Nghiên cứu cơ sở hóa học dị vòng (Tái bản lần thứ nhất): Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:323

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Nghiên cứu cơ sở hóa học dị vòng" trình bày các nội dung: Dị vòng thơm năm cạnh chứa một dị tử; dẫn xuất benzo của dị vòng thơm năm cạnh chứa một dị tử, dị vòng thơm năm cạnh chứa nhiều dị tử; hệ dung hợp giữa hai dị vòng chứa nitrogen; dị vòng no và dị vòng không no. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu cơ sở hóa học dị vòng (Tái bản lần thứ nhất): Phần 2

DỊ VÒNG THƠM NĂM CẠNH 7 CHỨA MỘT DỊ■ Tử ■ 7.1 PHÀN ỨNG CÙA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀTHIOPHEN 7.1.1 Phàn iwg với bccơvà với axit. Tinh chat axit-hccơ..................................................................................327 7.1.1.1 F^ole..............................................................................................................................................327 7.1.1.2 F u ran ............................................................................................................................................................................... 3 2 9 7.1.1.3 Thiophen........................................................................................................................................ 329 7.1.2 Phán ứng thế ẹtectrophin.................................................................................................................. 330 7.1.2.1 C ơ chế phản ứ n g ......................................................................................................................................................... 3 3 0 7.1.2.2 Khá năna phản ứns........................................................................................................................ 331 7.1.2.3 Sự định hưởng bời nhóm t h ế ................................................................................................................................. 332 A 7.1.2.4 Phàn ửna nitro h o ả .................................................................................................................................................... 335 7.1.2.5 Phàn ửng sunÍQ h o á ......... .........................................................................................................................................3 3 7 7.1.2.6 Phàn ửng h a lo sen h o á ..........;...................................................................................................................................338 7.1.2.7 Phàn ứng axyl h o á ......................................................................................................................................................3 4 0 7.1.2.8 Phàn ửĩia ankyl h o á ...................................................................................................................................................342 7.1.2.9 Phản ứna ngưng tụ với anđehit và xeton..................................................................................... 343 7.1.2.10 Phản ứng ngưng tụ với ion im in i........................................................................................................................ 34 6 7.1.2.11 Phàn ú n g với m uối d ia zo n i.................................................................................................................................. 347 7.1.3 Các phàn img khác ở dị vòng........................................................................................................... 348 7.1.3.1 Phán ứna với tác nhân n u cleop hin .......................................................................................................................348 7.1.3.2 Phàn ứna với eốc tự do và cacben................................................................................................349 7 .1 3 J Phản ứng tạo thành và chuyển hoá hợp chất cơ kim. Phàn ứng được xúc tác bởi palađi.........353 7.1 J .4 Phản ứng mở vòng............................................................................................................................. 355 7.1.3.5 Phán ứng perixiclic........................................................................................................................357 7.1.3.6 Phản ứng o x i h o á ........................................................................................................................................................ 360 7.1.3.7 Phản ứng oxi k h ử ...................................................................................................................................................... 3 6 0 7.2 PHẢN ỨNG CÙA CÁC DAN XUAT 7.2./ Dan xuất hiđroxi................................................................................................................................. 365 7.2.1.1 Hiđroxipirole................................................................................................................................. 365 12.12 Hiđroxiílưan.................................................................................................................................. 366 7.2.1 J Hiđroxiửúophen..........................................................................................................................367 7.2.2 Dan xuất amino................................................................................................................................... 369 7.2.2.1 Aminopừole.................................................................................................................................. 369 1.2.22 Aminoủưan................................................................................................................................... 369 1.2.23 Aminothiophen.............................................................................................................................. 370 7.2.3 Anđehit và xeton.................................................................................................................................. 