BUỔI 11 (CHƯƠNG 9+10)
ALKYNE HỢP CHẤT HỮU CƠ KIM LOẠI • Điều chế alkyne- Điều chế acetylene. Phản ứng khử dihalide. • Phản ứng của alkyne: Phản ứng cộng HX và X2 • Phản ứng hydrate hoá alkyne xúc tác bởi thuỷ ngân(II)- hydrobor hoá–oxid hoá. • Phản ứng hoàn nguyên alkyne bằng hydrogen hoá xúc tác, bằng kim loại trong ammoniac lỏng. • Phản ứng oxid hoá cắt đứt alkyne. • Alkyl hoá anion acetylide. • Tổng hợp alkyl halide từ alkene: Phản ứng brom hóa allyl. • Điều chế alkyl halide từ alcohol (Cho alcohol tam tác dụng với HCl, HBr hoặc HI. Cho alcohol nhất và nhị tác dụng với SOCl2 hoặc PBr3). • Phản ứng của alkyl halide: Tác chất Grignard. • Phản ứng ghép cặp hữu cơ kim loại.
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Môn học: Hoá hữu cơ 1 GS. TS. Nguyễn Kim Phi Phụng Tháng 4 năm 2017
Bài kiểm O H2N
C 1 2
O
O-CH 3 H
Z
6
3
H3C
H3C C
H
Z
H 12 (CH2) CH3
8
Cl
C (CH2)16-CH3
C
H2N
7
4
Cl
O-CH3
H3C
HO
3
CH
C
N CH3
H3C-HN
O
Br
Khi hợp chất tert-butylcyclohexene tác dụng với brom trong tetraclorur carbon (Br2/ CCl4), bạn hãy chọn con đường (a) hoặc (b) mà ion bromide sẽ tác kích vào, rồi vẽ cấu trúc sản phẩm tạo thành. Sản phẩm tạo thành có tính quang hoạt ? Br 4
Br2 H3C
+
H
C
H3C
H3C H3C
Br
3
H3C
C
2
C CH3
CH2
Br
1
++ H
Vẽ cấu trúc sản phẩm tạo thành khi hợp chất sau tác dụng với dung dịch KMnO4 đậm đặc và nóng (Yêu cầu vẽ sản phẩm đẹp và thấy rõ dạng gần giống chất nền ban đầu) C
1 4
3
2
Br
H Br
2
1
H
Br
Vẽ cấu trúc sản phẩm tạo thành khi hợp chất sau thực hiện phản ứng cộng nước
bằng sự
hydrobor hoá (Yêu cầu vẽ sản phẩm đẹp và thấy rõ dạng giống chất nền ban đầu) H3C-(H2C)3 C C
C CH3 H
H CH2
Phản ứng cộng nước vào alkene cho ra alcohol được gọi là sự hydrate hoá (hydration).
01
CH3
H2O
H2SO4 OH CH3
CH3
Markovnikov
1/ Hg(OAc)2 , H2O/THF OH
2/ NaBH4
Oxymercuration
1-Methylcyclopentene
Hydroboration
CH3
1/ BH3 , THF 2/ H2O2
anti-Markovnikov
HO
OH
HO H H33C C H H HO H H (a)
66
OH2 H3C H
H3C H H
C
C
H H 3O
33
44
55
22
CH CH33
S
R
11
(a) (2S,4R)-4-Methyl-2-hexanol H
4
C
CH3
H (Carbocation thuû tính)
(b)
6 5
(b)
OH2
H OH
H3C H 4
R
3
2
R
CH3 1
(2R,4R)-4-Methyl-2-hexanol
Phản ứng cộng H2O bằng sự hydrobor hoá (Hydroboration) Qui trình oxy thuỷ ngân hoá–khử thuỷ ngân để tạo ra rượu theo qui tắc Markovnikov. Qui trình hydrobor hoá (hydroboration) để tạo ra rượu theo qui tắc phản-Markovnikov. Phản ứng bao gồm việc cộng một nối B–H của hợp chất borane, BH3, vào alkene để tạo ra sản phẩm trung gian hữu cơ-bor, RBH2. Hợp chất này được tiếp tục cho phản ứng với hydrogen peroxide, H2O2 trong môi trường kiềm, sẽ biến thành rượu.
