Hóa học - Chương 30: Hợp chất dị vòng

Ch−ơng 30 HợP CHấT Dị VòNG Mục tiêu học tập 1. Giải thích đ−ợc tính thơm của các loại hợp chất dị vòng. 2. Nêu đ−ợc danh pháp và đọc đ−ợc tên theo thông th−ờng các hợp chất dị vòng. 3. Trình bày đ−ợc công thức cộng h−ởng dị vòng 5 và 6 cạnh. 1. Định nghĩa Dị vòng là những hợp chất vòng. Vòng đ−ợc tạo thành không những do các nguyên tử carbon mà còn có các nguyên tố khác nh− oxy O, nitơ N, l−u huỳnh S. Các nguyên tố này gọi là dị tố. 2. Phân loại hợp chất dị vòng Tùy theo cấu tạo, có thể chia hợp chất dị vòng thành 2 loại chính: Dị vòng thơm và dị vòng không thơm. Dị vòng thơm là những dị vòng có cấu trúc điện tử của vòng phù hợp với công thức Huckel (4n+2) eπ Ví dụ: Pyridin NN . ... . . N O Furan ... . .. O O Dị vòng không thơm là dị vòng no hoặc ch−a no: Ví dụ: O O S N H N H N H Trong các hợp chất dị vòng thì dị vòng thơm là quan trọng. Phân loại dị vòng thơm nh− sau: 79 2.1. Dị vòng 5 cạnh, 6 cạnh, 7 cạnh có 1 dị tố 2.1.1. Dị vòng 5 cạnh, 6 cạnh có 1 dị tố PyrrolThiophenFuran NHSO Pyridin N 2.1.2. Dị vòng 5 cạnh, 6 cạnh ng−ng tụ với vòng benzen NO S Benzofuran Benzothiophen Benzopyrrol Benzopyridin (Quinolin) N H 2.2. Dị vòng 5 cạnh, 6 cạnh có nhiều dị tố 2.2.1. Hai dị tố giống nhau N N N N H N N H N N N N Pyrazol Imidazol Pyridazin Pyrimidin Pyrazin 2.2.2. Hai dị tố khác nhau N O Oxazol Thiazol N S 2.2.3. Dị vòng 5 cạnh, 6 cạnh có 2 dị tố ng−ng tụ với vòng benzen N N N N S N O NN N N N N Benzoimidazol Benzothiazol Benzoxazol Benzopyridazin Benzopyrimidin Benzopyrazin 2.3. Các dị vòng ng−ng tụ với nhau N N N N N N N N N Purin Pteridin 80 3. Danh pháp hợp chất dị vòng 3.1. Danh pháp thông th−ờng Danh pháp thông th−ờng xuất phát từ nguồn gốc hoặc tính chất của một hợp chất có trong thiên nhiên. N CH3 Gọi là Picolin vì chất này lấy từ nhựa than đá (coaltar). Theo tiếng Latinh Picatus có nghĩa là giống nhựa hắc ín (tarry). N CH2OH Đây là một alcol trích ly từ cám (bran) gọi là "furfurol" có nghĩa là dầu cám. N H Gọi là "Pyrrol". Pyrrol theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là cháy đỏ, vì mẫu gỗ thông có tẩm acid dễ bốc cháy với picolin. Tên thông th−ờng không phản ánh cấu trúc phân tử. Danh pháp thông th−ờng của hơn 60 hợp chất dị vòng trở thành phổ biến nh− là một quy −ớc của hệ thống danh pháp IUPAC. Sau đây là danh pháp thông th−ờng của các chất đ−ợc quy −ớc nh− là danh pháp quốc tế: Bảng 30.1: Các hợp chất có tên thông th−ờng quy −ớc. FurazanImidazolPyrazolThiophenFuranPyrrol N O N N N H N N H SON H N N N N N N N O Pyridin Pyridazin Pyrimidin razin a-PyranPy 