P H A N T H A N H SƠN NAM (Chủ biên) T R Ẩ N THỊ VIỆT HOA H Ó A im D tu € NHÀ XUẤT BẢN Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C GIA TP H C H Í MINH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH TRỪỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA P h a n T h a n h Sơn N am (Chủ b iên ) T rần T h ị V iệ t H oa GIÁO TRÌNH H Ĩ A HỮU C (Tái lần thứ hai) TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TH Ư 7IỆN WP M W NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2019 GIÁO TRÌNH HĨA HỮU I PHAN THANH SƠN NAM (CB) I TRẰN THỊ VIỆT HOA Bản tiếng Việt © , TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG-HCM, NXB ĐHQG-HCM CÁC TÁC GIÁ Bàn quyền tác phẩm đâ bảo hộ Luật Xuất bàn Luật Sở hùru trí tuệ Việt Nam Nghiêm cấm hình thức xuât bản, chụp, phát tán nội dung chưa có đồng V tác giả Nhà xuất D Ẻ.CÓ SÁCH HAY, CẢN CHUNG T A Y BẢO VỆ T Á C Ọ U YẺN ! MỤC LỤC LỜI NÓI B Ầ U Phẩn Cơ SỞ LÝ THUYẾT HÓA HỮU Cơ C hư ơng ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ 11 1.1 Giới thiệu chung 11 1.2 Các công thức biểu diễn cấu trúc 13 1.3 Quy tắc Cahn-Ingold-Prelog 16 1.4 Đồng p h â n h ìn h học 18 1.5 Đồng p h ân quang học 27 1.6 Cấu dạng m ột số hợp chất thường gặp 54 C hư ơng CÁC LOẠI HIỆU ỨNG TRONG PHÂN TỬ HỢP chất hữu 65 2.1 Giới th iệu chung 65 2.2 Hiệu ứng cảm ứng 66 2.3 Hiệu ứng liên hợp 70 2.4 Hiệu ứng siêu liên hợp 79 2.5 Hiệu ứng không gian hiệu ứng ortho 81 2.6 Ảnh hưởng hiệu ứng lên tín h acid-base 85 2.7 Ánh hưởng hiệu ứng lên dộ bền carbocation, carbanion gốc tự C hư ơng PHẢN ỨNG HỮU VÀ CHẾ PHẢN ỨNG 105 112 3.1 Giới thiệu chung 112 3.2 P h â n loại phản ứng hữu 113 3.3 Giới thiệu phương pháp xác định chế phản ứng 119 3.4 Cơ chế tổng quát phản ứng hữu thường gặp 124 3.5 Ảnh hưởng hiệu ứng lên k h ả n ăng p hản ứng 139 P h ầ n CÁC NHĨM ĐỊNH CHỨC CHÍNH 145 C hư ơng CÁC HỢP CHẤT ALKANE 147 4.1 Cấu tạo chung 147 4.2 D anh pháp IUPAC 149 4.3 Các phương pháp điều chế 153 4.4 T ính c h ấ t v ậ t lý 158 4.5 T ính c h ấ t hóa học 159 4.6 M ột sơ ứng dụng alkane 177 C hư ơng CÁC HỢP CHẤT ALKENE 179 5.1 Cấu tạo chung 5.2 D anh ph áp ^8^ 5.3 Các phương pháp điều chế *82 5.4 Tính ch ất v ậ t lý ^88 5.5 Tính ch ất hóa học ^8^ C hư ơng CÁC HỢP CHẤT ALKADIENE 6.1 Câu tạo chung 6.2 D anh pháp 228 228 232 z z 6.3 Các phương pháp điều chê 6.4 Tính chất vật lý 235 6.5 T ính chất hóa học 233 6.6 Giới thiệu vổ hợp chai allenc 250 C hư ơng CÁC HỢP CHAT ALKYNE 252 7.1 Câu tạo chuns* 252 7.2 D anh pháp 253 7.3 Các phương pháp diều chế 7.4 T ính chãt v ật lý 255• 257 7.5 Tính chát hóa học 258 C hư ơng CÁC HỢP CHẤT HYDROCARBON THƠIVI 272 8.1 Cấu tạo benzene 8.2 T ính thơm - quy tắc HỦKEL 8.3 D anh pháp 272 275 278 8.4 Các phương pháp điều chế 282 8.5 T ính ch ất v ật lý 284 8.6 Tính ch ất hóa học f 8.7 Một số ứng dụng hợp chất hydrocarbon thơm C hư ơng CÁC DẪN XUẤT HALOGEN VÀ HỢP CHẤT MAGNESIUM 287 325 326 9.1 Câu tạo chung 326 9.2 D anh pháp 327 9.3 Các phương pháp điều chế 329 9.4 T ính ch ất v ật lý 336 9.5 T ính chất hóa học 337 9.6 Hợp ch ất magnesium (Grignard) 9.7 M ột sô ứng dụng dẫn