BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HCM
------------
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP
DECANE-2,3-DIONE TỪ ACROLEIN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
CHUYÊN NGHÀNH: HÓA HỮU CƠ
KHÓA: 2009 – 2013
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S ĐẶNG CHÍ HIỀN
SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN VĂN HẢI
TP.HCM Tháng 05 – 2013
Mục Lục
Mở Đầu........................................................................................................................ 5
Chương 1 TỔNG QUAN ............................................................................................ 7
1.1 PHEROMONE ............................................................................................... 7
1.1.1 Khái niệm ................................................................................................. 7
1.1.2 Phân loại [3,4,9,10] .................................................................................. 7
1.1.3 Cấu trúc pheromone [8,9,10]. .................................................................. 9
1.1.4 Những thành tựu trong lĩnh vực tổng hợp pheromone .......................... 10
1.1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone trên thế giới ................ 11
1.1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone ở Việt Nam ................. 12
1.2 PHẢN ỨNG GRIGNARD ........................................................................... 13
1.2.1 Phản ứng Grignard ................................................................................. 13
1.2.2 Tác chất Grignard .................................................................................. 13
1.2.3 Phản ứng ghép cặp Grignard[2,9] .......................................................... 15
1.3 Phản Ứng Epoxy Hóa ................................................................................... 16
1.4 Phản Ứng Khử Các Epoxit (oxiran) Bằng Lithi Nhôm Hidrua .................... 18
1.5 Các Phản Ứng Đehidro Hóa Và Oxi Hóa Ancol [9] .................................... 19
1.6 Tình Hình Sản Xuất Cà Phê Và Sâu Bệnh Hại Cây Cà Phê ........................ 22
1.6.1 Tình hình sản xuất cà phê của thế giới .................................................. 22
1.6.2 Sâu bệnh chính hại cây cà phê ............................................................... 23
1.6.3 Đặc điểm sinh thái học côn trùng .......................................................... 24
1.7 Pheromone Giới Tính Của Sâu Đục Thân Cà Phê Mình Trắng (Xylotrechus
quadripes Chevrolat) ........................................................................................................ 24
1.7.1 Pheromone giới tính của sâu đục thân cà phê (Xylotrechus quadripes
Chevrolat)
............................................................................................................... 24
1.7.2 Các công trình nghiên cứu pheromone trước đây.................................. 25
Chương 2 NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 29
2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 29
2.1.1 Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 31
1.2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 33
2.2.1 Nghiên cứu tổng hợp allyl ancol từ acrolein ............................................ 33
2.2.2 Tổng hợp 1-(oxiran-2-yl)octan-1-ol ......................................................... 38
2.2.3 Tổng hợp 2,3-decandiol ........................................................................... 43
2.2.4 Tổng hợp 2,3-decandione ............................................................................. 47
Chương 3 THỰC NGHIỆM ...................................................................................... 51
3.1 THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT THÍ NGHIỆM ............................... 51
3.1.1 Thiết bị và dụng cụ ................................................................................... 51
3.1.2 Hóa chất ................................................................................................... 51
3.1.3 Tinh chế một số hóa chất ......................................................................... 53
3.2 TỔNG HỢP CÁC HỢP CHẤT....................................................................... 53
3.2.1 Tổng hợp n-heptyl bromua ....................................................................... 53
3.2.2 Tổng hợp 1-decen-3-ol theo phản ứng Grignard ..................................... 54
3.2.3 Tổng hợp 1,2-epoxy-3-decanol.(3) .......................................................... 54
3.2.4 Tổng hợp 2,3-decanediol.......................................................................... 55
3.2.5 Tổng hợp 2,3-decanedione ....................................................................... 56
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 59
PHỤ LỤC .................................................................. Error! Bookmark not defined.
Mở Đầu
Hiện nay, cây cà phê được trồng tại hơn 75 quốc gia trên thế giới với diện tích trên 10
triệu hecta và sản lượng hàng năm biến động trên dưới 6 triệu tấn. Cà phê là một trong
những thức uống thông dụng toàn cầu, nhu cầu đòi hỏi của người tiêu dùng không ngừng
tăng lên, chưa có những sản phẩm nhân tạo được chấp nhận để thay thế cho cà phê, vì vậy
việc trồng, xuất khẩu, nhập khẩu loại hàng hóa đặc biệt này vẫn có một ý nghĩa kinh tế lớn
đối với nhiều nước, Vấn đề quan trọng cần có nhận thức đầy đủ là: sản phẩm cà phê đem ra
thị trường phải đảm bảo chất lượng.
