Buổi 12 BENZENE VÀ TÍNH THƠM HOÁ HỌC CỦA BENZENE: HẢN ỨNG THẾ THÂN ĐIỆN TỬ TRÊN NHÂN THƠM • Cấu trúc và độ bền của benzene -Tính thơm và qui tắc Hückel 4n+2. • Các ion thơm. • Các hợp chất thơm, dị vòng: pyridine, pyrrole… • Phổ NMR của hợp chất thơm. • Phản ứng thế thân điện tử: Sự brom hoá. • Các phản ứng thế khác lên nhân thơm (halogen hoá, nitro hoá, sulfon hoá, hydroxyl hoá). • Phản ứng alkyl hoá và acyl hoá nhân thơm: Phản ứng Friedel Craft. • Ảnh hưởng của nhóm thế trong nhân thơm có mang sẵn nhóm thế. • Giải thích về ảnh hưởng của nhóm thế (ảnh hưởng hiệu ứng cảm, hiệu ứng cộng hưởng, các nhóm thế làm tăng hoạt hoặc giảm hoạt nhân). • Benzene mang ba nhóm thế: Sự cộng của các hiệu ứng . • Phản ứng thế thân hạch lên nhân thơm.
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Môn học: Hoá hữu cơ 1 GS. TS. Nguyễn Kim Phi Phụng Tháng 2 năm 2017
Trong thưở ban đầu của hoá hữu cơ, từ ngữ “thơm” (aromatic) được sử dụng để chỉ các hợp chất có mùi như benzaldehyde (từ quả anh đào, đào và hạnh nhân), toluene (từ loài cây Tolu balsam) và benzene (từ chưng cất than đá).
Ngày nay, sự gán ghép tính thơm (aromaticity) với mùi thơm (fragrance) đã bị loại bỏ và từ ngữ thơm, để chỉ những hợp chất có chứa vòng sáu cạnh với ba nối đôi, giống như benzene H3 C O CH3 CH=O H Benzene
Toluene
HO
Benzaldehyde
H Estrone
H3C CH3 H OH H OH O CH N H
COOH
N
F
Atorvastatin (Lipitor)
H
01
02
Nguồn gốc Một số hợp chất thơm thu được khi chưng cất nhựa than đá.
CH3
Benzene (bp 80 0 C)
CH3
Toluene 0
(bp 111 C)
Biphenyl 0 (bp 71 C)
CH3
CH3
CH3
ortho-Xylene (bp 144 0 C)
Naphthalene 0 (bp 80 C)
CH3 meta-Xylene (bp 139 0C)
Anthracene (bp 216 0 C)
CH3 para-Xylene 0 (bp 138 C)
Indene 0 (bp 182 C)
Phenanthrene 0 (bp 101 C)
Tên hệ thống của hợp chất benzene mang 1 hoặc 2 nhóm thế Br
CH2CH2CH3
NO2
Bromobenzene
H
Nitrobenzene
Propylbenzene
C
H C
H Ethenylbenzene
CH3
Cl Cl
CH3 ortho-Dichlorobenzene
meta-Dimethylbenzene (meta-Xylene)
Br
CH=O
para-Bromobenzaldehyde
Danh pháp ortho, meta, para cũng được sử dụng để chỉ rõ vị trí của nhóm thế mới gắn vào nhân benzene sau phản ứng, so với một nhóm đã có sẵn.