371 7.2.3.1 Pừolecacbanđehit và axetylpứole..................................................................................................371 1.232 Purancacbanđehit và axetylíiưan..................................................................................................371 7.2.3.3 Thiophencacbanđehit và axetylthiophen......................................................................................373 7.2.4 Axit cacboxyìic.................................................................................................................................... 374 7.2.4.1 Tính axit.........................................................................................................................................374 I.IA .Ĩ Phàn ứng đecacboxyl hoá.................................................................................................................. 375 7.3 TỔNG HỢP DỊ VÒNG THƠM NÁM CẠNH 7.3.1 Cácphuơngpháp tống hợp chung...................................................... ’............................................ Ị7 6 7.3.1.1 Đ i từ hợp chất 1,4-đ icacb on yl. T ổn g hợp P a a l- K n o r r ............................................................................... 3 7 6
326 7 DỊ VÒNG THƠM NÃM CẠNH CHỨA MỘT DỊ TỬ 7 .3 .1 .2 Đ i từ hợp chất a -h alocacb o n y l. T ổ n g hợp p irole theo H an tzsch và tồng họp furan theo F e ist-B e n a r y ...................................................................................................................379 7 .3 .1 .3 Đ i từ 1 ,3 -đ iỵ ii................................................................................................................................................................ 380 C ủ c p h ư ơ n g p h á p tò n g h ợp riê n g vò n g p i r o l e .................................................................................................................Ĩ8l 7 .3.2.1 Đ i từ họp chất a -a m in o ca cb o n y l. T ổ n g hợp K n o r r ...................................................................................... 381 7 .3 .2 .2 Đ i từ họp chất 1,3-đicacbonyl và este g ly x in a t ..............................................................................................382 7 .3 .2 .3 Đ i từ este axetilen đ ica cb o x yla t.............................................................................................................................. 383 " j . j C ã c p h ư ơ n g p h á p lóiiịỊ h ợp riên g v ò n g /iir c m ..................................................................................................................384 7.3.3.1 Đ i từ cacb oh iđ rat..........................................................................................................................................................384 7 .3 .3 .2 Đ i từ dẫn xuất Ỵ-hiđroxi của họp chất cacb on yl a ,p -k h ô n g n o ...............................................................385 7 .3 .3 .3 Đ i từ anlenyl x e to n ......................................................................................................................................................385 7 .3 .3 .4 Đ i từ este axetilen đ icacb oxylat và l,3 - o x a z o le ..............................................................................................385 ~.3 4 C à c ph iro n ^ p h á p tỏn ^ h ợp riên g vò n g th io p h en ...........................................................................................................386 7.3.4.1 Đ i từ butan, buten, butađien và lưu h u ỳ n h .......................................................................... ............................386 7 .3 .4 .2 Đ i từ hợp chật 1 ,2 -đ ica c b o n y l............................................................................................................................... 386 7 .3 .4 .3 Đ i từ hợp chất 1,3-đicacbonyl và este th io g lic o la t.......................................................................................387 7 .3 .4 .4 Đ i từ họp chất a -su n fa n y lca cb o n y l và ion a n k en y lp h o sp h o n i................................................................387 7.4 PHÀN ỨNG VÀ TỔNG HỢP SELENOPHEN VÀTELUROPHEN 7.4 . 1 P han im ^ cù a cứ c vò n g seleiio p h en và te lu r o p h e iỉ.......................................................................................................388 ■^.4.1.1 Phản ứng với tác nhân ele c tr o p h in ...................................................................................................................... 388 7 .4 .1 .2 C ác phàn ứng khác ............ ......................................................................................................................................... 389 ~.4.2 P han im g cu a m ộ t sỏ dán x iiá t th e ....................................................................................................................................... 390 7.4.2.1 D ần xuất a n k y l............................................................................................................................................................. 390 7 .4 .2 .2 A nđ eh it, xeton và axit c a c b o x y lic ........................................................................................................................390 7.4.2.3 C ác dẫn xuất am ino- và h iđ r o x i-...........................................................................................................................391 7.4.3 Tông h ợ p c á c vò n g se ìen o p h en và te lu r o p lie n ................................................................................................................ 391 7.4.3.1 Đ ón g vòn g anđehit a ,P -k h ô n g no chứa nhóm thế P -S eC H iR hoặc P -T cC H ị R .............................. 391 7 . 4 3 . ĩ Đ ón g v òn g đialen yl s e le n u a ................................................................................................................................... 392 7.4 .3 .3 Đ i từ l,4 -đ ilith io b u ta -l,3 -đ ie n hoặc l,4 -đ ih a lo b u ta -l,3 -đ ie n .................................................................. 392 7.5 CÁC HỢP CHÁT CHỨẠ DỊ VÒNG NẶM CẠNH-MỘT DỊ TỬ c ó TRONG THIÊN NHIÊN VÀ/HOẶC CÓ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 7 .5 .1 C á c h ợ p ch ấ t ch ứ a vò n g p ir o ìe có tro n g thiên n h iê n ...................................................................................................