Tài liệu Một sốvấn đềvềdịvòng

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DỊ VÒNG MÃ: H17B PHẦN MỞ ĐẦU Hóa học các hợp chất dị vòng có ý nghĩa lý thuyết cũng như thực tiễn rất to lớn và phát triển rất mạnh mẽ từ hơn nửa thế kỉ nay. Trong các lĩnh vực như tổng hợp hữu cơ, hóa dược, sản xuất dược phẩm, phẩm nhuộm, hóa sinh học... không thể thiếu kiến thức về các hợp chất dị vòng. Hóa học các hợp chất dị vòng là những kiến thức hữu cơ rất khó và phức tạp đối với giáo viên THPT chuyên, nhiều năm gần đây trong các kỳ thi quốc gia, kỳ thi chọn đội tuyển quốc tế xuất hiện rất nhiều các bài tập về dị vòng thuộc các dạng khác nhau, từ hiệu ứng cấu trúc và tính chất, so sánh tính chất đến tổng hợp các dị vòng và các dẫn xuất phức tạp của dị vòng làm cho học sinh đặc biệt là học sinh khu vực miền núi phía bắc gặp nhiều khó khăn, Hóa học các hợp chất dị vòng bao gồm rất nhiều chương khác nhau nên trong phạm vi giới hạn của chuyên đề này tôi chỉ đề cập đến một lượng nhỏ kiến thức đó là + Định nghĩa và phân loại dị vòng + Danh pháp của dị vòng + Tính chất vật lí của dị vòng + Phản ứng thế electrophin của dị vòng thơm năm cạnh một dị tử + Phản ứng thế electrophin của dị vòng thơm sau cạnh một dị tử ( điển hình là piriđin) + Tổng hợp một số dị vòng + Một số bài tập luyện tập Phần chuyên đề này dùng cho các đồng chí giáo viên dạy chuyên Hóa và học sinh các lớp chuyên Hóa Học sử dụng trong quá trình ôn luyện thi học sinh giỏi. Phần chuyên đề được biên soạn lần đầu tiên, trong điều kiện thời gian rất eo hẹp, các phần mềm hỗ trợ không đủ nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, các công thức của dị vòng chưa chuẩn, một vài công thức quá phức tạp không thể hiện được. Rất mong nhận được sự chia sẻ, nhận được các ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp trong khu vực để chuyên đề này được hoàn thiện hơn, góp phần cho công tác ôn luyện học sinh giỏi đạt hiệu quả. 1 PHẦN NỘI DUNG A. Định nghĩa và phân loại. I. Định nghĩa dị vòng Ví dụ: O S Furan Tiophen N N N H Pirol Quinolin Piridin 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 nguyên tử các bon còn có một hay nhiều nguyên tử khác cácbon. Những nguyên tử khác cacbon đó gọi là dị nguyên tử ( hay dị tử). - Các dị tử thường gặp là oxi, nitơ, lưu huỳnh. - Chú ý: có một số hợp chất thỏa mãn với định nghĩa trên và cũng được coi là hợp chất dị vòng nhưng lại được xét ở các loại hợp chất khác. Ví dụ: etylenoxit, anhydrit sucxinic…những chất này dễ bị vỡ vòng, không bền do tác dụng cuả nhiệt và hòan toàn không biểu lộ tính thơm. II. Phân loại dị vòng. 1. Phân loại theo kích thước của vòng: dị vòng ba cạnh, dị vòng bốn cạnh, dị vòng năm cạnh... Ví dụ H N S H N O Ba cạnh bốn cạnh năm cạnh sáu cạnh 2. Phân loại theo đặc tính của vòng: Dị vòng no, dị vòng không no, dị vòng thơm. Ví dụ. H N O H N Dịvòng no O O Dị vòng không no N Dị vòng thơm 3. Phân loại theo bản chất của dị tử: Dị vòng chứa oxi, dị vòng chứa nitơ, dị vòng chứa lưu huỳnh O H N S Ví dụ Furan Thiophen Pirol 2 4. Phân loại theo số lượng dị nguyên tử trong vòng: Dị vòng có một dị tử, dị vòng có hai dị tử... N N Ví dụ: N N N Piriđin Piazin N N 1.2.4.5-tetrazin 5. Phân