Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN NGỌC NGUYÊN VAI TRÒ CỦA ĐIANION
TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ CHUYÊN NGÀNH : HÓA HỌC HỮU CƠ
Mã Số: 60.44.27
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGÔ THỊ THUẬN
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Ngô Thị Thuận Trường
ĐHKHTN-ĐHQG Hà Nội đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt
MỤC LỤC.
PHẦN MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1. Giới thiệu chung 2
1.1. Khái niệm 2
1.2. Một số đianion 3
1.2.1. Đianion cacbon-cacbon 3
1.2.2. Đianion oxi-cacbon 5
1.2.3. Đianion nitơ-cacbon 6
Chƣơng 2. Đianion cacbon-cacbon 7
2.1. 1,1-(C,C)-đianion 8
2.1.1 1,1-(C,C)-đianion ổn định bởi
-Halogencacbonyl 9
2.1.2. 1,1-(C,C)-đianion ổn định bởi nhóm nitrin 10
2.1.3. 1,1-(C,C)-đianion ổn định bởi nhóm nitro 10
2.1.4. 1,1-(C,C)-đianion ổn định bởi nhóm sunfon 12
2.2. 1,2-(C,C)-đianion 13
2.2.1. 1,2-(C,C)-đianion không vòng 13
2.2.2. 1,2-(C,C)-đianion vòng 15
2.3. 1,3-(C,C)-đianion 14
2.3.1. Phản ứng ankyl hóa của -đicacbonyl đanion 18
2.3.2. Phản ứng ngưng tụ cửa -đicacbonyl đanion 23
2.3.3. Phản ứng axyl hóa của -đicacbonyl đanion 26
2.3.4. Một số phản ứng khác của -đicacbonyl đanion 28
2.4. Các đianion từ xeton không phải từ -đicacbonyl 28
Chƣơng 3. Đianion oxi-cacbon 31
3.1. Đianion của axit cacboxylic 31
3.2. Sự hình thành đianion của axit cacboxylic 32
3.3. Một số phản ứng của đianion của axit cacboxylic 32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bảng 2.2. Một số 1,2-(C,C)-đianion điển hình.
Bảng 2.3. Một số -đianion điển hình.
Bảng 2.4. Phản ứng ankyl hóa của -đicacbonyl đianion.
Bảng 2.5. Phản ứng aldol hóa của -đicacbonyl đianion.
Bảng 3.1. Phản ứng của đianion
-cacboxylat với ankylhalogenua.
Bảng 3.2. Cộng 1,2 và 1,4 của đianion cacboxylat với xeton
,
-không no
Bảng 3.3. Phản ứng akyl hóa của đianion bất đối xứng.
Bảng 3.4. Một số chất tạo đianion axit ổn định bởi các nhóm chức khác.
Bảng 3.5. Phản ứng ankyl hóa của đianion axit thioaxetic.
Hình 1.1. Phổ hồng ngoại của axit p-hyđroxymandelic.
Hình 1.2. Phổ
1
H-NMR của axit p-hyđroxymandelic.
Hình 1.1. Phổ
13
C-NMR của axit p-hyđroxymandelic.
Hình 1.1. Phổ khối lượng (LC-MS) của axit p-hyđroxymandelic.
Hình 2.1. Phổ hồng ngoại của axit p-hyđroxyphenylaxtic.
Hình 2.2. Phổ
1
H-NMR của axit p-hyđroxyphenylaxtic.
Hình 2.3. Phổ
13
C-NMR của axit p-hyđroxyphenylaxtic.
Hình 2.4. Phổ khối lượng (LC-MS) của axit p-hyđroxyphenylaxtic.
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG.
1.1. Khái niệm.
Đianion là những tiểu phân trung gian mang hai trung tâm điện tích âm
ngày càng được dùng phổ biến trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong việc
tạo liên kết cacbon-cacbon. [21]
Bằng tương tác giữa các bazơ với những hợp chất hữu cơ sẽ tạo ra
những tiểu phân trung gian như: đianion cacbon-cacbon ( C,C-đianion),
đianion oxi-cacbon ( O,C-đianion), đianion nitơ-cacbon ( N,C-đianion),
đianion lưu huỳnh-cacbon ( S,C-đianion) [27].
