Hoá học hữu cơ

Cuốn sách gôni ba phàn: trong p h ầ n một chúng tòi tóm tát một số phương pháp d ừ n g d ề nối mạch và giả m mạch cacbon, các ph àn ủng chủ yếu của dẫn xuát /lalogen hợp chát co niagie

GS TS N G Ô T H Ị THUẬN

PHẨN BÀI TẬP

Dùng cho sinh viên Khoa Hóa các truừng đại học, cao đảng

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI

H ờ i n ó i đ ầ u

N h ầ m giúp sinh uièn n ấm vững giáo trình H óa học Hữu cơ chúng tôi biên soạn cuốn : H óa học H ứ u cơ, P h ầ n Bài tập

Cuốn sách gôni ba phàn: trong p h ầ n một chúng tòi tóm tát một số phương pháp

d ừ n g d ề nối mạch và giả m mạch cacbon, các ph àn ủng chủ yếu của dẫn xuát /lalogen hợp chát co niagie và muối diazoni, vì dó là các hợp chất dược d ù n g nhiêu trong tổng hạp hữu cơ, cũng như các phương pháp bảo uệ một số nhóm chức.

Trong p h ầ n hai và p h â n ba là các bài tập kèm lài giải Phăn này gồm 14 chương dược p h ả n đêu từ đại cương sang hidrocacbon rồi đến các chức Có thề có nhiêu cách giải bài tập khác nhau, ỏ dây chi dưa ra phương pháp rnà theo chúng tôi là hạp lí hon cả.

Cuôn sách này dược dung làiìi tời liệu học tập cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa các trường dại học, ngoài ra còn dù n g làm thi liệu tham khảo cho cán bộ giảng dạy các trường dại học, cao dàng uà giáo viên p h ổ thõng trung học củng n h ư nhữn g ai quan tâm dến Hóa học Hữu ca.

Tác giả xin chán thành cám ơn GS.TS Phan Tống Sơn, GS T S D ặn g N h u Tại và PGS.TS Nguyên Dức Huệ dă có nhiẽu dóng góp quý báu cho cuốn sách.

Cliảc chán cuỏn sách không tránh khỏi những thiêu sót, tác giả mong nh ận duọc những ý kiến dóng góp xáỵ dụng.

Tác g iả

M ỤC LỤC

Lòi nói dầu

T rang

3 PHẦN MỘT

MỘT SỐ VAN Đ ề c h u n g

I C ác phưổng p h á p nốl m ạc h c a c b o n

1 Nối thồm một n g u y ên tú c a c b o n

2 Nối th êm một h o ặ c nhiều n g u y ên tử c a c b o n

II C ác phướng p h á p giảm m ạch c a c b o n

1 Giảm một n g u y ên tủ c a c b o n

2 Giảm một h o ặ c nhiều n g u y ên tủ c a c b o n

III C ác p h ả n úng của ankyl- và aryl h a l o g e n u a

IV C ác p h ả n úng của hợp c h ấ t cơ m ag ie

V C ác p h ả n úng của muối đ iazo n i

VI Phưong p h á p b ả o vệ nhóm chứ c tro n g tổ n g hợp hửu cđ

1 N guyên tắ c c h u n g

2 Bảo vệ nhóm -OH

3 Bảo vệ nhóm -NH^ và -NHR

4 B ầ o vệ n h ó m ; > c = o

5 Bảo vệ nhóm -COOH

PHẦN HAI

BÀI TẬP

1 ĐẠI CƯONG

2 ANKAN

3 ANKEN

4 ANKIN

5 AREN

6 DẪN XUẤT HALOGEN

7 HỘP CHẤT CO MAGIE

8 ANCOL VÀ PHENOL

9 ANOEHIT VÀ XETON

10 AXIT CACBOXYLIC

11 HỘP CHẤT NITRO VÀ AMIN

8

8 8

9 9 9

10

10

11

12

12

12

13 13 14

16

21

25 30

31 33 38

39

45

49 52

12 HỘP CHẤT DỊ VÒNG 54

PHẦN BA BÀI GIẢI

8 ANCOL VÀ PHENOL

Phan một

MỘT SỐ VẤN ĐỀ ■

CHUNG

Một SỔ v ỉn đé chumg

I CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI M ẠCH CACBON

1 Nối thêm một nguyên từ cachon

2) H3O*

1) HCHO

(Ar) RMgX - ^ - ^ ( A r ) RCHịOH

2) H , 0 +

1) C H ,N , _ _

(Ar) RCOX^ — (Ar) RCH2COOH

2) Ag + H jO HCHO

ArH -ArCH^Cl

2 n C lj + HCI

N aC N _ _

RX - -►RCNÍ*’) ArNjX -^!íiEĩí!L»ArCN

o

H C O O C H , I

R- CH2COOR H- c - CHCOOR

C jH ,O N a 1

~ H ^ HCN _ ĩ _ (A r)R -C -H —— (Ar) R-C -C N

(Trường hợp này cũng dùng cho xeton)