03
Tên hệ thống của hợp chất benzene mang nhiều hơn 2 nhóm thế 04 H3C
NO2 O2N 6 1 2
OH Br
43 2 1
CH3
1 2 5 3 H3C 4
CH3 4-Bromo-1,2-dimethylbenzene
OH
Phenol 0 (bp 43 C)
NH2
Aniline 0 (bp 184 C)
CH3
54
O2N 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT)
2,5-Dimethylphenol
CH=O
O
H
COOH
H
C Benzaldehyde 0 (bp 178 C)
Benzoic acid 0 (bp 122 C)
C
C H
Styrene 0 (bp 145 C)
CH3
Acetophenone (bp 21 0C)
Tên thông thường của một số hợp chất thơm 1
CH2
CH2 Phenyl
Benzyl
Benzylcyclooctane
Tên một số nhóm thế
2
3
4
5
6
7
H3C CH CH2 CH2 CH2 CH2CH3 2-Phenylheptane
Độ bền của benzene sáu nối carboncarbon dài bằng nhau và bằng 139 pm. Chiều dài này ở khoảng giữa nối đơn thuần tuý (154 pm) và nối đôi (134 pm).
05
06
Tính thơm và qui tắc Hückel 4n+2
Năm 1931, Erich Hückel, nhà vật lý người Đức, nêu lý thuyết là một hợp chất gọi là hợp chất thơm chỉ khi nào nó thoả điều kiện: Hợp chất phẳng, có vòng, tiếp cách và có chứa tổng cộng 4n+2 điện với n là một con số nguyên, chẳn (n = 0, 1, 2, 3, …) Nói cách khác, hợp chất thơm có chứa 2, 6, 10, 14, 18… điện tử .
Naphthalene 10 điện tử
Anthracene Phenanthrene 14 điện tử
Những phân tử có 4n
14 điện tử
Benzo[a]pyrene 20 điện tử
tử ,
Coronene 24 điện tử
điện tử (4, 8, 12, 16, 20, 24…), kể cả khi chúng là hợp chất
vòng, có hệ thống tiếp cách, không phải là hợp chất thơm. Các hợp chất này được gọi là hợp chất kháng thơm (antiaromatic), bởi vì sự di chuyển điện tử làm cho hệ thống kém bền. Phân tử cyclooctatetraene không phẳng mà gấp khúc nên các vân đạo pz chỉ song song trong từng cặp một cho mỗi nối đôi.
07
Một vài hợp chất thơm, dị vòng (Hợp chất thơm có chứa 2, 6, 10, 14, 18… điện tử ) N
N Pyrimidine
Pyridine pz
pz
H
pz
C
p
C
z
H p
N C
C
pz
p
H
pz
z
z
pz
H pz
C
C
N
H C
6 điện tử
N
C
pz
p
H
N N H Imidazol
Pyrrol H p
H
H C H
N H
N pz
pz
C
C
H
H C
pz
N H H
C
H
pz
pz
C
C
N
p
z
N H
pz
H
6 điện tử
H
C
6 điện tử
6 điện tử
N
N O
S
Furan Thiophene
H3C
N
N
N
H H Purine Azepine
N N
O Coumarone
Voøng Thiazolium
NH2 S N
OH CH3
Thiamin
Một vài hợp chất thơm đa vòng, dị vòng (với qui ước đánh số carbon) 08
(Hợp chất thơm có chứa 2, 6, 10, 14, 18… điện tử )
p
z
H
p
z
H p
pz
z
C
C C p
6 5 7 8
N
10 4 3 9 2 1 N
H
5 4 6 7
p z
3 1
2
H Tryptophane (Amino acid)