loại theo vị trí tương hỗ của các dị tử Ví dụ S N S N N N N 1,3- Thiazo N 1,2-thiazo 1,2-điazin 1,3-diazin 6. Phân loại theo số lượng vòng và cách nối giữa hai vòng trong cùng một phân tủ. a) Dị vòng đơn và dị vòng đa vòng O H N S S O b) Dị vòng ngưng tụ O H N S benzothiophen S O Furo[2,3]pirol Thieno[2,3]furan c) Dị vòng đa kiểu bixclo O S O 7-thiabixiclo[2.2.1]heptan d) Dị vòng đa kiểu spiro 2,6-Đioxabixiclo[3,2,1]octan O 1- oxaspiro[4.5]decan e) Tập hợp hai hay nhiều dị vòng nối trực tiếp với nhau S N 2,3-Bipiriđin N S 2,3-Bithiophen 3 B. Danh pháp của dị vòng I. Tên thông thường của một số dị vòng thơm đơn vòng và nhóm hóa trị một tương ứng: Ví dụ “Furan” ; “Pirol” ; “Piridin” ; “Thiophen”… N O S Furan Tiophen N N H Pirol Quinolin Piridin Nếu dị vòng mất đi một nguyên tử H thì nó trỏ thành nhóm hóa trị I tương ứng khi đó tên nhóm hóa trị I có đuôi yl O O H ⎯−⎯→ H N 2-furyl H N H ⎯−⎯→ Piroliđin-2yl( và các đồng phân) Piroliđin H N H N H ⎯−⎯→ Piperiđin 2-piperiđyl ( và các đồng phân) II. Danh pháp hệ thống 1. Qui tắc về tiền tố phần cơ sở và hậu tố. Các dị vòng đơn có số cạnh từ 3 đên 10, chứa một hay nhiều dị tử được gọi tên bằng cách tổ hợp "tiền tố a" với phần cơ sở của tên cùng với hậu tố. + Tiền tố a nói lên bản chất của dị vòng: oxa- chỉ oxi; aza- chỉ nitơ...khi vòng có nhiều dị tử cùng loại thì thêm đi hay tri... VD: Đioxa- hai oxi; triaza- ba nitơ Khi vòng có nhiều dị tử khác nhau cần tổ hợp các tiền tố a theo mức độ ưu tiên: O;S;Se;N;P;As. VD; thiaza chỉ một nguyên tử S và một nguyên tử N Điazaphotpha chỉ 2 nguyên tử N và một nguyên tử P + Phần cơ sở của tên dị vòng nói lên kích thước của vòng, cond hạu tố phản ánh mức độ no hay không no của dị vòng * Qui tắc chung: Ghép - Một từ cơ bản nói lên số cạnh của vòng + Một hay nhiều tiếp đầu ngữ để chỉ số lượng và tên các dị tố trong vòng + Một tiếp vĩ ngữ nói lên mức độ bão hòa cuả vòng - Từ cơ bản: - Vòng 3 cạnh: -ir- ; 4 cạnh: -et- ; 5 cạnh: -ol- ; 6 cạnh: -in ; 7 cạnh: ep- … - Tiếp đầu ngữ: oxa – chỉ oxi; thia – chỉ lưu huỳnh ; aza – chỉ nitơ … (số lượng dị tố là di, tri…) 4 - Tiếp vĩ ngữ: -vòng 5 cạnh chứa nitơ chưa bão hòa có đuôi –ol, nhưng bão hòa có đuôi – olidin - Vòng 5 cạnh không chứa nitơ, chưa bão hòa có đuôi –ol, nhưng bão hòa có đuôi – olan - Vòng 6 cạnh chứa nitơ, chưa bão hòa có đuôi –in, nhưng bão hòa có đuôi – an… * Cách đánh số: - Nếu dị vòng chứa 1 dị tố thì số 1 dành cho dị tố và tiếp tục ngược chiều kim đồng hồ. - Nếu dị vòng chứa nhiều dị tố giông nhau thì đánh số sao cho các dị tố có chỉ số nhỏ nhất(nếu có 2 dị tố là N có bậc khác nhau thì bắt đầu từ dị tố bậc 2) - Nếu dị vòng chứa nhiều dị tố khác nhau thì số 1 ưu tiên cho O → S → N. 4 N N 4 N 2 N 1 H 1,2,4-Triazol N 4 4 H N 4 2 N 2 S 1 1 1,2,4-Triazin N3 N 2 3 2 S1 1,4-Thiazin 1,3-Thiazol 3 O 1 1,2-oxazol 2. Qui tắc đánh số ở mắt vòng - Nếu vòng có một dị tử thì đánh số bắt đầu từ dị tử theo chiều gần liên kết bội hơn - Nếu vòng có nhiều dị tử thì đánh sao cho tổng locan của các dị tử là nhỏ nhất - Nếu vòng có nhiều dị tử khác nhau đánh sao cho mức độ ưu tiên là cao nhất và tổng locan của các dị tử là nhỏ nhất O S O S N N H N 1,3,4-Oxađiazo 1,2-Oxathiolan 