Phản ứng hydrobor hoá có tính chọn lọc vùng. Khi cho một alkene không đối xứng tác dụng với borane, trong THF,
boron và H sẽ cộng vào nối đôi C=C ở cùng một phía, và boron gắn vào bên carbon mang ít nhóm thế. Hoá lập thể như vậy được gọi là syn (syn : cùng một bên anti : ở hai bên).
02
03
H OH
(CH2)3-CH3
H OH
R C
C
H
1/ BH3, THF 2/H2O2, HO
CH2
R C
H
+
C
HO
C
H
C HO
H
H
H2C OH
H2C OH
04
CHƯƠNG 9: ALKYNE
HCC–CCH Một thành phần trong bầu khí quyển giàu hydrocarbon của các hành tinh Uranus, Neptune, Pluto
1
H C
3
5
C C
7
C C C C
9
C C
11
13
C C
C C
15
C C
16
C H
Hexadec-1,3,5,7,9,11,13,15-octayne CH3(CH2)7 C C (CH2)7-COOH Stearolic acid CH CH CH3(CH2)4 C
OH O HN
CH3 O C O
HN
(CH2)7-COOH
Crepenynic acid Histrionicotoxin Hợp chất độc trong một loài ếch
OH
OCH3 Dynemicin A OH O
C CH2
OH
OH
Cô lập từ môi trường nuôi cấy vi khuẩn Micromonospora chersina
CH3(CH2)10 C
C (CH2)4-COOH
Tariric acid
05
DANH PHÁP ALKYNE H3C
11
H2C10 CH2 CH 3 9 H3C CH 8
CH3
CH CH2 CH 7
6
5
C 4
C CH2 CH3 3
2
1
5,7,8-Trimethyl-3-undecyne (or 5,7,8-trimethylundec-3-yne)
Chọn dây chính là dây dài nhất có chứa nối ba. Đánh số 1 ở đầu dây nào sao cho nối ba có số định vị nhỏ nhất
CH3 H3C-(H2C)3 C 15
C C
C
C
C
10
8
7
6
9
CH C 5
4
C CH2 CH3 3
2
1
5-Methylpentadec-3,6,8,10-tetrayne
Khi có nhiều nối ba, đánh số 1 ở đầu dây nào sao cho tổng số các nối ba có số nhỏ nhất, sử dụng tiếp vĩ ngữ: diyne, triyn, tetrayne…
HC 8
C CH2 CH2 CH2 CH2 CH 7
6
5
4
3
Oct-1-en-7-yne
2
CH2
1
Khi có phải lựa chọn giữa nối đôi và nối ba, thì nối đôi ưu tiên nhận số nhỏ hơn
Điều chế acetylene
06
CaO + 3C 1800 - 2100 C CaC2 + CO Calcium oxide Carbon Calcium carbide Carbon monooxide C C CaC2 + 2 H2O CH CH Ca(OH)2 + HC 2 Acetylene Calcium hydroxide Ca
H2O
C2H2
o
Phản ứng khử dihalide bằng một base mạnh để tạo ra alkyne
Điều chế alkyne H3C H Cl H 3C 3 NaNH2 H3C C C C Na H 3C C C C H NH3 H3C H Cl H 3C 1,1-Dichloro-3,3-dimethylbutane H H 3 NaNH2 H3C-(H2C)7 C C H NH3 Br Br 1,2-Dibromodecane H H 1,2-Diphenylethylene (Stilbene)
CH2Cl2
3,3-Dimethyl-1-butyne (56-60%)
H 2O H3C-(H2C)7 C CH Na
H Br Br2
H2O
H 3C H3C C C CH H 3C
KOH Ethanol
1-Decyne (54%)
C
C
H Br Diphenylacetylene 1,2-Dibromo-1,2-diphenylethane (85%)
07
Cấu trúc điện tử của alkyne Mỗi carbon của CC lai hoá sp nên hai carbon này nằm thẳng hàng, nghĩa là tạo với nhau một góc 180, và vì vậy, trong hợp chất polyyne thí dụ hex-1,3,5-triyne, cả sáu carbon cùng nằm thẳng hàng p