N 7 9
N N
N
H
N
H2N
H
Adenine (Trong DNA, RNA)
N
N N
H
H
Purin 10 điện tử
O H3CO
HO H
CH=CH2 N
N
H Guanine (Trong DNA, RNA)
N Quinine (antimalarial)
N N
p
8
H NH2
z
C
N
H 10 điện tử
N
5 2 3 4
N
10 điện tử
H
N1 6
p
z
C
Purin
N
10 điện tử
1
N z
Indol
NH3
H
Hp
C
H C
p
Isoquinoline
2
H
N
p
Quinoline
COO 5 4 6 7
C
C
N
C
Indol
10 4 3 9 1 2
pz
z
C
z
6 5 7 8
p
z
C
C H
Hp
pz
H
p z
H
Tạo ra cation hoặc gốc tự do hoặc anion từ hợp chất 1,3-cyclopentadiene hoặc 1,3,5-cycloheptatriene. Chỉ có hai ion thoả qui tắc Hückel với 4n+2 điện tử để là
09
ion thơm H H
H H C H C C H C C H H
H H C
H
H C C H C C H H
H
H
1,3-Cyclopentadiene
H H H
H H H C C C H C C H C C H H 1,3,5-Cycloheptatriene H
H
C
C
H C C
HC
C C H H H
H
C
C3
C4
C C C C
C5
H
C2
H
C1
Radical cyclopentadienyl (5 electron ) H
H
H C C H C Anion cyclopentadienyl C C (6 electron ) H H Aromaticity H H C H C C Cation cycloheptatrienyl (6 electron ) H C C H C C Aromaticity H H
p z
H
C5
C6
sp2
H C4 C3 sp2 H
p z
C2 C1
H Anion cycloheptatrienyl (8 electron )
6 điện tử
pz
p z
H
C7
H C
H
(Ion thơm có chứa 2, 6, 10, 14, 18… điện tử )
sp2
Radical cycloheptatrienyl H (7 electron )
H C C H C C H C C H H
H
H
Cation cyclopentadienyl H (4 electron )
H
H
6 điện tử
Quang phổ của các hợp chất thơm Phổ hồng ngoại của hợp chất thơm không có nhiều đặc trưng Thí dụ phổ IR của toluene
Phổ NMR của hợp chất thơm
Các proton thơm bị giảm chắn mạnh, hấp thu ở H 6.5 đến 8.0 trên phổ 1H NMR. Còn các proton alkene hấp thu ở H 4.5 6.5.
Sự khác biệt nêu trên được gây ra bởi dòng điện tròn (ring-current): Khi nhân thơm ở vị trí thẳng góc với lực từ trường áp đặt mạnh, các điện tử của nhân di chuyển chung quanh vòng, sinh ra một từ trường nhỏ tại chỗ. Đối với vùng bên ngoài của nhân, dòng điện tròn tạo ra từ trường cùng chiều với từ trường áp đặt nên các proton thơm chịu một lực từ trường lớn hơn so với lực từ trường áp đặt vì thế, chúng cộng hưởng ở vùng từ trường thấp hơn. Đối với vùng bên trong của nhân, từ trường sinh ra ngược chiều với từ trường áp đặt nên bị chắn
Proton ở vùng này sẽ bị chắn
Độ dịch chuyển hoá học của một số proton thơm (H = Br
CH
6.58.0)
3
1 - B r o m o - 4 -m e t h y lb e n z e n e TM S
10 H- 3,5
8
9
6 H-2,6
7
5
4
H4
H- 4
1
2
3