Ĩ93 7.5.1.1 C ác hợp chất chỉ chứa m ột v òn g p irole hoặc ch u ỗi a x iclic gồm nhiều v ò n g p ir o le .....................393 7 .5 .1 .2 C ác hợp chất chứa hệ x ic lic gồm bốn v ò n g p ir o le ...................................................................................... 394 7.5.2 C á c h ợ p ch ắ t ch ứ a v ò n g /iira n và th ioph en có tro n g thiên n h iê n .......................................................................... Ì95 7.5.2.1 V ò n g furan......................................................................................................................................................................395 1 .5 2 .2 V ò n g th io p h e n ..............................................................................................................................................................396 7.5.3 C ác h ợp chất chứa d ị vòng uăm cạnh-m ột d ị tứ có im g dụng thực tiề n ........................................................................ 396 7.5.3.1 Các hợp chất chứa vòn g p ir o le ............................................................................................................................ 396 7 .5 .3 .2 Các hợp chất chứa vòn g furan..............................................................................................................................397 7 .5 .3 .3 Các hợp chất chứa vòn g th io p h e n ......................................................................................................................398 K h , thay thế một nhóm -C H = C H - trong vòng benzen bàng một dị nguyên từ chứa cặp electron không liên kết, ta được các dị vòng thơm năm cạnh sau đây; ,0 . ^Se Te Furan T hiophen S elen o p h en T elurophen t,("C ): 32 84 112 91 - 9 2 Ú ( ‘’C): -86 -3 9 -3 8 -3 6
7.1 PHẦN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÂ THIOPHEN 327 H H N D P ừ ole P hosphole A rsole ts(”C): 131 C (V ): -23 ,4 Trọntĩ tàm của chươno này là khảo sái ba dị vòng thơm năm cạnh tiêu biều và quan trọna nhất, đó là pirole, furan và thiophen; bèn cạnh đó còn đề cập sơ lược đến các dị vòng selenophen và teliưophen. 7.1 PHẢN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 7.1.1 Phản ứng vói bazơ và với axit. Tính chắt axit-bazơ 7.1.1.1 Pirole Nhóm N - H của pirole cỏ tính axit yếu với p K a 17,5, song còn mạnh hơn piroliđin (pKa ~ 44 ) và anilin (pKa ~ 3 1), và xấp xi mạnh bàng 2,4-đinitroanilin. Tính axit sẽ tăng lên khi có nhỏm thể hút elecưon trons vòng, nhất là ờ vị trí 2. Thí dụ: pKa của 2-nitropirole là 10,6 và của 2.4-đinitropirole là 6.5. Nhờ cỏ tứứi axit. pirole tác dụng được với NaOH và KOH khi đun nóng hoặc tác dụng với Na và K trong benzen (chuyển XH ứiành NNa hoặc NK). Tuy vậy, ngưòã ta thường đùng NaNH: NH 3 lỏnơ. Các nhỏm NNa và NK có cấu trúc ion. chúne dễ dàng tham gia phản ứna với các chất eỉectrophin như dần xuất haloaen. clorua axit, este acrilat, v .v ... RX 25°c RX Na NaOH; Na/toluen RCOX hoặc NaNH 2/NH 3 O CgHsSOjCI CH 2CH 2CO O R .T N CH2=CHC00R
328 7 DI VÒNG THƠM NĂM CẠNH CHỨA MỘT Dj Cũng do tính axit của nhóm N-H, pirole tác dụng với hợp chất cơ magie và hợp chất cơ lilhi sinh ra các dẫn xuất magie và lithi. Các dẫn xuất này tác dụng với ankyl halogenua sinh ra hỗn họp gồm A^-ankyl-; 2-ankyl- và 3-ankylpirole : MgX I N H RMgX I N RX n-C4H9Li Ti lệ giữa các sản phẩm A^-ankyl và C-ankyl phụ thuộc cấu tạo của nhóm R trong RX và bản chất của dung môi. Các anlyl và benzyl halogenua ưu tiên thế vào cacbon, trong khi đó dung môi phi proton lại tạo thuận lợi cho phản ứng thế vào nitrogen. Phản ứng proton hoá pirole xảy ra ở mọi vị trí 1, 2 và 3 sinh ra các cation 7//-piroli (kém bền nhất), 2 //-piroli (bền nhất) và J//-piroli : (+) (')N % 'H H Cation l//-pừoli Cation 2//-piroli Cation 3//-piroli Quá trình proton hoá không những thuận nghịch mà còn rất yếu, vì pirole là bazơ cực kì yếu với pKa của axit liên hợp (tức là dạng proton hoá) bàng -3,8 (so với 11,3 của piroliđin). Tuy vậy, tính bazơ sẽ tăng lên khi có nhóm ankyl trong vòng. Chẳng hạn, 2,3,4,5- tetrametylpirole có pKa +3,7 (so với pKa +4,6 của anilin): HCI IN Các cation 2H- và 3//-piroli là những chất electrophin, có vai trò quan trọng trong quá trình "trime hoá" và "polime hoá" pirole:
7.1 PHẢN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 329 H H (*)M (" ) N HCI 6N 0 °c (> s Ò 7.1.1.2 Furan Furan cỏ tính bazơ rất yếu, yểu hơn cả ete dãy béo như đietyl ete chẳng hạn. Các dung dịch axit vò cơ loãng ờ lạnh khône tác dụng với furan và ankylfuran đơn eiản. Trái lại, axit vô cơ nóng lại mờ vòng furan đi qua giai đoạn proton hoá ở nguyên tử cacbon (xem 7.1.3.3). Trong axit sunfuric đậm đặc, 2.5-đi-rerí-butylfuran bị proton hoá ở vị trí 2 với pKa được đánh giá bằng -10, từ đó suy ra pKa của furan vào khoảng -13. Furan và 2-metylfuran tác dim s với axit percloric trong DMSO chỉ cho sản phẩm polime hoá. Khi có mặt axit phosphoric. 2-metylfìỉran oligome hoá cho trime, tetrame, pentame, hexame và heptame: . . J3' H3C ' ° ^ i£ ì ^ > t i. 7.1.1.3 Thlophen Khác với pirole và íiiran, thiophen bền đối với tác dụng của axit. Axit vô cơ mạnh proton hoá thiophen ở vị trí 2 nhanh hcm ở vị trí 3 khoảng 1000 lần. 2,5-Đi-tert- butylthiophen bị proton hoá ở vị trí 2 với pKa là -10,2. Axit phosphoric đặc nóng chuyển hoá thiophen thành “trime” theo cơ chế sau:
330 7 DỊ VÒNG THƠM NĂM CẠNH CHỬA M ỡ ĩ f l ^ 100% H3 PO4 90°c ù X j rV) (40%) 7.1.2 Phản ứng thế electrophin 7.1.2.1 Cơ chế phản ứng Đa số phản ứng thế electrophin ở dị vòng thơm năm cạnh chứa một dị tử xảy ra tưomc tự phản ứnơ thế ở vòng benzen, tức là đi qua sản phẩm trung gian không bền là phức ơ. Phức ơ sinh ra từ sự tấn công electrophin vào vị trí 2 bền hơn phức ơ siĩứi ra ở vị trí 3 (xem hình 7.1). -H,(+) -H (+) Hình 7.1 Giản đồ năng lượng của phản ứng thế electrophin. So với phản ứng Se của benzen, phản ứng tương ứng của dị vòng thơm năm cạnh phức tạp hom, không những chỉ vì có thể xảy ra ở vị trí a và p, mà còn vì các yếu tố khẳe như sự tạo phức giữa dị vòng với tác nhân electrophin hoặc với xúe tác, sự cộng hợp táe nhân vào dị vòng, v.v...