4 IndolizinPurinIndazolIsoindolIndol 2 8 1 1 5 76 9 4 3 2 1 N N N N H NNN H N H N H 1 4 5 4 82 N N N N N N N N N Quinolin Isoquinolin Quinazolin Pteridin Quinolizin 1 1 81 N H PhenanthridinPhenothiazinPhenazinCarbazol 10 9 5 5 2 2 2 1 1 19 5 10 2 1 NS N H N N Đánh số các dị vòng theo quy −ớc: − Xuất phát từ dị tố và theo chiều của dị vòng. − Đối với hợp chất đa vòng thì đánh số bắt đầu từ nguyên tử cạnh vòng kết hợp. 3.2. Danh pháp hệ thống đối với hợp chất đơn vòng Danh pháp Hantzsh -Widman Hantzsh-Widman đã đề nghị hệ thống danh pháp đối với hợp chất đơn vòng đ−ợc ứng dụng rộng rãi nh− sau: Tên gọi của dị vòng gồm 2 phần. − Phần tiếp đầu ngữ (Preffixes ): Chỉ tên các dị tố. − Phần thân (stems): Chỉ khung vòng, độ lớn của vòng no hoặc ch−a no có số nối đôi lớn nhất. Bảng 30.2: Tiếp đầu ngữ chỉ tên các dị tố. Dị tố Hóa trị Tiếp đầu ngữ Oxy O II Oxa L−u huỳnh S II Thia Selen Se II Selena Telur Te II Telura Nitơ N III Aza Phosphor P III Phospha Arsen As III Arsa Silic Si IV Sila Germani Ge IV Germa Bo B III Bora OO N H N N H H N H N H ChromanMorpholinPiperazinPiperidinPyrolidin 82 Bảng 30.3: Tên gọi phần thân các vòng đơn Vòng không có N Vòng có N Độ lớn của vòng Vòng ch−a no Vòng no Vòng ch−a no Vòng no V 3 iren iran irin iridin 4 et etan et etidin 5 ol olan ol olidin 6 in inan in perhydro 7 epin epan epin perhydro 8 ocin ocan ocin perhydro 9 onin onan onin perhydro 10 ecin ecan ecin perhydro − Nguyên tắc đánh số: + Nếu dị vòng có nhiều dị tố thì đánh số theo chiều −u tiên theo thứ tự các dị tố sắp xếp trong bảng 30.2: O > S > N > P + Nếu dị vòng có nhiều dị tố cùng loại thì bắt đầu từ dị tố cao nhất và dùng các chữ di, tri, tetra... để chỉ số l−ợng dị tố cùng loại. Ví dụ: 1 3 Khi hệ thống vòng có số nối đôi cực đại đã đ−ợc no hóa dần, cách gọi tên nh− sau: Vị trí của nguyên tố bão hòa đ−ợc đánh số kèm theo tiếp đầu ngữ (preffixe) H và gọi tên của dị vòng ch−a no (với số nối đôi cực đại) t−ơng ứng. Ví dụ: 3 21 1,2-Oxazetidin1, -DiazetOxiranThieren O N H N NOS AzocinThiepan1,2,4-Triazin1,3-Dioxolan S NN N N O O 1 62 2 1 3H-Azepin O N 6H-1,3-Oxazin NO N 3 2H-1,3-Oxazin2H-Azirin1H-Azirin NN H 83 Cách gọi tên nh− thế này không áp dụng với cách gọi tên theo danh pháp thông th−ờng. Ví dụ: N H Không gọi là 1H- Pyrol. * Chỉ gọi là 1H-azol 3.3. Danh pháp của hệ thống vòng ng−ng tụ Phần lớn các hợp chất dị vòng đều chứa hai hay nhiều vòng ng−ng tụ với nhau. Một số hợp chất loại vòng ng−ng tụ đã có tên thông th−ờng quy −ớc. Nh−ng phần lớn hợp chất loại này phải có danh pháp hệ thống để dễ dàng khi gọi tên chúng. Tên gọi