1,3,4-Oxađiazo Trường hợp dị vòng có nhiều dị tử cùng thuộc loại có mức độ ưu tiên cao nhất cần đánh số bắt đầu từ dị tử có mức độ ưu tiên cao nhất và theo chiều tổng locan là nhỏ nhất. 3. Qui tắc gọi tên dị vòng không no - Đối với các vòng mức độ chưa bão hòa còn kém hệ có các liên kết đôi luân phiên người ta dùng tiền tố cộng như đihiđro;tetrahiđro... H P O 2,3-đihiđrofuran 3,4-đihiđrophotpho III. Danh pháp trao đổi. 1. Dị vòng đơn chứa một dị tử. Đặt tiền tố a trước tên của hiđrocacbon coi như được sinh ra từ hợp chất dị vòng nhờ sự thay thế dị tử bằng nguyên tử cacbon thích hợp N Azabenzen O Oxaxicloctan 5 2. Dị vòng chứa hai hoặc hơn hai dị tử Tổ hợp tên của hidrocacbon mạch vòng tương ứng với tiền tố a cộng với locan và tiền tố về độ bội ( đi, tri...) khi cần thiết. Vòng được đánh số bắt đầu từ dị tử có mức độ ưu tiên cao nhất. H2 Si HN NH Si H2 H2Si S SiH2 N H 1,4-điaza-2,5-đixilaxiclohexan 1-thia-4-aza-2,6-đixilaxiclohexan N>Si S>N>Si VI. Danh pháp dị vòng đa 1. Danh pháp thông thường và nửa hệ thống. 2. Dị vòng đa một dị tử là nitoe và nhóm hóa trị 1 tương ứng H N Indol Indol-yl NH Isoindol Isoindol-2-yl N N Indolzin Indolizin-2-yl H N H N N 1H-Indazol N 1H-indazol-3yl N N N N Phenazin Phenazin-yl N N 1,7- Phenantrolin 3. Dị vòng đa chứa dị tử khác nitơ N N 1,7- Phenantrolin -3-yl 6 H P O PH Photphindol Izophotphindol zobenzofuran (Nếu dị tố là S thì tiếp đầu ngữ là thio- ; nếu dị tố là oxi thì tiếp vĩ ngữ là an) C. Tính chất vật lý của dị vòng. I. Nhiệt độ sôi, nóng chảy và ảnh hưởng cuả dị tử - Khi thay thế một nhóm -CH2- trong phân tử xicloankan bằng một dị tử nhiệt độ sôi tăng lên O H N S Hợp chất Nhiệt độ sôi(0C) -33 11 56 56 Nguyên nhân của sự biến đổi trên là sự tăng mô men lưỡng cực ( Thường gặp ở nguyên tử oxi), sự tăng phân tử khối ( thường gặp ở nguyên tử S) và sự tạo liên kết hiđro đối với nhóm -NH- Khi thay thế nhóm =CH- ở vòng ben zen bằng nmột nguyên tử nitơ =N- làm cho nhiệt độ sôi tăng lên chủ yếu là làm tăng sự phân cực của phân tử khi đó nhiệt độ nóng chảy bị giảm đi do tính đối xứng bị vi phạm N N N N N N N Hợp chất 0 Nhiệt độ sôi (t C) 80 115 208 124 123 Nhiệt độ nóng chảy 5,5 -42 -6,4 22,5 57 - Khi thay thế nhóm -CH=CH- trong vòng benzen bằng dị tử thì gây nên những hiệu ứng khác nhau về nhiệt độ sôi + Nếu thay bằng -O- thì nhiệt độ giảm chừng 400C + Nếu thay bằng -S- thì nhiệt độ tăng do M tăng + Thay bằng -NH- thì nhiệt độ tăng mạnh chủ yếu do liên kết hiđro O Hợp chất Nhiệt độ sôi ( t0C) 80 32 S 84 O H N 131 S H N Hợp chất Nhiệt độ sôi ( t0C) 218 174 222 254 - Khi trong vòngthơm đã có sẵn một nguyên tử N ( ví dụ piridin) thì khi thay thế nhóm -CH=CH- bằng các dị tử như -O-; -S-; -NH- thì cùng gây hiệu ứng đối với nhiệt độ sôi giống như thay thế trong benzen. 