Hóa học hữu cơ Chương 9: Aldehyde-Ketone

1Hóa Học Hữu Cơ TS Phan Thanh Sơn Nam Bộ môn Kỹ Thuật Hữu Cơ Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Trường Đại Học Bách Khoa TP. HCM Điện thoại: 8647256 ext. 5681 Email: ptsnam@hcmut.edu.vn 2Chương 9: ALDEHYDE-KETONE I. Giới thiệu chung C O • R-CHO Æ aldehyde • RCOR’ Æ ketone 3• Tùy theo cấu tạo của R, sẽ có hợp chất carbonyl mạch hở (no + không no) & carbonyl thơm CH3 -CH2 -CH2 -CHO CH2 =CH-CH2 -CHO C H O CH3-CH2-C-CH3 O C CH3 O 4II. Danh pháp II.1. Aldehyde *Tên thông thường • Dựa theo tên carboxylic acid tương ứng, thay ‘–ic acid’ bằng ‘aldehyde’ • Aldehyde mạch nhánhÆ xem như là dẫn xuất của mạch thẳng, dùng α, β, γ ...để chỉ vị trí nhánh • Một số tên thông thường được chấp nhận làm tên IUPAC 5* Tên IUPAC • Mạch chính dài nhất & chứa –CHO • Gọi theo tên hydrocarbon tương ứng thay neÆ nal HCHO formaldehyde / methanal CH3 CHO acetaldehyde / ethanal C6 H5 CHO benzaldehyde /phenylmethanal C6 H5 CH2 CHO phenylacetaldehyde / phenylethanal CH3-CH2-CH-CH2-CHO CH3 β-methylvaleraldehyde / 3-methylpentanal 6II.2. Ketone • Tên thông thường Tên 2 gốc alkyl + ketone Nếu nhóm carbonyl gắn trực tiếp vòng thơmÆ - phenone • Tên IUPAC • Mạch chính dài nhất chứa nhóm carbonyl • Đánh số để nhóm carbonyl có chỉ số nhỏ nhất •Gọi theo tên hydrocarbon, thay neÆ none 7H3C C CH3 O acetone / propanone CH3-CH2-CH2-C-CH3 O methyl n-propyl ketone / 2-pentanone CH2 C CH3 O benzyl methyl ketone / 1-phenyl-2-propanone C CH3 O acetophenone / 1-phenylethanone / methyl phenyl ketone H3C C O CH CH2 methyl vinyl ketone / 3-butane-2-one 8III. Các phương pháp điều chế III.1. Oxy hóa hydrocarbon CH4 H2C CH2 NO CuCl2 CH3-CHO + O2 600-700 oC HCHO + H2O + O2 50 oC CH3 Co2+ CHO + O2 9III.2. Đi từ alkyne HC CH HgSO4 H2SO4 HC CH2 OH CH3CHO+ H2O enol C CH HgSO4 H2SO4 C CH2 OH + H2O enol R R C CH3 O R C CCH H H C H H CH3 C CH3C CH2 CH3 H BR2 CH3COOH BHR2 C CH3C CH2 CH3 H OH CH2 CH3C CH2 CH3 O C C H H3C C2H5 H δ−δ+ H2O2/OH- 10 III.3. Ozone hóa alkene C C O3 C C O O O C O O C O C O H 2 O (H +) C O C O molozonide ozonide Z n / C H 3 C O O H + H2O H2/Pt + H2O + H2O2 CH3-C=CH-CH2-CH3 CH3 CH2-C-CH3 O CH3-CH2-CHO1. O3 2. H2O + + H2O2 • Lưu ý: H2 O2 dễ dàng oxy hóa aldehyde thành carboxylic acid Æ sản phẩm cuối là acid!!! 11 III.4. Đi từ alcohol • Dehydro hóa alcohol bậc 1, bậc 2 R-CH2OH Cu R C H R OH Cu CH3-C-CH2-CH3 CH3 OH Cu R C R O CH3-C=CH-CH3 CH3 200-300 oC R-CHO + H2 200-300 oC + H2 200-300 oC + H2O 