Mục tiêu
Sau khi học xong chương nμy, sinh viên phải trình bμy được:
1. Khái niệm vμ cơ chế phản ứng halogen hoá.
2. Các tác nhân của quá trình halogen hoá.
3. Các ví dụ ứng dụng của phản ứng halogen hoá.
1. Đại cương
Halogen hóa lμ quá trình hóa học nhằm đưa 1 hay nhiều nguyên tử halogen vμo hợp chất hữu cơ. Tùy bản chất halogen mμ người ta gọi quá trình nμy lμ fluoro hóa, cloro hóa, bromo hóa hoặc iodo hóa.
Đưa halogen vμo phân tử hữu cơ nhằm các mục đích sau:
ư Tạo hợp chất trung gian có tính phản ứng cao cho các quá trình tổng hợp hoá học. Từ dẫn chất halogen, có thể thay thế bằng các nhóm -OH, -OR, -CN, -NH2… để tạo nên hợp chất mới. Một số dẫn chất halogen được dùng lμm tác nhân alkyl hoá (CH3I, C2H5Br), tác nhân acyl hoá (R-COCl).
ư Tạo ra các hợp chất có tính ứng dụng cao hơn. Nhiều dẫn chất halogen hữu cơ được dùng lμm dung môi (dicloromethan, cloroform, tetraclorocarbon...).
ư Nhiều hoá dược lμ hợp chất chứa halogen (thuốc sát trùng CHI3, thuốc ho CHBr3, thuốc cản quang chứa iod Urokon, thuốc lợi tiểu clorthiazid ...). Các dẫn chất chứa fluor có ưu điểm lμ bám chắc vμo hệ enzym của cơ thể. Do đó nhiều thuốc chứa fluor có thời gian bán thải dμi vμ tác dụng mạnh (thuốc sốt rét mefloquin, các quinolon kháng khuẩn peflacin, ciprofloxacin…).
Quá trình tạo dẫn xuất halogen có thể dùng các phương pháp sau:
1. Thế hydro hay nhóm nguyên tử khác bằng halogen.
2. Cộng hợp halogen vμo liên kết kép của phân tử hữu cơ.
2. Cơ chế phản ứng
2.1. Halogen hoá theo cơ chế ion
Thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (150-2000C) với xúc tác lμ các chất tạo ion (acid, base, muối kim loại).
2.1.1. Thế ái điện tử (Electrophilic Substitution)
Phản ứng nμy có thể thay thế một hay nhiều nguyên tử H của nhân thơm bằng một hoặc nhiều nguyên tử halogen. Xúc tác cho quá trình lμ acid Lewis (FeCl3, AlCl3):
2.1.2. Cộng hợp ái điện tử (Electrophilic Addition)
Phản ứng cộng hợp của halogen, acid hydro-halogenid vμ acid hypohalogenid vμo olefin ở nhiệt độ thấp vμ tránh tác dụng của ánh sáng xảy ra theo cơ chế cộng hợp ái điện tử. Xúc tác acid Lewis (FeCl3, AlCl3) có tác dụng lμm phân cực halogen vμ acid hydro-halogenid, tạo ra tác nhân ái điện tử.
CH2 CH2 +Br2 C C Br H
H H
H
+ Br CH2 CH2
Br Br
Phản ứng cộng HX vμo olefin không đối xứng tuân theo nguyên lý Markonyikov:
CH CH2
CH3 +HBr CH3 CH CH3
Br CH CH3
CH3 Br
Nếu có nhóm hút điện tử mạnh liên kết với olefin thì sản phẩm cộng hợp ngược với nguyên lý Markonyikov:
+ Br CH CH2
CF3 HBr CF3 CH2 CH2 CF3 CH2 CH2Br Cl2 + FeCl3 Cl+ + (FeCl4)
-Cl
Cl H Cl
Cl+ Cl+ +
H+ H+
-H+ + (FeCl4)- HCl + FeCl3
2.1.3. Thế ái nhân (Nucleophilic Substitution) Khi các alcol tác dụng với các acid hydro-halogenid:
R-OH + HX → R-X + H2O
Phản ứng xảy ra qua ba giai đoạn vμ được giải thích như sau:
H-X → H+ + X-
RBr
+
Br R+
H2O
+ +
R O H R H H+
ROH +
2.2. Halogen hoá theo cơ chế gốc
Phản ứng halogen hóa xảy ra theo cơ chế gốc tự do khi có tác dụng của ánh sáng, ở nhiệt độ cao hoặc xúc tác tạo gốc tự do (peroxyd).