7 N O H N S N N N Hợp chất Nhiệt độ sôi ( t0C) 115 69 117 256 Vị trí tương hỗ của hai dị tử trong dị vòng cũng có ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi O N H N S N N Hợp chất Nhiệt độ sôi ( t0C) 95 114 185 - Khi đưa thêm vào một vài nguyên tử nitơ piridin ( =N-) vào vòng azo thường làm tăng nhiệt độ sôi và làm xuất hiện nhiều chất rắn hơn. Ảnh hưởng này phụ thuộc vào vị trí tương hỗ của các dị tử. H N S O N N N N N H N N N N N Hợp chất Nhiệt độ sôi ( t0C) 87 121 260 II. Nhiệt độ sôi nóng chảy và ảnh hưởng của nhóm thế. - Khi thay thế nhóm =CH- của dị vòng thơm bằng nhóm -CH3 hay -C2H5luôn làm tăng nhiệt độ sôi 20-300 đối với nhóm -CH3 và tăng 50-600 đối với nhóm -C2H5 - Trong khi phần lớn các este etylic là chất lỏng thì tất cả các axit cacboxylic và cacboxamit là những chất rắn do có liên kết hiđro liên phân tử. Đặc biệt khi vòng có chứa nitơ-piriđin nhiệt độ nóng chảy của axit và amit rất cao. - Các dị vòng thơm có chứa nhóm -OH, -SH, -NH2 thường là những chất rắn có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, trong khi đó dẫn xuất metoxi, metylsunfanyl và đimetỵl amino lại là những chất lỏng. Sự khác biệt đó liên quan tới khả năng có hay không có liên kết hidro liên phân tử. III. Tính tan và ảnh hưởng của dị tử. - Tính tan của một chất trong nước phụ thuộc vào khả năng tạo liên kết hiđro với nước. Vì vậy khi thay thế nhóm -CH2- của xicloankan bằng dị tử có khả năng tạo liên kết hidro với nước như -O-, -NH-... sẽ làm tăng mạnh tính tan. Các dị tử không có khả năng tạo liên kết hidro với nước như -S-. -PH-, - SiH2- không gây hiệu ứng đó. - Khi thay thế nhóm =CH- trong vòng benzen bằng nguyên tử nitơ piriđin =N- làm tăng mạnh độ tan trong nước nhờ sự tạo thành liên kết hiđro với nước. N Độ tan: 0,0015 N N Tan hoàn toàn 8 N N Độ tan: 2.10-5 7.10-3 4.10-3 - Khi thay thế nhóm -CH=CH- trong vòng benzen bằng -O- (có khả năng nhận prôton rất yếu) hoặc bằng -NH- (có khả năng nhường prôton rất yếu) làm tăng đôi chút tính tan trong nước trong khi đó thay bằng -S- không gây hiệu ứng gì đáng kể. H N O S Độ tan: 0,015 0.03 0.06 0,001 - Sự có mặt của nguyên tử nitơ piriđin trong các dị vòng thơm 5 cạnh làm tăng mạnh tính tan( trong trường hợp các 1,3,azo) . Độ tan của imiđazo không lớn bằng oxazo và thiazo vì khả năng tạo liên kết hidro liên phân tử của chất này. nếu khóa nhóm -NH- để loại trừ khả năng này thì độ tan lại tăng mạnh. H N H N O S CH3 N N N N Độ tan: 1.8 Tan hoàn toàn Nguyên tử nitơ Piriđin trong các 1,2 azo gây ảnh hưởng không lớn đến tính tan do đó các 1,2 azo có tính tan kém hơn các 1,3 azo. IV. Tính tan và ảnh hưởng của nhóm thế. - Khi đưa các nhóm thế tạp liên kết hiđro như -OH, -NH2 vaod vòng benzen làm tăng tính tan trong nước. Trái lại đưa các nhóm đó vào dị vòng thơm 6 cạnh lại làm giảm tính tan vì có liên kết hiđro liên phân tử giữa các phan tử hợp chất dị vòng OH NH2 Độ tan 0,07 0,03 - Đối với 1,3 azo cũng như 1,2 azo đưa thêm nhóm benzo hoặc đưa thêm các nhóm thế dẫn tới khả năng tạo liên kết hiđro liên phân tử giữa các hợp chất dị vòng như -NH2, OH ... đều làm giảm độ tan trong nước O H N H N N N Độ tan: 0,008 N 0.002 0,0008 D. Tổng hợp dị vòng Nói chung có 2 cách điều chế các dị vòng: + Dị vòng hóa các hợp chất mạch không vòng + Vòng hóa các hợp chất thơm có mạch nhánh. 