xuất halogen 566 376 C hư ơng 10 CÁC HỢP CHẤT ALCOHOL VÀ PHENOL 378 A CÁC HỢP CHẤT RƯỢU 378 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 Câu tạo chung Danh pháp Các phương pháp điều chê’ Tính chất v ật lý T ính chất hóa học 10.6 Một sô ứng dụng alcohol B CÁC HỢP CHẤT PHENOL 10.7 Câu tạo chung 10.8 Danh pháp 10.9 Các phương pháp điều chế 10.10 Tính chất vật lý 10.11 Tính chất hóa học 10.12 Một sơ ứng dụng cua phenol 378 379 381 390 391 410 412 112 313 315 418 420 433 Chương 11 CÁC HỢP CHẤT CARBONYL 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 Cấu tạo chung D anh pháp Các phương pháp điều chế Tính c h ất v ậ t lý T ính c h ất hóa học M ột số ứng dụng hợp chất aldehyde ketone C hư ơng 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 CÁCHỢPCHẤT CARBOXYLIC ACID Z , Cấu tạo chung D anh pháp Các phương pháp điều chê Tính c h ất v ậ t lý Tính c h ất hóa học P h ản ứng dẫn xuât từ carboxyhc acid Một sc> ứng dụng carboxylic acid C hương 13 CÁCHỢP CHAT AMINE -DIAZONIUM 13.1 Cấu tạo chung 13.2 D anh pháp 13.3 Các phương pháp điều chê 13.4 T ính chất vật lý 13.5 Tính chất hóa học ~ v 13.6 Một sơ ứng dụng am ine 13.7 Các hợp chất diazonium 435 °° 439 ^ 448 478 479 479 43^ 510 526 529 529 531 34^ 543 558 C hương 14 CÁC HỘP chất dị vòng thơm nấm sáu cạnh dị tồ 571 14.1 Cấu tạo chung ^7^ 14.2 Các phương pháp điều chế 576 14.3 T ính chất vật lý 584 14.4 Tính chât hóa học pyrrole, furan thiophene 14.5 T ính chât hóa học củạ pyridine 14.6 M ột sô ứng dụng hợp chất dị vòng thơm năm sáu cạnh dị tố T À I L IỆ U T H A M KHẢO 585 516 620 LỜI NĨI ĐẦU Hóa hữu ngành hóa học chuyên nghiên cứu hợp chắt carbon Các ngun tử carbon hình thành liên kết với nguyên tử nguyên tổ khác, đặc biệt cịn có khả liên kết với hình thành hàng triệu hợp chất hữu khác có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp Các hợp chất hữu ca đóng vai trị đặc biệt quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật đời sống nhân loại Việc nghiên cứu tìm phương pháp xây dựng nên phân tử phức tạp với tính chất mong muốn từ phân tử đơn giản cần thiết Giáo trình HĨA HỮU c cán giảng dạy Bộ mơn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hóa học đồng biên soạn dựa đề cương mơn học Hóa hữu Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh Đây chương trình Hóa hữu dành cho sinh viên ngành kỹ thuật hóa học với mục tiêu đào tạo theo diện rộng, đồng thời có kỹ chun mơn cao Nội dung Giáo trình chia thành hai phần: Phân mọt Cơ sơ ly thuyêt Hoa hữu c , cung cấp kiên thức vê sơ ly thuyct hoa hữu cơ, anh hương phần câu tao đến phân bố mật độ điện tử nguyên tử phân tử, ảnh hưởng cấu tạo đến chế, khả phản ứng tính chất lý hóa cửa hợp chất hữu chế phản ứng quan trọng hóa học hữu Phần hai: “Các nhóm định chức chính”, cung cấp kiến thức hóa học nhóm định chức lióa hữu phương pháp tổng hợp chủ yếu dược sử dụng tính chất lý hóa quan trọng hợp chất hữu Giáo trình khơng nhàm mục đích trình bày tất nhóm định chức có hóa hữu mà tập trung nghicn cứu số nhóm định chức quan trọng Giáo trình bao gồm 14 chương PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam chủ biên phân công biên soạn sau: Chương chương PGS - TS Trần Thị Việt Hoa PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam đồng biên soạn Từ chương đến chương 14 PGS - TS Phan Thanh Sơn Nam chịu trách nhiệm biên soạn Giáo trình dược dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên dại học học vịcn cao hục ngành kỹ thuật hóa học (Chemical enginccringì Trường Đại hoe Bach khoa - Dại h ọ c Quác gia Thành phú ỈIò Chi Minh, căng tài liệu tham khảo cho cúc nghiên cứu sinh, cún giang dạy cán ngluêi-1 cứu ngành kỹ thuật hóa học tụi cúc trường dại học vù cao đàng khác S m i vi en dại học học viên cao học ngành hóa học (chcmistry) cỏ the tham khao thèm giáo trinh ngồi giáo trình Đại học Khoa học Tự nỉiìơỉì Đụi học Sư phạnì Xin chán cam ơn PGS TS Phạm Thành Quán, TS Nguyễn Hữu Lương TS Tong Thanh Danh, TS Lù Thị Hổng Nhan, PGS TS Nguyên Phương Tùng vù GS TSKH Nguyền Công Hào đọc tháo góp y cho nhóm bi ớn Z n Xin cám ơn cúc cún giảng dạy, học viên cao học sinh viên lam luận van tót nghiệp tạ, Bộ mơn Kỹ thuật Hóa hữu cơ, Khoa Kỹ thuật Hỏa học dà nhiệt tình giúp chứng tùi sưa ban thao Riêng người biên xin chán thành cám ơn PGS TS Trần Thị Việt Hoa ve kicn thức quý báu liên quan dẽn linh vực tổng hợp hữu da dược PGS truycn thụ bạc dại học vù sau dại học Nhưng kicn ^ tiền dù quan trọng cho dời giáo trinh Hoa hưu Lơ Nho/ soạn xiu chùn thánh biết ơn tất cá nhà khoa học túc giả cong trình khoa học dược hệt ké mục tài liệu tham khao cuõi giáo trinh, ('un phái kháng dinh khơng có củng tì ình khoa học co gia trị tiu sờ kháng co dời dia cn giáo trình Chung toi rát mong nhạn dươc nhũng ý kicn dong gop tua ccu I ụ I de tan tai ban tơi, Giáo trình HỊA H ƠU c dược hoan thiện Mọi ý ki en dong góp xin giỉi ,{>■ PGS 7’g Phan Thanh Sơn Num, Bộ môn Ky thiuit Hỏa hữu cơ, Khoa Kỳ thuật Hóa học, Trường Đụi học Bách khoa - Dại học Quốc gia Thanh phó Hị Chi Minh, sổ 2(ìS Lý Thường Kiệt, Q" I0- ™ nh phị Ho (hìí Minh ỉ)u n thoại: 4S()4/256 (so nôi hô 5690) Sô fax: 58637504 Einuiỉ: Ị)t snuin G ỉicniut.rdu.rn Xiỉì ch ủn thành cúni o'/ì TP Hị Chí Minh Ngay 20.6.2013 Chỉi hi en P(ỈS - TS Phan Thanh Sơỉì Ntiỉìì PHẦN Cơ sở LÝ THUYẾT HÓA HỮU CHƯƠNG 14 608 P h ả n ứ n g oxy h ó a O' T n g t ự n h n h ữ n g h ợ p c h ấ t a m in e b ậ c b a k h c , p y rid in e dễ d n g t h a m g ia p h ả n ứ n g oxy h ó a v n g u y ê n tử n itr o g e n với tá c nhân oxy hóa p e rc a rb o x y lic a c id đ ể h ìn h th n h sản phẩm p ỳ r id in e N -o x id e tư n g ứng S ả n p h ẩ m iV -oxide c ủ a p y r id in e v d ẫ n x u ấ t s d ụ n g tr o n g n h iề u q u t r ì n h tố n g h ợ p h ữ u k h c n h a u S ả n p h ẩ m iV -oxide cịn có k h ả n ă n g th a m g ia n h iề u p h ả n ứ n g k h c , c h ẳ n g h n n h p h ả n ứ n g h a lo g e n h ó a , p h ả n ứ n g sulfo h ó a , p h ả n ứ ng n i tr o h ó a v n h iề u p h ả n ứ n g k h c I ỏ- I ỏ- 14 P h ả n ứ ng th ế n h ân N h đ ã tr ìn h bày, p h n ứng th ê đ iện tử vào n h â n th m p h ả n ứ ng đăc trư n g cho b e n z en e d ẫ n x uất n h hợp c h ấ t dị vòng giàu đ iệ n tử n h py rro le, furan