Bài giảng Dẫn chất halogen và hợp chất cơ kim

10: Dẫn chất halogen & hợp chất cơ kim 2. Hoá học Hữu cơ, tập 1. Trường Đại học Dược HN, 2004. tr. 213-237 1. Dẫn chất halogen 1.1. Định nghĩa D/c có n/tử halogen LK trực tiếp với n/tử C. R H R X(Ar H) (Ar X) hydrocarbon dÉn xuÊt halogen (X = F, Cl, Br, I) 1.2. Phân loại - Theo gốc hydrocarbon: + halogenoalkan C2H5Cl + halogenoalken CH2=CHCl - 3 - + halogenoalkyn CH=C-Cl + halogenocycloalkan (cycloalken) + halogenoaren C6H5Br - Theo số n/tử halogen: + d/c monohalogen CH3Cl + dihalogen CH2Cl2 + polyhalogen CCl4 - Theo bậc n/tử C có n/tử halogen gắn vào: d/c halogen bậc 1, 2, 3 CR H H X CR R H X CR R R X 1.3. Danh pháp & đồng phân 1.3.1. Danh pháp Danh pháp IUPAC: *Ng/tắc: - coi n/tử X là nhóm thế (vị trí & tên đặt lên đầu) - chọn mạch C dài nhất có n/tử X gắn vào, đánh số sao cho n/tử X có chỉ số nhỏ nhất. Gọi tên theo thứ tự: Số chỉ vị trí & tên X + Số chỉ vị trí & tên mạch nhánh + Tên hydrocarbon tương ứng với mạch chính VD: CH3 CH2 CH Cl CH CH3 CH2 CH3 1 2 3 4 5 6 3-cloro-4-methylhecxan Danh pháp thông thường: Tên gốc của hydrocarbon & tên halogenid VD: - 4 - CTCT D/pháp IUPAC D/pháp thông thường CH3 CH2 Br bromoethan ethyl bromid CH2 CH Cl cloroethen vinyl clorid CH3 CH2 CH CH3 Cl 2-clorobutan sec-butyl clorid CCH3 CH3 CH3 I 2-iodo-2- methylpropan tert-butyl iodid Br bromocyclohexa n cyclohexyl bromid Cl clorobenzen phenyl clorid I 2-iodonaphtalen -naphtyl iodid 1.3.2. Đồng phân Cấu tạo của mạch C & vị trí X VD: hợp chất CTPT C4H9Cl có các ĐP: CH3 CH2 CH2 CH2 Cl CH3 CH2 CH CH3 Cl CH3 CH CH3 CH2 Cl CH3 C CH3 CH3 Cl D/c thơm: vị trí X trên nhân thơm, VD: hợp chất CTPT C7H7Br CH3 Br CH3 Br CH3 Br CH2 Br 1.4. Điều chế 1.4.1. Từ hydrocarbon a. T/dụng trực tiếp X với hydrocarbon no (to cao) - 5 - CH3CH2CH2CH3 Cl2 250 - 400oC CH3 CH2 CH2 CH2Cl CH3 CH2 CH CH3 Cl + S/p tách riêng bằng PP cất phân đoạn b. Từ alken & alkyn: - Cộng hợp HX, X2: C C C C H X C C X X C C C C X X XX HX X2 + X2 S/p là d/c mono, di, tetra halogen - Halogen hoá allylic (dẫn chất thế): C C C H C C C Br NBS h hoÆc peroxyd N-bromosuccinimid (NBS) CH2 CH CH2 CH2 CH CH2 c. Halogen hoá trực tiếp hydrocarbon thơm: Ar H Ar X+ +X2 HX acid Lewis Br + +Br2 HBr Fe to  CH3 CH2Cl CHCl2 CCl3Cl2, h - HCl Cl2, h - HCl - HCl  benzylclorid benzalclorid benzoclorid d. Từ muối diazoni (phản ứng Sandmeyer): - 6 - Ar N2X Ar F Ar Cl Ar Br Ar I BF4- CuCl CuBr I- -+ VD: CH3 N2Cl CH3 ClCuCl + N2 o-tolyldiazoniclorid o-clorotoluen -+ NH2 I 1. NaNO2, H2SO4, H2O 2. KI, H2O 1-phenantrylamin 1-iodophenantren 1.4.2. Từ alcol Sử dụng tác nhân halogen hoá: HX, PCl5, PI3, SOCl2 VD: R OH R OH R Cl R OH R ClRO S Cl O R OH R I + HX ZnCl2 khan to + HOH + PCl5 + POCl3 + HCl + PI33 3 + H3PO3 (hoÆc P + I2) + SOCl2 pyridin - HCl + SO2 XR 1.4.3. Từ h/c carbonyl (aldehyd, ceton) C O C X X PX5 + POX3 S/p là gemdihalogen 1.4.4. Trao đổi halogen Đ/c d/c iod và flo từ d/ct halogen - 7 - R Cl R Br R Cl R I R Mg Br R F R I + NaI + NaCl + Mg ether I2 + Hg2F2 + Hg2Cl2 1.5. Tính chất  Tính chất vật lý: - D/c halogen: chất lỏng, khg màu (trừ 1 số d/c iod), hoặc chất rắn - D/c iodo, bromo, polycloro (lỏng) nặng hơn H2O - D/c halogen /dung môi hữu cơ, khg /H2O - Tos d/c halogen: c/tạo gốc hydrocarbon & n/tử X  Tính chất hoá học: 1.5.1. Cấu tạo & khả năng PƯ LK CX - LK cộng hoá trị phân cực: LK Độ dài LK Năng lượng LK (Kcal/mol) C-F 1,38Ao 89 C-Cl 1,77Ao 77 C-Br 1,90Ao 65 C-I 2,13Ao 57 Khả năng PƯ: phụ thuộc bản chất n/tử X & CT gốc R - Độ âm điện của X càng nhỏ & kích thước n/tử X càng lớn LK CX càng dễ phân cực: RI > RBr > RCl > RF - RCH=CHCH2X > ArCH2X > RX > ArX > RCH=CHX > RCCX - 8 - 1.5.2. PƯ thế ái nhân (SN) của alkyl halogenid PƯ SN1: R X R Y 1/ chËm R+ + X- 2/ R+ + Y- nhanh v = k [RX] K/năng PƯ giảm theo thứ tự: alkyl > benzyl > alkyl bậc 3 > alkyl bậc 2 > alkyl bậc 1 > CH3X PƯ SN2: Y- + R X chËm Y R X  -  - nhanh tr¹ng th¸i chuyÓn tiÕp Y R + X- v = k [RX] [Y] K/năng PƯ giảm theo thứ tự: CH3X > alkyl bậc 1 > bậc 2 > bậc 3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PƯ SN: + Độ bền của carbocation (cấu tạo RX): Theo thø tù: bËc 3 > bËc 2 > bËc 1 > CH3 + + ảnh hưởng chắn khg gian: dÉn chÊt RX bËc 3 bËc 2 bËc 1 CH3X t¨ng sù ch¾n kh«ng gian, SN1 t¨ng gi¶m sù ch¾n kh«ng gian, SN2 t¨ng + Lực nucleophyl: HO > HOH RO > ROH HS > HO NH3 > HOH + ảnh hưởng của d/môi - 9 - Hoá lập thể của phản ứng thế ái nhân: S/p có cấu hình nghịch đảo hoặc h/hợp racemic Các PƯ cụ thể: - Tạo alcol: RX + HO  ROH + X - Tạo thio alcol: RX + HS  RSH + X - Tạo ether oxyd: RX + R'O  ROR' + X - Tạo thio ether: RX + R'S  RSR' + X - Tạo este: RX + R'COO  R'COOR + X - Tạo nitril: RX + NC  RCN + X - Tạo thiocyanat và isothiocyanat: RX + SCN  RSCN + RNCS + X - Tạo amin (các bậc): RX + NH3  RNH2 + HX (bậc 1) RX + R'NH2  RNHR' + HX (bậc 2) RX + R'2NH  RNR'2 + HX (bậc 3) - Tạo alkan: RX + R'M  RR' + MX (Na) - Tạo alkyn: RX + R'CC  RCCR' + X - Tạo alkylbenzen: HX +Ar R AlCl3 ArH+R X Aryl & vinyl halogenid khó tham gia các PƯ trên, đòi hỏi to cao & P, x/t VD: - 10 - Cl OH NH2 NaOH 6 - 8% 350oC, 315 atm NH3, Cu2O 200oC, 65 atm Các nhóm thế hút e mạnh (-NO2, -CN, -COOH, -CHO, -COR, HSO3, N+(CH3)3...) ở vị trí ortho & para so với halogen trong aryl halogenid→ tăng hoạt tính của X với SN : Cl NO2 NO2 OH NaOH 15% 160oC NO2 NO2 Cl NO2 NO2 OH NO2 NO2 NH2 Na2CO3, H2O 130oC NH3 170oC NO2 NO2 O2N Cl NO2 NO2O2N OH NO2 NO2 O2N OCH3 H2O ®un nãng CH3ONa 20oC 1.5.3. PƯ tách loại a. Sơ đồ PƯ: - 11 - C C H X C C+ B- + BH + X- (B ) HO- (NaOH, KOH); -NH2 (NaNH2) b. Cơ chế PƯ E2: qua trạng thái chuyển tiếp B- + chËm  -  + nhanh BH + + X- C CH X B H C C X C C v = k [RX] [B] c. Cơ chế PƯ E1: qua 2 g/đoạn C C H X C C H C C H C C chËm + X- B- nhanh BH + + + d. Hướng PƯ tách loại: Quy tắc Zaitsev: H được tách ra từ n/tử C có ít H. CH3 CH2 CH CH3 Br CH3 CH CH CH3 CH3 CH2 CH CH2 KOH/alcol + (81%) (19%) E2 và SN2 đồng thời cạnh tranh (xúc tác & các yếu tố thích hợp): C C H X C C H B C C E2 SN2 B- SN2 E2 + X- + BH X-+ Phản ứng tách loại E2 cần có tác dụng của base mạnh trong dung môi phân cực. Phản ứng thuận lợi đối với dẫn chất halogen bậc thấp, ít có khả năng ion hoá tạo carbocation, hoặc nếu như có được hình thành thì carbocation bậc thấp cũng kém bền vững. Tốc độ phản ứng tách HX tạo alken phụ thuộc chủ yếu vào độ bền của alken. Dẫn chất halogen bậc 3 tạo alken phân nhánh cao, bền hơn nên có tốc độ phản ứng tách loại cao nhất. Dẫn chất RX bậc 1 tạo alken kém bền nhất, tốc độ phản ứng E xảy ra chậm nhất. - 12 - RX bËc 1 bËc 2 bËc 3 (E2 & SN2) % t¸ch lo¹i t¨ng % thÕ t¨ng Điều kiện phản ứng cũng ảnh hưởng đến tỷ lệ giữa sản phẩm của phản ứng E và phản ứng SN. Phản ứng thế SN ưu tiên xảy ra trong dung môi phân cực cao (H2O), ngược lại, nếu cần sản phẩm tách loại thì phản ứng tiến hành trong dung môi phân cực kém (alcol). Tăng nhiệt độ phản ứng làm tăng khả năng phản ứng tách loại và do đó giảm tỷ lệ sản phẩm thế. 10.1.4.4. Phản ứng với kim loại a. Phản ứng với kẽm, liti: C2H5 Br C2H5 Br