H6
H5
ppm 0
1
NH2
H3 H2 Aminobenzene ppm 7.2
7.1
6.9
7.0
6.8
6.7
6.6
6.5
6.4
7.26
7.98 7.32
7.15
6.77
3.73
7.44
O CH3
6.82 8.40 7.18
720 7.12 2.63
1.21
CH2 CH3
7.09
7.08
2.89
CH
7.08
7.01
6.90
6.93
6.50
2.04
6.82
7.18
CH3 CH3
3.33
2.91
1.25
7.13
7.28
7.05
3.91
2.85 1.60
6.5
8.0
Chelated H R
7.67
9.0
12.0
CH3 1.32 C CH3 CH3 7.31 7.19
OH
O 10-12
R
H
H sp 2
H Aromatic proton
O 9-10 10
4.5
9
8
7
C
Proton vinyl 6
5
3.0 2.5
Y
C
H C
Y= O, N, halogen 4
3
Z Z=
Độ dịch chuyển hoá học của một số carbon thơm trên phổ 13C NMR (C = 110150)
Thơm
128.5
121.8
112.2
OCH3 Br
56.0
133.2 111.7
156.0
170
160
1-Bromo-2-methoxybenzene
140
120
100
80
Br
40
20
0 ppm
60
40
20
0 ppm
60
40
20
ppm 0
60
CH2CH3
4-Bromo-1-ethylbenzene
170
160
140
120
100
80
C O CH2CH3 O Ethyl benzoate
170
160
140
120
100
80
Độ dịch chuyển hoá học của carbon trong hợp chất dị vòng
Thơm
109.6
110.9
142.7
O
108.1
108.0 118.4
136.2
122.3
N H
116.7
111.9
O 152.2
CH3
148.5
O 153.3
N 127.2 H
CH3
112.0 129.0
4 3
N
123.0
5 12
N 134.0
O 144.8 O
149.8
123.2 124.6 111.8
3
CH=O
Pyridine
S
124.4
Thiophene 120.5
127.9 106.9
119.6
O 145,0
121.7
Coumarone
126.2
1 2
111.0
155.5
Imidazole
CH3
Methyl 2-furoate
178.9
2-Pyrrolcarboxaldehyde 121.6
123.7
151.9 51.8
C
146.4
H
135,9
122.3
CH=O
2-Furancarboxaldehyde
105.9 12.4
117.9
178.2
13.4
2-Methylpyrrol
Pyrrol N
4 3 5 12
121.7
112.9
2-Methylfuran
Furan
N H
141.2
106.2
Indol
127.6 102.1
N H 135.5
124.1
PHẢN ỨNG THẾ THÂN ĐIỆN TỬ TRÊN NHÂN THƠM nhờ vào phản ứng thế thân điện tử có thể gắn nhiều nhóm thế khác nhau vào nhân thơm
10
11
ÔN KIẾN THỨC VỀ PHẢN ỨNG THẾ THÂN ĐIỆN TỬ Phản ứng thế thân hạch liên quan đến nhóm nguyên tử có mang đôi điện tử tự do nên luôn tìm kiếm các tâm phản ứng đang thiếu điện tử để gắn vào
+ H 3C
HO
R 1 NH 2
H 3 C OH
Br
+ R 2 CH
+ Br
R 2 CH N R 1 + H 2 O
O
Chất thân hạch
H 2C
C
CH 3 CH 3
Phản ứng thế thân điện tử liên quan đến nhóm nguyên tử luôn tìm kiếm các tâm phản ứng có mật độ điện tử cao để gắn vào.
CH 3 +
H 2 C CH
H
Chất thân điện tử
CH 3 + H 3C C
CH 3
CH 3
CH 3 C CH 3 CH 3 CH 3 -Br + AlCl 3
Br
Chất thân điện tử
Br +
H
Cơ chế phản ứng brom hoá thế thân điện tử vào benzene.
12
Phản ứng qua hai giai đoạn, ngang qua carbocation trung gian bền nhờ cộng hưởng.
