Bài giảng Hóa hữu cơ 2 - Chương 9: Andehit-Xeton

HÓA HỮU CƠ 2 Feb. 2011Chương 9. Hợp chất Carbonyl Chương 10. Enol và EnolatChương 11. Axit Cacboxylic và các dẫn xuấtChương 12. AminChương 13. Hợp chất dị vòngChương 14. Axit amin, peptit và proteinChương 15. CacbohidratHọc liệu cần có:Phan Tống Sơn, Trần Quốc Sơn, Đặng Như Tại, Cơ sở Hóa Hữu cơ, T.2, NXB ĐH&THCN, 1980. Ngô Thị Thuận, Hóa học Hữu cơ (phần bài tập), NXB KHKT, Hà Nội, 1999.H. Beyer, W. Walter, Hóa học Hữu cơ (dịch), ĐHKHTN HN,2008Chương 9 ANDEHIT-XETON Nội dungTên gọiĐiều chế Đặc điểm cấu trúc Phản ứng hóa hpojcTên gọiAndehit: Tiếp vĩ của nhóm chức = -al Xeton: Tiếp vĩ của nhóm chức = -on  Tiếp đầu của nhóm chức = -oxo andehit ưu tiên .. hơn xeton.   Viết công thức của các hợp chất sau:Bromoacetone 3-methyl-2-butanone3,5-Dinitrobenzandehyde3,5-dimethylcyclohexanoneCấu trúcNhóm carbonyl group, C=O bao gồm nguyên tử O liên kết với Csp2 qua liên kết σ và . Nhóm C=O và hai nguyên tử khác gắn vào C nằm trên cùng mặt phẳng với góc liên kết gần .. Liên kết C=O là . (do sự độ âm điện của các nguyên tử khác nhau). Mặc dù các hợp chất cacbonyl không tạo liên kết hidro với nhau, nhưng nhóm C=O có thể . từ các liên kết cho hidro (như nước, ancol). Hệ quả của việc tạo liên kết hidro:Điểm nóng chảy và điểm sôi .. so với các alkanes đồng đẳng tương ứng.Điểm sôi . hơn các ancol tương ứng.Tính tan hơn các ankan nhưng kém tan hơn các ancol trong môi trường nước.Khả năng phản ứngMật độ electron của metanal (fomandehit) chỉ ra dưới đây.  Nguyên tử O trong nhóm C=O là vùng (đỏ) có cao do có cặp electron tự do. Nguyên tử C trong nhóm C=O là vùng (xanh) có . thấp. Khả năng phản ứng của andehit và xeton có thể giải thích qua các của chúng:Kiểu phản ứng của andehit và xeton là nucleophin tấn công vào nguyên tử cacbon carbonyl có tính electrophin.Hai yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của >C=OHiệu ứng electron của nhóm thế. Ankyl là nhóm cho electron yếu nên làm giảm tính của C trong nhóm carbonyl. Nói chung, khả năng phản ứng với nucleophil xếp theo thứ tự: aldehydes > ketones Kích thước nhóm thế gắn ở nhóm C=O. Các nhóm lớn về mặt không gian . sự tấn công của Nu. Ảnh hưởng không gian của các andehit và xeton như sau:  methanal > ethanal > propanone > di-t-butyl ketone.Phương pháp điều chế1. Ozon phân Anken Tác nhân : ozon, O3  tiếp theo khử với Zn/CH3COOH.  Có thể xem quá trình này như sự phân cắt anken thành hai carbonyl.Nhóm thế trên nhóm C=O phụ thuộc vào các nhóm thế trên C=C. Viết các sản phẩm của phản ứng ozon phân các anken sau:  (a) eten ?  (b) 1-buten ?  (c) 2-buten ?  (d) 2-methylpropen ?  2. Hydrat hóa Ankin Ankin có thể hydrat hóa để cho enol rồi ngay lập tức bị . hóa cho xeton:Tác nhân: dd axit, thường dùng H2SO4, với muối thủy ngân. Chọn lựa vùng tuân theo qui tắc Markovnikov. Phản ứng xẩy ra qua bước proton hóa để cho carbocation trung gian bền hơn. 3. Oxi hóa Ancol bậc một và bậc haiTác nhân phổ biến dùng để oxi hóa ancol Trong môi trường nước các Ancol bậc 1 bị ôxi hóa thành axit carboxylic.PCC hay PDC (dùng trong diclorometan) cho phép oxi hóa ancol bậc 1 dừng ở bước tạo ra .. 1o ancol      andehitAncol bậc 2 có thể bị oxi hóa đến .., không xẩy ra tiếp: 2o ancol      xeton Ancol bậc 3 không thể oxi hóa (không có C-H carbinol). 3o ancol 4. Axyl hóa benzen (Friedel-Crafts) Tác nhân : thông thường dùng axyl halogenua (RCOCl) với triclorua nhôm, AlCl3. Tiểu phân Electrophin: Cation axyl hay ion axylium (RCO+ ) được tạo thành do “loại" halogenua nhờ xúc tác axit Lewis, AlCl3. Ion axylium được bền hóa nhờ sự cộng hưởng như sau: Phản ứng hóa họcDưới đây là danh sách tổng quát các phản ứng của andehit và xeton. 1. Phản ứng với "H":Khử hóa thành HydrocarbonsKhử hóa bằng hidrua thành Ancol2. Phản ứng với C-Nucleophin:Phản ứng với HCNPhản ứng với cơ kimPhản ứng với Wittig 3. Phản ứng với N-Nucleophin :Amin bậc 1 và các dẫn xuất Amin bậc 24. Phản ứng với O-Nucleophiles:Tạo thành HydratTạo thành axetal / xetal 5. Phản ứng Oxi hóaOxi hóa AndehitPhản ứng Baeyer-Villager   Cơ chế cộng NucleophinPhản ứng cộng Nucleophilic rất quan trọng bởi vì nó chuyển hóa nhóm C=O thành các nhóm chức quan trọng khác. Ở phản ứng này, một nucleophin, Nu-, giàu electron sẽ phản ứng với một tiểu phân nghèo electron (ở đây là C=O). Phản ứng khử Khử hóa thành HydrocarbonKhử hóa Clemmensen (môi trường axit) Zn(Hg) trong HCl khử C=O thành -CH2- Khử hóa Wolff-Kishner (môi trường bazơ) NH2NH2 / KOH / ethylen glycol (dung môi)  khử C=O thành -CH2- Tổng quan Các phương pháp khử này .. được C=C , C≡C hoặc -CO2H. Lựa chọn phương pháp nào dựa trên nhóm chức bền trong môi trường axit hay bazơ.b. Khử hóa Aldehit và xeton bằng HiđruaPhản ứng thường thực hiện trong Et2O hoặc THF, tiếp theo xử lí với H3O+. Andehit và xeton rất dễ bị khử với các tác nhân hiđrua.  Nhóm carbonyl, C=O trong andehit hay trong xeton cho alcohols. Các tác nhân khử LiAlH4 và NaBH4 cung cấp nguồn ion hidrua. Có tất cả 2 nguyên tử H được cộng vào C=O để cho H-C-O-H. Nhóm thế trên carbonyl sẽ cho biết bản chất của sản phẩm ancol.  Khử metanal (formandehit) cho metanol.  Khử các andehit khác cho ancol bậc 1.  Khử xeton cho ancol bậc 2.Xử lí axit chuyển muối ankoxit trung gian thành ancol mong muốn. 2. Phản ứng với C-Nucleophina. Tạo ra xyanohydrinHCN là axit khá yếu, rất độc. Phản ứng thường tiến hành khi dùngNaCN hoặc KCN với HCl. Nhóm -C≡N là tác nhân nucleophin tốt.Nhóm Xyano, -CN cộng vào andehit và xeton để cho xyanohydrin.Nhóm cyano có thể chuyển thành các nhóm chức khác quan trọng như -CO2H hoặc -CH2NH2. b. Phản ứng với RLi và RMgX Phản ứng của cơ Liti hoặc của tác nhân Grignard với nhóm carbonyl, C=O thông thường được thực hiện trong Et2O hoặc THF.Xử lí với axit H3O+ chuyển ankoxit kim loại trung gian thành ancol mong muốn. Nhóm thế trên carbonyl chỉ ra bản chất của sản phẩm ancol.  Cộng vào formandehit cho ancol bậc 1. Cộng vào andehit khác cho ancol bậc 2. Cộng vào xeton cho ancol bậc 3. c. Phản ứng Wittig Phản ứng Wittig là phương pháp quan trọng để tổng hợp các anken.     ylid     aldehyde or ketone    alkene Nối đôi anken được tạo thành chính ở vị trí .. ban đầu của andehit hoặc xeton. Ylids là các phân tử trung hòa nhưng có các tâm (+) và (-) nằm các nguyên tử cạnh nhau. Ylid được điều chế qua hai bước: Phản ứng SN2 giữa triphenyl phosphin và một ankyl halogenua, tiếp theo là xử lí với một bazơ mạnh như tác nhân cơ liti.  3. Phản ứng với N-Nucleophilesa. Phản ứng với Amines bậc 1 Amin bậc 1, R-NH2 hoặc ArNH2, tham gia cộng nucleophin addition với andehit hoặc với xeton cho .., và sau đó bị dehydrat hóa cho imin thế. Carbinolamines: RR’C(OH)-NHR”Phản ứng thường được thực hiện trong dung dịch đệm axit để hoạt hóa nhóm C=O  làm thuận tiện cho việc dehydrat hóa nhưng không ức chế nucleophin. imine  Phản ứng cộng ...Câu hỏi: Tại sao khi tiến hành phản ứng không được dùng nucleophin- amin trong môi trường axit mạnh?   vô hoạtCác hợp chất có dạng chung Z-NH2 khi tham gia loại phản ứng nàycó thể dùng để nhận dạng andehit và xeton.  Còn gọi là phản ứng tạo bazơ Schiff (hợp chất nhóm chức C=N). ZNH2 + RR’C=O  RR’C=NZ + H2OPhản ứng của các dẫn xuất amin bậc1  Phản ứng của 2,4-dinitrophenylhydrazin (2,4-DNP, tác nhân Brady's) cho sản phẩm kết tủa có màu từ vàng đến đỏ. b. Phản ứng của Amin bậc 2 Amin bậc 2, R2NH, phản ứng với andehit hoặc xeton cho carbinolamin, và sau đó dehydrat hóa cho enamin. Carbinolamin khi bị dehydrat hóa chỉ có thể tách loại để cho C=C vì .. N-H ở phân tử carbinolamin. Sản phẩm được gọi là enamines vì chúng là "anken amin".  Phản ứng cộng thuận nghịch.Enamin là tác nhân hữu ích trong tổng hợp hữu cơ và các chuyển hóa sinh hóa. Bài tập Khử hóa bởi phức kim loại Hydrua Khử hóa Wolff-Kishner Khử hóa Clemmensen Tạo Enamine4. Phản ứng với O-Nucleophina. Tạo Hydrat Andehit và xeton phản ứng với nước cho 1,1-geminal diols hay còn gọi là hidrat.                                                    hidrat Nói chung, các hidrat .. để phân lập do cân bằng chuyển ngược về chất đầu.  Phản ứng cộng thuận nghịch.b. Phản ứng với Ancol tạo ra Axetal Hemi-axetal       axetal Tác nhân : ROH dư, xúc tác axit p-toluensunfonic (thường viết TsOH) đun hồi lưu trong benzen. Andehit và xeton phản ứng với hai mol ancol cho 1,1-geminal dieter, thường gọi là axetal. Đúng ra, thuật ngữ "axetal" được dùng cho dẫn xuất từ andehit còn từ “xetal" được dùng cho các chất từ xeton, nhưng ngày nay “axetal” thường được dùng cho cả hai.  Phản ứng cộng thuận nghịch. Chuyển cân bằng về phía tạo axetal bằng cách dùng l .. ancol và/hoặc loại đi nước tạo thành. Các axetal có tầm quan trọng về mặt sinh học đặc biệt trong hóa học carbohydrat. Các axetal cũng rất quan trọng trong hóa học với vai trò là “nhóm bảo vệ”.Cũng có thể dùng 1,2- hoặc 1,3-diol để tạo ra axetal vòng: Có thể dễ dàng chuyển ngược Axetal về andehit hoặc xeton bằng cách đun nóng với dung dịch axit. Bài tập Nếu sản phẩm tạo thành từ các chất phản ứng không quang hoạt, có tâm bất đối (ví dụ #1, 3 & 4) thì chúng luôn là hỗn hợp các đối quang. Dưới đây là hai ví dụ về cộng tác nhân cơ kim vào hợp chất carbonyl.Ở ví dụ đầu dẫn xuất kim loại kiềm của ankin-1 (nối ba ở cuối mạch) phản ứng theo cách giống như ankyl liti và tác nhân Grignard . Ví dụ hai minh họa cách sử dụng axetal làm nhóm bảo vệ khi phản ứng với nucleophin mạnh. Tiếp theo thủy phân xúc tác axit axetal thu được 4-hydroxyandehit tồn tại cân bằng với dạng hemiaxetal vòng của nó.5. Phản ứng oxi hóaa. Oxi hóa Andehit Andehit, RCHO, có thể bị oxi hóa đến axit carboxylic, RCO2H. Xeton không bị oxi hóa ở dưới các điều kiện này vì chúng không có H cần để loại bỏ để phản ứng xẩy ra. Tác nhân oxi hóa dùng trong dung dịch nước: Cr (VI), Mn(VII) : b. Phản ứng Baeyer-Villager Xeton, RCOR', có thể bị oxi hóa bởi peraxit cho este, RCO2R'. Có thể xem phản ứng này như .. O vào một trong các liên kết C-C nằm cạnh nhóm carbonyl. Xeton vòng cho este vòng hay còn gọi là lacton. lactone Ở trường phân tử bất đối: nhóm ankyl thế nhiều hơn sẽ bị di chuyển: 3o R > 2o R > 1o R > -CH3 Ở ví dụ này nhóm ethyl bậc 1 bị .. ưu tiên hơn nhóm methyl. Kết thúc HC Carbonyl