C2H5 Li 2 + 2 Zn ether khan ether khan (C2H5)2Zn + ZnBr2 + Li + LiBr b. Phản ứng với magie: C2H5 Br C2H5 BrMg+ Mg ether khan Tạo hợp chất cơ kim. c. Phản ứng với natri (phản ứng Wỹrtz): Tạo ra hydrocarbon 2 RX + 2 Na ether khan R R + 2 NaX Ngoài sản phẩm RR, còn thu được sản phẩm hydrocarbon no và không no có cùng số nguyên tử carbon với gốc R. Có hai cơ chế của phản ứng Wỹrtz:  Cơ chế tạo hợp chất cơ kim: Thí dụ: C2H5Br C2H5Na C2H5Na+ 2 Na + NaBr + C2H5Br + NaBrC2H5 C2H5 - - + + Do sự chuyển dịch proton, tạo ra C2H6 và C2H4: CH2 CH3 CH2 CH2H BrNa - + + CH3 CH3 CH2 CH2+ + NaBr  Cơ chế gốc tự do: có sự chuyển nguyên tử H  - 13 - C2H5Br C2H5+ Na + NaBr C2H5C2H5 + C4H10 CH3 CH2 + H CH2 CH2 CH3 CH3 + CH2 CH2 d. Phản ứng khử tạo hydrocarbon: Khử hoá xúc tác: RX + H2 Ni RH + HX Khử bằng hydro mới sinh: RX 2 [H] Zn/HCl RH + HX Thí dụ: CCl4 Fe/H2O CHCl3 10.1.5. Dẫn chất halogen của hydrocarbon chưa no Tính chất của các hợp chất chứa halogen liên kết với nguyên tử carbon chưa no rất khác với những hợp chất trong đó halogen liên kết với nguyên tử carbon no. Thí dụ: vinyl clorid (CH2=CHCl) Trong phân tử vinyl clorid có sự liên hợp p -  của cặp electron không phân chia của clo với điện tử  của liên kết đôi (C=C) theo hướng ngược chiều với phân cực cảm ứng (- I)  C   Cl CH2 CH Cl làm giảm điện tích âm trên clo và điện tích dương trên C. Do hiệu ứng liên hợp p -  này, làm thay đổi độ dài liên kết giữa CC và giữa CCl, sự giảm khoảng cách CCl dẫn đến giảm momen lưỡng cực của phân tử vinylclorid. Sự phân cực của liên kết CCl giảm, làm cho khó tham gia phản ứng thế nucleophyl (với các tác nhân HO, CN...). CH3 CH2 Cl CH2 CH Cl 1,69 Ao 1,77 Ao 1,44 D 1,92 D §é dµi liªn kÕt Momen l­ìng cùc (C Cl) Điều chế vinylclorid: a. Từ ethylen: CH2 CH2 + Cl2 ClCH2 CH2Cl ClCH2 CH2Cl Al2O3 500oC CH2 CHCl + HCl - 14 - b. Từ acetylen: HC CH + HCl HgCl2 CH2 CHCl Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, tia tử ngoại hoặc peroxyd... vinylclorid trùng hiệp tạo thành polyvinylclorid (PVC). n CH2 CHCl CH2 CH Cl n 10.1.6. Dẫn chất dihalogen của hydrocarbon no R C R' X X R CH CH R' X X (gem-dihalogen) (vic-dihalogen) và các dẫn chất dihalogen có các nguyên tử X ở cách xa nhau. 10.1.6.1. Điều chế a. Gem-dihalogen: - Từ aldehyd, ceton: R C R' O R C R' Cl Cl + PCl5 + POCl3 - Từ acetylen và đồng đẳng: HC CH + 2HBr CH3 CHBr2 b. Vic-dihalogen: từ olefin: R CH CH2 + Br2 R CH CH2Br Br c. Phương pháp riêng để điều chế dẫn chất dihalogen với các nguyên tử X cách xa nhau: Thí dụ: (CH2)n COOAg COOAg + 2Br2 CCl4 Br(CH2)nBr + 2AgBr + 2CO2 n = 5 10.1.6.2. Tính chất - Trong dung dịch kiềm, gem-dihalogen bị thuỷ phân tạo thành aldehyd (ceton): R CCl2 R' KOH/H2O R C R' O - Dung dịch gem-dihalogen trong metanol tác dụng với bột kẽm tạo ra olefin: R CH2 CHBr2 R CH CH2+ Zn + ZnBr2 methanol - 15 - - Gem-dihalogen tác dụng với dung dịch kiềm trong alcol tạo hydrocarbon acetylenic: R CH2 CHBr2 R C CH KOH/C2H5OH - Vic-halogen cũng như , -dihalogen hoạt động hoá học tương tự alkyl halogen: R CHBr CH2Br R CH CH2+ Zn methanol + ZnBr2 H2C CH2Br CH2Br + Zn methanol CH2 H2C CH2 + ZnBr2 10.1.7. Chất điển hình Nhiều dẫn chất halogen được dùng: - Làm thuốc (CHCl3, CHI3, C2H5Cl...). - Làm dung môi (CCl4, C6H5Cl...). - Các chất cao phân tử (PVC, Teflon...). - Thuốc trừ sâu (DDT, DDE, Aldrin, Dieldrin, Lindan). - Chất độc chiến tranh (2,4-D; 2,4,5-T...).  Cloroform (CHCl3): Cloroform là chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, sôi ở 620C, cloroform nặng hơn nước, rất ít tan trong nước. Cloroform được dùng làm chất gây mê. Dùng làm dung môi để chiết các chất từ thực vật (alcaloid, chất béo, nhựa...). Khi để lâu ngoài không khí, dưới tác dụng của ánh sáng, cloroform dần dần bị phân huỷ thành photgen rất độc. C Cl Cl Cl Cl + 1/2 O2 C Cl Cl O + HCl (photgen) 1/2 O2 Cl2 + CO2  Iodoform (CHI3): Iodoform là chất kết tinh, màu vàng nhạt, có mùi khó chịu, nhiệt độ nóng chảy 1200C, có tác dụng sát trùng.  Ethyl clorid (C2H5Cl): Ở điều kiện thường là chất khí, sôi ở 120C. Dùng làm chất gây tê.  Tetra clorua carbon (CCl4): Chất lỏng, không màu, sôi ở 7605. Dùng làm dung môi hoà tan chất béo, cao su...  Vinyl clorid (CH2=CHCl): Ở điều kiện thường là chất khí, sôi ở -180C. Trùng hợp tạo ra chất dẻo PVC. - 16 -  Tetraflo ethylen (CF2=CF2): Là chất khí ở điều kiện thường, sôi ở -76,30C. Trùng hợp tạo hợp chất cao phân tử Teflon, bền vững về mặt hoá học, có khả năng chịu nhiệt cao (đến 3000C). n CF2 CF2 C C F F F F n  Các thuốc trừ sâu: Cl CH Cl CCl3 DDT DDE Cl C Cl CCl2 Cl Cl Cl Cl Cl Cl aldin Cl Cl Cl Cl Cl Cl H H H H H H lindan  Các thuốc diệt cỏ, chất độc chiến tranh: Cl Cl OCH2CO2H OCH2CO2HCl Cl Cl O O Cl Cl Cl Cl 2,4 - D (acid 2,4-dichlorophenoxy acetic) 2,4,5 - T (acid 2,4,5-trichlorophenoxy acetic) (2,3,7,8-tetrachlorodibenzodioxin) 10.2. HỢP CHẤT CƠ KIM Hợp chất cơ kim là những hợp chất hữu cơ có nguyên tử kim loại liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon trong gốc hydrocarbon. Hợp chất cơ kim có thể ở dạng khí, dạng lỏng, hoặc dạng rắn. Các hợp chất cơ kim rắn có nhiệt độ nóng chảy thấp. Hợp chất cơ kim tan được trong các dung môi ít phân cực như hydrocarbon, ether... Tuỳ theo độ phân cực của liên kết giữa carbon và kim loại, có thể chia làm 3 nhóm: C C C MM M - +  -  + (M = Na, K) (M = Mg, Li) (M = Pb, Sn, Hg, Th) - 17 - Các gốc hữu cơ có thể là alkyl, alkenyl, alkynyl, aryl. 10.2.1. Danh pháp 10.2.1.1. Tên gốc của hydrocarbon + Tên kim loại Thí dụ: CH2=CHLi vinyl liti (CH3)2Ca dimethyl canxi (C2H5)4Pb tetraethyl chì 10.2.1.2. Nếu hoá trị của kim loại ngoài liên kết với gốc hydrocarbon, còn liên kết với halogen, khi đọc tên theo thứ tự sau: Tên gốc của hydrocarbon + Tên kim loại + Tên halogenid. Thí dụ: C6H5MgBr phenyl magie bromid CH3SnCl3 methyl thiếc clorid C6H5HgCl phenyl thuỷ ngân clorid 10.2.2. Điều chế 10.2.2.1. Tác dụng của kim loại với dẫn chất halogen Phản ứng được tiến hành trong môi trường khí trơ (nitơ hoặc heli), trong dung môi dialkyl ether, hoặc hydrocarbon. Phương pháp này được sử dụng để điều chế các hợp chất cơ liti, magie, kẽm. Thí dụ: CH3Br + 2Li Et2O CH3Li + LiBr CH2 CH Br + Mg THF 66o CH2 CH Mg Br Khả năng phản ứng của các alkyl halogenid theo thứ tự sau: RI > RBr > RCl > RF ; ArBr > ArI Các alkyl florid không phản ứng với Li và Mg. Kẽm phản ứng tốt với các alkyl bromid và alkyl iodid, trong khi đó thuỷ ngân chỉ tác dụng được khi nó ở dưới dạng hỗn hống với natri. 2CH3I + Hg(Na) (CH3)2Hg + 2NaI Các hợp chất cơ natri tạo thành sau phản ứng thường phản ứng ngay với alkyl halogenid để tạo ra hydrocarbon, vì vậy trong trường hợp này cần phải sử dụng phương pháp riêng. 2C2H5Br + 2Na Et2O C4H10 + 2NaBr Phản ứng của alkyl dihalogenid với Zn hoặc Mg thường tạo thành hợp chất chưa no hoặc hợp chất vòng: BrCH2CH2Br + Mg MgBr2 + CH2 CH2 BrCH2CH2CH2Br + Zn ZnBr2 + 10.2.2.2. Trao đổi halogen bằng kim loại Khi tác dụng dẫn chất halogen với hợp chất cơ kim: - 18 - RBr + R'Li RLi + R'Br Phương pháp này được áp dụng để điều chế các hợp chất cơ liti với những dẫn chất halogen có khả năng phản ứng yếu như aryl, vinyl, ethynyl halogenid: Cl Br Cl Li+ C4H9Li + C4H9Br 10.2.2.3. Thay thế kim loại này bằng kim loại khác (CH3)2Hg + 2Na 2CH3Na + Hg Phương pháp này được sử dụng để điều chế những hợp chất cơ kim có khả năng phản ứng cao từ những hợp chất cơ kim có khả năng phản ứng thấp. 10.2.2.4. Tác dụng của hợp chất cơ kim với halogenua kim loại RM + M'X RM' + MX Hợp chất cơ magie và alkyl liti phản ứng với halogenid kim loại có tính điện dương yếu hơn magie, liti tạo ra các hợp chất cơ kim mới (thuỷ ngân, kẽm, cadimi, đồng, silic...). Thí dụ: 2CH3MgCl HgCl2 (CH3)2Hg 2MgCl2 2CH3CH2MgBr ZnCl2 (CH3CH2)2Zn 2MgClBr 2C6H5MgBr CdCl2 (C6H5)2Cd 2MgClBr CH3Li CuI CH3Cu LiI + + + + + + + + 10.2.2.5. Một số các phương pháp khác - Tác dụng của hợp chất cơ kim với 1-alkyn: CH3MgBr + + + + CH4 n C4H9Li C4H10 CH3 C CH CH3 C C MgBr C3H7 C CH C3H7 C C Li - Cộng hợp kim loại và hydro vào alken: + +Al 3/2 H2 )3 Al(CH3)2C CH2 (CH3 CH CH2 CH3 - Hydrua boran hoá alken: + B2H6 26 CH2 CH2 (CH3 CH2)3 B 10.2.3. Tính chất chung của các hợp chất cơ kim Tính chất lý học và hoá học của hợp chất cơ kim thay đổi trong phạm vi rộng theo mức độ ion hoá của liên kết giữa carbon và kim loại. Trong liên kết CM, nếu tính điện dương của kim loại càng lớn thì mức độ phân cực của liên kết CM càng tăng, khi này carbon là cực âm của lưỡng cực: C M  (-)  (+) - 19 - Liên kết CM Tính chất ion, % CK 51 CNa 47 CLi 43 CCa 43 CMg 35 CAl 22 CZn 18 CCd 15 CSn 12 CPb 12 CHg 9 Khả năng phản ứng của hợp chất cơ kim tăng theo sự tăng tính ion hoá của liên kết CM. Những hợp chất cơ natri và kali có khả năng phản ứng cao nhất, vì liên kết giữa carbon với các kim loại này phân cực mạnh. Thí dụ: HC C Na (-) (+) acetylua natri Chúng khó tan trong các dung môi không phân cực, chúng tự bốc cháy ngoài không khí, tham gia phản ứng rất mạnh với nước, với CO2. Ngược lại, những hợp chất tính liên kết đồng hoá trị trội hơn như cơ thuỷ ngân, khả năng phản ứng kém hơn, chúng tương đối bền ngoài không khí, dễ bay hơi và hoà tan trong các dung môi không phân cực. Thí dụ: Thuốc thử Grignard R - MgX (X = Br, I). Có thể biểu diễn cấu tạo của chúng bằng 2 kiểu: R Mg X R2Mg X X Mg hoÆc (phøc 1 : 1) gi÷a dialkyl magie vµ MgX2 Thuốc thử Grignard được điều chế trong dung môi ether, chúng không phản ứng với dung môi mà tạo phức với ether (nhờ cặp điện tử không phân chia của oxy) tạo hợp chất kết tinh: Mg R R X X Mg O(C2H5)2 O(C2H5)2 Những hợp chất cơ kim chứa kim loại còn orbital trống, có khả năng nhận điện tử như Al, Be... những hợp chất cơ kim này tồn tại ở dạng dimer hoặc polymer. Al CH3 CH3 CH3 CH3 Al CH3 CH3 Al CH3 CH3 Cl Cl Al CH3 CH3 Be CH3 CH3 Be CH3 CH3 Be CH3 CH3 Be CH3 CH3 - 20 - Một số tính chất cơ bản của hợp chất cơ kim Thí dụ: CH4 + + + + LiOH LiCl C2H5O Li CH4 CH4 2CH3O Li (-) (+) (+)(-) (+)(-) (+)(-) (+)(-) CH3 Li H OH H Cl H CH3 Li (-) (-)  (+)  (-) CH2 CH2 CH3 O O Li CH3 C O O Li (CH3)3C O Li CH2 CH2 O C2H5 O O O C O (CH3)2C O (+) (+) Hợp chất cơ liti và hợp chất cơ magie có tầm quan trọng lớn trong tổng hợp hữu cơ. Chúng bền vững tương đối trong ether. Để điều chế hợp chất cơ liti và cơ magie, cho tác dụng dẫn chất halogen với kim loại (magie hoặc liti) trong dung môi ether khan hoặc tetrahydrofuran. Trong dung môi ether hợp chất dialkyl magie tạo liên kết phối trí với 2 nguyên tử oxy của ether. Mg R R O(C2H5)2 O(C2H5)2 10.2.4. Tính chất hoá học của hợp chất cơ liti và cơ magie 10.2.4.1. Phản ứng với các halogenid kim loại có tính điện dương yếu - Thuốc thử Grignard và alkyl liti phản ứng với một halogenid kim loại có tính điện dương yếu hơn magie, liti tạo ra các hợp chất cơ kim mới (thuỷ ngân, kẽm, cadimi, đồng, silic...). n RMgX + MXn RnM + n MgX2 Thí dụ: 2CH3MgCl + + + + + + HgCl2 (CH3)2Hg 2MgCl2 2C2H5MgBr ZnCl2 (C2H5)2Zn 2MgClBr 2C6H5MgBr CdCl2 (C6H5)2Cd 2MgClBr - Alkyl liti phản ứng với đồng iodid tạo ra liti dialkyl đồng làm tác nhân trong tổng hợp Corey - House tạo alkan và alken. Thí dụ: 2CH3Li + CuI 0oC Et2O (CH3)2CuLi I CH3 + + +(CH3)2CuLi 0oC Et2O CH3Cu LiI - 21 - Br CH3 C C H H I C8H17 C C H HC8H17 C4H9 + + + + 0oC Et2O -95oC Et2O LiBrCH3Cu(CH3)2CuLi (C4H9)2CuLi - Các aryl magie bromid có mặt thalli bromid làm xúc tác tạo ra hydrocarbon đa vòng thơm với hiệu suất cao: Thí dụ: MgBr2 TlBr (92%) biphenyl MgBr (84%) 2,2-binaphtyl TlBr 10.2.4.2. Phản ứng của thuốc thử Grignard với các hợp chất có nhóm carbonyl và carbon dioxyd Do chênh lệch độ âm điện, nhóm carbonyl luôn luôn phân cực, làm cho nguyên tử carbon trở thành trung tâm mang điện tích dương, dễ dàng bị các tác nhân ái nhân tấn công: C O C O C O + - (+)  (-) Sơ đồ phản ứng: R MgX + + MgX(OH) HOH (H+)  (+)  (-) C O  (+)  (-) R C O MgX R C OH Hiệu suất của các phản ứng này thường rất cao, kết quả từ hợp chất có số nhỏ nguyên tử carbon có thể tạo nên những hợp chất với mạch carbon tăng lên. Sản phẩm tạo thành khi tác dụng thuốc thử Grignard (RMgX) với các hợp chất có nhóm carbonyl Tác nhân Sản phẩm Sản phẩm thuỷ phân C O H H RCH2OMgX RCH2OH alcol bậc nhất C O H R' C OMgXR R' H CHOH R R' alcol bậc hai C OR'R'' C OMgXR' R R'' C OHR' R R'' alcol bậc ba - 22 - C O R''O R' C OMgXR' R R'' C OHR' R R'' alcol bậc ba C OR' Cl C OMgXR' R R C OHR' R R alcol bậc ba CO2 RCOOMgX RCOOH acid carboxylic C O (CH3)2N R' C OMgXR' R N(CH3)2 C O R' R ceton Trong các phản ứng này, hỗn hợp các muối magie, các alcolat tạo ra cần phải thuỷ phân acid. ROMgX HOH ROH + HOMgX HX H2O + MgX2 Nếu các sản phẩm đó không bền khi tác dụng với acid mạnh, thì sự thuỷ phân được tiến hành trong dung dịch amoni clorua bão hoà. Các muối magie được tách ra dưới dạng tủa, còn sản phẩm hữu cơ còn lại trong dung môi ether. Nghiên cứu cụ thể 1 vài phản ứng: a. Tác dụng dioxyd carbon với thuốc thử Grignard: Giai đoạn đầu tạo thành muối của acid carboxylic trong phân tử chứa nhóm >C=O, vì vậy nó có thể tiếp tục phản ứng với một phân tử thuốc thử Grignard nữa: RMgX + CO2 R C O OMgX RCO2MgX + RMgX R C OMgX OMgX R Thực tế phản ứng thứ hai này xảy ra rất chậm ở nhiệt độ phòng. Phản ứng có thể tiến hành dễ dàng khi ta rót dung dịch thuốc thử Grignard thành dòng nhỏ vào khí CO2 ở dạng tuyết. b. Acyl clorid tác dụng với 2 mol thuốc thử Grignard tạo ra alcol bậc 3: Giai đoạn đầu là sự cộng hợp vào nhóm carbonyl: CH3 C O Cl + RMgX CH3 C Cl OMgX R Hợp chất trung gian này không bền, phân huỷ nhanh thành ceton và halogenua magie. Ceton lại phản ứng tiếp với một phân tử thuốc thử Grignard tạo ra alcolat của alcol bậc ba. - 23 - CH3 C R Cl OMgX CH3 C R O CH3 C R O CH3 C R R OMgX + MgXCl + RMgX Tác dụng của thuốc thử Grignard với acyl clorid không được sử dụng để tổng hợp ceton, vì rằng RMgX thường cộng hợp nhanh vào ceton vừa tạo ra sau phản ứng. Tuy nhiên nếu tiến hành ở nhiệt độ thấp, trong nhiều trường hợp làm giảm tốc độ cộng hợp và ceton có thể được tách ra. c. Phản ứng của thuốc thử Grignard với este: Rất thuận lợi để tổng hợp alcol bậc 3, trong đó 2 nhóm alkyl giống nhau liên kết với nguyên tử C của nhóm carbonyl xuất phát: CH3 C O O CH3 CH3 C R R OMgX+ 2RMgX + MgX(OCH3) d. Amid thế 2 lần thường phản ứng với 1 mol thuốc thử Grignard tạo ra sản phẩm bền vững: Sản phẩm này bị thuỷ phân trong môi trường acid tạo ceton: CH3 C O N(CH3)2 CH3 C N(CH3)2 OMgX R CH3 C OMgX N(CH3)2 R CH3 C O R + RMgX HCl + MgXCl + (CH3)2NH2Cl (+) (-) 10.2.4.2. Phản ứng với các hợp chất có chứa nguyên tử hydro có tính acid Thuốc thử Grignard và hợp chất cơ liti là các base mạnh, chúng phản ứng với các hợp chất có chứa nguyên tử hydro có tính acid mạnh hơn hydro của hydrocarbon (nước, alcol, các amin, acetylen, acid carboxylic...). R MgX R Li  + -  + - Thí dụ: R MgX H OH R H HO Mg2+ X-+ + + +  + - (-) base m¹nh h¬n acid m¹nh h¬n acid yÕu h¬n base yÕu h¬n R MgX H OR' R H R'O Mg2+ X-+ + + +  + - (-) R Li R H+ +  + - HC CR' R'C C Li (Ka  10-26) (Ka  10-42 - 10-45) Có thể coi phản ứng trên là phản ứng trung tính hoá giữa 1 base và 1 acid tạo ra 1 acid mới và 1 base mới có tính acid và base yếu hơn. - 24 - Sản phẩm tạo thành là hydrocarbon. Nếu dùng methyl magie iodid, khi tác dụng với các hợp chất có hydro hoạt động, methan giải phóng ra. Đo thể tích methan tách ra khi tác dụng với một lượng xác định hợp chất có hydro hoạt động, có thể biết được số mol hydro hoạt động trong mẫu. Nếu biết được khối lượng phân tử thì có thể xác định được số hydro hoạt động trong phân tử (đó là cơ sở của phương pháp Xerevitinop - Xác định hàm lượng hydro hoạt động trong hợp chất hữu cơ). Thí dụ: CH4 + + + + + MgI(OH) ROMgI RCOOMgI RNHMgI R2NMgI CH4 CH4 CH4 CH4 HOH ROH RCOOH RNH2 R2NH CH3 MgI  (-)  (+) 10.2.4.4. Phản ứng cộng hợp vào liên kết đôi >C=C< Phản ứng xảy ra trong trường hợp liên kết đôi được hoạt hoá bởi sự có mặt của nhóm hút điện tử mạnh ở carbon bên cạnh. - Sự cộng hợp 1, 4 vào hệ thống liên hợp được tiến hành khi tác dụng RMgX với este không no , . C C C O OR' C C C OR'R OMgX C C C R OR' OH C CH C O OR'R  - + + R MgX  -  + H2O (H+) nhanh - Các phản ứng cộng hợp kiểu này có thể xảy ra trong trường hợp các aldehyd và ceton không no ,  (thường cạnh tranh với cộng hợp 1, 2). CH3 CH CH C CH3 O CH3 CH CH2 C CH3 O C2H5 CH3 CH CH C CH3 OH C2H5 1. C2H5MgX 2. H2O, H+ + (75%) (25%) 10.2.4.5. Phản ứng cộng hợp vào liên kết ba CN Nitơ có độ âm điện lớn hơn carbon, nên nhóm nitril phân cực:  + - CR' N C R' R N MgX+ R MgX  - + Thuỷ phân sản phẩm này tạo thành cetimin. Cetimin trong điều kiện tiến hành phản ứng không bền, nhanh chóng bị thuỷ phân thành ceton: - 25 - C R R' N MgX C R R' NH C R R' O H2O, H+ H2O 10.2.4.6. Phản ứng thế - Thuốc thử Grignard tham gia phản ứng thế ái nhân với các hợp chất có hoạt tính SN2 cao (allyl, halogenid, alkyl sulfat...). CH2 CH CH2 Cl + R MgX CH2 CH CH2 R + MgXCl  -  + - Các alkyl halogenid chỉ có thể tham gia phản ứng với thuốc thử Grignard khi thêm 1 lượng coban clorua làm xúc tác: RMgX + R'X CoCl2 RR' + MgX2 - Thuốc thử Grignard phản ứng với các ether vòng (3, 4 cạnh), tạo muối của alcol mạch thẳng: R MgX C O CH2H2+ H2O H+ R CH2 CH2 OMgX R CH2CH2OH  -  + + - 10.2.4.7. Tạo hợp chất cơ kim có cấu trúc "sandwich" (các metallocene) Cyclopentadien phản ứng với phenol magie bromid tạo ra cyclopentadienyl magie bromid. H H + C6H5MgBr ether - + C6H6 +2 MgBr Sản phẩm thu được tác dụng với sắt (II) clorid, tạo ra ferrocen với hiệu suất cao: MgBr +2 - + FeCl2 (C5H5)2Fe + 2MgBrCl (71%) Dùng phương pháp phân tích bằng tia Rửentgen đã xác định cấu trúc của ferrocen: nguyên tử kim loại nằm