Chất thân điện tử
B r Br + F eBr 3 Br
Thay thế H bằng Br
F eBr 4
H
Br C
Br Br
H Đôi điện tử của vòng benzene tác kích vào Br+ để tạo một nối mới CBr và carbocation trung gian
Chất trung gian sẽ mất H, đôi điện tử nối sẽ di chuyển tạo trở lại nối cho benzene
+ HBr
Sản phẩm thế được tạo thành
Lưu ý cách sử dụng mũi tên cong: bắt đầu từ đôi điện tử hướng đến chất thân điện tử (Br+ )
Lưu ý cách sử dụng mũi tên cong: 13 bắt đầu từ đôi điện tử hướng đến chất thân điện tử (Br+ )
H2C
C
CH3 CH3
CH3
CH3 +
H
H2C CH CH3 Chất
+
CH3
Chất thân điện tử
thân điện tử
CH3 H2C CH CH3
H3C C
+
CH3 C CH3 CH3
Phản ứng brom hoá, chlor hoá, fluor hoá, iod hoá lên nhân thơm H
Chất thân điện tử là Cl+ hoặc Br+
+
Cl2
Cl
FeCl3
Benzene
Br2
Benzene
Toluene
F
N
N
F
F
p-Fluorotoluene
o-Fluorotoluene
Ratio 3:1. Yield 82%
2 I2 + Cu
+
2I
+
I Benzene
Thuốc làm êm dịu thần kinh
+
(Selectfluor)
Iodine kém hoạt tính với nhân thơm. Cần bổ sung thêm tác chất oxid hoá như hydrogen peroxide hoặc muối đồng như CuCl2 vào phản ứng để oxid hoá I2 thành một dạng giống như “I+ ” có tính thân điện tử hơn
Librium
CH3
CH3
CH2Cl
(F-TEDA-BF4)
CH2CH3
Thuốc chống dị ứng
+ HBr
BF4
O O
Loratadine
Bromobenzene
BF4 CH3
Br
FeBr3
C
N
Cl
N O
I2
+
CuCl2
+
+ 2 Cu+ Base
H
NH-CH3
N
N
Chlorobenzene (86%)
+
Fluorine có hoạt tính quá mạnh với nhân thơm. Phải sử dụng nguồn “F+” khác
Cl
+ HCl
H
14
I
I Iodobenzene (65%)
15
Trong cơ thể người, ở tuyến giáp (thyroid gland) có quá trình sinh tổng hợp ra hợp chất thyroxine COO HO
H NH3 Tyrosine
I
+
Thyroid peroxidase
I
COO
HO
H NH3 I
I HO
I
I
O
3,5-Diiodotyrosine Hai phân tử này sẽ ghép cặp với nhau
COO H NH3 I
Thyroxine
Tyrosine (là amino acid trong cơ thể) được enzyme tên thyroid peroxidase thực hiện sự iod hoá (tác chất iod hoá là I+)
Ăn muối có bổ sung iod Từ 14 tuổi đến trưởng thành 150mcg/ngày Iốt là vi chất quan trọng để tuyến giáp tổng hợp các hormon điều chỉnh quá trình phát triển của hệ thần kinh trung ương, phát triển hệ sinh dục và các bộ phận trong cơ thể như tim mạch, tiêu hóa, da - lông - tóc - móng, duy trì năng lượng cho cơ thể hoạt động... Ngoài ra, iod còn có vai trò trong việc chuyển hóa beta - caroten thành vitamin A, tổng hợp protein cho cơ thể hoặc hấp thu đường ở ruột non. Khi thiếu hoặc thừa iốt sẽ gây ra nhiều bệnh lý khác nhau
Phản ứng nitro hoá nhân thơm
16
Các nhân thơm được nitro hoá bằng hỗn hợp đậm đặc của nitric acid và sulfuric acid. H
O O N H
O
H2SO4
+
N
H
O
Concentrated nitric acid
O H2O +
O N O
O
Concentrated sulfuric acid
Ion nitronium Chất
thân điện tử O
OH2 + H3O
O
H
O
O N
N
N
O
O
Benzene
Phản ứng nitro hoá nhân thơm không xảy ra trong tự nhiên, nhưng phản ứng này rất quan trọng trong phòng thí nghiệm vì các hợp chất mang nhóm thế nitro dễ dàng được tạo ra bởi các tác chất dễ kiếm như nitric acid và sulfuric acid. Kế đó, nhóm nitro được hoàn nguyên (reduced) thành các arylamine bởi các tác chất như sắt, thiếc (tin) hoặc SnCl2. Tiếp theo….
NO2
Ứng dụng
Nitrobenzene
1/ Fe, H3O 2/ HO
NH2
NaNO2
N2 Cl
HCl, 5 oC Aniline (95%)
Diazonium
Phản ứng sulfone hoá nhân thơm
17
Các nhân thơm được sulfon hoá bởi hỗn hợp H2SO4 và SO3, còn gọi là sulfuric acid bốc khói.