Ở nước ta, cây cà phê là 1 loại cây công nghiệp có giá trị lớn, và được trồng nhiều ở
vùng Tây Nguyên và đã đem lại nhiều lợi ích cho người dân và góp phần phát triển đất
nước. Tuy nhiên, hiện nay, do tình trạng sâu bệnh phát triển, đặc biệt là sâu đục thân, làm
ảnh hưởng không nhỏ đến năng suất cây trồng tại đây. Sự phun thuốc trừ sâu bừa bãi của
người dân, không theo quy hoạch sẽ làm tàn dư thuốc bảo vệ tăng cao, gây ảnh hưởng
không nhỏ đến sức khỏe người tiêu dùng. Vậy làm thế nào để người dân vừa tiêu diệt được
dịch bệnh mà không ảnh hưởng gì đến sức khỏe người tiêu dùng. Thứ nhất đó là khuyến cáo
người dân phun thuốc bảo vệ thực vật đúng liều lượng, thu hoạch sản phẩm sau khi đã đủ
thời gian ngưng sử dụng thuốc. Thứ hai, dùng 1 phương pháp tiên tiến, hiệu quả hơn đó là
dùng chất dẫn dụ hay còn gọi là pheromone sinh vât. Với việc sử dụng pheromone thì chúng
ta vừa tiêu diệt được sâu hại trên cơ sở dẫn dụ sâu hại đến và tiêu diệt mà không cần phải
phun trực tiếp như các thuốc hóa học thông thường nên không ảnh hưởng gì đến hàm lượng
hóa chất trong cây trồng Pheromone của sâu đục thân cà phê mình trắng Xylotrechus
quadripes có nhiều loại. Chúng tôi chọn tổng hợp 2,3-decanedione, việc đem vào ứng dụng
thực tiễn sẽ có lợi về mặt kinh tế. Từ những yêu cầu trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu
tổng hợp DECAN-2,3-DIONE TỪ ACROLEIN”. Nhằm tạo ra một loại pheromone của sâu
đục thân cây cà phê, từ đó tạo nền tảng để sản xuất pheromone sâu đục thân cây cà phê, áp
dụng vào thưc tế để tăng giá trị kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu tổng hợp decan-2,3-dione –một thành phần pheromone của sâu đục thân
cây cà phê mình trắng, góp phần ứng dụng vào công tác kiểm soát dịch hại mà không gây ô
nhiễm môi sinh, tạo nên một nền nông nghiệp xanh.
Nội dung đề tài
-
Tổng hợp decan-2,3-dione từ những nguyên liệu dễ tìm mua hoặc có thể tổng hợp
được trong điều kiện của Việt Nam như acrolein và heptanbromua.
-
Phản ứng quan trọng là phản ứng ghép Grignard trong dung môi THF, được tiến
hành dưới điều kiện siêu âm nhằm nâng cao hiệu suất và rút ngắn thời gian phản
ứng. Và phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ứng dụng phương pháp và kỹ thuật mới trong tổng hợp hữu cơ như siêu âm trong
tổng hợp pheromone giới tính của sâu đục thân cây cà phê mình trắng (Xylotrechus
quadripes Chevrolat)”, góp phần làm đa dạng và phong phú nguồn chế phẩm có hoạt tính
sinh học phục vụ nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu còn góp phần tìm hiểu sâu hơn về
pheromone decan-2,3-dione, vừa là cơ sở khoa học đồng thời là dữ liệu để ứng dụng trong
việc phòng trừ và kiểm soát dịch hại mà không gây ô nhiễm môi trường.
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 PHEROMONE
1.1.1 Khái niệm
Pheromone là hợp chất dễ bay hơi có hoạt tính sinh học cao lại được tiết ra môi
trường ngoài cơ thể, nhờ không khí vận động mà nó được truyền đến các cơ quan cảm giác
của cơ thể khác để gây nên tác dụng. Chúng được các nhà khoa học nghiên cứu từ thế kỷ
XX. Đến nay đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu sâu và có nhiều ứng dụng.
Karlson và Lüscher (1959) đã đưa ra thuật ngữ pheromone. Thuật ngữ này là một từ
ghép bắt nguồn từ hai chữ Hy Lạp: pherein có nghĩa là mang đi, truyền đi và hormone có
nghĩa là kích thích. [3,4]
Pheromone, theo định nghĩa của Karlson và Lüscher (1959) là một chất được tiết ra
môi trường bên ngoài từ một cá thể và được nhận biết ở một cá thể thứ hai cùng loài, ở đây
xảy ra một phản ứng đặc trưng, thí dụ nó giải quyết những tập tính nhất định hoặc một phản
ứng sinh lý nhất định.[4]
1.1.2 Phân loại [3,4,9,10]
1.1.2.1 Nhóm các pheromone có tác dụng hấp dẫn
Thuộc nhóm này là những pheromone gây nên tác dụng hóa hướng động dương đối
với con vật. Trong nhóm này bao gồm các loại pheromone như sau:
Pheromone tập hợp
Là một loại pheromone có chức năng như một yếu tố để tập hợp các cá thể của cả hai
giới đực và cái. Đặc biệt khi bị tấn công, việc tập hợp rõ ràng mang tính chất bảo vệ cao.