p
z
z
p
sp p
H
y
C
sp
1.06 A
p
y
180
y
sp py
C
sp H
H
C
C
H
Acetylene
1.20 A pz
pz
H sp p
y
C6
sp
pz
pz
sp py
sp
C5
HC
C
C
6
5
4
sp p
C4
y
sp
sp py
C
C
CH
3
2
1
C3
pz
pz
sp
sp p
y
C2
py sp
sp py
Hex-1,3,5-triyne
C1
sp
H
Phản ứng của alkyne: Phản ứng cộng HX và X2
08
Phản ứng giữa một mol alkyne và một mol HX cho monohalogeno, nhưng nếu phản ứng với lượng thừa HX sẽ dẫn đến sản phẩm dihalide và hai halogen gắn trên cùng một carbon, tuân theo qui tắc Markovnikov. Khi có sự hiện diện của peroxide trong môi trường phản ứng, hydrogene bromide (không xảy ra với HCl, HI) cộng vào alkyne theo cơ chế gốc tự do và sự lựa chọn vùng ngược với qui tắc Markovnikov (qui tắc phản-Markovnikov)
H3C (CH2)3
C CH
2-Chloro-1-hexene
1-Hexyne H3C (CH2)3 C 1-Hexyne
H Cl
Cl CH3 (CH2)3 C CH2
CH
H Cl
Cl H3C (CH2)3 C CH3 Cl 2,2-Dichlorohexane
HBr CH (CH ) CH CH Br HBr 3 2 3 H3C (CH2)3 CH2 CH Br peroxide peroxide 1-Bromo-1-hexene Br (79%)
Phản ứng giữa một mol alkyne và một mol HX cho monohalogeno, nhưng nếu phản ứng với lượng thừa HX sẽ dẫn đến sản phẩm dihalide và hai halogen gắn trên cùng một carbon, tuân theo qui tắc Markovnikov. Br H3C CH CH2 C
CH
H-Br
H3C 4-Methyl-1-pentyne
H3C H3C
C CH CH2
H
H-Br
C
H 2-Bromo-4-methyl-1-pentene
09
Br Br H H3C C C CH CH2 H3C H H 2,2-Dibromo-4-methylpentane
Cl R C
R CH CH Primary carbocation
CH2
Secondary carbocation CH2 CH3
Cl C
C
Cl H H3C CH2 C C CH2 CH3 CH3COOH Cl H H-Cl
H H3C CH2 C C CH2 CH3 H Cl H3C CH2 3-Hexyne CH3COOH (Z)-3-Chloro-3-hexene
3,3-Dichlorohexane
Br CH3 CH2 C CH 4-Methyl-1-pentyne
Br2 CH2Cl2
C CH3 CH2
H C
Br 2-Bromo-4-methyl-1-pentene
Br2 CH2Cl2
Br Br H3C CH2 C CH Br Br 1,1,2,2-Tetrabromobutane
Markovnikov H2O
10
H2SO4 CH3
1/ Hg(OAc)2 , H2O/THF
HYDRATE HOÁ ALKENE VÀ ALKYNE
H 2C
2/ NaBH4
+
CH3
HO
CH3 anti-Markovnikov 1/ BH3 , THF 2/ H2O2
HO
Hydroboration
Markovnikov H 3O
HC
C CH 3
+ H OH
CH3
Oxymercuration
+ H OH
+
H 3C
HC
HgSO 4
H
C
CH3 CH2 CH3
HO
Sự hỗ biến CH 3 H 2C
C
H
O
OH
CH 3
Phản ứng hydrobor hoá–oxid hoá alkyne
Hydroboration 1/ BH 3 , THF 2/ H 2O 2
HO
anti-Markovnikov
HC
C
OH H
CH 3
HC O
CH 2 CH 3
PHẢN ỨNG HYDRATE HOÁ ALKYNE
11
Các alkyne không phản ứng trực tiếp với dung dịch nước acid mà thực hiện sự hydrate hoá khi có sự hiện diện của sulfate thuỷ ngân (chất xúc tác acid Lewis). Phản ứng theo qui tắc Markonikov. Nhóm –OH gắn vào CC bên carbon có mang nhiều nhóm thế hơn và H vào bên carbon ít nhóm thế, nhưng sẽ có sự hỗ biến enol – ketone nên… O