2.2.1. Phản ứng thế gốc ở hydrocarbon no mạch thẳng
Phản ứng thế H ở các hợp chất parafin hoặc H trên mạch nhánh các hợp chất thơm ở nhiệt độ cao, xúc tác ánh sáng. Quá trình xảy ra qua ba giai đoạn:
ư Tạo gốc tự do: Dưới tác dụng của ánh sáng hay nhiệt độ cao (3000C).
Cl2 Cl2
ư Gốc tự do tham gia phản ứng với hydrocarbon tạo chuỗi phản ứng dây chuyền:
Cl2
R CH2 + R CH2Cl Cl+ Cl R+ CH3 R CH2 + HCl
ư Các gốc tự do phản ứng với nhau, kết thúc quá trình:
Cl2
R CH2 CH2 R R CH2
2
R CH2 + Cl R CH2Cl
Cl + Cl
2.2.2. Phản ứng cộng hợp halogen vμo hydrocarbon thơm
Dưới tác dụng của ánh sáng, clor vμ brom có thể cộng hợp vμo nhân thơm theo cơ chế gốc tự do:
Cl Cl Cl Cl
Cl
Cl Cl
+
Cl Cl Cl2
Cl Cl
Cl Cl2 as 2
2.2.3. Phản ứng cộng hợp halogen vμo olefin
Phản ứng cộng hợp halogen phân tử vμo olefin dưới tác dụng của ánh sáng thường xảy ra theo cơ chế gốc tự do.
Trong số các hydro-halogenid thì chỉ HBr dưới tác dụng của peroxyd cộng hợp vμo olefin theo cơ chế gốc tự do. Còn HCl vμ HF do năng lượng liên kết H-X lớn, khó có khả năng tách thμnh gốc tự do để tham gia phản ứng nμy.
CH CH2 +
CH3
H2O2
HBr CH3 CH2 CH2Br 3. Tác nhân halogen hóa
3.1. Các halogen phân tử
ư Clor lμ khí mμu vμng lục, d=2,49, hoá lỏng ở -34,50C. Trong công nghiệp clor được sử dụng khá phổ biến, thường được đóng trong bình thép dưới dạng lỏng. Clor phân tử được sử dụng để clor hóa các hợp chất thơm theo cơ chế thế ái điện tử. Nó cũng được dùng để clor hóa các hợp chất hydrocarbon no bằng phản ứng thế gốc với xúc tác lμ ánh sáng vμ nhiệt độ cao. Ngoμi ra còn dùng để cộng hợp vμo các liên kết kép. Clor lμ một khí rất độc.
ư Brom lμ chất lỏng mμu nâu sẫm, dễ bay hơi, d=3,1, sôi ở 590C. Có thể đựng trong bình thuỷ tinh. Dùng để halogen hoá giống như clor.
ư Iod lμ tinh thể mμu tím sẫm, nóng chảy ở 1130C, ít khi được sử dụng vì khả năng phản ứng kém.
ư Fluor lμ khí mμu lục, hoá lỏng ở -1880C. Nó hầu như không thể sử dụng được để fluor hóa trực tiếp vì phản ứng quá mãnh liệt. Hợp chất fluor phải điều chế bằng phương pháp gián tiếp (qua muối diazoni hoặc dùng phản ứng thay thế halogen).
