TRƯỜng thpt chuyên võ nguyên giáp một số phảN Ứng tổng hợp ancol – phenol – andehit – xeton – axit cacboxylic đƠn chức bằng phưƠng pháp tăNG, giảm mạch cacbon

TRƯỜNG THPT CHUYÊN VÕ NGUYÊN GIÁP

MỘT SỐ PHẢN ỨNG TỔNG HỢP ANCOL – PHENOL – ANDEHIT – XETON – AXIT CACBOXYLIC ĐƠN CHỨC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TĂNG, GIẢM MẠCH CACBON

Victor Grignard phát hiện và mở rộng ứng dụng hợp chất cơ magie trong tổng hợp hữu cơ. Nhờ thành công đó ông được nhận giải Nobel năm 1912.

Tác nhân Grignard dùng nhiều nhất trong tổng hợp để tạo thành liên kết C-C do sự cộng hợp vào liên kết đôi, đặc biệt là liên kết đôi cacbonyl. Trong mỗi trường hợp, Mg di chuyển từ C tới nguyên tố âm điện hơn. Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng nucleofin.

Hiệu suất của sản phẩm cộng thường cao với số lớn hợp chất cacbonyl. Sự thủy phân sản phẩm cộng thu được ancol tương ứng. Với andehit fomic thì ta thu được ancol bậc 1 có số nguyên tử C trong mạch hơn tác nhân Grignard một nguyên tử C, với đồng đẳng của andehit fomic ta thu được ancol bậc 2, với xeton, este, clorua axit thì cho ancol bậc 3.

Với xeton:

;

Với este:

Với clorua axit:

Có thể thay tác nhân R-MgX bằng R-Li, phản ứng xảy ra theo cơ chế A_N.

Thí dụ:

Nếu dùng axetylua hay ankinyl liti hoặc ankinyl magie tác dụng với andehit hoặc xeton thì thu được ancol chưa no:

Nếu dùng tác nhân là hợp chất cơ đồng liti hoặc cơ cadimi tác dụng với clorua axit thì sản phẩm chỉ dừng lại ở sự tạo thành andehit do tính chọn lọc cao của các tác nhân này.

Phương pháp này đi từ sản phẩm triankyl bo của anken và boran, cho phản ứng với CO sau đó cho phản ứng với H₂O₂ trong môi trường kiềm thu được triankyl cacbinol, phản ứng này xảy ra nhanh và dùng để điều chế triankyl cacbinol đối xứng.

Thí dụ:

Phenol là sản phẩm chủ yếu thu được từ quá trình chưng cất than đá. Trong công nghiệp, phenol được tổng hợp cùng với axeton từ sản phẩm dầu mỏ cumen:

* Phản ứng của hợp chất Grignard với hợp chất có nhóm cacbonyl:

- Sự hóa hợp của tác nhân Grignard với clorua axit thường xả ra theo hai giai đoạn:

Sản phẩm trung gian là chất kém bền nó phân hủy tức thời thành xeton và MgXCl, sau đó xeton tạo thành tiếp tục phản ứng nhanh với tác nhân Grignard cho muối của ancol bậc 3, sự thủy phân muối này cho ancol bậc 3 tương ứng.

Với lý do trên nên trong thực tế người ta không dùng phản ứng cộng của tác nhân Grignard với clorua axit không dùng tổng hợp xeton.

Nếu dùng tác nhân là hợp chất cơ đồng liti hoặc cơ cadimi tác dụng với clorua axit thì sản phẩm chỉ dừng lại ở sự tạo thành andehit do tính chọn lọc cao của các tác nhân này.




- Với amit có hai nhóm thế theo tỷ lệ 1:1 tạo ra xeton:

- Với nitrin:

• 
  Phản ứng với các andehit, xeton α,β-không no:
  

Sự cạnh tranh giữa phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4 chịu sự chi phối rất mạnh của hiệu ứng không gian. Nếu ở cacbon β của andehit α,β-không no có ít nhất một nhóm thế thì có phản ứng cộng 1,2 tức là phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl (C=O).

Thí dụ:


Đối với penten-3-on-2 thì tỷ lệ sản phẩm cộng 1,4 và 1,2 là 3:1.