giữa 2 vòng cyclopentadienyl với chiều dài liên kết CC: 1,40 Ao; CFe: 2,04 Ao. Fe2+ Ferocen là hợp chất có tính thơm. Nó có thể tham gia các phản ứng thế ái điện tử, bao gồm cả sulfon hoá và acyl hoá (Friedel - Crafts). - 26 - CHƯƠNG 11 DẪN CHẤT NITRO, SULFON 11.1. DẪN CHẤT NITRO Dẫn chất nitro hoá của hydrocarbon là hợp chất thu được khi thế 1 hay một vài nguyên tử hydro của hydrocarbon bằng 1 hay một vài nhóm nitro (NO2). R NO2 Ar NO2 Cấu tạo của nhóm nitro được đặc trưng: N O O N O O N O O N (+) (-) (+) (-) (+) (-) (+) (-) 1 2 1 2 (-) O O hay Thí dụ: CH3 CH2 NO2 NO2 NO2 NO2O2N CH3 nitro ethan nitro benzen trinitro toluen Trong các dẫn chất nitro hoá thì dẫn chất nitro hoá của hydrocarbon thơm có nhiều ứng dụng hơn. Có các loại dẫn chất nitro hoá: - Dẫn chất mono nitro hoá. - Dẫn chất poly nitro hoá. - 27 - - Dẫn chất nitro hoá thơm đa chức (nitro phenol, nitro arylamin, nitro clorobenzen...). 11.1.1. Điều chế 11.1.1.1 Điều chế nitro alkan Ở nhiệt độ cao 400 - 5000C, alkan phản ứng với acid nitric tạo thành nitro alkan: RH + HNO3 to cao R NO2 + H2O Phản ứng tạo ra nhiều sản phẩm. Thí dụ: CH3 CH2 CH3 CH3 CH2 CH2 NO2 CH3 CH CH3 NO2 CH3 CH2 NO2 CH3 NO2 + HNO3 (lo·ng) 425o + + + 25% 40% 10% 25% Phản ứng xảy ra theo cơ chế thế gốc (SR): 2HNO3 - H2O N2O5 NO2 NO3+ CH3CH2CH3 + +NO2 (NO3) CH3CH2CH2 HNO2 (HNO3) CH3CH2CH2 NO2+ CH3CH2CH2NO2 + CH3CH2CH2ONO CH3CH2CH2OCH3CH2CH2ONO + NO CH3CH2CH2O CH3CH2 + CH2 O CH3CH2 + NO2 CH3CH2NO2 11.1.1.2. Điều chế dẫn chất nitro hoá của hydrocarbon thơm Nitro hoá trực tiếp hydrocarbon thơm bằng hỗn hợp của acid nitric và acid sulfuric đặc: NO2 + HNO3 H2SO4 to (50oC) + H2O Để điều chế dẫn chất thế nhiều lần (di, tri), phải tăng nồng độ của hỗn hợp acid (dùng acid sulfuric bốc khói - chứa SO3), tăng nhiệt độ và tăng thời gian phản ứng. NO2 NO2 NO2 NO2O2N + HNO3 (H2SO4 + SO3) to (95oC) 11.1.1.3. Điều chế p-dinitro benzen Có thể đi từ anilin hoặc từ cloro benzen. Từ anilin: nitro hoá acetanilid, sau đó thuỷ phân thành p-nitro anilin, chuyển nhóm amin thành nhóm nitro qua muối diazoni (hoặc bằng phản ứng oxy hoá nhóm amin bằng hydroperoxyd triflo acetyl). - 28 - NH2 NHCOCH3 NHCOCH3 NO2 NH2 NO2 NO2 N2BF4 NO2 NO2 (CH3CO)2O HNO3 H2SO4, 0oC HOH (H+) NaNO2 HBF4, 0oC (+) (-) NaNO2 Cu+ Từ cloro benzen: nitro hoá cloro benzen, sau đó tác dụng với NH3 tạo amin, chuyển hoá tiếp qua muối diazoni. Cl Cl NO2 NO2 NH2 NO2 NO2 HNO3 0oC NH3 C2H5OH (100oC) muèi diazoni 11.1.1.4. Điều chế nitro toluen Khi nitro hoá trực tiếp toluen, thu được hỗn hợp đồng phân ortho và para nitro toluen. Chúng có thể được tách riêng bằng cách cất và kết tinh. CH3 CH3 NO2 CH3 NO2 HNO3 vµ Để điều chế m-nitro toluen có thể đi từ aceto p-tolnidin. Nhóm acylamin sẽ định hướng nhóm nitro vào vị trí ortho so với chúng khi tiến hành nitro hoá, thuỷ phân loại nhóm acyl để giải phóng nhóm amin tự do, loại nhóm amin qua dạng muối diazoni sẽ thu được m-nitro toluen. CH3 NHCOCH3 CH3 NO2 NHCOCH3 CH3 NO2 NH2 CH3 NO2 N2 + CH3 NO2 HNO3 HOH (H+) NaNO2 HCl, 0oC H3PO2 Cu2+, 0oC 11.1.1.5. Điều chế 1,3,5-trinitro benzen từ toluen dễ dàng hơn phản ứng nitro trực tiếp benzen Nitro hoá toluen, sau đó oxy hoá, rồi loại nhóm carboxyl sẽ thu được 1,3,5-trinitro benzen. - 29 - CH3 CH3 NO2 NO2 O2N NO2 NO2 O2N COOH NO2 NO2 O2NHNO3 H2SO4 Na2Cr2O7 H2SO4 ®un nãng (-CO2) 11.1.2. Tính chất  Lý tính: - Các dẫn chất mono nitro hoá là những chất lỏng hoặc rắn, không màu hoặc màu vàng nhạt với mùi hạnh nhân đắng mạnh. Dẫn chất mononitro có thể cất khôn