12 Oxy hóa alcohol: •Tác nhân oxy hóa: KMnO4 , K2 Cr2 O7 , CrO3 … •Alcohol bậc 1 Æ aldehydeÆ carboxylic acid • Rất khó dừng lại ở giai đoạn aldehyde Æ thường đi thẳng đến RCOOH • Muốn dừng lại ở giai đoạn aldehyde, phải dùng pyridinium chlorocromate C5 H5 NH+CrO3 Cl- (PCC): R-CH2OH C5H5NH+CrO3Cl- CH2Cl2 RCHO + Cr3+ 13 • Alcohol bậc 2 Æ ketone (H3C)3C OH (H3C)3C OCH3COOH, H2O t o Na2Cr2O7 OH Na2Cr2O7 H2SO4 / H2O O 85% H2C CHCHCH2CH2CH2CH2CH3 OH PCC CH2Cl2 H2C CHCCH2CH2CH2CH2CH3 O 80% 14 III.5. Đi từ dẫn xuất của carboxylic acid R C O Cl R-CHO+ H2 Pd/BaSO4 + HCl COCl NO2 CHO NO2 LiAlH(O-tBu)3 (RCOO)2Ca R C R O t o + CaCO3 15 • Khả năng phản ứng: dẫn xuất acid > ketoneÆ chỉ khi dư GrignardÆ phản ứng tiếp với ketone tạo alcohol bậc 3 • Tuy nhiên, thực tế khó tách ketone với hiệu suất cao CH3-CH2-MgBr -HCl H3C C O C2H5 H3C C O Cl H3C C O-MgBr C2H5 Cl H2O /H+ H3C C OH C2H5 Cl+ δ− δ+ δ− δ+ 16 III.6. Điều chế hợp chất carbonyl của arene (R-CO)2O R-CO-Cl CR O Lewis acid • HCOCl không bềnÆ phải dùng CO/HCl/AlCl3 làm tác nhân acyl hóa (Phương pháp Gattermann- Koch) H3C AlCl3 [H-C-Cl] O H3C CHO+ CO + HCl + HCl 17 • Có thể thay CO bằng HCN khan (phương pháp Gattermann) H2O OH3C -NH4Cl [H-C-Cl] NH OH3C CHO AlCl3 OH3C C NH2 H Cl-+ HCN + HCl + • Thay HCN bằng R-CN để điều chế ketone thơm 18 IV. Tính chất vật lý • Không tạo liên kết H như alcohol Æ to sôi < alcohol tương đương • Phân cực mạnh, dễ tan trong nước (C1-C5) V. Tính chất hóa học C O δ+ δ− sp2 • Cấu tạo phẳng • Góc liên kết ~ 120o • Moment lưỡng cực μ = 2.7 D (CH3 CHO) • Độ dài liên kết C-O 1.23Å 19 V.1. Phản ứng cộng hợp ái nhân (AN ) + Xδ+-Yδ− C OX Y C O δ+ δ− X-Y có thể là H-OH, H-OR, H-CN, H-SO3 Na, Li-R, BrMg-R… 20 a. Cơ chế: 2 giai đoạn, lưỡng phân tử • Giai đoạn 1: Cδ+ Oδ− + Y- chaäm C O- Y carbanion Giai đoạn chậm: Y- tấn công vào C+ Æ ái nhân • Giai đoạn 2: C O- Y C OX Y + X+ nhanh 21 b. Ảnh hưởng của nhóm thế liên kết với C=O • Nguyên tử C trong C=O có điện tích dương càng lớnÆ AN càng thuận lợi • Nhóm thế đẩy đtử (+C, +I, +H) làm giảm khả năng phản ứng • Nhóm thế hút đtử (-C, -I) làm tăng khả năng phản ứng NO2-CH2-CHO > H-CHO > R-CHO > R C R O R C O-R O R C NH2 O R C NHR O R C O- O > > > 22 V.2. Phản ứng với tác nhân ái nhân carbon Phản ứng với hợp chất Grignard CH3-CH2-MgBr H3C C O H H3C C O-MgBr C2H5 H H2O /H + H3C C OH C2H5 H + δ− δ+ δ− δ+ + HO-MgBr 23 C O CH2CH2CH3CH3 + CH3CH2MgBr 1. ether khan 2. H3O+ CH3CCH2CH2CH3 OH CH2CH3 C O HCH3CH2CH2 + 1. ether khan 2. H3O+ CH3CH2CH2CH MgBr OH C O HH + CH3CH2CH2CH2MgBr 1. ether khan 2. H3O+ CH3CH2CH2CH2CH2OH C O HCH3CH2 + CH3CH2CH2MgBr 1. ether khan 2. H3O+ CH3CH2CHCH2CH2CH3 OH 24 Phản ứng với acetylide anion CH3C CH + NaNH2 CH3C CNa + NH3 CH3C CH + Na CH3C CNa + H2 C O HCH3CH2 CH3C C- CH3CH2CHC O- CCH3 N H+ CH3CH2CHC OH CCH3 25 Phản ứng với hydrogen cyanide C O CH3H3C -C N H3C C O- C CH3 N HCN H3C C OH C CH3 N -C N+ CH3CH2 C OH CH2CH3 C N HCl / H2O to CH3CH2 C OH CH2CH3 COOH CH3CH2CH2 C OH C N H H2 Pt CH3CH2CH2 C OH CH2NH2 H 26 Phản ứng với nướcÆ gem-diol V.3. Phản ứng với tác nhân ái nhân oxygen C O CH3CH3 + H2O CH3 C OH OH CH3 C O HCH3 + H2O CH3 C OH OH H C O HH + H2O H C OH OH H 99,8% 0,2% 42% 58% 0,1% 99,9% 27 Phản ứng với alcohol R C O H R'-OH/H+ R C OR' H OH R'-OH/H+ hemiacetal R C OR' H OR' -H2O acetal R C O H +H+ -H+ R C OH H + + R'-OH - R'-OH R C OR' H OH H + - H+ + H+ R C OR' H OH hemiacetal +H+ -H+ R C OR' H OH2 + - H2O + H2O R C OR' H + + R'-OH - R'-OH R C OR' H OR' H + - H+ + H+ R C OR' H OR' acetal 28 O C O OCH3 HOCH2CH2OH HCl C O OCH3 OO LiAlH4 CH2O- OO H2O / HCl CH2OH O H O O HOCH2CH2OH HCl H O OO 1. CH3MgBr 2. H2O / HCl H O OH Acetal bảo vệ nhóm chức 29 Phản ứng với amine bậc 1 V.4. Phản ứng với tác nhân ái nhân nitrogen R C O H + NH2-R' R C N H O- R' H + H R C N H OH R' H R C N H R' - H2O carbinolamine R C N H O R' HH H H R C N H R' + H+ -H+ 30 Phản ứng với amine bậc 2 RCH2 C O H + NHR2 RCH2 C N H O- R R + H RCH2 C N H OH R R RCH2 C N H R - H2O carbinolamine RCH2 C N H O R RH H R RCH C N H R + H+ -H+ R 31 Phản ứng hình thành imine CHO + H2NOH CH NOH + H2O oxime C O H3C + H2NNH2 C NNH2 H3C + H2O hydrazone O + H2NNHCNH2 O NHNCNH2 O + H2O semicarbazone 32 V.5. Phản ứng với tác nhân ái nhân lưu huỳnh R C O H :S O ONa OH R C SO3H H ONa R C SO3Na H OH + R C SO3Na H OH HCl R C SO3Na H OH NaOH R-CHO + SO2 + H2O + NaCl R-CHO + Na2SO3 + H2O 33 V.6. Phản ứng ngưng tụ aldol • Trong môi trường base (NaOH, Ba(OH)2 , Na2 CO3 , CH3 COONa…) , aldehyde hay ketone có Hα có thể phản ứng với nhauÆ ngưng tụ aldol a. Phản ứng giữa aldehyde và aldehyde CH3-CHO CH3-CHO CH3-CH=CH-CHO OH- CH3-CH-CH2-CHO OH + to + H2O 34 • Cơ chế: Giai đoạn 1 Æ tạo carbanion CH2 C O H H + OH- CH2 C O H _ + H2O Giai đoạn 2 Æ cộng hợp ái nhân H3C C O H CH2 C O H _ + CH3-CH-CH2-CHO O- Giai đoạn 3 Æ proton hóa, tái tạo OH- Sản phẩm tách nước bền do liên hợp giữa C=C và C=O CH3-CH-CH2-CHO O- CH3-CH-CH2-CHO OH CH3-CH=CH2-C CH3-CH-CH2-CHO OH O H + H2O + OH - OH- 35 b. Phản ứng giữa aldehyde và ketone • Cơ chế tương tự như trên, trong đó aldehyde đóng vai trò tác nhân carbonyl, ketone đóng vai trò tách Hα tạo carbanion CH3-CHO + H3C C CH3 O OH- CH3-CH-CH2-C-CH3 OH O -H2O CH3-CH=CH-C-CH3 O 36 c. Phản ứng giữa ketone và ketone •Hiệu suất rất thấp 2 CH3CCH3 O OH- CH3CCH2CCH3 OOH CH3 OH- to CH3C CHCCH3 CH3 O + H2O 37 d. Phản ứng giữa 2 carbonyl khác nhau (crossed aldol ) • Có thể thu được 1 hỗn hợp 4 sản phẩm • Thường chỉ hiệu quả khi 1 carbonyl không có Hα & carbonyl có Hα được thêm từ từ vào phản ứngÆ 1 sản phẩm CHO CH3CH2CH2CHO+ OH- CH C CHO CH2CH3 + H2O CH C CHO CH2CH3 OH H 38 Phản ứng aldol hóa nội phân tử CH3CCH2CH2CCH3 O O OH- CH3CCH2CH2CCH2 O O O H3C HO CH3CCH2CH2CH2CH2CCH3 O OH-O CH3CCH2CH2CH2CHCCH3 O O COCH3 H3C HO CH3CCH2CH2CH2CCH3 O OH-O CH3CCH2CH2CH2CCH2 O O O CH3HO CH3CCH2CH2CH2CH2CH2CCH3 O OH-O CH3CCH2CH2CH2CH2CHCCH3 O O COCH3 CH3HO Vòng 5, 6 cạnh bền hơn 3,4,7 cạnh 39 V.7. Phản ứng Cannizzaro •Trong môi trường kiềm, aldehyde không có Hα sẽ tự oxy hóa – khử tạo 1 carboxylic acid + 1 alcohol CHO NO2 HCHO CH2OH NO2 CH3OH COONa NO2 35% NaOH + p-nitrobenzaldehyde p-nitrobenzyl alcohol sodium p-nitrobenzoate 50% NaOH + HCOONa 40 •1 hỗn hợp 2 aldehyde không có Hα có khả năng tạo 4 sản phẩm. Nếu 1 aldehyde là formaldehyde thì ~ chỉ có formate & alcohol của aldehyde kia CHO OCH3 CH2OH OCH3 HCOONa 35% NaOH + anisaldehyde p-methoxybenzaldehyde p-methoxybenzyl alcohol HCHO + 41 • Cơ chế: C6H5 C O H OH- C6H5 C O- O C6H5 C OH H O- H- C6H5 CH2OH C6H5 C O H C6H5 C OH O C6H5 CH2 O- δ− δ+ δ− δ+ + + 42 V.8. Phản ứng oxy hóa K2Cr2O7 H2SO4 CH3CH2CH2CH2CH2CHO CH3CH2CH2CH2CH2COOH CH3CH2CH2CH2CHO Ag(NH3)2+ CH3CH2CH2CH2COOHNH3 RCH CHCHO Ag(NH3)2+ NH3 RCH CHCOOH Muốn bảo toàn C=C: 43 • Ketone chỉ bị oxy hóa bởi tác nhân oxy mạnh, cắt mạch, tạo carboxylic acid O [O] CH3-CH2-COOH + CH3-COOHCH3-CH2-C-CH2-CH3 Æ có thể phân biệt aldehyde & ketone • Riêng methyl ketone, có phản ứng haloform: R C CH3 O NaOI RCOONa + CHI3 Æ nhận biết methyl ketone Lưu ý: R-CH(OH)-CH3 + NaOIÆ R-CO-CH3Æ vẫn cho phản ứng haloform!!! 44 V.9. Phản ứng khử • Khử thành hydrocarbon C O CH3 NH2NH2 OH-, to CH2CH3 Zn(Hg) HCl CH2CH3 45 NH2NH2 OH-, to Zn(Hg) HCl COCH3 OH CH2CH3 Cl CH2CH3 OH 46 Khử thành alcohol CH3O CHO H2 / Pt C2H5OH CH3O CH2OH CHO O2N CH3OH NaBH4 CH2OH O2N CH3CCH2C(CH3)3 O C2H5OH NaBH4 CH3CHCH2C(CH3)3 OH CHCH2CH2CCH3 O 1. LiAlH4 / ether 2. H3O+ (CH3)2C CHCH2CH2CHCH3 OH (CH3)2C