7.1 PHẢN Ú>JG CỦA CÁC BỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 331 7 .1 .2.3 Khả năng phàn ứng a) Cả ba dị vòng pirole, furan và thiophen đều có khả năng phản ứng cao đối với tác nhân electrophin, vì đây là nhừne hệ eiàu electron 7t (trong vòng có 6 electron 7 phân bố trên 5 1 nguyên tử mẳt vòng). Thí dụ: Thiophen phàn ím« với brom trong axit axetic nhanh hon benzen khoàne lần. Trong phàn ứna nitro hoá bane axetyl nitrat, các vị trí số 2 và số 3 của pirole có khả nàns phản ứns cao hơn benzen lần lượt là 1,3.10^ và 3.1 O lần. '* Nhìn chuns một cách định tính, có ihể cho rànỉì thiophen có khả năng phản ứng gần như mesitylen (1,3,5-trimetylbenzen), furaii và pirole có khả năng phản ứng tương tự phenol và resoxinol. b) Nểu so sảnh ba dị vòng với nhau, ta dễ dàng nhận thấy rằng pirole cỏ khả năng phản ửns cao lứìẩt vì chi riêng pirole tham gia phàn ứns iỉhép với cation benzendiazoni một cách dễ dàng, ữ ons khi đó furan và thiophen khôn? tham gia phản ímg này. Furan có khả năng phản ứns cao hom ủiiophen, điều này được chửns minh bàng phản ứng nitro hoá 2 -furyl 2 - thienyl xeton: % o o N02 (5 1 %) Như vậy ữình tự giảm khả nănc phản ửne của các dị vòng như sau: Pirole > Furan > Thiophen > Benzen. Các kết quả khảo sát một cách định lượns cũng chứniỉ minh quy luật này. Thí dụ tốc độ tươns đối của phản ứne thế elecưophin vào vị trí 2 của ba dị vòng như sau: 0 z 0 NH s Brotn hoá ở 25°c 1 4,9.10" 8,3.10-’ Tnfluoroaxetyl hoá ờ 75°c : 1 3,8.10^ 7,1.10"^ Từ các giá trị về tốc độ tương đối của phản ứng brom ho áở trên, người ta tìm được giá trị yếu tố tốc độ phần ở vỊ trí 2 của dị vòng (so với benzen) như sau: Pirole: 3 . 10 '*; Furan: 6 . 1 0 "; Thiophen: 5.Ĩ0'’ c) So sánh độ bền của phức ơ sinh ra khi tác nhân electrophin tấn công vị trí a và vị trí p, ta nhận thấy rang phản ứng vào vị trí a được ưu tiên hơn vị trí p. Điều này được thực nghiệm xác nhận: Nitro hoá pirole bàng CH 3CO O *'^ 02 ^^VCH3C O O H /loV C niừopirole vóã tỉ lệ a : |8 ÍIO là 4 ; 1. Trong điều kiện phản ứng tương tự như vậy, furan cho a-nitrofuran (cùng với dinitrofuran), còn thiophen cho a-nitrothiophen và P-nitrothiophen với tỉ lệ 9 : 1 . Phản ứng axetyl hoá dị vòng bàng axetyl trifluoroaxetat ;rong 1,2-đicloroetan ở 75°c cho thấy ti lệ sản phẩm a : p đối với pirole là 6 , furan là 700C còn thiophen là 71. Sự khác biệt lớn về tỉ lệ a ; p đối với ba dị vòng chưa được giải quyế; triệt để. song ta có thể nhận xét ràng độ âm điện của dị tử z càng lớn thi ti lệ a : p càng tăng.
3 3 2 _________________________________________________ 7 DI VÒNG THƠM NĂM CẠNH CHỨA MỌT D Iff Chú ý ràng ti lệ a : p không những phụ thuộc dị từ z m à còn phụ thuộc các yếu tố khác như nhiệt độ, môi trưòng, độ mạnh của tác nhân electrophin,... Nhiệt độ phản ứng càng tăng, tính chọn lựa biểu hiện ở ti lệ a : p càng giảm. Chẳng hạn, khi axetyl hoá thiophen, nếu tàng nhiệt độ từ 25°c lên tới 75°c, tỉ lệ a : p giảm từ 200 xuống còn 82. Tỉ lệ a ; p cùng giảm khi độ hoạt động của tác nhân electrophin tăng. Thí dụ tỉ lệ tốc độ phản ím s \ ào vị trí a và vị trí p của thiophen phụ thuộc vào loại phản ứng như sau; Phàn ứng : Brom hoá Clo hoá Nitro hoá Ti lệ tốc độ a /p : 400 100 6 7.1.2.3 Sự định hướng bời nhóm thế Trong các dị vòntỊ thơm năm cạnh pirole, furan và thiophen, dị nguyên tử z có sẵn trong vòng đã định hướng cho các ưu tiên tấn công vào vị trí O M ột nhóm thế Y có L mặt ữ ona vòng sè phối hợp ảnh hưởng cùng với z, tùy theo bản chất và vị trí của Y. a) Nhóm thế hút electron -Ị, -C ở vị trí 3 Các nhóm -C như N O 2, CHO, COOH, ^ ’^^S(CH3)2, ... là những nhóm định hướng merơ ữong vòng benzeii. Vị trí 5 trong dị vòng vừa là meta đối với nhóm thế Y vừa là a đối với z . cho nên tác nhân sẽ tấn công vào vị trí này; Thi dụ: CH 3 N, (+) (-) O 2N 1 .NO 2 BF4 2. (CH3C0)20/ 100°C NO, ^ y V------í/ -Lii-------^®V 2. CH3COOH / 25°c y V------i/ COOH COOH b) Nhóm thế đẩy electron +/, +c ở vị trí 3 Đây là những nhóm thế định hướng orího/para, nên phản ứng ưu tiên xảy ra ở vị trí 2 {ortho đôi với Y, a đôi với Z). Tuy nhiên, nếu Y có kích thước lớn thì phản ứng sẽ xảy ra ở vị trí 5 (là a đối với Z) do hiệu ứng không gian loại một: ' Y