enol
2 2 Hg SO4
R C CH Real alkyne 1
C
H
Sự hỗ biến Tautomerisme
C Hg SO4 2
C R'
H3O HgSO4
C
3 Hg SO4 2
R
ketone
H C
R
O
C H
H C
4 R
CH2-R'
+
C R-H2C
R'
1-Hexyne
CH
H OH HgSO4
H
H
mixture O
OH CH3 CH2 CH2 CH2 C
C
O
C R
H3O
H C
2
H
HO
HO H H O
H
C
OH2
O R C
C
C
H R C
O
CH3 CH2 CH2 CH2
enol
C
C CH2
CH3 CH2 CH2 CH2 2-Hexanone (78%)
CH3
12
Phản ứng hoàn nguyên alkyne Điều kiện phản ứng hydrogen hoá alkyne giống như với alkene. Với sự hiện diện của platinium (hoặc palladium, nickel, rhodium) được nghiền mịn, hai mol đương lượng hydrogen cộng vào nối ba của alkyne để tạo ra alkane
Pt (or Pd, Ni, Rh)
R C C R' + 2 H2
R CH2 CH2 R'
Nếu muốn sự hoàn nguyên ngưng lại ở giai đoạn tạo ra alkene, cần sử dụng xúc tác Lindlar (là bột mịn kim loại palladium được cho tủa trên một giá mang rắn calcium carbonate và rồi được giảm hoạt bằng cách trộn thêm chì acetate và quinoline - một amine thơm). H2 Pd/CaCO3 C3H7 C C C3H7 4-Octyne
H
H
Chì acetate, C C H CH CH C CH2CH2CH3 quinoline 3 2 2 cis-4-Octene N
Xuùc taùc Lindlar
H2 Xuùc taùc Pd/C
Octane
Hoàn nguyên alkyne thành
cis-alkene
C3H7 C
bằng hydrogen hoá với xúc tác Lindlar
H
H2 Pd/CaCO3
C C3H7
Chì acetate, quinoline
4-Octyne
N
H3CH2CH2C
CH2CH2CH3
cis-4-Octene cis
Lindlar
13
H C C
7
CH2OH
8
1 6 5 4 2 3
9
12 10
14 13
11
CH 15 2OH
7-cis-Retinol (7-cis-vitamin A)
Hoàn nguyên alkyne thành trans-alkene bằng kim loại trong nhóm một 1 của bảng phân hạng tuần hoàn (Lithium, sodium, potassium) trong dung môi ammoniac lỏng R C
C R' Li
Alkyne
1
R C
C R'
H NH2
R' R C
C H
2 +
NH2
Li 3 + Li goác cis
C C H R goác trans R R' C C
H
R'
H
R' H NH2 4
C C
H R trans-Alkene +
NH2
Khi hoà tan kim loại vào ammonia lỏng ở -33C sẽ có dung dịch màu xanh dương đậm, chứa kim loại cation và những điện tử bị dung môi solvate hoá. Cho alkyne vào dung dịch này, alkyne nhận 1 điện tử của kim loại lithium để biến thành gốc tự do anion. Anion lấy 1 proton H+ từ dung môi ammonia để tạo gốc tự do vinyl. Gốc tự do vinyl nhận 1 điện tử từ nguyên tử lithium thứ nhì để biến thành anion vinyl. Có sự cân bằng cis-trans trong gốc vinyl, nhưng gốc trans bền hơn nên ưu thế hơn. Anion vinyl nhận 1 proton H+ khác từ dung môi ammonia để cho sản phẩm cuối cùng là trans-alkene.