Các đianion được tạo thành là do quá trình tách hai proton ( H
+
) của
một phân tử hợp chất hữu cơ. Để tạo thành C,C-đianion cần tách hai proton ở
liên kết C-H(sơ đồ 1.1)
H
2
C
CH
CH
3
CH
3
NH
Ph
O
NaH
CH
3
N
Ph
O
NaH
H
2
C N
Ph
O
giai ®o¹n 1
giai ®o¹n 2
(1.2) C,C-đianion
C,N-dianion
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bảng 1.1. Một số C,C-đianion điển hình.
STT
Cấu tạo
Tên gọi
1
CH
3
W
1,1-(C,C)-đianion
Geminal đianion
hoặc
,
-đianion
2
W
W
1,2-(C,C)-đianion
Vicinal đianion
hoặc
H
2
C
.
.
.
CH
2
.
(C,C)- đianion được ổn định
bởi cộng hưởng
Với W = C(O)R, S(O)R, SO
2
R, NO
2
, CN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Bảng 1.2. Một số O,C-đianion điển hình.
STT
Cấu tạo
Tên gọi
1
R
CO
2Đianion (O-C) từ axit cacboxylic
2
R
1
O
R
2
OĐianion(O-C) từ hyđroxyl
3
O
CH
2
STT
Cấu tạo
Tên gọi
1
R
1
N
R
2
O
N,C-đianion cacboxamin
2
CH
2
NH
O
N,C-đianion thioamin.
3
H
2
C
Chƣơng 2.
ĐIANION CACBON-CACBON.
2.1. 1,1-(C,C)-đianion.
Quá trình tách hai proton( H
+
) ở một nhóm metylen duy nhất của phân tử chất
hữu cơ sẽ tạo thành 1,1-(C,C)-đianion hay geminal đianion, sự tách hai proton
xảy ra tại một vị trí khi trong phân tử không có khả năng tách proton ở các vị
trí khác [16]. Các geminal đianion đang được quan tâm nhiều bởi khả năng
phản ứng của nó với các tác nhân electrophin cao hơn rất nhiều so với những
phân tử chất hữu cơ hoặc các monoanion [38].
Để tạo thành được những geminal đianion đòi hỏi phân tử có cấu tạo
đặc biệt, có chứa nhóm chức không tham gia vào các phản ứng mà chỉ có vai
trò làm ổn định cacbanion và định hướng cho sự tách proton. Đa số các
geminal đianion được tạo thành tử những phân tử có chứa một nhóm làm ổn
định như các nhóm
- halocacbonyl, nitrin, nitro, và sunfonyl. Sự tách tuần
tự proton sẽ dẫn đến các tiểu phân trung gian và dạng cộng hưởng của nó một
số đianion tiêu biểu được đưa ra ở bảng (bảng 2.1) [21], [37], [38].
R NO
2R NO
2R N O
O
+R CNR NO
2R C=NR SO
2
R
1
R
Br
R
1
O
R
Br
R
1
O
R
Br
R
1
O
R
R
1
O
R
R
1
O
(2.1)
Br
O
(Me)
2
CuLi
CN
R
.
2 BuLI
CN
R
.
CN
CN
COOEt
ClCH
2
CH
2
Cl
(EtO)
2
C=O
(2.4)
2.1.3. 1,1-(C,C)-đianion ổn định bởi nhóm nitro.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nhóm nitro gây ảnh hưởng đến pKa của nhóm CH bên cạnh nó nên việc
tách proton đầu tiên tương đối dễ dàng, nhưng nó lại làm giảm tính
nucleophin do khả năng hút electron mạnh. Việc tìm giải pháp tạo ra đianion,
đồng thời làm tăng tính nucleophin tại vị trí
2
C=O
(2.5)
Khi nhóm anken có mặt như một phần của R thì việc tách hai proton
dẫn tới tạo ra một đianion cộng hưởng bền vững [34]. Hợp chất 3-nitroprop-
1-en tạo ra một đianion và quá trình ankyl hóa của đianion này xảy ra duy
nhất ở vị trí
Bằng cách so sánh với 4-nitrobut-1-en kết quả là cho một hỗn hợp sản
phẩm ankyl hóa ở vị trí 1 và 3, phù hợp với việc tạo thành một hệ 1,2-
đianion và 1,4- đianion, theo sơ đồ 2.6.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên .
NO
2
2 Baz¬
.
NO
2
E
+
.
NO
2
E
.
hoặc phản ứng với hợp chất cacbonyl để tạo hành vinyl sunfon như sơ đồ 2.7
PhSO
2
Ph
2BuLi
PhSO
2
Ph
E
+
PhSO
2
Ph
E
E
1.MgI
2
2. R
1
R
2
C=O
PhSO
2
R
2
R
1
Ph
-hyđroxy sunfon với hiệu suất cao, ưu tiên tạo
sản phẩm không đối quang theo sơ đồ 2.9 [11].
PhSO
2
R
2BuLi
PhSO
2
R
O
R
1
R R
1
SO
2
Ph OH
(2.9)2. 2. 1,2-(C,C)-đianion.
Trong phân tử chất hữu cơ có chứa hai nhóm làm ổn định ion cacbon ở
vị trí thuận lợi, như 1,2-đieste, 1,2-điphenyl , thì phân tử có thể tách trực
tiếp hai proton dẫn đến việc hình thành 1,2-(C,C)-đianion. Một số đianion
thuộc loại này đã được các nhà hóa học tạo ra cho mục đích nghiên cứu lý
thuyết và quang phổ, nhưng không dùng trong tổng hợp hữu cơ. Một số các
đianion như vậy được giới thiệu ở bảng 2.2.
Bảng 2.2. Một số 1,2-(C,C)-đianion điển hình.
STT
1
Các nghiên cứu lý thuyết về 1,2-(C,C)-đianion cho ta hiểu rõ hơn về
tính chất, các phản ứng của chúng và từ đó có những ứng dụng cần thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên trong công việc tổng hợp hữu cơ. Phần lớn các 1,2-đianion loại này được tạo
ra từ loại hợp chất 1,4-đicacbonyl và những hợp chất tương đồng với
cacbonyl. Những tiểu phân trung gian này được dùng nhiều trong tổng hợp
ra các hợp chất không vòng và hợp chất vòng. Ngày nay chúng được dùng
nhiều để tổng hợp nên các hợp chất vòng nhiều hơn [11].
2.2.1. 1,2-(C,C)-đianion không vòng.
Những phân tử chất hữu cơ như đietylsucxinat khi tác dụng với 2LDA
sẽ hình thành 1,2-(C,C)-đianion. Đianion này tham gia hai quá trình ankyl
hóa hoặc ngưng tụ với các anđehit, xeton hay este để tạo ra những sản phẩm
không vòng hoặc vòng với hiệu suất từ 43-86%, theo sơ đồ 2.10.[29]
EtOOC
COOEt
2 LDA
EtOOC
COOEt
2 RX
1. R
1
R
2
C=O
2. HCl 1,5M
R COOEt
(2.11)
2.2.2. 1,2-(C,C)-đianion vòng.
Hầu hết các nghiên cứu trong phạm vi 1,2-(C,C)-đianion vòng đã được
Garrait và các cộng sự nghiên cứu, họ đã tìm ra nhiều phản ứng ankyl hóa để
tạo ra các hợp chất vòng từ các đieste vòng. Các 1,2-(C,C)-đianion được ổn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên định chỉ bởi một nhóm cacbonyl, quá trình tách các proton để tạo thành
đianion tương đối thuận lợi [29]
Đối với vòng xyclobutan thì việc gắn thêm các nhóm khác vào vòng là
tương đối khó khăn, tuy nhiên Garralt đã khắc phục được điều này bằng cách
tạo ra các 1,2-đianion từ este đimetylxyclobutan-1,2-đicacboxylat, từ đó việc
đưa thêm các nhóm khác vào tương đối thuận lợi, theo sơ đồ 2.12 [11] COOMe
COOMe
2LDA
COOMe
COOMe
PhCHO
COOMe
COOMe
CH(OH)Ph
CH(OH)Ph
COOEt
COOEt
O
C iPr
X
O
O
MeOOC
MeOOC
COOMe
iPr
X=CH
2
, CH
2
CH
2
(2.13)2.3. 1,3-(C,C)-đianion.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong các loại đianion cacbon-cacbon thì 1,3-(C,C)-đianion là quan
trọng và được dùng nhiều nhất trong tổng hợp hữu cơ. Những phân tử chất
hữu cơ đơn giản như các xeton mang một nhóm -cacbonyl, thí dụ nhóm-
CHO, -COO-, hoặc nhóm xeton thứ hai, những phân tử này có thể tách một
proton tại vị trí giữa hai nhóm cacbonyl, sau đó tách một proton bên ngoài để
tạo thành 1,3-(C,C)-đianion, Các đianion được tạo thành do quá trình tách
hai proton của hợp chất -đicarbonyl đang được sử dụng rộng rãi trong tổng
hợp hữu cơ, do chúng có thể được tạo ra dễ dàng, hướng phản ứng của chúng
có thể dự đoán được và làm nền tảng để mở rộng phạm vi nghiên cứu các
. H
O O1,3-(C,C)-đianion hoặc
-xeton andehit đianion
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Nghiên cứu những tính chất và phản ứng của loại đianion này còn làm
nền tảng cho việc mở rộng vị trí cacbanion trên mạch cacbon để tạo ra 1,4-
đianion và 1,5-đianion. Trong thời gian gần đây việc sử dụng 1,3-(C,C)-
đianion tạo ra nhiều hướng mới trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ đặc biệt
trong lĩnh vực ankyl hóa và hóa lập thể. Yêu cầu tối thiểu mà 1,3-(C,C)-
đianion có thể được tạo ra từ hợp chất đicacbonyl đó là sự có mặt của nhóm
xeton, hai vị trí bên cạnh nhóm này có thể tách proton, còn nhóm cacbonyl
thứ hai có thể là nhóm anđehit, este hoặc xeton. Các hợp chất này có thể là
hợp chất vòng hoặc không vòng [14].
Do đặc tính của nhóm làm ổn định cacbonyl là có thể tham gia phản
ứng với các hợp chất ankylliti, cơ magie nên không thể dùng các chất này để
tách proton thứ nhất mà phải dùng các amiđua kim loại như LiNH
2
, NaNH
2
,
KNH
2
cho hiệu quả tương đối tốt mặc dù các tác nhân này cũng có khả năng
Sau khi 1,3-(C,C)-đianion được hình thành từ hợp chất -đicacbonyl
thì người ta quan tâm đến sự hình thành liên kết của chúng hay các phản ứng
của chúng. Những đianion loại này chủ yếu được hình thành từ những xeton
mang điện tích âm ở vị trí và được ổn định bởi các nhóm cacbonyl, nitro,
xiano, sunfua.
2. 3.1. Phản ứng ankyl hóa của các -đianion.
Sự ankyl hóa các -đicacbonyl đianion bằng các ankyl halogenua vào
các vị trí 1, 3 của những xeton este, hoặc đixeton là một vấn đề đang được
quan tâm nhiều nhất. Trong các tài liệu [15], [21], nghiên cứu về các đianion
được tạo ra bằng các amiđua kim loại (MNH
2
), ngày nay người ta sử dụng
hai đương lượng LDA hoặc hỗn hợp NaH/BuLi để tạo ra các đianion như
mong muốn. Sự ankyl hóa thực hiên tốt bởi các allylhalogenua hoặc
benzylhalogenua, đồng thời sự ankyl hóa lần thứ hai kém hơn lần thứ nhất,
theo sơ đồ 2.15.
Z
R
R
1
O
O
Baz¬
Z
R
R
1
O
O
Z
R
R
1
Bazơ
R
2
X
Hiệu suất(%)
Me
H
H
NaNH
2
MeI
59-65
Me
H
H
NaNH
2
EtBr
70
Me
H
H
NaNH
Br
65
Me
H
H
LiNH
2
nBuBr
25
Me
H
H
NaNH
2
nBuBr
67-88
Me
H
H
KNH
2
nBuBr
68
Me
H
H
NaNH
BnCl
0
Me
H
H
NaNH
2
BnCl
69-73
Copyright: Tài liệu đại học ©