9 a) Đi từ 1,4-diandehit hay dixeton: (furan) P2O5 O CH2 CH2 CH CH CH O CH O CH P2S5 CH2 HO ( thiofen) S OH NH3 ( pyrol) N H CH2 CH2 C C H3C O P2O5 CH3 CH3 H3C nung O O (2,5-dimetylfuran) b) Đi từ diaxit: - CO2 t0 COOH O HO HO CH CH O C C HO HO OH CH HC HO OH NH3 HO O O CH2 C C O C C H4N+O OH CH2 CH CH OH (furan) OH CH HC O OH t 0 O N + H ONH 4 ( pyrol) P2S5 ( thiofen) S O c) Pyrol có thể tổng hợp bằng cách: d) Thiophen thu được bằng cách nung n-butan với lưu huỳnh ở nhiệt độ cao: CH ≡ CH + 2HCHO Cu 2 Cl2 NH3 ,P ⎯⎯⎯ → HO-CH2-C ≡ C-CH2-OH ⎯⎯⎯ → N H CH3 CH2 CH2 CH3 + S 0 560 C + H 2S S e) Ngưng tụ andehit α, β chưa no với NH3 : 2CH2=CH - CHO + NH3 CH3 - H2O N f) Ngưng tụ este β - xetoaxit với andehit và NH3: 10 CH3 ROCO CH3 CH3 CH2 C=O CH2 + CHO + O=C NH3 COOR ROCO CH3 CH3 COOR CH3 N H CH3 CH3 2H +HNO3 cộng. COOR ROCO CH3 N CH3 +HOH 2C2H5OH, 2CO2 CH3 N CH3 E. Tính chất của dị vòng I. Đặc tính của Dị vòng: là đặc tính của hợp chất thơm. - Dị vòng bền vững với nhiệt và các tác nhân oxihóa. - Dị vòng 5,6 cạnh có hệ thống nối đôi liên hợp → dễ phản ứng thế và khó phản ứng - Dị tố cũng tham gia vào hệ liên hợp bằng cách góp cặp e tự do vào hệ → tính chất của dị tố cũng giảm đi hoặc mất hẳn. II. Tính chất của dị tố: * Dị vòng 6 cạnh: pyridin chỉ có 1e hóa trị của nitơ tham gia vào việc hình thành hệ thống e kiểu benzoit(tính chất thơm gây ra bởi sự liên hợp giữa 5e của 5 cacbon với 1e của nitơ lai hóa sp2 tạo thành hệ liên hợp e π chung cho vòng). Cặp e tự do của nitơ vẫn còn nên pyridin vẫn còn nguyên tính bazơ. * Dị vòng 5 cạnh có một dị tố (như pyrol) có cặp e tự do tham gia vào hệ thống thơm nên tính ba zơ của nitơ bị giảm hẳn và không còn rõ rệt nữa. Thiofen thực tế không có tính bazơ, hoàn toàn không tạo muối. Ngược lại pyrol có tính axit yếu(pKa ≈ 16,5) tạo muối với kim loại kiềm. KOH N H + H 2O N (-) + K - Dị vòng 5 cạnh có 2 dị tố (như imidazol) 2 nguyên tử N tham gia vào hệ thống theo 2 cách khác nhau, trong đó một dị tố vẫn còn nguyên cặp e tự do nên imidazol vẫn còn tính bazơ. N N H III. Tính chất của một số dị vòng thông dụng 1. Tính chất của piriđin a) phản ứng của nguyên tử N với tác nhân electrophin a.1. Phản ứng với axit. - Piriđin là bazơ yếu, yếu hơn nhiều so với amin béo là do 11 + Nguyên tử N (piriđin) ở trạng thái lai hóa sp2. + Nguyên tử N (piriđin) liên kết với nguyên tử Csp2 nên hiệu ứng -I yếu + Khả năng son vát hóa trong H2O của iom piriđin kém ion amoni. - Các nhóm thế có ảnh hưởng khác nhau đến tính bazơ của piriđin + Nhóm -CH3 làm tăng nhẹ tính bazơ do hiệu ứng +I và siêu liên hợp, Nhóm -CH3 ở vị trí 2 và 4 làm tăng mạnh tính bazơ hơn vị trí 3. + Nhóm -C6H5 có hiệu ứng -I yếu song lại có hiệu ứng +C nếu ở vị trí 4 hoặc 2 nên so với piriđin thí 3-phenylpiriđin có tính bazơ yếu hơn còn 2-phenylpiriđin , 4phenylpiriđin có tính bazơ mạnh hơn . + Nhóm metoxi gây ảnh hưởng +C đồng thời -I nên khi nhómnày ở vị trí 2hoặc 3 gây giảm tính bazơ còn ở vị trí 4 làm tăng tính bazơ. + Nhóm -NH2 luôn làm tăng tính bazơ của piriđin , nhóm nàyở vị trí khác nhau thì tính bazơ khác nhau 4-amino- > 2-amino- >3-amino. + Nguyên tử clo luôn làm giảm tính bazơ nhất là khi nó ở vị trí số 2. + Các nhóm -NO2, -CN, -CONH2 cố đồng thời cả hiệu ứng -C và =I nên làm giảm mạnh tính bazơ. a.2 Phản ứng với ion kim loại và axit liwis Piridin có khả năng tạo phức phối trí với một số ion kim loại như Au, Ag, Cu. Co... Piriđin cũng có khả năng tạo phức phối trí với halogenua của