14
Phản ứng oxid hoá cắt đứt alkyne Tương tự alkene, các alkyne cũng bị cắt đứt bởi tác chất oxid hoá mạnh như ozone, KMnO4. Nối ba kém hoạt tính so với nối đôi nên phản ứng thường cho hiệu suất thấp
R1 C
R C
C R2
CH
KMnO4 (hoaëc O3 ) KMnO4 (hoaëc O3 )
R1 C OH + O R C OH + O
HO C
R2
O
O C O
Acetylene hoặc alkyne thật sẽ phản ứng với R-X tạo ra alkyne mới. Phản ứng không xảy ra với R-X nhị cấp và tam cấp. HC CH Acetylene
NaNH2
HC
+ Br CH2-CH2-CH2-CH3 1-Bromobutane
C Na
HC C Na Sodium acetylide
+ NH3
HC CH 1/ NaNH2 HC C CH2-CH3 Acetylene 2/ CH3-CH2-Br 1- Butyne H3C
CH NaNH2 H3C NH3 4-Methyl-1-pentyne CH CH2 C
CH3 HC
C Na
H H2C C
+
Br
H H3C C C Na
+
1/ NaNH2 2/ CH3-Br
Br
H H Bromocyclohexane
CNa
CH CH2 C
Eliminationû E2
CH3 tert-Butyl bromide Eliminationû E2
Na
1-Hexyne (70-77%)
H3C H3C
X
HC C CH2-CH2-CH2-CH3 +
H3C C C CH2-CH3 2-Pentyne
CH3-Br
H3C H3C
CH CH2 C C CH3 5-Methyl-2-hexyne CH3
HC CH + Acetylene
H2C C
+
CH3 2-Methylpropene H
H H Cyclohexene
Br
C C
CH3
H H (Khoâng coù saûn phaåm naøy)
15
16
HỢP CHẤT ALKYL HALIDE R-X F H
Cl C C
Cl Cl Trichloroethylene (dung moâi)
H H C Br
Cl C F Cl Dichlorodifluoromethane (chaát laøm laïnh)
CH2Cl O O OH HO OH O Cl HO CH2Cl HO Sucralose (chaát ngoït) Chất ngọt ít năng lượng nhưng có độ ngọt gấp 600 lần so với đường ăn
H Bromomethane (chaát xoâng khoùi)
F Br H C C H F Cl Halothane (chaát gaây meâ baèng caùch hít ñöôøng muõi)â
17
Danh pháp alkyl halide
Chọn dây carbon chính là dây dài nhất và có nối đôi hay nối ba. Đánh số Br H3C I Cl sao cho tổng số có số nhỏ nhất H3C CH CH C CH CH CH2 CH3 Nếu có nhiều loại halogen, sắp thứ tự 1 4 5 7 8 2 6 3 chúng theo mẫu tự chữ cái của tên gọi 6-Bromo-2-chloro-5-iodo-4-methyloct-3-ene nhóm thế đó.
F
Cl
H3C CH CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH3 9
8
7
6
5
3
4
2
2-Chloro-8-fluorononane
1
Nếu buộc phải lựa chọn, đánh số ưu tiên cho tên theo thứ tự mẫu tự chữ cái (hai loại nhóm thế alkyl và halogen có thứ tự ưu tiên như nhau).
Alkyl halide đơn giản, có khoảng 7-8 carbon và chỉ mang một nhóm halogen, thường được gọi bằng tên thông thường (common name). CH3 H 3C F
H 3C C CH
I
Br
CH2 Cl
3 Benzyl chloride Methyl fluoride tert-Butyl iodide Cyclooctyl bromide (Fluoroethane) (Bromocyclooctane) (Chloromethylbenzene) (2-Iodo-2methylpropane)
18
Phản ứng điều chế alkyl halide
Các hydrogen halide HCl, HBr, HI phản ứng với alkene tạo sản phẩm theo qui tắc Markonikov X2
H
X
X = Cl, Br X H
CH3 HX
H
CH3 X X = Cl, Br, I
H
CH3
Allyl brom hoá alkene bằng tác chất N-bromosuccinimide (NBS) H H
h
, CCl4 O
H H Cyclohexene
N Br O
Br
O +
3-Bromocyclohexene (85%)
NH O
Cơ chế phản ứng allyl brom hoá alkene bằng tác chất NBS
Br
HH Allyl position
H
H Br 3
Br 1 H H Cyclohexene
Br2
+ HBr
O
O N Br O
+
N H 2 O
Sự brom hoá với NBS giúp gắn brom vào vị trí allyl mà không phải ở những vị trí khác, là do năng lượng phân ly nối, thấy rõ được độ bền tương đối của các loại gốc tự do
