DIAZO HÓAMỤC TIÊU - Trình bày được khái niệm về phản ứng diazo hóa và các đặc điểm của muối diazoni - Trình bày được các thuyết về cơ chế của phản ứng diazo hóa.. Quá trình diazo hóa có
Trang 1Chương 11 DIAZO HÓA
MỤC TIÊU
- Trình bày được khái niệm về phản ứng diazo hóa và các đặc điểm của muối diazoni
- Trình bày được các thuyết về cơ chế của phản ứng diazo hóa.
- Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình diazo hóa và nguyên tắc tiến hành phản ứng.
- Trình bày được các phản ứng của muối diazoni.
NỘI DUNG
1 ĐẠI CƯƠNG
Diazo hóa là quá trình hóa học tạo hợp chất diazo từ amin thơm bậc nhất và acid nitrơ
Trong đó: Ar: aryl
X: -Cl, -Br, -NO2, -HSO4… (tùy loại acid sử dụng)
Quá trình diazo hóa có ý nghĩa quan trọng trong tổng hợp Hóa dược tạo ra các hợp chất có khả năng phản ứng cao Nó là quá trình hóa học trung gian để chuyển nhóm –NH2 của amin thơm thành các nhóm –H, -OH, -Cl, -I, -Br, -F, -CN, -NO2,
-SH, -AsO3H2…
Diazo hóa là phản ứng chủ yếu được dùng trong công nghiệp sản xuất phẩm màu azoic Quá trình diazo hóa cũng là một trong những quy trình được sử dụng nhiều nhất trong tổng hợp hữu cơ, hóa dược
2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MUỐI DIAZONI
Muối diazoni thường tồn tại ở dạng bột ít tan trong nước; không bền, có tính phản ứng rất mạnh (dạng bột khô có thể gây nổ do phân hủy giải phóng N2) Cần bảo quản dưới lớp nước acid Sau khi tổng hợp được sử dụng ngay vì muối diazo không bảo quản được lâu
Dưới tác dụng của nhiệt độ, độ ẩm muối diazoni phân hủy thành phenol:
Trong môi trường kiềm muối diazoni chuyển thành diazotat ở hai dạng “syn”
và “anti”:
Syn-diazotat kém bền hơn, dễ bị thủy phân Dạng này được dùng trong phản ứng ngưng tụ, sử dụng trong công nghệ phẩm nhuộm.Ở nhiệt độ 100-105C syn-diazotat chuyển thành dạng anti-syn-diazotat là hợp chất bền vững, không tham gia phản ứng ngưng tụ
3 CƠ CHẾ CỦA PHẢN ỨNG DIAZO HÓA
Có nhiều tác giả đã đưa ra giả thuyết về cơ chế phản ứng diazo hóa, đáng chú
ý nhất là những cơ chế sau:
Bamberger (1894): cho rằng phản ứng diazo hóa thực chất là quá trình nitro
hóa N-amin bằng acid nitrơ đã được proton hóa
Trang 2Tác nhân nitroso hóa khi diazo hóa trong HCl gồm có: nitrozil-clorid, dinitrogen-trioxyd Chúng được tạo thành từ nitroso-acidium theo các phản ứng sau:
Các tác nhân này đều có thể tạo thành cation nitrozil (NO(+)) để tham gia phản ứng với thành phần amin theo cơ chế ái điện tử
Sơ đồ quá trình phản ứng diazo hóa theo Bamberger:
Ingold (1958):
Khi nghiên cứu động học của phản ứng diazo hóa, Ingold cho rằng phản ứng này cũng bắt đầu bằng sự proton hóa acid nitrơ Sau đó nitroso hóa amin bằng phản ứng thế ái điện tử của ion nitroso-acidium hoặc nitrozil Đây là giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng Tiếp theo là đồng phân hóa hợp chất nitroso và loại nhóm –OH của diazo hydroxyd trong môi trường acid, tạo thành muối diazo:
4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH DIAZO HÓA
4.1 Ảnh hưởng của pH đến môi trường
Phản ứng diazo hóa được thực hiện trong môi trường acid, điều kiện tối ưu thường ở pH=1-3
Acid trong phản ứng diazo hóa giữ vai trò quan trọng vì:
- Hòa tan amin dưới dạng muối để tham gia phản ứng
Trang 3- Giải phóng HNO2 từ natri nitrit cung cấp cho phản ứng.
