được tiến hành trong phễu chiết và phải lắc mạnh! Cần chú ý vì có khí CO 2 thoát ra!

2 Tách lấy lớp hữu cơ vào bình nón khô Làm

khan bằng CaCl2 khan hoặc Na2SO4 khan Lọc sản phẩm đã được làm khan vào bình cầu dung tích 100 ml

Lắc đều bình nón khi làm khan chất lỏng!

Tinh chế sản phẩm Lắp bộ chưng cất phân đoạn Thu lấy phân

đoạn sôi ở nhiệt độ 124−125°C, là butyl acetat tinh khiết Hiệu suất theo qui trình này là 12 g (69% theo lí thuyết)

Phân tích sản

phẩm

Đong thể tích butyl acetat nhận được Đo chiết

suất Tính hiệu suất sản phẩm nhận được

n-Butyl acetat tinh khiết là chất lỏng không màu, có mùi quả, trộn lẫn được với ethanol và diethyl ether, trong 100g nước ở 25°C hoà tan được 1g n-butyl acetat

nD251,3939

Isobutyl acetat, §s 116-118°C M=116,16; d420 0,87, nD20 1,389

H

CHCH2CH2OH C

2 Acid acetic băng: làm rộp da Sơ cứu: nếu bị acid acetic dính vào tay, cần rửa với rất nhiều nước Nếu mắt bị thương, rửa 15 phút với nước trước khi đưa đi y tế

3 Isobutanol: có mùi khó chịu, gây nhức đầu

4 Isobutyl acetat: có mùi quả khi ở nồng độ thấp; dễ cháy, gây kích thích da và niêm mạc khi ở nồng độ cao

Chuẩn bị

1 Đọc MSDS (chẳng hạn, ở trang web http://www.msdsprovider.com) cho các hoá chất

được sử dụng hay được tạo ra trong qui trình này; hoặc các nguồn tài liệu tham khảo như

The Merck Index hay CRC Handbook of Chemistry and Physics cũng có thể cung cấp các

thông tin này

2 Trả lời các Câu hỏi và Bài tập chuẩn bị

3 Đọc các Phần 2.7, 2.8, 2.9, 2.14, và 2.19

Hoá chất & dụng cụ

Isobutanol (d420 0,802) 13,8 ml Bình cầu dung tích 100 ml 1

Dung dịch NaHCO3 bão hoà Bình nón dung tích 100 ml 2

Cách tiến hành phản ứng

Chuẩn bị phản

ứng

Trộn lẫn 13,8 ml n-butanol và 25 ml acid acetic

băng trong bình cầu đáy tròn dung tích 100 ml, rồi vừa lắc đều vừa thêm từ từ 0,5 ml acid sulfuric đặc vào hỗn hợp phản ứng

Nếu hỗn hợp nóng lên thì cần làm lạnh bình cầu bằng cách nhúng trong nồi nước lạnh

1 Để nguội hỗn hợp phản ứng, rồi rót vào 120

ml nước lạnh, đồng thời khuấy đều Rót vào phễu chiết dung tích 250 ml, tách lấy lớp hữu

cơ ở phía trên, là sản phẩm ester thô, rửa bằng

20 ml nước lạnh, rồi sau đó bằng dung dịch NaHCO3 bão hòa đến pH 8 (lớp nước) và rửa

một lần nữa bằng 20 ml nước lạnh

a Sản phẩm nằm ở lớp trên!

b Quá trình rửa được tiến hành trong phễu chiết và phải lắc mạnh!

Cần chú ý vì có khí CO 2 thoát ra!

2 Tách lấy lớp hữu cơ vào bình nón khô Làm

khan bằng CaCl2 khan hoặc Na2SO4 khan Lọc sản phẩm đã được làm khan vào bình cầu dung tích 100 ml

Lắc đều bình nón khi làm khan chất lỏng!