19
+
20 Tùy cấu trúc của hợp chất, gốc allyl không đối xứng tạo ra các sản phẩm khác nhau.
R-X được điều chế từ alcohol nhất và nhị tác dụng với SOCl2 hoặc PBr3 (điều kiện êm dịu)
Sử dụng HX có thể xảy ra sự chuyển vị hoặc sự khử
21
22 H
Alcohol
H
OH C
R
C H
H OH
R
H OH
C H Alcohol methyl
R
H Alcohol nhaát caáp
HCl (gas)
CH3
OH
Ether, 0 C
Cl
1-Methylcyclohexanol
OH Cyclohexanol
1-Chloro-1-methyl cyclohexanol
R OH C
C R
OH CH3CH2CHCH3
R
R Alcohol tam caáp
PBr3 Ether, 0 C
F
Fluorocyclohexane
Br CH3CH2CHCH3 +H3PO3 2-Bromobutane (99%)
2-Butanol
Cl
OH
HF Pyridine
H
R Alcohol nhò caáp Hoaït tính cuûa alcohol
CH3
+ H2O
Alkyl halide
H OH
C
H
X
SOCl2 O Benzoin
Pyridine
O (86%)
SO2 + HCl
Tác chất Grignard RMgX điều chế từ alkyl halide 23 R X Alkyl halide R Alkyl nhaát caáp Alkyl nhò caáp Alkyl tam caáp Alkenyl Aryl
Mg
R Mg X
Ether (THF)
Alkylmagnesium halide
X
Br
H
H
I R1
Cl
F
C
+
R22 C H O
+ MgI
+
Tính base tính thaân haïch
CH3 CH2 Cl
R2 C R3 O R22 C OR33 O
Tác chất RMgX rất nhạy với hợp chất có hydrogen linh động R Mg X + H O H CH3CH2CH2CH2CH2 Br 1-Bromohexane
R H + HO Mg X
Mg Ether khan
+
CH3CH2CH2CH2CH2 MgBr 1-Hexylmagnesium bromide
+
H
OH CH3CH2CH2CH2CH2 H Hexane
Tác chất Gilman R2CuLi điều chế từ alkyl halide R Primary alkyl
X
Secondary alkyl Tertiary alkyl
Br
Alkenyl Aryl
Cl
I
R X
Li
Alkyl halide
CuI Ether
R Li Alkyllithium
R2Cu Li Tác chất Gilman
Lithium dialkylcopper
F
Phản ứng ghép cặp hữu cơ kim loại rất hữu dụng trong tổng hợp hữu cơ vì tạo được nối C–C để tổng hợp được nhiều hợp chất lớn từ những phân tử nhỏ Ether Li CH3(CH2)9 I + (CH3)2Cu 0 C Lithium dimethylcopper 1-Iododecane (Gilman reagent) C7H15
+
(nC4H9)2Cu Li
H
Taùc chaát Gilman I trans-1-Iodo-1-nonene I
+ (CH3)2Cu
Li
1-Iodobenzene H3C(H2C)7 C C
Ubdecane (90%) C7H15
H C C
CH3(CH2)9 CH3 + LiI + CH3Cu
+ LiI + C4H9Cu
H C
C
H
nC4H9 trans-5-tridecene (71%) + LiI + CH3Cu
CH3 Toluene (91%)
(CH2)8 Br + [CH3(CH2)4]2CuLi
H H cis-1-Bromo-9-octadecene
H3C(H2C)7
(CH2)8 (CH2)4-CH3
C C H
H
9Z-Tricosene (Muscalure)
24
Cơ chế phản ứng ghép cặp Suzuki-Miyaura giữa một boronic acid thơm với một halide thơm để tạo sản phẩm biaryl.
Ar X Aryl halide
1 Ar PdLmX + L= ligand kim loaïi
PdLn
Ar Ar'
2
3
Ar' B(OH)2
Biaryl product
Aryl boronoc acid L
Ar Pd Ar' (Lm) + X B(OH)2
Ar X + Ar' B(OH)2 Aryl halide Aryl boronoc acid
Ar Ar' Biaryl product
Phản ứng Suzuki-Miyaura đặc biệt hữu ích để điều chế các hợp chất loại biaryl. Một lượng lớn các thuốc thông dụng trong chữa bệnh có cấu trúc phù hợp để tổng hợp bằng phương pháp nầy, vì thế phản ứng Suzuki-Miyaura được sử dụng nhiều trong kỹ nghệ sản xuất dược phẩm. Thí dụ hợp chất valsartan, tên thương mại là Diovan, là thuốc làm hạ huyết áp.
25
Cám ơn các em đã chú ý theo dõi