Tài liệu Dịvòng thơm năm, sáu cạnh

DỊ VÒNG THƠM NĂM, SÁU CẠNH MÃ: H16 A. Đặt vấn đề Hóa học dị vòng có ý nghĩa lí thuyết cũng như thực tế rất to lớn, cũng với sự phát triển nhanh chóng của hóa học hữu cơ, hóa học các hợp chất dị vòng cũng được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều nghành khoa học, kĩ thuật cũng như trong cuộc sống đặc biệt được phát triển mạnh mẽ trong hơn nủa thế kỉ nay. Với những ý nghĩa đó mà hóa học các hợp chất dị vòng được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều các nhà hóa học hữu cơ trong các lĩnh vực khác nhau như: Hóa dược, phẩm nhuộm, hóa sinh, tổng hợp hữu cơ… Trong các đề thi chọn học sinh giỏi cấp Quốc gia, Quốc tế, kiến thức về các hợp chất dị vòng ngày càng chiểm một lượng đáng kể, tuy nhiên những tài liệu về hóa học các hợp chất dị vòng còn ít và chủ yếu viết cho các nhà khoa học nghiên cứu chuyên sâu. Với học sinh THPT thì tài liệu về các hợp chất dị vòng còn ít, việc học tập của các em về chuyên đề dị vòng còn gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở đó chúng tôi lựa chọn chuyên đề “hóa học các hợp chất dị vòng” với mục đích có thêm một phần nhỏ tài liệu giúp các em học sinh trong việc học tập phần các hợp chất dị vòng. Tuy nhiên kiến thức về các hợp chất dị vòng rất lớn, với khuôn khổ của chuyên đề này chúng tôi chỉ bước đầu tìm hiểu đại cương về các hợp chất dị vòng và các dị vòng thơm năm, sáu cạnh. 1 B. NỘI DUNG I. ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC HỢP CHẤT DỊ VÒNG I.1. Định nghĩa và phân loại. I.1.1. Định nghĩa. Hợp chất dị vòng hữu cơ (hay thường gọi là hợp chất dị vòng) là những hợp chất mạch vòng, trong vòng đó ngoài cacbon ra còn có một nhay nhiều nguyên tử khác cacbon (hay gọi là dị tử). I.1.2. Phân loại. + Phân loại theo kích thước của vòng: Dị vòng 3 cạnh, 4 cạnh, 5 cạnh… + Phân loại theo đặc tính của vòng: Dị vòng no, dị vòng không no, dị vòng thơm… Ví dụ: I.2. Danh pháp các hợp chất dị vòng. I.2.1. Danh pháp thông thường. + Danh pháp thông thường xuất phát từ nguồn gốc hoặc tính chất của hợp chất trong thiên nhiên. Ví dụ: 2 Một số chất có tên thông thường quy ước I.2.2. Danh pháp hệ thống đối với hợp chất đơn vòng (Danh pháp Hantzsh-Widman). + Theo danh pháp này tên gọi của dị vòng gồm hai phần: - Phần tiếp đầu ngữ chỉ tên các dị tố (nhiều dị tố giống nhau ta dùng tiếp đầu ngữ: đi, tri, tetra…) - Phần thân chỉ khung vòng, độ lớn của vòng no hoặc chưa no có số nối đôi lớn nhất. 3 + Cách đánh số: - Dị vòng có 1 dị tử thì đánh số 1 cho dị tố tiếp tục đánh ngược chiều kim đồng hồ. Quy tác này cũng được áp dụng đối với hệ vòng kiểu benzo gồm một vòng benzen ghép với một dị vòng chứa một dị tố. - Dị vòng có nhiều dị tố thì đánh sao cho tổng số chỉ các dị tố là nhỏ nhất ( nếu có nhiều dị tố khác nhau thì thứ tự ưu tiên là: O > S > N > P). Dị vòng có nhiều dị tố cùng loại thì dùng các tiếp đầu ngữ di, tri, tetra để chỉ số lượng các dị tố cùng loại. Ví dụ: - Hệ ngưng tụ kiểu đibenzo thi đánh số bắt đầu từ đỉnh trên của vòng bên phải rồi tiến theo chiều kim đồng hồ quanh hệ đa vòng hoặc đánh từ đỉnh dưới của vòng bên phải rồi tiến ngược theo chiều kim đồng hồ quanh hệ đa vòng. Ví dụ: 4 - Khi hệ thống vòng có số nôi đôi cực đại đã được no hóa dần, các gọi tên như sau: Vị trí của nguyên tố bão hòa được đánh số kèm theo tiếp đầu ngữ (preffixe) H và gọi tên của dị vòng chưa no (với số nối đôi cực đại) tương ứng. Ví dụ: - Cách gọi tên như thế này không áp dụng cho các gọi tên theo danh pháp thông thường. Ví dụ: I.2.3. Danh pháp của thệ thống vòng ngưng tụ. - Phần lớn các hợp chất dị vòng đều chứa hai nhay nhiều vòng ngưng tụ với nhau. Một số hợp chất dị vòng ngưng tụ đã có tên thông thường quy ước. Nhưng phần lớn các hợp chất dị vòng loại này được gọi theo danh pháp hệ thống để dễ dàng khi sử dụng. - Tên gọi các dị vòng ngưng tụ phải xuất phát từ nguyên tử chung thuộc cả hệ thống vòng. - Tên gọi dị vòng ngưng tụ được gọi bằng cách kết hợp tên gọi của các dị vòng riêng biệt. Ví dụ: 5 I.2.3.1. Nguyên tắc gọi tên. Biết cách chọn và gọi tên các thành phần ngưng tụ với nhau. - Tên gọi các thành phần ngưng tụ phải là tên gọi thông thường đã được quy ước. Nếu hợp chất dị vòng chưa có tên thông thường quy ước thì dị vòng đó gọi theo tên hệ thống Hantzsch – Widman. Vòng lớn có tên thông thường quy ước sẽ được chọn ưu tiên. Ví dụ: trong hệ thống vòng ngưng tụ có chứa vòng indol và pyrrol thì indol sẽ được chọn hơn là pyrrol. - Tên gọi của dị vòng ngưng tụ có hai thành phần, thành phần cơ sở và thành phần thứ hai. Ví dụ: Pyrrolo[1,5-a]pyrimidin thì pyrimidin là thành phần cơ sở. Pyrrol là thành phần thứ hai I.2.3.2. Cách chọn phần cơ sở theo nguyên tắc sau. - Nếu dị vòng chỉ có một thành phần N: chọn thành phần cơ sở có nitơ. Ví dụ: - Nếu dị vòng không có nitơ : chọn thành phần cơ sở là vòng có dị tố cao hơn. Ví dụ: - Nếu vòng ngưng tụ có số vòng lớn hơn hai vòng : chọn thành phần cơ sở chứa số vòng lớn nhất. Ví dụ: - Nếu hai vòng có độ lớn khác nhau : chọn vòng lớn nhất là thành phần cơ sở. 6 Ví dụ: - Các vòng chứa dị tố khác nhau : chọn vòng có dị tố nhiều nhất là thành phần cơ sở. Ví dụ: - Có sự khác nhau về số loại dị tố trên hai vòng : chọn vòng có nguyên tử với vị trí lớn nhất là thành phần cơ sở. Ví dụ: Trong ví dụ này vòng oxazol chứa oxi có thứ tự ưu tiên hơn lưu huỳnh trong vòng thiazol. - Thành phần cơ sở là vòng có dị tố được đánh số nhỏ hơn. Ví dụ: I.2.3.3. Cấu tạo tiếp đầu ngữ. - Tên của thành phần thứ hai là tiếp đầu ngữ của thành phần cơ sơ. Cấu tạo tiếp đầu ngữ bằng cách thêm chữ “O” sau tên gọi của dị vòng thứ hai. Ví dụ: Tên dị vòng là pyrazin thì cấu tiếp đầu ngữ là pyrazino. Tên dị vòng là pyrol thì tiếp đầu ngữ là pyrolo. - Có một số ngoại lệ về tiếp đầu ngữ. 7 Bảng. Một số ngoại lệ về tiếp đầu ngữ I.2.3.4. Kí hiệu và gọi tên. Các cạnh trong thành phần cơ sở được kí hiệu bằng các chữ cái a, b, c, d .. theo chiều đánh số. Các nguyên tử tạo vòng của thành phần thứ hai được đánh bằng các chữ số 1, 2, 3…(như đánh số dị vòng). Cạnh chung của cả hai vòng được gọi theo chữ số của thành phần thứ hai và chữ cái của thành phần cơ sở tất cả đặt trong dấu ngoặc vuông. Ví dụ 1: Chọn oxazol là thành phần cơ sở vì oxazol có chứa O ưu tiên hơn N trong imidazol. Ví dụ 2: Chọn pyridazin là thành phần cơ sở vì pyridazin là vòng lớn hơn vòng imidazol. 8 II. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUNG TỔNG HỢP DỊ VÒNG. II.1. Phương pháp dùng phản cộng. - Cộng đóng vòng kiểu 2+1 → 3. - Cộng đóng vòng kiểu 2+2 → 4. - Cộng đóng vòng kiểu 3 + 2 → 5. - Cộng đóng vòng kiểu 4 + 1 → 5. - Cộng đóng vòng kiểu 4 + 2 → 6. 9 II.2. Phương pháp đồng phân hóa các liên kết. Phương pháp này chủ yếu dùng để tổng hợp các dị vòng có số cạnh lớn, từ 7 cạnh trở lên II.3. Phương pháp ngưng tụ enamin - Enamin là các hợp chất chứa liên kết đôi ở vị trí α , β , chúng có khả năng phản ứng tốt. Các enamin được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ nói chung và dị vòng nói riêng. 10 III. DỊ VÒNG NĂM CẠNH - PIROL, FURAN, THIOPHENE III.1. Đặc điểm cấu trúc, tính chất vật lý. III.1.1. Đặc điểm cấu trúc Cả 3 hợp chất trên đều có dien liên hợp, dựa vào độ dài liên kết trong dị vòng thơm và không thơm, dựa vào năng lượng cộng hưởng thực nghiệm,dựa vào đặc trưng về cấu tạo qua các giá trị về phổ tử ngoại,cho thấy các hợp chất trên đều có tính thơm. So sánh tính thơm của các dị vòng so với benzen: Benzen > thiophen > pyridin > pyrol > furan Nguyên tử C của pyrol giàu điện tử hơn và có tính ái nhân hơn C của liên kết đôi Dãy cấu trúc cộng hưởng: O furan α X β α S thiophen X N H pyrol X X X (III) (IV) (V) β (I) (II) Cấu tạo (I) là cấu trúc cơ bản, cấu tạo (III), (IV) là cấu trúc cộng hưởng bền. 11 III.1.2. Tính chất vật lí. Pirol là chất lỏng không màu. Điểm sôi 130 ~ 1310C, khối lượng riêng: 0,9691 (20,40C). Ít tan trong nước, dễ tan trong etanol, ete và các dung môi hữu cơ khác. Furan là chất lỏng không màu. Có mùi đặc biệt. Có gây mê và kích thích yếu, rất dễ cháy. Đường hô hấp có thể gây ra đau đầu, chóng mặt, buồn nôn và suy hô hấp. Điểm sôi 31,36°C. Thiophene là chất lỏng không màu. Điểm nóng chảy -380C, nhiệt độ sôi 840C, khối lượng riêng 51g/cm3. So sánh nhiệt độ sôi: Furan < Thiophen< Pirol. III.2. Tính chất hóa học. Tính chất chung: Tính thơm. - Dễ tham gia phản ứng thế ái điện tử - Khó tham gia phản ứng cộng - Khó bị oxi hoá Tính chất dị tố. - Tùy vào sự tham gia của electron p của dị tố vào hệ thống thơm nên tính chất dị tố khác nhau. III.2.1. Nhóm pirol. III.2.1.1. Tính chất của nhân dị vòng. - Phản ứng SE xảy ra ở vị trí 2. - SE khó xảy ra ở môi trường acid mạnh. - SE dễ xảy ra ở môi trường kiềm. v Phản ứng thế electrophin vào nhân pirol Thế ở vị trí số 2. 12 Thế ở vị trí số 3. So sánh 2 trạng thái chuyển tiếp trên ta thấy rằng TTCT theo cách thế vào vị trí số 2 bền hơn TTCT theo cách thế vào vị trí số 3. I 2  /  NaOH I I +  HNO 3 (CH 3CO) 2O N H +  SO 3 pyridin CHCl 3  /  KOH + + C 6H 5N N  .  C l   -­‐ v Phản ứng cộng III.2.1.2. Tính chất của dị tố v Tính base rất yếu Kb = 2,5.10-14 v Tính acid yếu Ka=10-15 13 I N H I N H NO 2 N H SO 3H N H C HO + 3KCl N H N N C 6H 5 + H 2O + pyridin + + 2H 2O HCl H H N N H + H   + -­‐ H   + N N N N III.2.2. Nhóm Furan III.2.2.1. Tính chất dị tố III.2.2.2. Tính chất của nhân dị vòng v Phản ứng thế electrophin Furan tham gia phản ứng SE dễ hơn benzen, xảy ra ở vị trí 2. 14 N v Phản ứng cộng H 2/Ni  Raney O                 <  170 oC O tetrahydro  furan v Các phản ứng cộng mở vòng, cộng hợp H 2/Pt H 3C CH 3COOH C H2 H 2C n-­‐butanol O 2  ( kh«ng  khÝ) O furan HC C H 2OH CH V 2O 5 C C O O O anhydrit  maleic Pb(CH 3COO) 2 HC CH 3COOH HC III.2.3. Nhóm Thiophen 15 C HO C HO III.2.3.1. Tính chất dị tố Dị tố ít hoạt tính, tính bền vững hơn pyrol và furan III.2.3.2. Tính chất của nhân dị vòng v Phản ứng thế electrophin Thiophen tham gia phản ứng SE dễ hơn benzen, xảy ra ở vị trí 2. I2 HgO HNO 3 S (CH 3CO) 2O H 2SO 4 S S S HCl HCHO S C 6H 5COCl AlCl S 3 I 2-­‐iodo  thiophen NO2 SO3H C H 2C l O C 2-­‐nitro  thiophen acid  2-­‐thienyl  sulfonic 2-­‐cloromethyl  thiophen 2-­‐benzoyl  thiophen v Phản ứng cộng Na/Hg S S thiophan    (thiolan) v Phản ứng mở vòng - Thiophen bền vững với tác nhân oxi hóa mạnh như KMnO4. - Thiophen bị khử hóa mở vòng và giải phóng H2S. 16 III.3. Các phương pháp tổng hợp III.3.1. Tổng hợp Furan trong công nghiệp Thủy phân polisaccarit (vỏ trấu, lõi ngô, bã mía…) trong môi trường axit thu được furfural, sau đó nhiệt phân với hơi nước, xúc tác Ni, ở 180oC hay vôi tôi xút ở 350oC Từ furfural có thể điều chế axit furoic sau đó đecacboxyl hóa axit thu được furan III.3.2. Tổng hợp Pirol trong công nghiệp v Từ Furan có thể điều chế pirol khi tác dụng với NH3, xúc tác Al2O3, ở 400-500oC v Nhiệt phân muối amoni mucat hay phân hủy nhiệt đường galactozơ: 17 III.3.3. Tổng hợp Thiophen trong công nghiệp Trong công nghiệp thiophen được tổng hợp dựa trên sự đóng vòng butan, butadiene hay buten với lưu huỳnh. Thiophen cũng có thể điều chế bằng cách đun nóng hỗn hợp muối natri của axitsucxinic với photphotrisunfua III.3.4. Phương pháp chung tổng hợp furan, pirol và thiophen (phương pháp Pall- Knorr) Bản chất của phương pháp này là tác dụng của các chất 1,4-đicacbonyl có khả năng enol hóa với các tác nhân dehidrat hóa có tính axit như H2SO4, P2O5, ZnCl2… 18 III.3.4.1.Tổng hợp furan theo Feist – Benari và tổng hợp pirol theo Hantzch v Tổng hợp furan theo Feist – Benari là phản ứng của α- halogen xeton hay αhalogen andehit với β-đixeton với sự có mặt của các bazơ như NaOH, piridin. - Tổng hợp pirol theo Hantzch là phản ứng của α- halogen xeton hay αhalogen andehit với β-đixeton với sự có mặt của các bazơ nitơ như amoniac hay amin bậc 1. III.3.4.2.Tổng hợp vòng pirol theo Knorr Phản ứng bao gồm sự ngưng tụ của các α-aminoxeton hay α-amino-βxetoeste với các xeton trong sự có mặt của axit axetic hay kiềm. Các α-aminoxeton được tạo thành từ β-xetoeste hay β-xeton qua giai đoạn nitro hóa với sự tạo thành oxim tương ứng và sau đó được khử hóa tiếp bởi kẽm trong axit axetic 19 III.3.4.3.Tổng hợp các thiophen theo Hinsberg Tổng hợp thiophen theo Hinsberg dựa trên phản ứng của α-đixeton, αhalogen este hoặc các este của axit oxalic với ddietylesste của axit thiodiaxetic trong điều kiện ngưng tụ Claisen: III.4. Sơ lược về Indol và cacbazol. III.4.1. Indol III.4.1.1. Đặc điểm cấu tạo Indol là hợp chất hữu cơ dị vòng thơm, nó có cấu trúc bicyclic bao gồm vòng benzene gắn với vòng pirol. Theo quan điểm của phương pháp cặp hóa trị thì Indol có thể được mô tả bằng sự lai tạo cộng hưởng cấu trúc như sau: Indol là sự tập hợp của hai vòng benzen và pirol, sự tập hợp này làm cho Indol ổn định hơn về mặt phân bố điện tích và khả năng phản ứng nhỏ hơn so với pirol. 20