Việc tồn tại các pheromone tập hợp là cần thiết cho nhiều loài côn trùng, đặc biệt những loài
côn trùng sống thành xã hội, nửa xã hội hoặc có quan hệ tạo tổ hay nơi trú ngụ tạm thời.
Pheromone giới tính
Bao gồm các chất do con cái hay con đực tiết ra nhằm hấp dẫn bạn đời. Các loại
pheromone giới tính rất đặc trưng cho từng loài côn trùng và có tác dụng rất mạnh, chúng
đóng một vai trò quan trọng trong đời sống côn trùng. Các pheromone giới tính cũng thuộc
trong hệ thống affine, về hình thức là một sự tập hợp nhưng nội dung lại là những kích thích
làm tăng việc chuẩn bị sẵn sàng giao phối.
Trong những năm gần đây, pheromone giới tính được đặc biệt nghiên cứu mạnh mẽ
không chỉ xác định bản chất sinh học của chúng, mà còn đi sâu phân tích cơ chế tác dụng
sinh lý của chúng cũng như nghiên cứu cách tổng hợp nhân tạo để đưa ra ứng dụng.
Việc sản sinh ra pheromone thường có liên hệ chặt chẽ với hoạt động sinh dục của
con cái. Mặt khác, cường độ phản ứng của con đực đối với pheromone giới tính còn được
thể hiện theo nhịp điệu thời gian nhất định.
Pheromone đánh dấu đường đi hay địa điểm
Pheromone này cũng thuộc vào nhóm các chất có tác dụng thu hút cá thể, thuộc hệ
thống affine, chỉ có một điều khác biệt là “kẻ phát tin” lại không có mục đích cần gắn liền
với “con vật nhận tin”.
Các tín hiệu bằng hóa hoc (pheromone) được để lại trên đường đi (pheromone
đánh dấu đường đi) hay để lại ở một nơi nhất định (pheromone đánh dấu địa điểm).
1.1.2.2 Nhóm các pheromone có tác dụng xua đuổi
Thuộc nhóm này là những pheromone gây nên tác dụng hóa hướng động âm đối với
con vật. Trong nhóm này bao gồm các loại pheromone như sau:
Pheromone báo động
Chất báo động còn được gọi là “chất sơ tán”, chức năng chủ yếu là “báo động”
cho đồng bọn khi có các yếu tố gây nguy hiểm cho chúng từ môi trường ngoài. Chất này
được chủ động tạo ra tùy theo mức độ “bị gây rối loạn” hay sau khi con vật bị thương.
Chúng đặc biệt có ý nghĩa ở những côn trùng sống thành xã hội hoặc sống nửa xã hội.
Pheromone phân tán
Trong khi sự tập hợp đưa đến hệ thống affine thì các yếu tố pheromone phân tán
lại tạo ra hệ thống diffuse, tức là làm cho các cá thể “xa cách” nhau. Ở hàm lượng nhỏ thì
chất này có tác dụng hấp dẫn (appellent), còn khi ở nồng độ cao hơn sẽ hình thành có tính
chất quy luật, một khoảng cách xác định giữa các con vật; còn nếu ở những nồng độ cao
hơn nữa thì chất này là chất gây tác dụng xua đuổi (repellent).
Pheromone xua đuổi và pheromone bảo vệ
Ngược với chức năng của pheromone báo động, pheromone xua đuổi chủ yếu làm
chức năng bảo vệ khỏi sự tấn công và ăn thịt của kẻ thù, đồng thời những chất này cũng
được phân biệt với các chất phân tán điển hình bởi ý nghĩa tác dụng sinh học của nó trong
đời sống con vật. Vì thế, loại hình pheromone này còn được gọi là pheromone bảo vệ.
1.1.3 Cấu trúc pheromone [8,9,10].
Cho đến nay, không phải người ta đã biết đầy đủ cấu trúc hóa học của tất cả các
pheromone đã được tìm ra từ các kết quả thí nghiệm sinh học. Khó khăn cơ bản ở đây là các
pheromone có rất ít trong cơ thể sinh vật. Do vậy, để chiết suất và phân tích chúng hoàn
toàn không dễ dàng. Hầu hết những pheromone đã được nghiên cứu cho thấy chúng là các
rượu, acid mỡ (chủ yếu là acid mỡ đối với mạch carbon có nối đôi); một số khác là các
alkaloid và các dẫn suất của alkaloid.