O S
O
+ H2SO4
O Sulfur trioxide O
O HSO4
+
H S
O
O
H S
O O
OH
O
OH
O
O
O
Benzene
H
O S NH2
H2 N Sulfanilamide
S
S
O
Tác chất thân điện tử là +SO3H
Các loại thuốc sulfa vẫn còn hữu hiệu trong điều trị nhiễm trùng đường tiết niệu.
Base Benzenesulfonic acid
Các hợp chất sulfonic thơm rất hữu ích trong hoá học ở phòng thí nghiệm. Đun nóng các arensulfonic acid với NaOH ở 300 C trong điều kiện không có dung môi, sẽ tạo ra phenol (sau khi acid hoá). Như vậy toàn phản ứng là thay thế nhóm –SO3H thành nhóm –OH. Do phản ứng được thực hiện ở nhiệt độ cao, nên loại phản ứng này chỉ phù hợp khi nhân thơm mang các nhóm alkyl.
H3C Toluene
Ứng dụng
SO3 H2SO4
H3C
SO3H
p-Toluensulfonic acid
1/ NaOH, 300 0C (without solvent) H3C 2/ H3O
OH
p-Cresol (72%)
Phản ứng alkyl hoá nhân thơm: Phản ứng Friedel Craft H3 C
CH Cl
H3 C 2-Chloropropane
HC
H3 C
+ AlCl3
CH
AlCl4
+
H3 C
CH3
CH3
CH
CH CH2
CH3
18
CH3
H
CH3
Cl
Benzene Đôi điện tử của nhân benzene tác kích vào carbocation tao ra nối CC và carbocation trung gian
Cumene (85%)
Mất đi proton để trả lại tính thơm cho benzene
+ HCl
Kết quả là gắn được nhóm alkyl vào nhân thơm
Phản ứng Friedel-Craft có bốn giới hạn
1/ Các R-F, R-Br, R-Cl, R-I đều cho phản ứng tốt, các aryl halide (ArX), vinyl halide (CH2=CHX) không thể vì nối CX có phần nào tính nối đôi, khó bị cắt đứt.
2/ Phản ứng Friedel-Craft không thể thực hiện với nhân thơm mang những nhóm thế giảm hoạt mạnh (deactivating group) hoặc bởi các nhóm amino NH2, do có tính kiềm nên có thể bị proton hoá thành +NH3. Z=
Z
R N R R
,
NH2
,
O N
,
C
O NHR ,
N ,
O N O
NR2
,
SO3H
,
CH=O
,
C CH3 O
,
C OH O
,
C OCH3 O
Phản ứng Friedel-Craft có bốn giới hạn 3/ Trong phản ứng Friedel-Craft, RX khi được biến thành carbocartion có thể xảy ra phản ứng chuyển vị (H hoặc nhóm alkyl R chuyển vị) để tạo thành carbocation khác, bền hơn.