các dị vòng ng−ng tụ phải xuất phát từ nguyên tử chung thuộc cả hệ thống vòng. Tên gọi dị vòng ng−ng tụ đ−ợc gọi bằng cách kết hợp tên gọi của các dị vòng riêng biệt. Ví dụ: OxazolBenzenBenzoxazol + N O N O Nguyên tử Nitơ chung cho cả 2 vòng 1 3 4 5b a 2 PyrolPyrimidinPyrrolo[1,5a]pyrimidin N N N + N N 3.3.1. Nguyên tắc gọi tên Phải biết cách chọn và gọi tên các thành phần ng−ng tụ với nhau. − Tên gọi các thành phần ng−ng tụ phải là tên thông th−ờng đã đ−ợc quy −ớc. Nếu hợp chất đơn vòng ch−a có tên thông th−ờng quy −ớc thì dị vòng đó gọi tên theo hệ thống Hantzsch -Widman. Vòng lớn có tên gọi thông th−ờng quy −ớc sẽ đ−ợc chọn −u tiên. Ví dụ nếu trong hệ thống đa vòng có chứa vòng indol và pyrrol thì vòng indol sẽ đ−ợc chọn hơn là vòng pyrrol. − Tên gọi của dị vòng ng−ng tụ có hai thành phần: Thành phần cơ sở và thành phần thứ hai. Ví dụ: Trong công thức Pyrrolo [1,5-a] pyrimidin thì pyrimidin là thành phần cơ sở. Pyrrol là thành phần thứ hai. 3.3.2. Cách chọn thành phần cơ sở theo quy tắc sau − Nếu dị vòng chỉ có một thành phần nitơ N: chọn thành phần cơ sở chứa nitơ. 84 Ví dụ: O N NThành phần cơ sở là pyrrol − Nếu dị vòng không có nitơ: chọn thành phần cơ sở là vòng có dị tố cao hơn. Ví dụ: Thành phần cơ sở là Furan OO S − Nếu vòng ng−ng tụ có số vòng lớn hơn hai vòng: chọn thành phần cơ sở chứa số vòng lớn nhất. Ví dụ: NN N N Thành phần cơ sở là quinolin − Nếu hai vòng có độ lớn khác nhau: chọn vòng lớn nhất là thành phần cơ sở. Ví dụ: NThành phần cơ sở là vòng 7 cạnh azepinN O − Các vòng chứa số dị tố khác nhau: chọn vòng có số dị tố nhiều nhất. Ví dụ: N N O H N O Thành phần cơ sở là vòng isoxazol − Có sự khác nhau về số loại dị tố trên 2 vòng: Chọn vòng có nguyên tử với vị trí lớn nhất (sắp xếp theo thứ tự lớn giảm dần trong bảng 30.2). N O S N N O Thành phần cơ sở là vòng oxazol Vì vòng oxazol chứa oxy có thứ tự −u tiên hơn l−u huỳnh trong vòng thiazol. 85 − Thành phần cơ sở là vòng có dị tố đ−ợc đánh số nhỏ hơn. Ví dụ: 2 1 3 1 N NN N N N Thành phần cơ sở là vòng pyrazol 3.3.3. Cấu tạo tiếp đầu ngữ Tên của thành phần thứ hai nh− là tiếp đầu ngữ của thành phần cơ sở. Cấu tạo tiếp đầu ngữ bằng cách thêm chữ " O" sau tên gọi của dị vòng thứ hai. Ví dụ: Tên dị vòng là pyrazin thì cấu tạo thành tiếp đầu ngữ là pyrazino Tên dị vòng là pyrol có cấu tạo thành tiếp đầu ngữ là Pyrolo Bảng 30.4: Một số ngoại lệ về tiếp đầu ngữ Tên dị vòng Tên tiếp đầu ngữ Furan Furo Imidazol Imidazo Isoquinolin Isoquino Pyridin Pyrido Quinolin Quino Thiophen Thieno 3.3.4. Ký hiệu và gọi tên Các cạnh của vòng trong thành phần cơ sở đ−ợc ký hiệu bằng các chữ cái a,b,c,d,e...theo chiều đánh số. Các nguyên tử tạo vòng của thành phần thứ hai đ−ợc đánh số bằng các chữ số 1,2,3.. (nh− đánh số dị vòng). Cạnh chung của cả 2 vòng đ−ợc gọi theo chữ số của thành phần thứ 2 và chữ cái của thành phần cơ sở (tất cả đặt trong dấu móc vuông). Ví dụ 1: N ON N N 1 2 3 N Oa b Dũ voứng ngửng tuù Thaứnh phaàn thửự hai Thaứnh phaàn cụ sụỷDị vòng ng−ng tụ Thành phần thứ hai Thành phần cơ sở + Imidazo[2,1-b]oxazol Imidazo Oxazol id [2,1- oxazol Imidazo Oxazol Chọn oxazol là thành phần cơ sở vì oxazol có oxy O −u tiên hơn nitơ N trong vòng imidazol. 86 Ví dụ 2: Dũ voứng ngửng tuù Thaứnh phaàn thửự hai Thaứnh phaàn cụ sụỷ 1 2 3 a b Imidazo[1,5-b]pyridazin Imidazo N N N N N 4 5 + N N c d e f aN N b cd e f Pyridazin id , - ] i Imidazo Pyridazin Dị vòng ng−ng tụ Thành phần thứ hai Thành phần cơ sở Chọn pyridazin là thành phần cơ sở vì pyridazin là vòng lớn hơn vòng imidazol. 3.3.5. Cách đánh số trên dị vòng ng−ng tụ Cách đánh số trên dị vòng ng−ng tụ không phụ thuộc vào cách đánh số trên các thành phần cơ sở và thành phần thứ hai. Đánh số trên dị vòng ng−ng tụ xuất phát từ nguyên tử cạnh nguyên tử đầu cầu (nguyên tử chung cho 2 vòng) đi theo chiều sao cho các dị tố có số nhỏ nhất. Nếu không thỏa mãn điều kiện này thì dị tố đ−ợc −u tiên đánh số bé nhất. "Chỉ số hydro" H đ−ợc chỉ ra trên hệ vòng đơn (nếu có). Ví dụ: 4 4H-Furo[2,3-e]-1,2-Oxazin Furan 4H-1,2-Oxazin 6 5 3 2 1 ẹaựnh soỏ vaứ teõn goùi dũ voứng ngửng tuù ẹaựnh soỏ vaứ teõn goùi dũ voứng e 4a 7a7 6 3 21 N O OO N O Thaứnh phaàn cụ sụỷ 3 1 2 a b cd f + Thaứnh phaàn thửự haiỷ Dũ voứng ngửng tuù e 45 3.4. Danh pháp thế Có thể xem hợp chất dị vòng là hợp chất vòng hydrocarbon mà một hay nhiều nguyên tử carbon đ−ợc thay thế bởi các dị tố. Vì vậy gọi tên nh− sau: − Tên dị tố nh− là tiếp đầu ngữ và tên hydrocarbon vòng t−ơng ứng. N N N Si H N P Azabenzen 1,3-Diazabenzen Silabenzen 1-Aza-4-phosphabenzen Các tiếp đầu ngữ ghi trong bảng 2 đ−ợc sử dụng trong danh pháp thế. Danh pháp thế ít thông dụng với hợp chất dị vòng. Danh pháp thế th−ờng đ−ợc sử dụng với hợp chất dị vòng chứa các dị tố ít phổ biến và hay áp dụng danh pháp thế để gọi tên các hợp chất vòng spiro, hợp chất vòng có cầu (đa vòng ng−ng tụ). 87 OOxacyclopetan O S S 1,4-Dithiacyclohexa-2,5-dien 7-Oxabicyclo[2,2,1]hepta-2,5-dien 1 6 7 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 4. Cấu tạo các dị vòng thơm Vòng đ−ợc tạo thành do sự xen phủ của nguyên tử carbon trạng thái lai hóa sp2 và các orbital của các dị tố. Hệ thống điện tử của dị vòng thơm là hệ liên hợp và số điện tử trong vòng phù hợp với công thức Huckel (4n+2) điện tử π. sp2 sp2 sp2 sp2 sp2 N Caỏu taùo cuỷa pyridin . .. . .. N NN N sp2 Caỏu taùo cuỷa pyrol . NH . . N H . .. . . N H N Hsp 2 sp2 sp2 − Mật độ điện tử. Mật độ điện tử trên các nguyên tử có khác nhau tùy theo vị trí của chúng trong dị vòng. N H N 0,967 1,0901,004 0,968 1,004 0,968 1,090 1,087 1,087 1,048 1,647 O 1,0671,067 1,710 1,078 1,078 − Độ dài liên kết N HN 1,4171,394 1,382 O 1,395 1,340 1,394 1,395 1,340 1,370 1,382 1,370 1,431 1,3611,361 1,3621,362 S 1,423 1,370 1,714 1,370 1,714 Căn cứ vào độ dài liên kết có thể xác định dị vòng thơm hoặc không thơm. Các số liệu về độ dài liên kết của dị vòng thơm và không thơm trong bảng 30.5. 88 Bảng 30.5: Độ dài liên kết trong các dị vòng C-C 1,48 C=C 1,34 C-N 1,45 C=N 1,27 C-O 1,36 C=O 1,22 C-S 1,75 C=S 1,64 N-N 1,41 N=N 1,23 − Năng l−ợng cộng h−ởng và năng l−ợng thơm hóa. Theo ph−ơng pháp tính gần đúng Huckel, giá trị năng l−ợng cộng h−ởng đ−ợc đặc tr−ng với giá trị β. β là giá trị của tích phân cộng h−ởng. Giá trị năng l−ợng thơm hóa có đơn vị là kj.mol -1. Giá trị năng l−ợng cộng h−ởng (REPE) và năng l−ợng thơm hóa của một số dị vòng trình bày trong bảng 30-6 và 30-7 (giá trị lý thuyết). Bảng 30.6: Giá trị năng l−ợng cộng h−ởng và năng l−ợng thơm hóa (theo lý thuyết) Dị vòng Năng l−ợng cộng h−ởng (β) Năng l−ợng thơm hóa (kj.mol-1) Pyridin 0.058 107 Pyrimidin 0,049 104 Pyrazin 0,049 103 Quinolin 0,052 - Isoquinolin 0,051 - Pyrol 0,039 94 Pyrazol 0,055 - Imidazol 0,042 - Thiophen 0,032 69 Furan 0,007 51 Indol 0,047 - Benzofuran 0036 - Benzo[b]thiophen 0,044 - Isoindol 0,029 - Isobenzofuran 0,002 - Benzo[c]thiophen 0,025 - 89 Bảng 30.7: Năng l−ợng cộng h−ởng thực nghiệm một số dị vòng Hợp chất Kcal.mol-1 Kj.mol-1 Benzen 35,9 150 Pyridin 27,9 117 Quinolin 48,4 200 Pyrol 21,6 90 Indol 46,8 196 Thiophen 29,1 122 Furan 16,2 68 Qua các giá trị trên chúng ta thấy rằng: Benzen có tính thơm mạnh hơn pyridin và các dị vòng 5 cạnh một dị tố. Benzen có tính thơm yếu hơn quinolin và indol. Có thể so sánh tính thơm: Benzen > Thiophen > Pyridin > Pyrol > Furan Các đặc tr−ng về cấu tạo còn thể hiện qua các giá trị về phổ tử ngoại UV, phổ hồng ngọai IR, phổ cộng h−ởng từ hạt nhân NMR. Bảng 30.8: Phổ tử ngoại của một số hợp chất dị vòng Hợp chất λm (π →π*) log ε λ m (π → π*) log ε Benzen 256 2,40 Pyridin 251 3,30 270 2,65 Pyridazin 246 3,11 340 2,50 Pyrimidin 243 3,31 298 2,51 Pyrazin 260 3,75 328 3,02 1,2,4,5-tetrazin 252 3,33 542 2,92 Naphtalen 218 ; 275 ; 311 5,10; 3,75; 2,39 - - Quinolin 225 ; 270 ; 311 4,48; 