Về cấu trúc hóa học, cho đến nay mới phát hiện được một số pheromone và căn cứ
vào các dạng cấu trúc hóa học này, bằng phương pháp tổng hợp nhân tạo đã có một số chế
phẩm pheromone được đem ứng dụng vào thực tế của công tác phòng chống côn trùng gây
hại. Mặc dù chỉ với nồng độ ≤ 10-12 g, người ta vẫn xem chúng là một trong những chất có
hoạt tính sinh học mạnh nhất mà con người phát hiện ra. Thành phần hóa học của
pheromone rất đa dạng, có thể là: các hợp chất mạch thẳng chứa một vài nối đôi; các hợp
chất dị vòng; các lactone vòng 5, 6, …. Ngoài ra, còn có các hợp chất có chứa carbon bất
đối xứng, sự hiện diện của các carbon bất đối xứng này khiến cho việc nghiên cứu, cô lập,
tổng hợp cấu trúc của pheromone càng phức tạp hơn. Khi đó hoạt tính dẫn dụ côn trùng
không chỉ phụ thuộc vào công thức nguyên, cấu trúc hình học mà còn phụ thuộc vào độ sạch
quang học của các tâm bất đối xứng.
1.1.4 Những thành tựu trong lĩnh vực tổng hợp pheromone
Trong tổng hợp hữu cơ nói chung, tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học
(pheromone) nói riêng, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu đa dạng phong phú
và được ứng dụng rộng rãi.
Theo tổng kết của K. Mori thì từ giữa năm 1990 đến đầu năm 2003 trên thế giới
người ta đã áp dụng bốn loại phản ứng trong tổng hợp pheromone: thứ nhất là phản ứng cơ
Boran; thứ hai là hóa học cơ kim loại của kim loại chuyển tiếp bao gồm chuyển vị olefine;
thứ ba là epoxide bất đối xứng, hydroxyl hóa bất đối xứng và những quá trình bất đối xứng
khác và cuối cùng là xúc tác sinh học lựa chọn lập thể. [3,8,10].
Tuy nhiên, ngoài những phương pháp trên người ta còn sử dụng các phương pháp khác trong
tổng hợp pheromone đặc biệt là những pheromone bất bão hòa dạng monoene, diene liên hợp hoặc
không liên hợp. Chúng được sử dụng trong những phản ứng tạo nối đôi như: phản ứng Wittig; tạo
hợp chất acetylenic rồi sau đó khử hợp chất acetylenic thành alkene; phản ứng chuyển vị allyl; sử
dụng tác chất lithium cuprate bằng cách tác dụng với hợp chất epoxide hoặc tác dụng với acetylene
hoặc hợp chất dạng acetylenic. Bên cạnh đó các nhà khoa học còn sử dụng ngay cả những chất nền
có sẵn cấu hình (Z) hoặc (E) để tổng hợp.
Cùng với sự phát triển của thế giới, ở Việt Nam lĩnh vực tổng hợp pheromone cũng
có những bước phát triển, nhóm nghiên cứu đi đầu trong lĩnh vực này với sự chủ trì của
GS.TSKH Nguyễn Công Hào đã có những thành tựu đáng kể. Một số công trình nghiên cứu
đã được công bố.
Hormone sâu non: JH-1
COOCH3
JH-1
O
Pheromone và chất dẫn dụ côn trùng như pheromone côn trùng hại rau, côn
trùng hại màu, côn trùng hại cây ăn trái, côn trùng hại rừng.
Ví dụ:
(Z)-11-hexadecenol - pheromone của sâu tơ Plutella xylostella.
(Z)-3-dodecen-1-ol-(E)-2-butenoate
-
pheromone
của
bọ
hà
khoai
lang
Cylasformicarius.
ethyl 4-methyloctanoate - pheromone của kiến vương hại dừa Oryctes rhinoceros L.
(2S,3S)-2-acetoxy-3,7-dimethylpentadecane - pheromone của ong cắn lá thông
Neodiprion lecontei.
1.1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone trên thế giới
Hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng pheromone đã phát triển mạnh
mẽ và phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tại Anh, Pháp, Đức, Mỹ nhiều
sản phẩm pheromone tổng hợp đã được sử dụng và công nghiệp hóa gần 20
năm nay, chủ yếu là để phát hiện và dự tính dự báo. Riêng tại Pháp,
pheromone tổng hợp đã được sử dụng để dự tính dự báo trên 25 loài côn
trùng gây hại phổ biến cho nhiều loại cây trồng. Đặc biệt, pheromone giới
tính của hơn 20 loài bướm đã được thương mại hóa dưới hình thức chất quấy
rối sự bắt cặp.