2 Nõi thêm một hoặc nhiều nguyên tử cacbon

Na

RX — — RR

h c h o

H C a C H — H 0 C H 2 -C -C -C H 2 0 H

C u jC lj

H C gC H CH2= C H -C a C H

NH4CI

1) N a + N H ỉdng _

(R) H C a C H - (R )H C sC R

2) RX***' 1) (Ar) RMgX ■ (Ar) RCH2CH2OH

ỌH (Ar) RMgX -^(Ar) RCR’ 2

ổ H (Ar) RMgX , (Ar) R’CR2(Ar)

2) H,0 *

(a ) (Ar) R có nghĩa lấ th a y R bằng Ar

(b ) Chỉ xảy ra dồl vỏt ankyl halogenua bậc một

1) (Ar)R C HO 9 ^

(Ar) RMgX— — - ►(Ar) RCHR’ (Ar)

2) HaO-"

A rC H X

(Ar) RMgX — - 1 — (Ar) RCH2 Ar

RX

ArH — — ArR và ArR’(«)

A IC I3

(A r)R C O X 9

ArH — -►ArCB (Ar)

AICI3

r°

(Ar) (RC0 0 )2Ca - — -<Ar) RCOR (Ar)

p ỌH

KCN 11 i

A r - C H O ► Ar-C-CH -A r

1) Ma(Hg, ? H 9 « RCOR’ - ^ R ’Ò - ỘR’

R

H jO , C O _ L

R2C = CH2 _ - ►R’-C-COOH

c h ' ị

_ _ _ 0 H ‘ loăng _ I

RCH2CH0 -RCH2CHOH-CHCHO

0 = C H A f

(Ar) RCOCH3 - —— (Ar) RCOCH=CHAr

OH-II CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM M ẠCH CACBON

/ Giàm một nguyên từ cacbon

(Ar) RCOOAg (Ar) RBr

NaOH B r-

RCONH2 -— R NH2

2 Giảm một hoặc nhiều nguyên tử cacbon

1) KMnO*

RCH=CHR 7 - RCOOH

2) HgO'^

_ P b(C H C O O )>

R C H O H CH O H R -^ t RCHO

1) K M nO.

2) H3O+

O H '

R C - C H2- C R - ► R C - C H3

(a) Nốu gốc R có chứa hổn hai nguyôn tú cacbon thì xảy ra chuyến vị.

1 0 M ộ t SỐ v ẩ n đ ề c h u m c g

H IO

rC - C R - ^R C O O H

0 0

NOH

I H ,S O ,

(Ar) RCR (Ar) - 2 — 1 » (Ar) RCOOH

R2C = CH2(R2)

^ 2) Z n+ C H3COOH

III CÁC PHẢN ỨNG CỦA ANKYL- VÀ ARYL HALOGENUA

1 R-X(") + NaCN - - R - C N

2 R -B r + Cu2(CN) 2 - ►R- CN

3 + NaOH (dd nước) — - R - OH

4 R-X + NaOCOR’(Ar) - - ROCOR’ (Ar)

5 + NaOR ( A r ) - - ROR (Ar)

6 (Ar) R-X + M g - - (Ar) RMgX

7 (Ar) R - X + Li -(Ar) RLi

LiAIH.

8 R-X + LỈH — —^ RH

9 RCH2- C H X - C H2R’ + KOH(ancol) RCH2CH = CHR’+ RCH = C H -C H2R’

_ N H , lồng

10 R-X ^ ^ + NaC = CH ' R -C sC H

11 (Ar) R - X + NaNH (Ar, R) (Ar)RNH (Ar,R)

1) 3 50 °c, 280 atm

12 ArX + NaOH (dd nưởc) — — - ► ArOH

2) H3O"

H

13 + NaNCOR’( A r ) -^ RNHCOR’ (Ar)

14 (CH2)„ + NH3 — (CH2)n NH (n = 2 hoậc 3)

15 RX<«) + NaCH(CỎOC2H5)2 — ► R C H ( C 0 0 C 2 Hj)2

H , 0 + 0 H ‘ _ 1

16 RCCI2H (R) - ► R - C - H (R)

(a ) Phản ứng này không dùng cho ankyl halogenua bậc ba vì nó bị chuyển thành olelin.