Nếu có thêm một nhóm –CH₃ ở cacbon β, tức trong trường hợp 4-Metylpenten-3-on-2 thì hoàn toàn có sản phẩm cộng 1,2 tức chỉ xảy ra phản ứng của hợp chất Grignard với xeton:

Điều chế andehit thơm có nhóm –OH đính ở vị trí octo so với nhóm –CHO. Cho phenol tác dụng với clorofom trong môi trường kiềm, đun nóng:

(phản ứng công nghiệp sản xuất Salixylandehit).

Là phản ứng fomyl hóa hợp chất thơm có khả năng phản ứng cao trong phản ứng S_E như phenol, este của phenol và hidrocacbon khác. Tác nhân được sử dụng là hidroxianua, hidroclorua và xúc tác là ZnCl₂ hay AlCl₃ khan hoặc cải tiến bằng cách dùng Zn(CN)₂ và hidroclorua. Thủy phân các sản phẩm sẽ tạo ra các andehit.

Axyl hóa vòng thơm dùng clorua axit có xúc tác axit lewis, hay dùng nhất là AlCl­₃ khan.

Phản ứng này thường tiến hành trong dung môi CS₂ hoặc nitrobenzen, thường phải dùng xúc tác nhiều hơn do xeton tạo phức với xúc tác. Phản ứng dừng lại ở giai đoạn thế một lần.

Là phản ứng điều chế andehit thơm bằng cách cho oxit cacbon CO tác dụng với hidrocacbon thơm khi có mặt Hidroclorua và Nhôm clorua khan. Phản ứng xảy ra ở áp suất thường chỉ cần dùng thêm CuCl, nếu ở áp suất cao thì không cần CuCl.

Thí dụ:





6.Phản ứng ankyl hóa Haller-Bauer:

Xeton có chứa hidro α tác dụng với alkyl halogenua khi có mặt của bazo mạnh như NaNH₂, KNH₂ tạo ra xeton có nhóm ankyl ở cacbon α. Phản ứng này điều chế các đồng đẳng của xeton.

Phản ứng này có sự cạnh tranh của phản ứng O-ankyl hóa do sự chuyển hóa giữa hai dạng cộng hưởng của anion trung gian trên:

Nếu dẫn xuất ankylhalogenua có độ hoạt động hóa học cao thì sản phẩm O-ankyl hóa là sản phẩm chính, ngược lại nếu dẫn xuất ankylhalogenua có độ hoạt động hóa học yếu thì sản phẩm C-ankyl hóa là sản phẩm chủ yếu.

Phản ứng ankyl hóa theo Haller-Bauer ít được áp dụng để tổng hợp các dẫn xuất của các xeton đơn giản, trừ khi cần tổng hợp xeton có nhiều nhóm thế là các gốc ankyl mà các dẫn xuất loại này điều chế bằng các phương pháp khác rất khó khăn.

Thí dụ:


7. Phản ứng cộng Diels-Alder:

Khi tác dụng với butadien, andehit hay xeton chưa no đóng vai trò của một dienophin:

Đây là phản éng cộng vòng với số electron (4n+2).

Tác nhân thường dùng để cắt đứt nối đôi cacbon-cacbon là ozon. Phản ứng này được thực hiện theo hai giai đoạn: đầu tiên, sự cộng ozon vào nối đôi cacbon-cacbon cho hợp chất ozonit; sau đó, sự thủy phân hợp chất ozonit cho sản phẩm cắt đứt là hợp chất cacbonyl, trong phản ứng này người ta thường dùng chất khử là Zn để khử sản phẩm phụ là H₂O₂ để tránh phản ứng oxi hóa nhóm andehit thành nhóm axit cacboxylic. Phản ứng này được dùng để xác định vị trí liên kết đôi trong phân tử anken.

Đối với phản ứng ozon hóa người ta cho ozon đi qua dung dịch anken trong dung môi trơ như CCl₄ sau đó làm bay hơi dung môi thu được hợp chất ozonit dưới dạng dầu sệt. Chất này không bền, dễ nổ do đó không được tinh chế mà chế hóa trực tiếp với nước có mặt của chất khử ta thu được andehit hoặc xeton.

Thí dụ:


b. Phản ứng Decacboxyl hóa axit:

Cho hơi axit đi qua MnO hay ThO ở 300⁰C:

có thể dùng muối axit:

Decacboxyl hóa diaxit tạo thành xeton vòng:

Phản ứng của tác nhân Grignard với CO₂ cho sản phẩm là muối của axit cacboxylic, sau đó thủy phân muối này thu được axit cacboxylic.