th io p h e n e T ro n g k h i đó, p y rid in e CÁC H ộ p CHẤT DỊ VÒNG THƠM NÃM VÀ SÁU CẠNH M ỘT DỊ T ố 609 d ẫ n x u ấ t th a m g ia p h ả n ứ ng t h ế n h â n vào n h â n th m dễ d n g h n T ro n g có th ế ’ n g u y ê n tử h y d ro g en tro n g p y rid in e d n g h y d rid e (H-) bị th a y th ê m ộ t tá c n h â n n h â n , m ộ t n h ó m t h ế n o đp tro n g p h â n tử p y rid in e b ị th a y t h ế b ằ n g m ộ t n h ó m t h ế k h c có tín h i n h â n T h ô n g th n g , p h ả n ứ ng th a y t h ế nguyên tử h a y n h ó m n g u y ên tử k h ô n g p h ả i h y d ro g e n tro n g p h â n tử p y rid in e xáy r a dễ d n g h n trư n g h ợ p th a y t h ế h y d ro g e n b ằ n g m ộ t tá c n h â n n h â n n o T hự c n g h iệ m cho th ấ y tá c n h â n có tín h c h ấ t i n h â n đ ịn h h n g t â n cô n g vào V Ị t r í (2 ) v C(4) tro n g p h â n ‘ p y r d in e m k h ó t ấ n cơng v vi t r í C( ) Có th ể giải th íc h h iệ n tư ợ ng n a y ựa t r e n ọ e tư n g đối phức tru n g g ia n h ìn h t h n h tro n g tư n s trư n g ợp T cấu trú c công hư ng phức cho hư ng th e vao ca^ V Ị n , (3 ) v (4 ), c ả h a i tr to g hợ p t h ế vào (2 ) C(4) f hm tró c dăc b iệ t b ề n h n n h ữ n g trư n g hợ p lạ i d iệ n tíc ^ p *'ím n g u y ê n tử n itr o g e n có độ â m ệ n lớn Do đó, phức a h ìn h t h n h p h ả n ứ n g t h ế v vị t n (2 ) v (4 ) tương đối b ề n h o n , h ìn h t h n h s ả n p h ẩ m t h ế tư n g ứ n g d ễ h n trư n g hợ p t h ế vào VỊ t n C(3) Bền T h ô n g th n g n h ó m th ế halo g en vị tr í C( ) v C(4) tro n g vòng p y rid in e r ấ t dễ d n g bị th a y th ế n h ữ n g n h ó m t h ế có tín h c h ấ t n h â n CHƯƠNG 14 610 khác N gồi n h ó m t h ế h alogen, m ộ t số n h ó m th ê k h c tro n g dị vòng p y rid in e có k h ả n n g bị th a y t h ế n h ữ n g tác n h â n n h â n khác, ví dụ n h n h ó m th ê n itrõ , alkoxysulíịnyl, m ethoxy Tuy n h iên , thườ ng gặp n h ấ t tro n g trư n g hợ p n y v ẫ n d ẫ n x u ất 2- 4-halopyridine T ro n g đó, d ẫ n x u ấ t -halo p y rid in e th a m g ia p h ả n ứng với tác n h â n n h â n dê d n g h n trư n g hợ p -halopyridine R iêng d ẫ n xuất 3halo p y rid in e, p h ả n ứ ng t h ế i n h â n xảy r a tương đối ch ậm v đòi hỏi điều k iện p h ả n ứ ng k h ó k h ă n hơ n T uy n h iên , k h ả n ă n g th a m g ia p h ả n ứng th ế n h â n -h alo p y rid in e v ẫ n cao hơ n trư n g hợp h alo b en zen e tương ứng Ví dụ -chloropyridine th a m g ia p h ả n ứng t h ế n h â n với tá c n h â n n h thio p h en o l tro n g điều k iệ n có m ặ t b a se trie th y la m in e n h iệ t độ 100°c, h ìn h th n h s ầ n p h ẩ m t h ế tương ứng vớỉ h iệu su ấ t 93% Tương tự n h vậy, với tác n h â n n h â n sodium m ethoxide tro n g dung m ôi m eth an o l, p h ả n ứng xảy r a d l d n g v đ t hiệu su ấ t 95% T ro n g trư n g h ợ p d ẫ n x u ấ t ,4 -d ib ro m o p y rid in e p h a n ưng t e n h â n với a m m o n ia n h iệ t độ 160 °c chủ yêu chi x ay r a tạ i V Ị t n ^ e h ìn h th n h s ả n p h ẩ m t h ế tươ ng ứ ng với h iệu su â t 65% T ro n g đieu ẹn p h ả n ứng n ày , n h ó m th ê -B r tạ i vị t r í C(3) h â u n h