(b) Đ im etylsunfoxít.

I V CÁC PHÀN ỨNG CỦA HỢP CHẤT c ơ MAGiE

1 R MgX + HX — ► RH

2 R MgX + x*2 — RX’

1) 0.

3 R MgX _ - ROH

2) H3O*

1) C O

4 R MgX —— i- ^ R C O O H

/ 2) HjO+

1) (R)HCH(R) _ i ' _

5 R ’MgX - — - R’-(|:_ O H

C H - C H ,

\ f / o

6 R MgX -J RCH2CH2OH

1) R’CN

7 R MgX — » RCOR’

2) H3O+

1) H C ( O C H ,)

8 R MgX -RCHO i

2) HgO'^ + /° í

(R’c Õ ).0

9 R MgX —— i^RCOR’

-70°c, FeCl 3

10 R MgX + CH2 = C H - C H2X - ^ C H2=CHCH2R

11 R MgX + B2H<ì —- R3B

R’

12 R MgX + R ’COOR” ► R - c - OH

I

R

13 R’MgX + RCONR2 R C O R ’

14 ArMgX + CH2 = C = 0 — ArCOCH,

15 R ’MgX + Ar-CH = CHCOR — i- ArCHCH2C0 R

R ’

V CÁC PHẢN ỨNG CỦA M UỐ I Đ IA ZO N I

1 ArN2H S0 4 + H3PO2 + H2O — - A r - H

2 ArN2H S04 + H2O — ► A r-O H

_ C ua OI a •

3 ArN2Cl(Br) - Ấ r - C l (Br)

(Cu2Bfj)

(a) H(R) có nghĩa là th a y H bằng R.

12 Một SỐ v á n đ ề c h u n g

4 ArN2H S0 4 + KI - ► Ar-I

1) HBF^

5 ArN2Cl „ - ^ A r-F

^ 2 )

6 ArN2Cl + Cu2(CN) 2 - A r-C N

Cu

7 ArN2BF4 + N aN 0 2 — A r - N Ơ2

1) H -S O - + H o

8 ArN.Cl ^ ' » A r N H - N H2

^ 2 ) HO

9 ArN2Cl + C<,H50H < ^ ) -N = N h J ^ > - O H

V I PHƯƠNG PHÁP BÀO VỆ NHÓM CHỨC TRONG TỐNG HỢP

HỮU C ơ

/ Nguyên tắc chung

Trong một số giai đoạii của tổng hợp hữu cơ, phân tử phản ứng thường chịu tác động hóa học" m ột cách m ạnh mẽ làm cho các nhổm chức cần được giữ lại bị phá huy Ví dụ từ C I - C H2- C H2- C - H điều chế H O - C H2- C H - C - H

Phản ứng tách HCl xảy ra dưới tác dụng của bazơ, nhưng trong điều kiện này

có th ể xảy ra ngưng tụ anđol Để tránh quá trin h không mong muốn này cần "bảo vệ" nhóm a n đ eh it thường r ấ t nhạy cảm với tác động của bazơ, bằng cách chuyển

nó th àn h axetal Nói một cách khác, có th ể bảo vệ một nhóm chức nào đó nếu chuyển ntí th à n h dẫn x u ất bền trong môi trường phản ứng, ròi sau đtí tái tạo bằng cách loại nhóm bảo vệ ra khỏi phân tử Với cách làm như th ế ta ctí th ể thực hiện

sự chuyển hda nêu trê n như sau;

C 1 - C H 2 - C H , - C - H - I-C1- C H2- C H2- C H

H , 0

-» CH2 = C H - C H ( O C2H s) 2 — H 0 -C H 2 -C H -C H (0 C 2 H 5 )2 ■— ^

■— H O - C H2- C H - C H O 3,3-đietoxipropanđiol-1,2

ổ H

glixeranđehit

2 Bảo vệ nhóm —OH

Các ancol béo và thơm dễ bị oxi hóa cũng như dễ tác dụng với các tác nhân khác như với hợp ch ất cơ magie, kim loại, axit, v.v Đê’ bảo vệ nhóm hiđroxi trong ancol người ta thườ ng chuyển chúng thành:

♦ D&n x u á t a xet al hoặc xetal: Axetal và xetal bền với nhiều tác nhân, ví dụ dung dịch kiềm tro n g nước và khan nước, thuốc thử Grinha, các chất oxi hóa khử

khác nhau v.v Tuy vậy, chúng rấ t nhạy với tác dụng của axit, và chính vì vậy người ta dùng nó để loại các nhóm bảo vệ

♦ D&n x u ấ t ete: Các ete bền với tác dụng của đa số các chất oxi hóa tro n g môi trường tru n g tính và kiềm, vì vậy người ta cũng chuyển nhđm hiđroxi th à n h ete Các hợp chát thường dùng để tạo ete với ancoi là tetrah iđ ro p iran , trimetylsỉlyl clorua (trong piriđin), trityl (triphenyl metyl) clorua (trong piriđin) Các ete này

dễ dàng chuyển lại thành ancol khi đun với dung dịch axit loãng

Với phenol người ta th ư ờ n g c h u y ển th à n h e te m e ty lic khi p h ả n ứ n g với điazometan hoậc đimetyl sunfat Loại nhóm metyl bầng cách thủy phân axit

♦ Dán xu á t este: Các este khá bền trong môi trường axit nên cũng được dùng

để bảo vệ nhóm - O H khi nitro hóa, oxi hóa và tạo cloanhiđrit của axit cacboxylic

3 Bảo vệ nhóm - N H 2 và - NHR

Trong lỉnh vực tổng hợp peptit người ta thường dùng các ch ất sau đây để bảo

vệ nhóm amino;

♦ Cacbobenzoxyl clorua (điều chế từ ancol benxylic với

C^H,CH20H + C l - C - C l C^H 5CH 20-C -C 1 + HCl

Phản ứng axyl hóa tiến hành trong môi trường kiềm loảng

♦ íerí-butoxicacboxazit ( C H , ) , C - 0 - C - Nt

Ị| 3

0

Để hồi lại amin không thế, phải tiến hành 4ỉhân hủy bằng hiđro clorua trong axit axetic

♦ Trityl clorua (C^H5)3CC1

Muốn phân hủy phải đun sôi với axit axetic khan

♦ Axyl, axetyl, aniin rẫt nhạy với tác dụng của chất oxi hóa vì vậy khi xử lí với HNO3 hoậc chất oxi hóa nào khác thỉ phải dùng nhtím axyl để bảo vệ

♦ Với anilin khi tiến hành nitro hóa bằng HNOj thì phải khóa nhóm chức bầng cách chuyển thành axetanilit C^H,NHC0 CH3 1?^» anilin phải tiến hành thủy phân axetanilit trong môi trường kiềm

4 Bảo vệ nhóm y C - o

Nhóm cacbonyl rấ t nhạy với tác nhân nucleophin vì vậy tro n g hợp ch ất lưỡng chức chứa nhóm cacbonyl khi tác dụng với tác n h â n nucleophin m à m uốn giữ nguyên nhdni cacbonyl thì phải khóa nhóm chức lại Thông thường người ta chuyển nhóm cacbonyl thành axetal và xetal bởi vì các dẫn x u ất này bền tro n g môi trư ờng trung tính, môi trường kiềm và trong thời gian ngấn co' th ể bền tro n g môi trường axit yếu (xem ví dụ ở phần nguyên tắc chung)

Các axetal và xetal vòng bền hơn axetal và xetal không vòng vì vậy người ta thường dùng hơn Ví dụ:

Một s6 vín đề chung

C H , - C - C H2CH2C0 0 C2H5 + CH2 - CH2

— CH, CH2CH2COOC2H5 CH, CH2CH2CH2OH

„ 0*

— CH3- C - C H2CH2CH2OH

Ồ

Người ta còn dùng rộng râi monothioaxetaỉ và xetal vòng vỉ các hợp chất này

bị tách loại trong điều kiện êm dịu hơn Cụ th ể thường d ù n g /3 -m ecap to etan o l ctí khả nâng phản ứng hơn etylenglicol v í dụ:

CHg - V r j V - S O3H

N s C - ( ^ ) - C H O + HOCH2CH2

SH - _ C H 2^

-► CH3CH2- C - / P ^ S ) CHO

I g C H , = C H , 2 1 ^ ^ = ^

Càn nhấn m ạnh rằng thioaxetal vòng r ấ t bền với tác dụng của hợp chất co magie

5 Bảo vệ nhóm -COOH

Thông thường người ta chuyển nhóm -C O O H thành este metylic hay etylic Tuy vậy, trong môi trưòng axit mạnh hoặc kiềm ngưdi ta hay sử dụng íc r í- b u ty l este, benzyl este hoặc tricloetyl este