7.1 PHẢN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 333 Thí dụ: ' 0 \ ....................................... 1 ÍJ CH3 CH3 /S CHO Q CH3 CH3 Trong các thí dụ ưên, sản phẩm chính đều là các dẫn xuất 2-foimyl, vì nhóm thế Y là CH3 cỏ kích ứiước tương đổi nhỏ. Nẻu ứiay nhóm CH 3 bàng CH(CH 3)2 và C(CH 3)3 thì tỉ lệ % sản phẩm ứiể ở vị trí 2 sẽ ciàm. ư o n s khi đó sản phẩm thế ở vị trí 5 sẽ tăng. Thí dụ: /S /S CO C H 3 H sC O C ^ S Y Y Y Y= CHj 82% 18% CH(CH3)2 40% 60% C(CH3)3 ~ 0% 100% Chú ỷ ràng các nhóm thể - /, + c như Br, NHCOCH 3, SCH 3,... cũng là những nhóm định hướns ortho/para nên phản ửns ứìể elecưophin cũng xảy ra ở vị trí 2. Thí dụ; ì 'Br c) Nhóm thế hút electron - I, - C ở vị tri 2 Nhóm thế -C định hướng nieta tức là vào vị trí 4, trong khi đó dị nguyên tử z lại định hướng a vào vị trí 5. Hai hiệu ứng này cạnh tranh nhau cho hỗn hợp hai sàn phẩm thế vói ti lệ phụ thuộc từng trường hợp: . • r í " Thí dụ một số phản ứng nitro hoá ờ dãy pirole:
334 7 D I V Ò N G T H Ơ M N Ă M C Ạ N H C H Ư A M Ộ T DỊTỖ Nitro hoá 0 ,N (20 %) H ^ \ / C 0 CH3 COCH3 Nitro hoá /N . COCH3 VJ ÍJ • 02 N (67%) Rò ràng nhóm -ỉ, -C , ở vị trí 2 của pirole định hướng thế electrophin vào cả 2 vị trí, sonc thường ưu tiên ở vị trí 4. Quy luật tương tự cũng biểu hiện ở các phản ứng Se của Uiiophen. Ngoài ra, cần chú ý rằng bản chất của nhóm - ỉ, -C , bản chất của tác nhân và điều kiện phản ứng cũng có thể làm thay đổi ti lệ của hai sản phẩm thế. Thí dụ một số phản ửns của 2 -Y-thiophen. Nhóm thế Y Phản ứng Thế ở vị trí 4 (%) Thế ở vị trí 5 (%) NO: Nitro hoá (HNO3/CH 3COOH) 85 15 Nitro hoá {HN03/H :S 04) 63 37 COOH Nitro hoá (HNO3/CH 3COOH) 31 69 Nitro hoá (HNO3/ H2SO4) 56 44 CH=0 Nitro hoá 75 25 Brom hoá 3 97 Brom hoá (AICI3) 100 0 Đối với dãy furan, sự định hướng a của nguyên từ oxigen khá mạnh, nên phản ứng thế ưu tiên xảy ở vị trí 5. Thí dụ: d) Nhóm thế +/, +c ở vị trí 2 Nhóm thế +/, + c định hướng ortho/para vào các vị trí 3 và 5 song chỉ riêng vị trí 5 được hoạt hoá a bởi dị nguyên tử z. Vì vậy, phản ứng thế electrophin tuy có thể xảy ra ở cả hai vị trí 3 và 5, song thường ưu tiên rất cao vào vị trí 5. Thí dụ: phản ứng nitro hoá 2 -metyIpirole và 2 -metylthiophen: O0N Nitro hoá HNO3 / (CH3 0)20 C + (1 4 % )
7.1 PHẢN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 335 J .S CH3 ' ^ 'CH 3 Nitro hoả HN0 3 /(C H 3C 0 h 0 *^ \ J - 1 4 (70%) (3Q/„) NC-» 0 2 Thay thế nhóm CH 3 bằng nhóm C(CH 3)3 cồng kềnh làm cho phản ứng chi xảy ra ở vị tri 5. Thi dụ: /S . c (CH3>3 O sN ^ S c (CH3)3 u \ ỵ Các nhóm ứiế - / < + c (thỉ dụ: CbH5, 0 CH 3, SCH 3, ...) và các nhóm thế - / > + c (thí dụ: CI. B r , c ũ n g định hướng ửiế electrophìn Nào vị trí 5. Thí dụ: ,OCHr, 3 HC0 N(CH3 )C6 H5 POữa Br HN03/(CH3C0)20 0 “c Trong ưường hợp đã có nhỏm thể - / , +c, hoặc - / , + c ở vị trí 2, lại có thêm nhóm tìiế -/, - C ờ vị ữ í 5 thì phàn ửna Se sẽ xảv ra ờ vị trí 3 vì có sự phù hợp về hiệu ứng định hướno. Thí dụ: NO2 7.1.2.4 Phàn ứng nitro hoá a) Pirole Những hỗn hợp nitro hoá thường dùng trong dãy benzen không thể áp dụng cho dăy pừole và các dị vòng tương đồng khác, vì trong điều kiện đó dị vòng sẽ bị phân hủy và polime hoá. Tuy nhiên, nếu dùng axetyl nitrat CH 3COONO 2 ở nhiệt độ thấp thì phản ứng nitro hoá lại xảy ra êm dịu. Tác nhàn niừo hoá này sinh ra từ HNO 3 và (CH 3C 0 )2 0 : HNO 3 + (CH 3C 0 ) 2 0 ---------- ► C H 3C O O N O 2 + CH 3CO OH Dùng axetyl nitrat để nitro hoá pirole ờ -10°c sẽ thu được hỗn hợp 2-nitropirole (sản phâm ưu tiêĩi) và 3- nitropirole với tỉ lệ 4 ; 1 .