- Hạn chế phản ứng ngưng tụ giữa muối diazoni với amin tự do tạo thành hợp chất diazo-amin không tan (phản ứng ngưng tụ này chỉ xảy ra trong môi trường acid yếu và trung tính)
- Môi trường acid làm tăng độ bền vững của muối diazoni
Trong những trường hợp không thể dùng nồng độ acid vô cơ quá lớn thì phải dùng phương pháp “diazo hóa ngược”: làm lạnh hỗn hợp amin-natri nitrit trước, sau
đó cho dần hỗn hợp này vào dung dịch HCl đã làm lạnh Như vậy trong môi trường phản ứng không tồn tại amin tự do, phản ứng “tự ngưng tụ” sẽ không xảy ra
4.2 Ảnh hưởng của nồng độ nguyên liệu
Nồng độ thấp phản ứng xảy ra chậm, nồng độ cao sẽ khó khống chế nhiệt phản ứng, vì đây là phản ứng tỏa nhiệt mạnh
Lượng NaNO2 thường sử dụng không cần thừa Vì nếu thừa sẽ làm giảm độ bền của muổi diazoni và gây ra phản ứng phụ (oxy hóa hay đưa thêm nhóm nitro vào sản phẩm…) Kết thúc phản ứng nếu lượng acid nitrơ còn thừa cần phải phân hủy bằng urê hoặc acid sulfamic
4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Trong phản ứng diazo hóa, nhiệt độ là yếu tố quyết định lớn đến hiệu suất sản phẩm Thông thường phản ứng tiến hành ở nhiệt độ khoảng 0-5C Ở nhiệt độ này HNO2 ít bị phân hủy, mặt khác muối diazoni cũng bền vững hơn Rất ít trường hợp diazo hóa ở nhiệt độ cao hơn 15C
Để đảm bảo nhiệt độ thấp, người ta phải làm lạnh bằng cách cho nước đá trực tiếp vào hỗn hợp phản ứng, mặt khác phải duy trì làm lạnh bên ngoài liên tục
4.4 Ảnh hưởng của cấu trúc phân tử amin
Các nhóm thế có ảnh hưởng mạnh đến tính base, độ tan của amin thơm Dó đó
có ảnh hưởng đến việc thực hiện phản ứng diazo hóa Các amin thơm có nhóm hút điện tử trên nhân rất khó diazo hóa
Các amin thơm khi diazo hóa không xảy ra đồng thời vì nhóm diazo tạo thành hút điện tử, gây khó khăn cho việc diazo hóa nhóm amin thứ hai
Các đồng phân ortho-diamin khi diazo hóa tạo ra sản phẩm đóng vòng phản ứng ngưng tụ:
Để tránh xảy ra hiện tượng tự ngưng tụ, tiến hành bảo vệ một nhóm amin bằng cách acyl hóa trước khi tiến hành diazo hóa
Trang 45 NGUYÊN TẮC TIẾN HÀNH DIAZO HÓA
Quá trình diazo hóa được tiến hành theo trình tự sau:
- Trước hết cho nước vào nồi phản ứng, tiếp đó cho acid vô cơ, rồi đến amin Khuấy cho tan hết, cho nước đá trực tiếp vào để làm lạnh khối phản ứng đến 0C
- Sau đó, vừa khuấy vừa cho dần dung dịch natri nitrit vào (thường dùng dung dịch 30-35%) sao cho nhiệt độ <5C Khi đã cho được 2/3 lượng natri nitrit, phải luô kiểm tra độ pH của phản ứng (pH=1-3) và lượng NaNO2 thừa Phản ứng kết thúc khi mẫu thử có phản ứng với giấy tẩm tinh bột lẫn KI Hỗn hợp được lọc, dịch lọc được dùng ngay cho phản ứng tiếp theo
6 CÁC PHẢN ỨNG CỦA MUỐI DIAZONI
Các muối diazoni có khả năng phản ứng rất lớn Nó được dùng làm trung gian trong sản xuất Hóa dược và nhiều ngành hóa học khác Các phản ứng của muối diazoni được chia làm hai nhóm:
6.1 Các phản ứng có giải phóng nitrơ
6.1.1 Thủy phân các nhóm diazoni thành –OH
Phản ứng thủy phân tạo ra phenol thực hiện trong môi trường acid, xúc tác là CuSO4, Cu2Cl2:
6.1.2 Thế nhóm diazoni bằng nhóm –OR và H
Muối diazoni tác dụng với alcol ở nhiệt độ trên 50C, quá trình phản ứng đồng thời xảy ra theo hai hướng Tạo ra alcoxybenzen và khử diazo thành benzen:
Phản ứng theo hướng nào phụ thuộc vào nhóm thế trên nhân thơm cuả hợp chất diazo và độ lớn của gốc R trong alcol Các alcol đơn giản thì khả năng tạo dẫn chất alcoxy càng cao
Phản ứng này có ý nghĩa quan trọng trong việc định hướng các nhóm thế Ví
dụ điều chế 1,3,5 tribromobenzen:
6.1.3.Thế nhóm diazoni bằng halogen và nitril
Đây là phương pháp điều chế các dẫn xuất iod và fluoro thơm
Phản ứng thế diazoni bằng –Cl, -Br hoặc –CN thu được hiệu suất cao nếu có xúc tác Cu2Cl2, Cu2Br2 hoặc Cu2(CN)2 tương ứng (phản ứng Sandmeyer)
Trang 5Phản ứng này có ý nghĩa khi muốn đưa halogen vào nhân tại các vị trí mà không thể halogen hóa trực tiếp được
6.1.4 Thế nhóm diazo bằng –NO2, -SH, AsO3H2
Khi muốn đưa nhóm nitro vào vị trí cần thiết mà không thể nitro hóa trực tiếp được (ví dụ điều chế para-dinitrobenzen từ meta-nitroanilin), người ta dùng phương pháp qua trung gian diazo:
Phản ứng thế nhóm –SH và điều chế các hợp chất hữu cơ chứa asen từ muối diazoni theo các phương trình sau:
Các hợp chất hữu cơ chứa asen trước đây được dùng trị lị, giang mai như Stovason, Carbason…Hiện nay do độc tính mạnh nên không còn được sử dụng
6.2 Các phản ứng không giải phóng nitơ
6.2.1 Phản ứng khử tạo arylhydrazin
Khử hóa nhóm diazoni với tác nhân khử SnCl2 trong acid HCl tạo thành hydrazin
Trong công nghiệp, người ta thường dùng phương pháp của E Fisher (1877):
Phenylhydrazin là nguyên liệu sản xuất thuốc hạ nhiệt giảm đau nhóm pyrazolon
6.2.2 Phản ứng ngưng tụ
Phản ứng giữa muối diazoni với amin thơm hay phenol tạo thành hợp chất azoic:
Phản ứng này thuộc loại thế ái điện tử SE Sự ngưng tụ thường xảy ra ở vị trí para so với nhóm amin hoặc –OH
Phản ứng ngưng tụ với các dẫn chất của phenol ở pH=7-9, với các dẫn chất amin ở pH=4-7
Trang 6Phản ứng này thường được dùng để điều chế các aminophenol hoặc p-diamin thơm khi khử hóa dẫ chất azobenzen:
7 THIẾT BỊ VÀ AN TOÀN LAO ĐỘNG
Vì các ion kim loại xúc tác cho quá trình phân hủy muối diazoni, nên người ta không chế tạo thiết bị phản ứng bằng kim loại hoặc hợp kim, mà thường làm bằng
gỗ Thiết bị phản ứng là những thùng gỗ, cánh khuấy cũng làm bằng gỗ hoặc bằng nhựa Nếu làm bằng kim loại được bọc bằng chất dẻo
Muối diazoni thường rất nhạy cảm với ánh sáng, cho nên quá trình sản xuất cần tránh tác dụng của ánh sang (các ô kính cửa sổ nhà xưởng phải quét bằng sơn
đỏ, các quá trình lọc hút tránh ánh sáng…)
Phản ứng diazo hóa thường giải phóng NO, NO2 là những khí rất độc Nơi sản xuất phải có hệ thống thong khí tốt, phải hấp phụ hết khí giải phóng để tránh ngộ độc cho người làm việc Phải có đủ phương tiện bảo hộ lao động và mặt nạ phòng độc
8 VÍ DỤ
Tổng hợp thuốc hạ nhiệt giảm đau phenazon:
Ngưng tụ acetoacetat ethyl với phenylhydrazin thu được dẫn chất pyrazolon Sau đó methyl hóa hợp chất này với methyl iodid hoặc dimethyl sulfat thu được phenazon
Nguyên liệu phenylhydrazin được điều chế từ anilin qua trung gian diazo theo
sơ đồ phản ứng sau:
CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Khái niệm về phản ứng diazo hóa và đặc điểm của muối diazoni?
2 Cơ chế phản ứng diazo hóa?
3 Nêu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình diazo hóa và nguyên tác tiến hành quá trình diazo hóa?
4 Trình bày các phản ứng điển hình của muối diazo?
5 Nêu các loại vật liệu có thể sử dụng làm thiết bị cho phản ứng diazo hóa và các chú ý về an toàn lao động trong sản xuất?