19
20 Phản ứng Friedel-Craft có bốn giới hạn 4/ Trong phản ứng Friedel-Craft, thường rất khó ngừng lại ở sản phẩm một lần thế. Một khi nhân thơm đã được gắn thêm một nhóm alkyl, nhóm alkyl này làm tăng hoạt cho nhân nên phản ứng sẽ tiếp tục để cho sản phẩm nhiều lần thế (mang nhiều nhóm alkyl)
+ Benzene
CH3
AlCl3
H3C C Cl
CH3 2-Chloro-2-methylpropane
CH3 C CH3
CH3 +
H3C C
CH3 C CH3
CH3 CH3 CH3 (1,1-Dimethylpropyl)benzene (Secondary product) 1,4-Di-tert-butylbenzene (Principal product)
Phản ứng acyl hoá nhân thơm: Phản ứng Friedel Craft
21
Do cation acyl bền nhờ sự cộng hưởng nên một khi được thành lập, nó không cho phản ứng chuyển vị, và tác kích ngay vào nhân thơm, tạo ra sản phẩm Nếu phản ứng alkyl hoá Friedel-Craft thường hay cho sản phẩm nhiều lần thế, vì nhóm alkyl R làm tăng hoạt nhân; ngược lại phản ứng acyl hoá Friedel-Craft chỉ cho một lần thế, vì nhóm acyl COR làm giảm hoạt nhân
+
Benzene
H3C C Cl O Acetyl chloride
AlCl3
C CH3
0
80 C
HCl
+
O Acetophenone (95%)
Mechanism AlCl3
R C Cl O
R
C
O
Cation acyl
R
C
O O
+
AlCl4
O
C R R C
O
R
H
+ HCl
AlCl4
NH2-NH2, NaOH
O
Ethylene glycol,
Ứng dụng
R
H H R
Phản ứng thế thân điện tử vào nhân thơm: Định hướng vị trí gắn một nhóm mới vào nhân thơm khi nhân đã có mang sẵn một nhóm thế Nhóm thế có sẵn trên nhân sẽ làm tăng hoạt hoặc làm giảm hoạt nhân thơm trong phản ứng thế thân điện tử Nhóm thế có sẵn sẽ định hướng cho nhóm thế mới muốn gắn thêm vào nhân thơm Nhóm mới sẽ gắn vào benzene theo một trong ba vị trí ortho, meta, para so với nhóm thế có sẵn, và với số lượng sản phẩm không đều nhau. Sản phẩm (%)
Nhóm giảm hoạt nhân và định hướng meta
Z
Z HNO3 H2SO4 , 25 0 C
NO2
N+(CH3)3 NO2 COOH CN COOCH3 CO-CH3 CH=O
ortho
meta
para
2 7 22 17 28 26 19
87 91 76 81 66 72 72
11 2 2 2 6 2 9
13 35 43 45
1 1 1 1
86 64 56 54
63 50 19
3 0 2
34 50 79
Nhóm giảm hoạt nhân và định hướng ortho và para F Cl Br I
Nhóm tăng hoạt nhân và định hướng ortho và para CH3 OH NH-CO-CH
22
23 Sắp xếp các nhóm thế tuỳ theo ảnh hưởng của chúng trong phản ứng thế thân điện tử vào nhân benzene
24
Giải thích về ảnh hưởng của nhóm thế Ảnh hưởng của hiệu ứng cảm Các halogen, nhóm carbonyl, cyano, nitro làm giảm hoạt tính nhân thơm thông qua hiệu ứng cảm hút điện tử.
+ X (X= F, Cl, Br, I)
+ C N
+ C O
CH3 Các nhóm alkyl làm tăng hoạt nhân thơm nhờ hiệu ứng cản dương của nó
O N O
25
Giải thích về ảnh hưởng của nhóm thế Ảnh hưởng của hiệu ứng cộng hưởng N O Nitrobenzene C N
O
O
O
O
N
N
N O
O
O
C N
C N
C N
Cyanobenzene
Nhóm carbonyl, nitro, cyano… làm giảm hoạt nhân thơm thông qua hiệu ứng cộng hưởng rút điện tử. Hiệu ứng này rõ, mạnh ở các vị trí ortho và para so với nhóm có sẵn
Cl
Cl
Cl
Cl
NR2
NR2
NR2
Chlorobenzene NR2 Aniline
Nhóm methoxy, hydroxyl, amino…làm tăng hoạt nhân thơm thông qua hiệu ứng cộng hưởng cho điện tử và hiệu ứng này mạnh, rõ ở các vị trí ortho và para so với nhóm có sẵn
Benzene có sẵn 2 nhóm thế: Tính cộng của các hiệu ứng 26 Nếu cả hai nhóm có sẵn đều cho định hướng vào cùng một vị trí trên vòng benzene, phản ứng dễ dàng xảy ra và tạo ra một sản phẩm thế.
Nếu hai nhóm có sẵn cho định hướng khác vị trí trên vòng benzene, nhóm nào có hoạt tính mạnh hơn sẽ định hướng vị trí cho nhóm thứ ba gắn vào nhân. Phản ứng thường tạo ra hỗn hợp sản phẩm.
CH3
CH3
OH OH
OH
p-Methylphenol
CH3
CH3
CH3
NO2 +
HNO3 H2SO4
NO2 OH
OH
Sản phẩm nào chính???
Nếu nhân benzene mang hai nhóm ở vị trí meta với nhau, vị trí trên nhân ortho đối với hai nhóm này bị che khuất, tác chất khó tác kích
CH3
Vị trí bị che khuất
CH3
CH3
Cl
Cl2
Cl Cl
Cl Cl
Cl 2,5-Dichlorotoluene
Cl
Cl Cl
CH3 NO2
NO2
FeCl3 CH3
NO2
CH3
CH3 Cl2
Cl
Cl
Không có sản phẩm nầy
3,4-Dichlorotoluene CH3
CH3
+
FeCl3
Cl CH3
CH3
NO2
NO2 +
2-Chloro-6-nitrotoluene
Cl 4-Chloro-2-nitrotoluene
27
Phản ứng oxid hoá hợp chất thơm Nhân benzene thường trơ đối với đối với các tác chất oxid hoá mạnh như KMnO4, Na2Cr2O7, là hai tác chất cắt đứt nối đôi C=C. Ngược lại, sự hiện diện của nhân thơm ảnh hưởng mạnh đến dây nhánh alkyl. Dây nhánh alkyl nhanh chóng phản ứng với tác chất oxid hoá để biến thành nhóm carboxyl, COOH. Toàn phản ứng là biến đổi alkylbenzene thành benzoic acid, ArR ArCOOH.
28
29
Phản ứng hoàn nguyên hợp chất thơmO O
H2, Pd Ethanol
4-Phenyl-3-buten-2-one CH3
4-Phenyl-2-butanone (100%) H2, Pt, ethanol
130 atm, 25 0C
CH3 o-Xylene
H3C CH3 C CH
3
H CH3 cis-1,2-Dimethylcyclohexane CH3 H3C C CH3 H
H2, Rh/C, ethanol 1 atm, 25 0C
HO H cis-4-tert-Butylcyclohexane
HO 4-tert-Butylphenol O
CH3 H
NH2-NH2, NaOH
Ethylene glycol, O2N CH3 H2, Pd Ethanol m-Nitroacetophenone
H2N
H H CH3
m-Ethylaniline
30
PHẢN ỨNG THẾ THÂN HẠCH LÊN NHÂN THƠM Phản ứng thế thân hạch liên quan đến nhóm nguyên tử có mang đôi điện tử tự do nên luôn tìm kiếm các tâm phản ứng đang thiếu điện tử để gắn vào
HO
R 1 NH 2
Chất thân hạch
+ H 3C
H 3 C OH
Br
+ R 2 CH
O
+ Br
R 2 CH N R 1 + H 2 O
Phản ứng thế thân hạch lên nhân thơm RX chỉ xảy ra khi có những nhóm thế rút điện tử mạnh hiện diện ở vị trí ortho đối với nhóm xuất X
?
Cl OH
O2N
NO2
NO2 2,4,6-Trinitrotoluene
O2N 1/ HO 2/ H3O
NO2
+ Cl NO2 2,4,6-Trinitrophenol (100%)
31
Phản ứng thế thân hạch lên nhân thơm Cl O2N
OH NO2
NO2
1/ HO 2/ H3O
2,4,6-Trinitrotoluene
Cơ chế phản ứng thế thân hạch lên nhân thơm. Phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn ngang qua chất trung gian là carbanion bền
O2N
NO2 + Cl
NO2 2,4,6-Trinitrophenol (100%)
Cảm ơn các em đã chú ý theo dõi
Chúc cả lớp đạt kết quả tốt kỳ thi cuối khoá
So sánh hoạt tính giữa cyclohexene và benzene. Benzene không cho phản ứng cộng thân điện tử
05