bo, nhôm, thiếc... a.3. Phản ứng với dẫn xuất halogen và các chất tương tự - Piriđin phản ứng với các dẫn xuất halogen bậc thấp và các chất tương tự như điankylsumphat, ankyltosylat... tạo muối CH3 + N N RX Với X là I, Br, Cl, OSO, OR... N + + N Br(CH2)5Br N - Piriđin phản ứng với dẫn xuất halogen bậc ba cho sản phẩm là anken pidin CH3CH2CCl(CH3)-CH3 ⎯⎯⎯ → CH3CH2C(CH3)=CH2 + CH3CH=C(CH3)CH3 - Các aryl halogenua thường có khả năng phản ứng rất kém chúng chỉ aryl hóa piriđin khi được hoạt hóa bằng các nhóm nitro ở các vị trí 2 và 4 O + N O - O Cl O + N O + N + N O - 100 ∞C O + N + N O a.4. Phản ứng với axylclorua và các chất tương tự 12 Piriđin tác dụng dễ dàngvới axyl clorua, sunfonyl clorua và các anhidrit sinh ra muối piriđini tương ứng O CH3 + N CH3COCl N Các muối N-axylpiriđin thường không bền khoa phân lạp, dễ phân hủy, Dựa vào đặc điểm này người ta dùng muối N-axỵlpiriđin mới sinh làm tác nhân axyl hóa êm dịuamin thành amit và akol thành ete. O N + N C6H5COCl, 4 ∞C N CH3 + CH3CN.NaBPh3 CH3 N CH3 CH3 a.5.Phản ứng với halogen Piriđin phản ứng với halogen và hợp chất liên halogen ngay ở nhiệt độ phòng sinh ra hợp chất kết theo kiểu 1:1 Br Br N Br2/CCl4 N ICl/CCl4 Cl I N các sản phẩm trên là những chất rắn dùng làm tác nhân halogen hóa êm dịu b) Phản ứngcủa nguyên tử với tác nhân electrophin b.1. Cơ chế và khả năng phản ứng thế. Phản ứng thế electrophin ở nguyên tử cac bon của piriđin xảy ra khó khăn + Phản ứng nitro hóa và sunfo hóa với tác nhân thông thường chỉ xảy ra ở điều kiện khắc nghiệt cho hiệu suất thấp. + Các phản ứng axyl hóavà ankyl hoátheo Friedel-Crafts... không thể xảy ra đối với Piriđin. Nguyên nhân làm cho vòng piriđin phản ứng kém gồm các yếu tố sau + Độ âm điện của N lớn hơn C làm cho phân tử phân cực về phía N nên tính nucleophin của vòng piriđin kém hơn vòng benzen + Phản ứng được thực hiện trong môi trường có tavs nhân electrophinnhư Hal+, NO2+... nhất là trong môi trường axit nên piriđin tồn tại ở dạng muối nên khả năng phản ứng rất kém H X+ + X X B-­‐lÊy  proton N + BH + SE + ZH SN N N Y H N Y Z-­‐lÊy  hidrua N Y 13 Khả năng phản ứng thế electrophin kém benzen khỏang 107 lần b.2. Hướng của phản ứng thé electrophin và ảnh hưởng của nhóm thế - Tương tự nitro benzen, piriđin định hướng cho tác nhân electrophin vào vị trí số 3 tức vị trí β Các nhóm thế trong vòng piriđincũng gây ảnh hưởng đến hướng thế và khả năng phản ứng thế tượng tự như trong vòng benzen. + Nhóm thế đẩy electron làm tăng khả năng phản ứng và định hướng vào vị trí 2,4 đối với nhóm thế N N N R R . R b.3. Phản ứng nitro hóa Phản ứng xảy ra trong điều kiện khắc nghiệt và cho hiệu suất thấp N HNO dac H SO dac 3 2 4 N 370 ∞C,24 gi? O + N - (6%) O Nhóm -CH3 trong vòng hoạt hóa vòng yếu N CH3 N KNO3, oleum O CH3 + N (6%) O Hai nhóm -CH3 ở vị trí 2,6 thì hiệu suất đạt cao hơn H3C H3C N N KNO3 CH3 CH3 + N oleum O H3C N CH3 CH3 KNO3 H3C N - CH3 (66%) CH3 + oleum O N O O - (90%) b.4 Phản ứng sunfohóa Piriđiin khá trơ với tác nhân sunfohóa như H2SO4 đậm đặc, oleum. Chỉ khi đun hỗn hợp hồi lâu mới sinh ra lượng nhỏ axiit-piriđin-3-sunfonic N H2SO4, SO3 N O 320 ∞C S O OH Các metylpiriđincũng chỉ có thể sunfohóa ở nhiệt