336 7 D I V Ò N G T H Ơ M N Ă M C Ạ N H C H Ứ A M Ộ T DỊ TỪ H NO, N HNO, (CH3C0)20 r (5 1 %) (13% NO2 Nhóm thế iV-ankyl ở pirole gây ảnh hưởng làm giảm ti lệ trên. Chăng hạn đôi với .V-metylpirole ti lệ a : p nói trên là 3 : 1, còn đối với í-butylpirole tỉ lệ là 1 : 4. Từ đây nuười ta có thề điều chế 3-nìtropirole với hiệu suất cao, bằng cách gắn nhóm iriisopropylsilyl rất cồng kềnh vào nguyên tử nitrotíen rồi mới nitro hoá, sau đó loại bò nhóm triisopropylsilyl này: Si[CH(CH3)2l3 SÌ[CH(CH3)2]3 H N N HNO, (CH3C0)20 THF NO2 NO, (7 7 %) ( 100%) b) Furan Có thê nitro hoá furan bằng axetyl nitrat tương tự như nitro hoá pirole. Thoạt tiên sinh ra san phẩm cộng CH 3COONO 2 vào các vị trí 2, 5 có thế phân lập được, sau đó dùng một bazơ như piriđin để thơm hoá và thu được 2 -nitrofuran: .NO, C H 3C O O N O 2 CH3 C0 Ơ ’ Piridin C H 3C O O H / -5°c NO2 -CH3 COOH CH3C00 Có thê thay tác nhân CH 3C 0 0 ^ 'N 02 ^^’ bàng BF 4* (nitroni tetrafluoroborat) '* đê niiro hoá furan. Khi ấy không sinh ra sản phẩm cộng, còn hiệu suất 2-nitrofuran chỉ đạt 14%. \ i t r o hoá furfural bằng hỗn hợp HNO 3 + (CH 3C 0 ) 2 0 (thực chất là CH 3COONO2) sinh ra điaxetat của 5-nitrofurfural, từ đây có thể ihu được 5-nitrofurfural hoặc điều chế một số dược phẩm như nitrofurazon và nitrofuroxim: n O0N 02N CHO CH( 0 C 0 CH 3)2 HNO, H30* ) + (CH3C0)20 O2N /0 qh=noh 02 N ^ ^ \ / C H = N N H C 0 NH2 H2 NOH H2NNHCONH2 X Ỵ Nitrofuroxim Nitrofurazon c) Thiophen Mặc dù có kha năng phản ứng kém furan và pirole, thiophen phản ímg rất mãnh liệt với hỗn hợp nitro hoá thông thường (có thể dẫn tới phán ứng nổ). Vì vậy. để nitro hoá thiophen. người ta dùng axetyl nitrat hoặc nitroni letraíluoroborat. Sản phâm chinh thu được là 2 -nitrothiophen kèm theo một lượng khoảng 15% là 3-nitrothiophen:
7.1 PHẢN ỨNG CÙA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÂTHIOPHEN 337 HNO a.íCH aCO hO 0°c ô - ” ’ • 0 .„ (60% ) ........ NO, ( 1 0 %) Nếu nitro hoả tiếp nữa sẽ tíiu được 2,5-đinitrothiophen (từ dẫn xuất 2-nitro) và 2,4- đinitrothiophen (từ dẫn xuất 3-nitro và cà từ dẫn xuất 2-nitro). 7.1.2.5 Phản ứng sunfo hoá a) Pirole Axit sunfuric đặc có tác dụng polime hoả pirole. Để suníb hoá pirole cần dùng tác nhân êm dịu là ‘‘phức” piriđin-sunfu trioxit. Phàn ửne diên ra như sau: H H 3 HCI (90%) Nếu cả hai vị ưi a đã bị chiếm, phản ứng sunfo hoá sẽ xảy ra ờ vị trí p, tuy có khó khăn hơn. Nếu ữona vòng pirole có nhừna nhóm ứiế hút electron mạnh có thể sunfo hoá bàng axit clorosunfonic hoặc axit sunfuric đặc. b) Furan Furan và các ankylfuran bị phàn hủy bời axit mạnh. Tuy nhiên, có thể sunfo hoá fiiran ngay ờ nhiệt độ phòng nhờ piriđin-sim íu trioxit: SO3H HCI Nếu dùng dư piriđin-suníii trioxit và kéo dài thời gian phản ứng tới 3 ngày, sẽ thu được sàn phẩm chính là axit furan-2,5-đisunfonic. Nếu vòng furan chứa nhóm ứiế hút electron, thí dụ axit furan-2-cacboxylic, có thể sunfo hoá bàng oleum. c) Thiophen Khác với pirole và furan, có thể sunfo hoá thiophen không nhừnu bằna phức piriđin- sunfu trioxit mà còn có thể bàng axit sunfuric đặc và bàng axit clorosunfonic hoặc sunfonyl clorua có mặt PCI 5: H SO3 % + Ba(OH )2 Ba 2 CICH2 CH 2 C 1 (86%)
3 3 8 ___________________________________________ 7 DỊ VÒNG THƠM NẨM CẠNH CHỨA MỘT^a^ SO3H H2 SO 4 95% 30°c SO2CI CISO3 H h oặc SOCI2 /PCI5 7.1.2.6 Phản ứng halogen hoá a) Pirole Phàn ứns halogen hoá pirole khá phức tạp vì nhiều halopirole kém bền; phản ửng cỏ Ihể ứieo cơ chế gốc và tạo ra polihalopirole. Clo hoá pirole bằng sunfuryl clorua trong ete ở o'^c thu được 2-cloropirole và một ít 2,5-đicloropirole. ờ nhiệt độ cao hơn lại sinh ra tetracloropirole. Nếu dùng 7V-clorosucxinimit (NCS) cũng thu được 2-cloropirole: H Cl H 4S02Cl2/ete Brom trong axit axetic tác dụng với pirole cho tetrabromopirole. Nếu dùíig cr K A^-bromosucxinimit thì thu được 2-bromopirole: Br 1^ NBS N H \ Br, 2- CH3 COOH IR Br A^-Triisopropylsilyl pirole tác dụng với NBS lại cho dẫn xuất 3-bromo- và 3 Ậ Br đibromopirole với hiệu suất cao: SÌ(/-C3H7)3 I. S ịỤ - C ỵ y ^ ĩ h y / THF / -7 8 °c \ ệ (90%) Br SÌ(/-C3 H7)3 2N BS T H F / - 78 °C (7 8 %) H b Br Br