3,59; 3,37 - - Isoquinolin 217 ; 266 ; 317 4,57; 3,61; 3,49 - - Quinazolin 220 ; 267 ; 311 4,61; 3,45; 3,32 330 2,30 1,5-Naphtyridin 206 ; 257 ; 308 4,73; 3,69; 3,84 330 2,70 Indol 215 ; 226 ; 279 4,38; 3,70; 3,62 90 5. Tính chất hóa học của dị vòng có tính thơm 5.1. Tính thơm của dị vòng Các dị vòng thơm có hệ thống liên hợp cho nên các dị vòng có sự phân bố mật độ điện tử trên các nguyên tử. Có thể minh họa các công thức giới hạn (công thức trung gian) của một số dị vòng nh− sau: − Dị vòng thơm 5 cạnh: X .. X X X -- - + + + X + - X là S, N –H, O Nhận xét: Tại các vị trí có điện tích (-)dễ xảy ra phản ứng thế ái điện tử ở vị trí 2 và 3. Vòng thơm 5 cạnh có hệ thống dien liên hợp nên thể hiện tính chất của hydrocarbon ch−a no. Có các phản ứng cộng hợp, phản ứng cộng Diels - Alder, phản ứng oxy hóa. − Dị vòng thơm 6 cạnh: Các công thức cấu tạo và công thức giới hạn có thể có của dị vòng pyridin: N N N N N N N N + + +- - - Nhận xét: Điện tích âm tập trung trên dị tố. Pyridin có tính base. Điện tích d−ơng xuất hiện ở carbon 2,4, 6. Phản ứng thế ái nhân xảy ra ở các vị trí này. ở dị vòng thơm 6 cạnh, phản ứng thế ái điện tử xảy ra khó khăn tại vị trí 3, 5. Dị vòng thơm 6 cạnh có cấu trúc nh− benzen cho nên nhân dị vòng khó bị oxy hóa. Cũng nh− các đồng đẳng của benzen, dị vòng chỉ bị oxy hóa ở mạch nhánh. 5.2.Tính chất của dị tố Dị tố có điện tích âm hoặc có cặp điện tử không liên kết nên dị vòng có tính base. Cặp điện tử của dị tố trên dị vòng thơm 5 cạnh đã tham gia tạo hệ thống thơm (hệ thống lục tử) cho nên tính base của dị vòng thơm 5 cạnh yếu hơn tính base của dị vòng thơm 6 cạnh. Tính base của pyridin mạnh hơn pyrrol là do cặp điện tử tự do trên nitơ không tham gia hệ thống thơm. Pyridin thể hiện tính base nh− một amin bậc ba. .. N H N.. . . .. . . .. . . Kb 2,5.10-14 2,3.10-9 91 Tính base của dị vòng không phụ thuộc vào số l−ợng dị tố có trong vòng.Yếu tố phân bố mật độ điện tử và yếu tố lập thể ảnh h−ởng mạnh đến tính base. N N N N N H N N pKa =5,2 pKa =1,3 pKa =2,3 N N N N N N N N pKa =2,3 pKa =1,3 pKa =0,7 pKa =4,7 pKa =5,4 Bài tập 1- Gọi tên các chất sau: N N N N H N N O N O a- Theo danh pháp thông th−ờng. b- Theo danh pháp Hantzsch -Widman. c- Theo danh pháp thế. 2- Vẽ công thức cấu tạo các chất có tên gọi sau: a- 1,8-Diazanaphthalen; b- 1-Oxa-2-azacyclobut-2-en; c- Selenacyclopentan; d- 1-Thia-3-azacycloheptatrien; e- 2H-1,2-benzoxazin; g- Thieno [3,4-b]furan; h- Furo[3,2-d]pyrimidin ; i- 4H-[1,3]thiazino[3,4-a]azepin. 3- Gọi tên các chất sau đây theo danh pháp Hantzsch -Widman. N N N OS N O 5 4 1 N O 92