độ cao 14 H3C H3C CH3 H3C CH3 N CH3 N H3C CH3 O S O H3C CH 3 CH3 N + H3C OH S b.5 Phản ứng halogen hóa N N Br2 oleum, 150 ∞C N Br N Cl2 N 200-300 ∞C N Cl N > 400 ∞C + Cl Cl Cl Cl N Cl + Phản ứng với I2/oleum xảy ra ở vị trí số 3 Nếu vòng piriđin được gắn vào nhóm đẩy electron thì định hướng nhóm halogen vào vị trí octo và para của nhóm đó N NH2 N N NH2 NH2 F. Tính chất hóa học của một số dị vòng 5 cạnh một dị tử Dị vòng 5 cạnh một dị tử quan trọng hơn cả là Pirol, Furan và thiophen I. Phản ứng với bazơ và tính axit 1. Đối với Pirol Nhóm -NH của Pirol có tính axít yếu song mạnh hơn Piroridin và sấp xỉ bằng 2,4đinitroanilin. Nhờ có tính axit mà Pirol tác dụng được với KOH và NaOH khi đun nóng hoặc tác dụng được với K,Na trong benzen để chuyển nhóm -NH thành -NK hoặc -NNa có cấu trúc ion. Tuy nhiên người ta thường dùng NaNH2 lỏng để phản ứng H N + NaOH,Na,toluen NaH N Hay NaNH2/NH3 Do có tính axit nên nhóm -NH của Pirol tác dụng được với hợp chất cơ Mg và hợp chất cơ Liti snh ra các hợp chất cơ magie hoặc cơ liti mới, các dẫn xuất cơ magie mới này khi kết hợp với RX tạo ra hỗn hợp gồm N-ankyl; 2-ankyl; 3-ankyl. H N CH3 Mg Cl CH3MgCl N CH3X N 15 Phản ứng proton hóa Pirol xảy ra ở các vị trí 1,2,3 sinh ra các ion 1H-Piroli kém bền nhất, 2H-piroli bền nhất và 3H-Piroli các ion 2H-piroli và 3H-Piroli là những chát electrophin cóa vai trò quan trọng trong quá trình trimehóa và polime hóa. H N H + N HCl 6N H N -H+ H N H N H + N H H N H H N + + H + N H N N H N H N H N 2. Đối vơi Furan Furan có tính bazơ yếu, yếu hơn cả dãy ete béo, các aiít vô cơ loãng lạnh khôngtác dụng với furan và ankylfuran, còn axit vô cơ nóng thì mở vòng furan đi qua giao đoạn proton hóa O H3C H3C H3C O H3C O + O H3C H3C O H3C O O O H3C O CH3 CH3 O O CH3 3. Đối với thiophen Khác với pirol và Furan Thiophen bền với tác dụng của axit. Axít vô cơ mạnh proton hóa Thiophen ở vị trí 2 nhanh hơn vi trí 3 khỏng 1000 lần. Axit H3PO4 đặc nóng chuyển hóa Thiophen thành trime theo sơ đồ. + S S 0 3 PO4 90 ⎯H⎯ ⎯⎯→ S + S S S S S S H2S S II. Phản ứng thế electrophin. 16 1. Cơ chế của phản ứng Phản ứng thế electophin ở dị vòng hơm 5 cạnh một dị tử tương tự phản ứng thế ở vòng ben zen, tức là đi qua sản phẩm trung gian không bền là phức δ sinh ra từ sự tấn công electrophin vào vị trí 2 bền hơn vị trí 3 A A E E+ A 2.Khả năng phản ứng Cả ba dị vòng đều có khả năng phản ứng cao vơi tác nhân elecrophin vì đây là những hệ giầu electron π Nếu so sánh ba dị vòng với nhau thì Pirol có khả năng tham gia phản ứng cao nhất vì chỉ Pirol tham gia phản ứng ghép với cation benzendiazoni một cách dễ dàng còn hai dị vòng còn lại không tham gia phản ứng. Trình tự khả năng phản ứng là: Pirol > furan > Thiophen. Độ bền của phức δ sinh ra khi tác nhân electrophin tấn công vào vị trí α bền hơn vị trí β 3. Sự định hướng nhóm thế. a) Nhóm thế hút electron -I, -C thế ở vị trí số 3 Các nhóm -NO2, -CHO, -COOH... khi có mặt ở vị trí số 3 của dị vòng thì định hướng nhóm tiếp theo vào vị trí meta đối vơi nhóm thế này và vị trí số 5 đối với dị tử. S 1. Br2 Br S 2.acid/25 ∞C O O b) Nhóm đẩy electron +I,+C ở vị trí số 3 Các nhóm OH, -R , -OCH3 ... khi có mặt ở vị trí số 3 của