3.2. Các acid hydro-halogenid
Gồm HCl, HBr, HI vμ HF. Thường dùng để cộng hợp vμo các liên kết kép của hydrocarbon không no theo cơ chế phản ứng cộng hợp, hoặc thế nhóm -OH alcol bằng halogen theo cơ chế thế ái nhân.
3.3. Các hipohalogenid vμ muối của chúng
Các hợp chất nμy lμ HOCl, NaOCl. Cộng hợp với ethylen tạo ethylenclorhydrin lμ nguyên liệu quan trọng tổng hợp metronidazol.
CH2 = CH2 + HOCl → HO-CH2-CH2-Cl
Đặc biệt khi cho phenol tác dụng với NaOCl thì chỉ tạo thμnh đồng phân ortho:
Một ứng dụng khá quan trọng của NaOCl lμ clor hóa các sulfamid để điều chế các chất sát trùng (cloramin T).
3.4. Các clorid acid vô cơ
Nhóm nμy có SOCl2, SO2Cl2, COCl2, PCl3, POCl3, PCl5. Chúng tồn tại ở dạng rắn hoặc lỏng, rất nhạy cảm với nước. Thường được dùng để điều chế clorid acid từ các acid carboxylic tương ứng.
3.5. Các muối của halogen với kim loại kiềm
Nhóm nμy gồm NaF, NaCl, NaBr, NaI. Thường được dùng để chuyển hóa các sulfon ester, các muối hydroclorat của amin thμnh dẫn xuất halogen:
R O SO3H + NaF RF + NaHSO4 R NH2.HCl + NaF RF + NaCl + NH3 hoặc thay thế clor thμnh iod.
OH + NaOCl OH
Cl
+ NaOH
SO2NH2
R + NaOCl SO2NNaCl
R
CH2 CH CH2 Cl OH Cl
+ 2NaI CH2 CH CH2 2NaCl I OH I
+
3.6. Các tác nhân halogen hóa khác
Đó lμ S2Cl2, SbF3, N-brom-succinimid. S2Cl2 được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất tetraclorid carbon:
CS2 + 2S2Cl2 CCl4 + 6S
Với SbF3 người ta có thể điều chế được các dẫn xuất fluor từ các dẫn xuất clor tương ứng:
CF3
CCl3 130C + SbCl3
SbF3 +
o
4. Một số ví dụ
4.1. Clor hoá toluen
Tuỳ xúc tác vμ điều kiện phản ứng, có thể tạo thμnh các sản phẩm khác nhau. Clor hoá ở nhiệt độ sôi của toluen, với tác dụng của ánh sáng, phản ứng xảy ra ở thể hơi theo cơ chế gốc tự do. Sản phẩm lμ benzylclorid, benzyliden-clorid vμ benzylidinbenzyliden-clorid.
CH3
Cl2/as t0
CH2Cl Cl2/as
t0
CHCl2 Cl2/as
t0
CCl3
Còn nếu clor hoá ở nhiệt độ phòng với xúc tác lμ FeCl3 thì thu được sản phẩm lμ các dẫn xuất clor thế trên nhân.
CH3 CH3
Cl2 Cl
FeCl3 +
CH3
Cl 4.2. Điều chế chất cản quang Urokon
Urokon được sử dụng khi chụp cản quang đường mật. Nó được điều chế từ N-acetyl-meta-amino-benzoic theo phương trình sau:
CH3COOH +
COOH I I
I
NHCOCH3 COOH
NHCOCH3
ICl 3
tự l−ợng giá
1. Thế nμo lμ quá trình halogen hoá? Mục đích của quá trình nμy lμ gì?
2. Cơ chế phản ứng halogen hoá đ−ợc phân lμm mấy nhóm? Điều kiện xảy ra vμ các ví dụ của mỗi loại cơ chế?
3. Trình bμy các loại tác nhân của quá trình halogen hoá?
4. Nêu các ví dụ ứng dụng của quá trình halogen hoá trong tổng hợp hữu cơ vμ hoá d−ợc.
Chương 5