Ngày nay, trên thế giới việc cung ứng pheromone trong việc quản lý côn trùng gây
hại ngày trở nên phổ biến và đa dạng hơn với nhiều hướng khác nhau như:
Phát hiện sự hiện diện và xác định vùng nhiễm côn trùng: Việc sử dụng
pheromone trong chiến lược quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) cho việc kiểm dịch thực vật
trước khi nhập nội một loại cây trồng mới là điều cần thiết và phù hợp với xu hướng hiện
nay của thế giới. Đây là biện pháp ngăn ngừa sự xâm nhập các loài côn trùng gây hại từ
nước ngoài vào trong nước, hoặc lây lan giữa các vùng trong nước và là công việc hết sức
quan trọng của bất cứ một quốc gia nào. [13].
Sử dụng làm công cụ khảo sát sự biến động quần thể: Pheromone giới tính của
cá thể cái có tác dụng hấp dẫn mạnh mẽ đối với cá thể đực trong cùng một loài. Do đó, việc
sử dụng chúng như là một công cụ theo dõi sự xuất hiện và đánh giá mức độ biến động mật
số quần thể gây hại trong chiến lược quản lý dịch hại tổng hợp (IPM) là hết sức cần thiết.
Sử dụng làm công cụ phòng trị bằng biện pháp bẫy tập hợp: Biện pháp sử dụng
bẫy pheromone làm bẫy tập hợp đã được nghiên cứu và áp dụng trên 98 loài côn trùng gây
hại, trong đó có 45 loài thuộc Bộ cánh vẩy, 39 loài thuộc Bộ cánh cứng và một số loài thuộc
những Bộ khác.
Quấy rối sự bắt cặp: Cho đến nay, đã có khoảng 140 loài côn trùng gây hại được
quản lý nhờ áp dụng biện pháp quấy rối sự bắt cặp. Trong đó, Bộ cánh vẩy chiếm đa số với
121 loài, Bộ cánh cứng 9 loài.
1.1.6 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng pheromone ở Việt Nam
Ở Việt Nam, pheromone giới tính là một lĩnh vực tương đối mới với số lượng nghiên
cứu còn hạn chế. Tại Đồng Bằng Sông Cửu Long, thử nghiệm ngẫu nhiên ngoài đồng đã
xác định được chất hấp dẫn giới tính của 19 loài bướm. Trong đó, có 4 loài bướm thuộc họ
Noctuidae, họ phụ Plusiinae là những loài bướm sâu hại rau màu. Diễn biến mật số quần thể
của 3 trong 4 loài bướm này đã được ghi nhận.
Tại Hải Dương, thí nghiệm đặt 400 bẫy pheromone/hecta cho thấy khả năng khống
chế sâu tơ (Plutella xylostella Linnaeus, Lepidoptera: Plutellidae) và sâu ăn tạp (Spodoptera
litura Fabricius, Lepidoptera: Noctuidae) mà không cần phải phun thuốc trừ sâu.14 Những
kết quả trên cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng pheromone giới tính trong phòng trị sâu
hại theo hướng hạn chế hoặc thay thế thuốc trừ sâu hóa học ở Việt Nam. Các thí nghiệm về
khả năng hấp dẫn của pheromone đối với một số đối tượng sâu hại trên rau hoa thập tự, cà
chua, nho, hành tây, hành ta, dưa hấu, lạc và vải thiều được tiến hành tại Hà Nội, Bắc Ninh,
Bắc Giang, Hải Phòng và nhiều địa phương khác (diện tích mỗi điểm triển khai 5-10
hecta/vụ). Kết quả ghi nhận số lượng bướm sâu tơ (Plutella xylostella), sâu ăn tạp
(Spodoptera litura), sâu xanh (Helicoverpa armigera) và sâu xanh da láng (Spodoptera
exigua) vào bẫy khá lớn (125,8-139,2 con/bẫy/ngày), riêng sâu đục cuống quả vải (Camellia
sinensis) thì rất ít (7,6 con/bẫy/ngày). Năm 2003 đã triển khai áp dụng với tổng diện tích
656,8 hecta tại 9 tỉnh trong cả nước, phòng trừ 6 loại sâu trên 7 loại cây trồng là rau hoa
thập tự, hành tây, cà chua, lạc, dưa hấu, nho và vải thiều. Trong đó, cây trồng áp dụng
pheromone lớn nhất là rau hoa thập tự với tổng diện tích 245 hecta.14
1.2 PHẢN ỨNG GRIGNARD
1.2.1 Phản ứng Grignard
Phản ứng Grignard được biết đến đầu tiên vào năm 1899, do Barbier
nghiên cứu [32]. Khi đó, Barbier thực hiện phản ứng giữa xeton với magie
kim loại có mặt iodometan trong eter tạo ra alcol. Đến năm 1900, phản ứng
này mới được nghiên cứu kĩ về quá trình tạo tác chất cũng như sự ghép cặp
của chúng và được công bố bởi Victi Grignard (học trò của Barbier). Với
những ứng dụng và phát triển rộng rãi trong việc nối dài mạch cacbon đã giúp
V. Grignard nhận giải thưởng Nobel vào năm 1912. Ngày nay,
phản ứng
Grignard đóng vai trò hết sức quan trọng trong hóa học hữu cơ nói chung và
tổng hợp hữu cơ nói riêng.