dị vòng thì định hướng nhóm tiếp theo vào vị trí octo đối vơi nhóm thế này và vị trí số 5đối với dị tử S O 1. HCN,HCl CH3 S 2. H2O CH3 Nhóm thế -I, +c như Br, NHCOR, SCH3là nhóm định hướng octo, para nên phản ứng thế electrophin cũng xảy ra vào vị trí số 2. H N O H N nitrohÛa + N O Br - Br c) Nhóm thế hút electron -I, -C thế ở vị trí số 2 Nhóm thế định hướng vào vị trí số 4 còn dị tử định hướng vào vị trí số 5 nên cho hỗn hợp sản phẩm thế, vị trí 4 được ưu tiên hơn H N O CH3 H N nitrohÛa O H N CH3 O - + N O + O O CH3 - + N O 17 Đối với Furan sự định hướng cử dị vòng oxi khá mạnh nên phản ứng ưu tiên ở vị trí số 5 O O O + - O O + N O N nitro hÛa O - + N O - d) Nhóm đẩy electron +I,+C ở vị trí số 2 Nhóm thế định hướng vào vị trí số 3 và 5 còn dị tử định hướng vào vị trí số 5 nên cho hỗn hợp sản phẩm thế, vị trí 5 được ưu tiên hơn H N CH3 O nitro hÛa - H N + N H N CH3 + HNO3/(CH3CO)2O O CH3 + N O O - Nếu thay -CH3 bằng các nhóm kồng kềnh như -C(CH3)2 thì phản ứng chỉ xảy ra ở vị trí số 5 Nhóm thế -I< +c như -C6H5, -SCH3R, -OCH3 và các nhóm -I > +C như -Br, -Cl cũng định hướng vào vị trí số 5 O S Br - S + nitro hÛa N Br O trường hợp đã có nhóm +I, +c hoặc -I, +C ở vị trí số 2, lại có thêm nhóm thế -I,-C ở vị trí só 5 thì phản ứng xảy ra ở vị trí số 3 cho phù hợp với hiệu ứng định hướng H3C S O CH3 H3C S HCHO/HCl ZnCl2, CHCl3 CH3 O O Cl 4. Phản ứng nitro hóa a) Đối với Pirol Hỗn hợp nitrohóa vòng benzen không xảy ra phản ứng với pirol và các vòng tương đồng khác, vì trong điều kiện này vòng bị phân hủy hoặc polime hóa. Nếu dùng CH3COONO2 thì phản ứng xảy ra êm dịu H N HNO3 AC2O H N O + N N + O - + N O O - Nhóm -N- R ở Pirol gây ảnh hưởng tỷ lệ hai sản phẩm R càng cồng kềnh thì phản ứng tạo sản phẩm ở vị trí số 3 là của yếu 18 b) Đối với Furan O O CH3COONO2 + N O CH3COOH, -5t∞ O O O HNO3 - - O O + N O Ac2O c) Đối với Thiophen Mặc dù khả năng phản ứng kém nhưng nó phản ứng mãnh liệt với tác nhân nitrohóa thông thường có thể gây ra nổ vì vậy người ta dùng axetylnitrat hoặc tetrafluoroborat để nitro hóa Furan O S S HNO2, AC2O S + N - + O 0 ∞C + N O O - 5. Phản ứng sun fo hóa H N PidinN+ - SO3- O H N OH S O 100 ∞C, HCl Nếu cả hai vị trí α bị chiếm thì phản ứng xảy ra ở vị trí β tuy khó khăn hơn. Nếu vòng Pirol có nhóm hút mạnh thì có thể sufohóa bằng H2SO4 đặc hay axit closunfonic O O + Piri?inN - SO3 - O OH S O 100 ∞C, HCl O S H2SO4 95% S S OH O 30 ∞C O S ClSO3H hay SOCl2/PCl5 S S OH O 6. Phản ứng halogen hóa - Pirol phản ứng phức tạp, tác nhân là sufunyl clorua hay NBS, NCS tùy tác nhân mà phản ứng cho sản phẩm khác nhau 19 H N H N SOCl2/ete/0t∞ Cl hay NCS H N H N Cl 4SOCl2/ette Cl Cl Cl H N H N H N NBS Br2/CH3COOH Br H N Br Br Br Br Khi H trong -N-H của Pirol bị thay thế bằng các nhóm cồng kềnh thì phản ứng xảy ra ở vị trí số 3 hay 4,3 - Furan phản ứng khi có mặt của clo hay brom ở 250C nhưng iôt không phản ứng O O Br2, dioxan Br 0 ∞C O Br2/CH3OH -10 ∞C O O O CH3 H3C Thophen phản ứng halogen hóa xảy ra rất nhanh. Tác nhân là clo dư , NBS, Br2/HBr hay iot/HNO3 loãng S S S Cl2du, 25 ∞C Cl2du, iot,xt Cl + S Cl Cl Cl Cl Cl Cl S S I2/HgO Hay HNO3 loang S NCS S NBS S S S Br2, HBr, -25 ∞C Br S Cl Br Br 20