k h o n g th a m g ia p h ả n ứng t h ế với a m m o n ia Đối với d ẫ n x u ấ t -b ro m o p y rid in e, p h ả n ứng th ê n h â n với a m m o n ia x ảy r a k h i có m ặ t xúc tá c C uS đe b in h th n h s ả n p h ẩ m t h ế tư ng ứng với h iệu s u ấ t 8 %, tư n g tự n h trư n g h ợ p p h ả n ứng chlo ro b en zen e Br ớN Br Br aq CuSC N 611 CÁC HỢP C H Ấ T DỊ VÒNG THƠM NĂM VÀ SÁ U CẠNH M Ộ T DỊ TÔ T r o n g trư n g h ợ p có h a i n h ó m t h ế k h c n h a u vị t r í C (2) v C ( ) có t h ế b i t h a y t h ê tá c n h â n i n h â n , p h a n n g t h e a i n h a n se x ả y r a th e o h n g n h ó m b ị t h ế di r a có t í n h b a s e y ế u h n V í dụ tr o n g trư n g h ợ p d ẫ n x u ấ t p y rid in e ch ứ a n h ó m - O C H vị t r í C ( ) v n h ó m - B r v ị t r í C ( ), tá c n h â n i n h â n t h a y t h ế n h ó m - B r v ị t r í C (4) t í n h b a s e c ủ a B r- y ếu h n N H 2\ M ộ t ví dụ k h c , đối vớ i d ẫ n x u ấ t p y r id in e c h ự n h ó m -C vị t r í C(2) v n h ó m —C H o VỊ t r i C (4), tá c n h â n i n h â n s ẽ th a y t h ế n h ó m -C v ị t r í C (2) t í n h b a s e c ủ a C l' y ếu h n C H 3‘ NH CH CH 14.5.3 P h ả n ứ n g t h ế i đ i ệ n t T ín h c h ấ t c h u n g c ủ a p h ả n ứ n g P y r id in e v d ẫ n x u ấ t v ẫ n có k h ả n ă n g th a m g ia p h ả n ứ n g t h ế i đ iệ n tử v o n g u y ê n tử c a rb o n tr o n g d ị v ò n g th m T u y n h i ê n , p h ả n ứ n g x ả y r a k h ó k h ă n h n trư n g h ợ p b e n z e n e v k h ả n ă n g t h a m g ia phản ứng p y r id in e gần tư n g đương với tr n g hợp n itr o b e n z e n e N g u y ê n n h â n đ iều n y n g u y ê n tử n itr o g e n có độ â m đ iệ n lớ n tr o n g p h â n tử p y r id in e h ú t d iệ n t v ề p h í a m ìn h , m g iả m m ậ t độ đ iệ n tử tr o n g n h â n th m N g o i r a , p h ả n ứ n g t h ế đ iệ n tử v n h â n th m th n g x ả y r a tr o n g m ô i tr n g a c id T ro n g đ iề u k iệ n n y , a c id t ấ n công d ễ d n g v o n g u y ê n t n itr o g e n p y r id in e , v th ự c tê p y r id in e tồ n t i d n g c a tio n CHƯƠNG 14 612 C ác k ế t q u ả n g h iê n cứu trư c đ â y cho t h ấ y k h ả n ă n g th a m g ia p h ả n ứ n g củ a p y rid in iu m c a tio n n h ỏ h n trư n g h ợ p b e n z e n e k h o ả n g 12 - 18 lầ n , tù y th u ộ c vào từ n g p h ả n ứ n g cụ th ế C ũ n g có th ế g iả i th íc h k h ả n ă n g th a m g ia p h ả n ứ n g t h ế i đ iệ n tử k é m p y rid in e d ự a t r ê n độ b ề n k é m c a tio n tr u n g g ia n (phứ c ơ) h ìn h t h n h tr o n g p h ả n ứ n g Do ả n h h n g h ú t đ iệ n tử n g u y ê n tử n itr o g e n , m ậ t độ đ iệ n tíc h dư ng tro n g phứ c tă n g lê n v k é m b ề n h n trư n g h ợ p p h ứ c h ìn h th n h tr o n g p h ả n ứ n g b e n z e n e C h ín h v ậ y , p y r id in e h o n to n k h ô n g th a m g ia p h ả n ứ n g F rie d e lC fts a lk y l h ó a v acy l h ó a tư n g tự n h n itro b e n z e n e Thế CÍ2) OrY~O'- - •* H Kém bến o + Y+ Thê C(3) N “ II fVí H “- ♦ V V - Q - V - N Y \ Thế C(4 ) N H N N Kém bền T hự c n g h iệ m cho th ấ y tá c n h n có t ín h c h ấ t đ iện tử đ ịn h h n g t ấ n ọôn g vào vị tr í c