1.2.2 Tác chất Grignard
1.2.2.1 Điều chế và tính chất
Tác chất Grignard (RMgX) được điều chế từ dẫn xuất halogenur alkyl (RX) với
Magie kim loại (Mg0) trong dung môi eter hoặc THF.
R X + Mg
eter hay THF
R MgX
Trường hợp trong quá trình điều chế tác chất grignard là sự tự ghép của RX tạo ra
hợp chất tương ứng R – R. Về bản chất, tác chất Grignard rất khó phản ứng với alkyl
halogenur, trừ các halogenur có hoạt tính mạnh như iodometan, allyl halogenur, benzyl
halogenur. Để tránh trường hợp này, trong quá trình tạo tác chất cần nhỏ giọt chậm dung
dịch halogenur vào Mg kim loại.
Về cơ chế, phản ứng tạo tác chất Grignard xảy ra theo cơ chế gốc tự do. [31]
2R X +
Mg
R R + MgX2
+ MgX2
2
MgX
MgX
R
+
R X +
R
Mg
+
MgX
MgX2
R Mg X
Điều quan trọng nhất của tác chất Grignard là sự trái ngược giữa liên kết C–X và
C–Mg–X. Một liên kết C–X thông thường thì cacbon có tính thân điện tử, còn trong tác chất
Grignard, cacbon lại có tính thân hạch. Vì thế, tác chất Grignard đóng vai trò như một
cacbanion, có tính bazo rất mạnh (pK a = 25 – 40). Trong tất cả các loại tác chất Grignard thì
metylmagiesium halogenur mạnh nhất, còn tác chất Grignard của vinyl và allyl yếu nhất.
Trong khi đó, tính bazo của RMgCl lại mạnh hơn RMgBr.
1.2.2.2 Ảnh hưởng của dung môi
Hiện nay, người ta vẫn biểu diễn dẫn xuất Grignard dưới dạng R – Mg – X. cấu tạo
thực của chúng phức tạp hơn nhiều. [9] Trong dung dịch, tác chất Grignard không những
tồn tại dạng monomer (RMgX) mà luôn xuất hiện một cân bằng giữa monomer, dime và
trimer. Tùy theo loại dung môi mà nồng độ chúng cao hay thấp. Dạng monomer chiếm ưu
thế khi ở nồng độ thấp tỏng dung môi nucleophin và đối với dẫn xuất bromua, iodua. Khi
tăng nồng độ hợp chất cơ magie đối với dẫn xuất clorua thì chúng chuyển sang dạng dime
(R 2 Mg 2 X 2 ) và polime. Trong dung dịch của hợp chất cơ magie trong ete có sự cân bằng
giữa một số dạng khác nhau với các liên kết cộng hóa trị, liên kết ion và liên kết phức:
X
R Mg
X
Mg R
2R MgX
R2Mg
R
R Mg +
RMgX2
R
Mg
+ MgX2
X
Mg
X
Tác chất Grignard có thể được điều chế với 3 dung môi khác nhau: eter,
tetrahidrofuran (THF) và trietylamin. Ứng với mỗi dung môi, chúng cho cấu trúc hóa học
khác nhau.
Với ether, tác chất Grignard có thể tồn tại tất cả các dạng cân bằng kể trên. Trong đó,
trạng thái monomer tồn tại chủ yếu ở dạng RMgX cùng với lượng nhỏ R 2 Mg + MgX 2 . Phần
còn lại chúng kết hợp với nhau tạo thành dime và trimer với nồng độ trên 0,3M. Do đó,
dung dịch eter của tác chất Grignard thường rất ổn định trong môi trường khí trơ. Thật vậy,
một dung dịch eter của CH 3 MgI 2N được bảo quản kín khí có thể giữ trên 20 năm mà nồng
độ của chúng không thay đổi.
Trong THF, sự kết hợp xảy ra rất ít, dạng chủ yếu tồn tại hai dạng monomer RMgX
và R 2 Mg + MgX 2 với hàm lượng tương đương.
Trong trimethylamin, phản ứng Grignard rất ít được thực hiện, chỉ dùng với các
alkyl halogenur đơn giản.
Ngoài ra, người ta còn sử dụng dung môi hidrocacbon nhưng phản ứng của alkyl
halogenur và magie kim loại phải được thực hiện ở nhiệt độ trên 1000C. Chúng tồn tại chủ
yếu ở dạng R 2 Mg + MgX 2 và dạng kết hợp nhiều phân tử với nhau.
1.2.3 Phản ứng ghép cặp Grignard[2,9]
1.2.3.1 Các loại phản ứng ghép cặp Grignard
Tác chất Grignard có thể phản ứng với các hợp chất sau:
-
Oxi
-
Lưu huỳnh
-
Cacbon disulphid
-
Sulfur dioxid
-
Hợp chất alkyl halagenur
-
Hợp chất cacbonyl: aldehit, ceton, ester, clorua acid, amid.
-
Hợp chất chứa hidro hoạt động mạnh: H 2 O, ROH, NH 3 , RNH 2 .
-
Hợp chất epoxid.
-
Hợp chất cacbon dioxid
Trong khi đó, xúc tác Li 2 CuCl 4 ( được điều chế từ LiCl và CuCl 2 trong THF) cũng
được sử dụng trong phản ứng ghép cặp giữa tác chất Grignard và alkyl halogenur. Tolstikov
và các cộng sự đã tổng hợp thành công từ một alkyl halogenur phức tạp là
1–bromo–4–pentadecen với isobutylmagnesium bromur với hiệu suất trên 80%.
MgBr
Br
n-
C7H15
Li2CuCl4, THF
n-
C7H15
Tác chất cơ đồng RCu tạo thành có hoạt tính yếu hơn tác chất Grignard (đồng có điện
tích dương yếu hơn magie). Với tác chất Grignard có gốc R nhỏ (metyl, etyl) thì sự cộng
vào hợp chất cacbonyl liên hợp ( C = C – C = O) theo kiểu 1:2. Trong trường hợp có muối
Cu(I) làm xúc tác thì phản ứng xảy ra theo cơ chế 1:4 như các ví dụ dưới đây:
O
OMgBr
CH3MgBr, CuCl, Et2O
H3C
CH3
1:2
CH3MgBr, Et2O
HO
H2O
O
CH3
H3C
H3C
CH3 H C
3
H3C
CH3
CH3
H3C
CH3
H3C
H3C
1:4
H3C
CH3
CH3
CH3
H3C
1.3 Phản Ứng Epoxy Hóa
Epoxit là ete vòng ba cạnh, thường gọi là oxiran. Epoxit là chất trung gian trong tổng hợp
hữu cơ, được dùng để chuyển ankel thành các nhóm chức khác nhau. Alken được chuyển thành
epoxit bằng peoxiaxit (peaxit). [9]
C C
+ R C O O H
CH2Cl2
+ R C OH
C C
O
O
O
Epoxi hóa anken rõ ràng là phản ứng oxi hóa vì số nguyên tử oxi được cộng vào nối
đôi. Peaxit là tác nhân oxi hóa chọn lọc cao. Một số peaxit thường gặp như là axit peefomic
HCOOH, axit peaxetic CH 3 COOOH, axit pebenzoic C 6 H 5 COOOH. Peaxit epoxy hóa
anken là quá trình một giai đoạn, trong đó đồng thời một vài liên kết bị đứt ra và hình thành
một vài liên kết khác, không có sự tham gia của ion trung gian kiểu cation
hidroxyl OH+.
C
C
alken
R
O
C
O
H O
peaxit
C
C
O
O C R
H O
Trạng thái chuyển tiếp
C
O + R C OH
C
O
epoxit
axit
Hiện nay, người ta thường dùng axit m-clopebenzoic để epoxi hóa. Axit này bền khi
bảo quản trong thời gian dài (đến 1 năm) và hoàn toàn không nguy hiểm khi sử dụng và
hiệu suất oxiran tương đối cao.
CH2Cl2
+
COOOH
COOH
O +
0oC
Cl
Cl
Ngoài epoy hóa ankel dùng tác nhân peraxit. Tuy nhiên để epoxy hóa allyl ancol thì
người ta hay sử dụng phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless.
Phản ứng epoxy hóa Sharpless là phản ứng hữu cơ được dùng để chuyển đổi allyl
ancol đến expoxy ancol sử dụng xúc tác Titanium(IV) isopropoxide, tert–butyl hydroperoxit
(TBHP) và đietyl tactrat (DET) hoặc Điisopropyl tactrat (DIPT).
R2
(-)-DET
R3
R2
Ti(OiPr)4,
OH
O R3
t - BuOOH
R1
CH2Cl2, -20oC
(+)-DET
R2
R1 O
OH
(+)-DET =
OH
R1
EtO2C
CO2Et
OH
(2R,3R)-diethyl 2,3-dihydroxysuccinate
Cấu trúc Ti(OiPr) 4 có thể là:
(+)- và (-)-DIPT, diisopropyl tactrarte cũng có thể
được sử dụng và nhiều khi dẫn đến độ chọn lọc cao hơn.
Cơ chế xảy ra có thể tóm tắt như sau: [24,40]
R3
OH
Sơ đồ 1: cơ chế phản ứng epoxy hóa bất đối xứng Sharpless
Tuy nhiên phản ứng xảy ra thường không hoàn toàn, quy trình xử lí thu sản phẩm
thường phức tạp và khó khăn. Trong đó điều kiện phản ứng cũng khắc nghiệt, cần nhiệt độ
thấp (dùng đá khô). Và phải chống ẩm tốt, đặc biệt là xúc tác Titan (IV) isopropoxit rất dễ
hút ẩm và khi đó chức năng xúc tác không còn nữa.
1.4 Phản Ứng Khử Các Epoxit (oxiran) Bằng Lithi Nhôm Hidrua
Cấu trúc của phân tử Lithi nhôm hidrua.[44]
Các phản ứng của lithi nhôm hidrua
Sơ đồ 2: các phản ứng của Lithi Nhôm Hidrua
-
Khử epoxit (oxiran) đến ancol [9]
Dưới tác dụng của LiAlH 4 trong ete hoặc THF, các epoxit được chuyển thành ancol.
Phản ứng bao gồm sự tấn công nucleophin ion hidrua vào nguyên tử cacbon ít bị thế nhất
hoặc không bị án ngữ không gian để tạo thành ancol bậc hai hoặc bậc ba.
1)LiAlH4, ete
C6H5HC CH2
O
C6H5HC CH3
2) H3O+
OH
H3C O H 1)LiAlD4, ete
C C
H3C
CH
3
2) H3O+
HO H
H3C C C
CH3
H3C
D
Phản ứng mở vòng epoxit xảy ra do sự tấn công axial của ion hidrua
H
(H3C)3C
1)LiAlH4, ete
O
2) H3O
(H3C)3C
+
OH
1.5 Các Phản Ứng Đehidro Hóa Và Oxi Hóa Ancol [9]
Khi cho hơi ancol có bậc khác nhau đi qua xúc tác kim loại đồng kim loại ở 3000C,
chúng có sự khử khác nhau.
Các ancol bậc 1 và bậc 2 có thể bị đehidro hóa hoặc oxi hóa thành andehit hoặc xeton
tương ứng, trong khi đó các ancol bậc ba lại bị đehidro hóa thành ankel. Người ta thường
dùng các phản ứng đó để phân biệt các ancol có bậc khác nhau.
R CH2 OH
ancol bâc 1
Cu, toC
-H2
O
R C
H
aldehid
O
Cu, toC
R
R C
CH OH
R
R
-H
ancol bâc 2
2
xeton
R
Cu, toC
R CH2 C OH
-H2
R
R
R C C
R
H
alken
ancol bâc 3
Phản ứng oxi hóa ancol bằng oxi chỉ dùng trong công nghiệp. Axit Cromic là tác
nhân tốt nhất cho việc oxi hóa ancol bậc 2 thành xeton trong điều kiện phòng thí nghiệm.
R CH R'
OH
Na2Cr2O7/H2SO4
R C R'
O
Ví dụ:
H
OH
xiclohexanol
O
Na2Cr2O7/H2SO4
xiclohexanon (90%)
Axit cromic được điều chế bằng cách hòa tan natri đicromat (Na 2 Cr 2 O 7 ) trong hôn
hợp axit sunfuric và nước. Tác nhân hoạt động trong hỗn hợp có thể là axit cromic, H 2 CrO 4
hay là ion cromat axit, HCrO 4 -. Thêm crom oxit (CrO 3 ) vào H 2 SO 4 , ta cũng thu được kết
quả tương tự.
Tương tự như nhiều phản ứng khác, cơ chế phản ứng oxi hóa ancol bằng Cr(VI) xảy
ra theo nhiều giai đoạn. Thí dụ phản ứng oxi hóa propan-2-ol thành axeton bằng axit cromic
(H 2 CrO 4 ), giai đoạn ban đầu là sự tạo thành este cromat:
CH3
O
H3C C OH + HO Cr OH
H
O
Propan-2-ol
Axit Cromic
CH3 O
H3C C O Cr OH
H
O
Este cromat
+
H2O
- Xem thêm -