7.1 PHẢN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 339 lot và KI trong nước hoặc KI ừong axit axetic/etanol có mặt H 2O 2 tác dụng với pirole sinh ra tetraiođopirole. b) Furan Furan polime hoá khi có mặt clo hoặc brom ncay ở 25^c, thế nhung iot lại không phản ứng. Clo hoá ờ -40®c thoạt tiên cho 2-clorofuran sau đến 2,5-điclorofuran. Phản ứng của furan với brom trong đioxan ở 0 ° c cho 2-brom ofuran với hiệu suất cao. Cơ chế của phản ím s như sau: n n Br Bf 2 . đioxan - HBr 0°c (80%) Sự xuất hiện các tiểu phân truns cian trong cơ chế trên đã được xác nhận bằng phổ ‘H-NMR. Nếu ứiực hiện phản ứng trong metanol ở -10°c, từ furan sẽ thu được 2,5-đimetoxi- 2,5-đihiđrofuran, chất này sau khi hiđrogen hoá sẽ cho 2,5-đimetoxitetrahiđrofuran được dùng nhiều trong tổng hợp hữu cơ ( n h ư một h ợ p chất 1,4-đicacbonyl): C ơ (như m ọ t hợp C hat 1 , 4 - đ i c a c b o n y l ) : C H 3 0O ° N ^ OC H a < 3 ^ . ^ O CH3 C H -,0^ ^ O ^ o C H 3 H jO /O C Br2 / CH3OH - 10°c I0 ổ °c p ^ H ^ \ _____ / ^ H (77%) Một số dẫn xuất của ftiran chửa nhóm thế hút electron ở vị trí 2 có thể dễ dàng được brom hoá ở vỊ trí 5 bởi phức của brom với piriđin. Thí dụ: / 0 CHO / 0 cH(OCOCH 3>2 ^ B r-^ O -w C H O c) Thiophen Phản ứng halogen hoá thiophen xảy ra rất nhanh (gấp ~10^ lần so với benzen) ngay ở nhiệt độ phòng, thậm chí ở -30°c và trong tối. Clo lấy dư ở -25°c cho nhiều dẫn xuất clo, trong đó có 2-cloro-, 2,5-đicloro- và cả các dẫn xuất tricloro- và tetracloro-. 2-Clorothiophen được điều chế từ thiophen và NCS. Nếu dùng dư clo và có iot xúc tác sẽ sinh ra hexaclorothiolen. Brom hoá thiophen bàng NBS hoặc brom/HBr ở -25°c sẽ thu được 2-bromothiophen. Neu dùng brom ở -10®c sẽ được 2,5-đibromothiophen. lot chi tác dụng với thiophen tạo thành 2 -iođothiophen khi có mặt axit nitric loãng hoặc thủy ngân oxit (hiệu suất 70 - 75%).
340 7 DỊ VÒNG THƠM NAM c ạ n h c h ứ a m ộ t dị Ị | 0 ^ “ • " 'ử " c\' 0 ■ C Cl2 dư I2 xt < ỵ ' 7.1.2.7 Phàn ứng axyl hoá a) p/no/e Phản ứne axetyl hoá trực tiếp pirole bằng anhiđrit axetic xảy ra khi đun nóng tới trên 120^C mà không cần xúc tác. Khi ấy sinh ra sản phẩm chính là 2-axetylpirole, cùng với một lượng nhò 3-axetylpirole và 2,5-điaxetylpirole, m à không có A^-axetylpirole (để điều chế chất này phải cho pirole tác dụng với A^-axetylimiđazole): . j H H N COCH3 CH gC O ^ ^COCHa (CH3C0 )2 0 . (chính) + \ + Q COCH3 Tricloroaxetyl clorua phản ứng dễ dàng với pirole (vị trí 2) ngay ở nhiệt độ Từ sản phẩm sinh ra có thể dễ dàng tổng hợp este của axit pirole- 2 -caeboxylìc'và 4-niừopirolc-2-cacboxylic: H N HNO3 90% -50°c COCCI3 CHạONa / CH3OH 25°c O p N (7 7 %) (89%) Để axyl hoá pirole, cũng có thể áp dụng phương pháp Houben-Hoesch bằng cách cho tác dụng với nitrin, có mặt ZnC b và HCl:
PHẢN ỨNG CỦA CÁC Dj VÒNG PIROLE, FURAN VÂ THIOPHEN 341 H H o N RCN, HCI ZnCU H oO (Y Phàn ửna formyl hoá Vilsmeier (sử dụng DMF/POCI 3) dễ dàng xảy ra với pirole tại vỊ ừí 2. Một sản phẩm ưung cian quan trọns của phản ứng này là muối imini có thể chuyển hoả ngay tìiành anđehit (sản phẩm Vilsmeier) hoặc đem axyl hoá Friedel-Crafts trước khi ứiủy phân ứiành 4-axylpirole-2-cacbanđehií: Cl Cl. H— C— N(CH3)2 + POCI3 H— ệ — N ( C H 3 ) 2 C=W (CH3)i'bPOCl2 0 0 — POCI2 H N H ,C H = N (C H 3 )2 ^ ‘>=iíjcH3)2 N (C H 3 )2 H ______________________________ . Ĩ h' - HCI CI M uôi imini H CH=N(CH3>2 CH = 0 H2 O NazCOa RCOCl AICI3 H □ (+) C H = N (C H 3 )2 CH=0 H?0 NaOH RCO RCO Phản ứng formyl hoá ứieo phương pháp Gatterman (dùng HCN và HCl có mặt AICI3) cũng xảy ra với pirole cho pừole-2-cacbanđehit: HC h N + HCI -----► CICH=NH H Ọ N ĩ H 0O C-H CICH=NH - N H 4C I AICI3 b) Furan Anhiđrit và clorua axit axyl hoá furan một cách thuận lợi vào vỊ trí 2 và thường cần chắt xúc tác axit Lewis như BF 3, SnCU... Thí dụ: XOCH3 (hs cao)