Tuy nhiên, sản phẩm muối của axit cacboxylic chứa nối đôi C=O do đó tiếp tục phản ứng với tác nhân Grignard.

Trong thực nghiệm có thể loại bỏ phản ứng này bằng cách đổ dung dịch Grignard vào CO₂ rắn mịn (nước đá khô).

Phương pháp Grignard này dùng thích hợp cho dẫn xuất halogen không có khả năng phản ứng theo cơ chế S_N2. Phản ứng ưu việt hơn với dẫn xuất halogen bậc 1 hoặc bậc 2 do ảnh hưởng của hiệu ứng không gian.

- Ta có thể điều chế axit cacboxylic từ hợp chất cơ kim khác như cơ liti:

Thí dụ:

- Muối của axit cacboxylic cũng thu được khi cho oxit cacbon CO phản ứng với kiềm hay ancolat dưới áp suất 6atm ở 120-130⁰C, sau đó thủy phân muối này thu được axit cacboxylic tương ứng:

Cho khí etylen hay olefin tác dụng với khí CO và H₂O khi có xúc tác cacbonyl niken Ni(CO)₄:

Thí dụ:

- Có thể cho khí etylen hay olefin tác dụng với khí CO trong dung dịch axit sunfuric đặc:

Thí dụ:

Phản ứng này tương tự như ankadien-1,3 có phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4.

Các este không no của axit α,β-không no khi phản ứng với hợp chất Grignard cho sản phẩm cộng 1,4:

Sự cạnh tranh giữa phản ứng cộng 1,2 và cộng 1,4 chịu sự chi phối rất mạnh của hiệu ứng không gian.

Clorua axit tác dụng với diazometan, phân hủy sản phẩm bằng cách đun nóng với Ag₂O tạo ra xeten, cho xeten tác dụng với nước được axit có số nguyên tử cacbon tăng 1 so với clorua axit ban đầu:

Phản ứng được dùng để điều chế các axit ankyl axetic R – CH₂COOH, diankyl axetic RR’CHCOOH hoặc các diaxit kiểu HOOC – (CH₂)n – COOH.

Các α-halogenandehit hay xeton có tính axit cao hơn andehit và xeton ban đầu do hiệu ứng –I của halogen nên dẽ thu được dẫn xuất trihalogen trong môi trường kiềm. Dẫn xuất trihalogen này dễ bị tấn công bởi kiềm làm phân cắt liên kết C-C để tạo thành sản phẩn halofom (clorofom, bromofom, iodofom).

Phản ứng này ngoài việc điều chế các axit cacboxylic từ andehit còn để định tính các metylxeton, nhất là phản ứng iodofom.

Thí dụ:

So với ankyl haogenua, các α-halogenandehit và α-halogenxeton tỏ ra trơ với cơ chế S_N1 nhưng lại linh động trong phản ứng S_N2.

Các liên kết đôi C=C dễ bị oxi hóa cắt mạch bởi các tác nhân oxi hóa mạnh tạo thành axit cacboxylic:

tác nhân thường dùng cho phản ứng này là ozon O₃.

Hoặc oxi hóa anken bằng KMnO₄ đặc, nóng:


c. Oxi hóa ankylbenzen:

Các ankylbenzen bị oxi hóa cắt mạch bởi các tác nhân oxi hóa mạnh tại C_α khi phân tử còn H_α tạo thành axit benzoic. Các tác nhân oxi hóa thường dùng là dung dịch KMnO₄ và đun nóng.

[2] Nguyễn Minh Thảo – Tổng hợp hữu cơ – NXB ĐHQG Hà Nội – 2005.

[3] PGS.TS Thái Doãn Tĩnh – Cơ sở Hóa học hữu cơ - Tập 1 – NXB KH&KT – 2005.

[4] PGS.TS Thái Doãn Tĩnh – Cơ sở lý thuyết Hóa hữu cơ - Tập 2 – NXB KH&KT– 2005.

[5] Nguyễn Ngọc Sương – Cơ sở Hóa học hữu cơ – Phần 2 – NXB ĐHQG TP HCM – 2000.

[6] Nguyễn Ngọc Sương – Cơ sở Hóa học hữu cơ – Phần 3 – NXB ĐHQG TP HCM – 2000.

Đặng Bá Hưng – Trường THPT Chuyên Võ Nguyên Giáp