342 7 DI VÒNG THOM NĂM CẠNH CHỨA MỘT DỊ l f i ■■— ■ ------ Với chất xúc tác là AICI3, phản ứng axetyl hoá vào vị trí 2 xảy ra nhanh hơn vào vị ị trí 3 khoảng 70000 lân. Anhiđrit trifluoroaxetic phản ứng với furan không cân chât xúc tác. Hirớniĩ axyl hoá 2-ankylfuran là vị trí 5; 3 -ankylfuran là vị trí 2; còn 2.5-điankylfuran là vị trí 3 hoặc 4, tuy phản ứng khó hơn. Thí dụ: .0 C H 3 O H C ^ O . C H 3 ( _ / X j (96%) .0 / O C O C 4H 9-/ ^ /ì (/-C4H9C0)20 ^ ^ Ỵ \ ___ '1 BF3 (C2H5)20 / 0°c ___'J ^ •^ 3 (30%) *^*^3 Phán ứiig fomiyl hoá theo phương pháp Vilsmeier xảy ra thuận lợi vào vị trí 2 của vòns furan: / 0. ^CHO Q_ CH3 (T (75%) ^ ^ 3 c) Thiophen AiX\\hoá thiophen nhờ chất xúc tác AICI3 sinh ra 2-axylthiophen và một lượng chất nhựa (do tương tác giữa thiophen và A IC I 3 ). Để tránh sự hoá nhựa, người ta thayAICI3 bàns SnCU hoặc cho A IC I 3 từ từ vào hỗn họp thiophen và tác nhân axyl hoá. Thí dụ: 'S . COCH3 CHaCOCI/SnCU < Ỵ CgHe / 0°c ^ __ IJ (80%) Với tác nhân axyl hoá là anhiđrit axit, có thể dùng H 3PO 4 để xúc tác. Nếu tác nhân axyl hoá là axetyl /?-toluensunfonat CH 3COOSO 2C 6H 4CH 3 phản ứng axetyl hoá xảy ra không cần xúc tác. Phàn ứng formyl hoá trong điều kiện Vilsmeier (dùng DMF hoặc A^-metylformanilit và POCI3) diễn ra êm dịu khi đun nóng nhẹ: ...................... / S n^ CH O HCON(CH3 )C 6 H5 /POCl3 U Ỵ (78%) 7,1.2.8 Phản ứng ankyl hoá a) Pirole Không thể điều chế monoankylpirole bằng phán ứng có ankyl halogenua dù có dùng chất xúc tác axit Lewis hay không, ở nhiệt độ ớ dưới 1o o v pirole không phản ứng. còn ờ
7.1 PHẢN ỨNG CỦA CÁC DỊ VÒNG PIROLE, FURAN VÀ THIOPHEN 343 nhiêt độ cao hơn (khoảng trên 150°C) sẽ xảy ra phản ứng polime hoá và có sinh ra một lượng nhỏ poliankylpirole. Phản ím s giữa pirole và anlyl bromua xảy ra ngay ớ nhiệt độ phòng, song sản phẩm sinh ra là polime cùng với một hỗn hợp từ monoanlyỉ- đến tetranlvlpirole. Tuy nhiên, có thể điều chế ankinylpirole bàng phàn ứrm Sonogas/ìircỉ (phan ÚTm uiừa một dẫn xuất halogen dị vòng với 1 -ankin trong mòi trườim bazơ có mặt hợp chất cùa palađi và Cul). Thí dụ: S ì(/-C3H7)3 S ì(/-C3H7)3 H Pd(PPh3)4 \\ // — ■ ' -------- CuI.N(C 2 H5 ) 3 V------!/ THF C ^R b) Furan Tương tự đổi với pirole, không thể ửiực hiện phàn ứno ankyl hoá Frieclel-Crafts đổi vờí furan \ ì chi có thê xảy ra polime hoá \ à một phần poliankyl hoá. Phương pháp Sonogashira cho phép điều chế một số ankinvlfuran. Thí dụ: O H C ^ O \.B r O H C ^ O c =C C (C H 3Ì3 PdCl2(PPh3)2 c) Thiophen Khác với pừole và furan, nhờ có tính bền cao hơn nên ứiiophen có thể tham gia phàn ứng ankyl hoá. Tuy nhiên, phản ửnc này được dùng rất ít vì tính chọn lựa hoá học không cao (có thể ứiể vào vị trí 2 hoặc 3) và thườna cho điankylthiophen. Có thể ankyl hoá thiophen bàns anken nhờ chất xúc tác axit thu được hồn hợp ankyltìiiophen với hiệu suất thấp. Thí dụ: CH 2=CHCH 3 / ^ \ / C H ( C H 3)2 H 3P O 4 290°c,2 atm (24%) ^^g,/^jCH(CH3)2 7.1.2.9 Phản ứng ngưng tụ với anđehit và xeton a) Pirole Pirole ngưng tụ với các anđehit aliphatic cho polime. Nếu trong vòng pirole có nhóm thê hút electron thì có thể thực hiện phàn ứng ngưns tụ tạo ra dẫn xuất cùa đipir>'lmetan. Thí dụ: n H CH3 CH3C H 0,H C I X . C H 3 A ___ Ij C 2 H5 OH/IOOOC C2H5OOC C2H5OOC' 'COOC2H5 (83%)
344 7 DI VÒNG THƠM NẨM CẠNH CHỨA M Ộ TDj^ Trong môi trưòng axit, pirole tác dụng với axeton sinh ra một “tetrame” dạng vòng (một porphirinogen). Trong phản ứng này cũng sinh ra đipiiylmetan như một chất ữung gian không bền: 2 pirole 3 axeton - 3H2O * Tương tự axeton, benzandehit cũng ngưng tụ với pirole sinh ra một porphirinogen, san phẩm này lại bị oxi hoá bởi oxigen không khí sinh ra 5,10,15,20-tetraphenylporphirin: H H CeHs H 0 - O ' V J ' Pirole CgHsCHO Vòng pirole có phản ứng màu với /?-đimetylaminobenzanđehit trong môi trường axit (cho màu đỏ tía) gọi là phản ứng Ehrlich. về thực chất, đây là một kiểu phản ứng ngưng tụ với anđehit thơm tạo ra cation liên họp có màu: H3Q " ■ 'P H,c N (C H 3 )2 Tương tự phản ứng Ehrlich, 3,5-đimetylpirole-2-cacbanđehit tác dụng với 2,3'đim etylpirole trong môi trường axit sinh ra cation đipirometen, cơ sở để tổng hợp porphirin: