30 chuỗi chuyển hóa hữu cơ

1. Xác định cấu trúc (1)
Hợp chất hydrocarbon A, có cơng thức phân tử là C7H10, khi được hydrogen hố có
xúc tác thì thu được B (C7H14). A phản ứng với nước dưới sự hiện diện của xúc tác
HgSO4 thì tạo thành ancol (ancol này khơng có cấu trúc của enol, nghĩa là khơng
chuyển hố tiếp thành ketone được). A phản ứng mãnh liệt với KMnO4 tạo thành hợp
chất C có cơng thức cấu tạo như sau:

Xác định cơng thức cấu tạo có thể có của A.
Hướng dẫn:
Các cơng thức cấu tạo có thể có của A:


2. Tổng hợp hữu cơ (1)
Hợp chất C có cơng thức phân tử là C11H12O2 có thể được tổng hợp theo con đường
sau:

Chuỗi tổng hợp trên là các ví dụ có liên quan đế ba phản ứng hữu cơ nổi tiếng sau
đây:
Phản ứng I - Diels-Alder giữa một đien liên hợp với một anken hoặc một ankin trong
điều kiện được đun nóng, sẽ tạo thành các dẫn xuất của xiclohexen, chẳng hạn:

Phản ứng II - cộng đóng vịng [2+2] giữa hai phân tử olefin trong điều kiện được chiếu
sáng thì sẽ tạo thành các dẫn xuất của xiclobutan, chẳng hạn nếu có vị trí thích hợp
trong phân tử thì hai liên kết –C=C– có thể tham gia đóng vịng [2+2] nội phân tử:

Phản ứng III: khử-ghép mạch (reductive coupling) các xeton với tác nhân khử là
samari điiot, chẳng hạn hai phân tử xeton sau được khử-ghép mạch để tạo thành một
hợp chất điol:

Hãy cho biết công thức cấu tạo của các chất A, B và C, nếu có thể hãy trình bày rõ cấu
trúc dạng khơng gian ba chiều của chúng.

Cho biết những đặc điểm về “hoá học xanh” thể hiện qua chuỗi phản ứng trên là gì?


Hướng dẫn:
Công thức cấu tạo của các hợp chất A, B và C:

Trong chuỗi phản ứng trên, các nguyên tử trong hợp chất đầu đều tham gia phản ứng
để tạo thành trung gian A và B, thoả mãn nguyên lý về “tiết kiệm nguyên tử” trong
hoá học xanh. Hơn nữa, ba phản ứng để tổng hợp nên hợp chất có dạng khung C được
đề cập ở trên đề có nguồn ngun liệu ban đầu ít độ tính và ít có phản ứng phụ xảy
ra, thoả mãn yêu cầu về hoá học môi trường.


3. Tổng hợp ciprofloxacin
Ciprofloxacin là thuốc kháng sinh bán tổng hợp, có phổ kháng khuẩn rộng, thuộc
nhóm quinolone, cịn được gọi là các chất ức chế ADN girase. Do ức chế enzim ADN
girase nên thuốc ngăn cản sự sao chép của nhiễm sắc thể khiến cho vi khuẩn không
sinh sản được nhanh chóng. Ciprofloxacin có tác dụng tốt với các vi khuẩn kháng lại
kháng sinh thuộc các nhóm khác (aminoglycoside, cephalosporin, tetracyclin,
penicillin…) và được coi là một trong những thuốc có tác dụng mạnh nhất trong nhóm
flouroquinolon. Nó có thể được tổng hợp thơng qua chuỗi phản ứng dưới đây:

•

Xác định cấu trúc của các hợp chất A, B, D, E, F.

•

Tại sao khi chuyển hố A thành B người ta phải sử dụng NaH, trong khi đó
chuyển hố B thành C lại dùng NaOC2H5 ?

•

Phản ứng chuyển hố từ C thành D gồm hai giai đoạn, hãy cho biết và giải thích
ngắn gọn hai giai đoạn đó.

Hướng dẫn:
Cơng thức cấu trạo các hợp chất A, B, D, E và F:

Do A là hợp chất carbonyl nên tính acid của nguyên tử hydrogen trên carbon alpha
kém, do đó cần một base mạnh như NaH để bứt được hydrogen đó. Ngược lại B có hai


nhóm carbonyl rút điện tử mạnh hơn, làm cho hydrogen trên carbon alpha (ở nhóm
methylene) có tính acid mạnh hơn, nên chỉ cần dung NaOC2H5 là đủ.
Phản ứng từ C tạo thành D qua hai giai đoạn là cộng – tách:


4. Tổng hợp macmiror
Dưới đây là sơ đồ tổng hợp một loại dược phẩm có tên gọi Macmiror:

Xác định cấu trúc của các hợp chất B, C và D.
Gọi tên theo danh pháp các hợp chất B và D.
Hợp chất CH3SH ở điều kiện nhiệt độ và áp suất phòng bình thường thì tồn tại trạng
thái nào (rắn, lỏng hay khí). Tại sao ?
Hướng dẫn:
Cơng thức cấu tạo các chất B, C và D:

Tên gọi của B: 3-thiomethyl-1,2-epoxypropane hoặc methyl-2,3-epoxypropyl sulfide
Tên gọi của C: 2-hydroxy-3-thiomethylpropylhydrazine hoặc 1-thiomethyl-3hydrazino-2-propanol.

H2O và CH3OH tồn tại ở trạng thái lỏng do có sự hiện diện của liên kết hydrogen liên
phân tử. H2S khơng có liên kết hydrogen nên ở trang thái khí. CH3SH cũng khơng tạo
được liên kết hydrogen nên cũng tồn tại ở trạng thái khí.


5. Tổng hợp ibuprofen
Năm 1997, công ty BHC đã cải tiến quy trình thơng dụng để sản xuất dược phẩm
ibuprofen và đã giành được giải thưởng hoá học xanh của Hoa Kỳ. Dưới đây là các
chuỗi chuyển hoá để tổng hợp ibuprofen.
Con đường tổng hợp cũ:

Con đường tổng hợp mới:

•

Xác định công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C và D

•

Gọi tên theo danh pháp của ibuprofen


Hướng dẫn:
Công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C và D:

Tên gọi theo danh pháp của ibuprofen: 2-(4-Isobutylphenyl)propionic acid hoặc 2[4-(2-Methylpropyl)phenyl]propionic acid.


6. Tổng hợp 2,3,4,5,6-pentaphenylbenzaldehyde
Một hợp chất có cấu trúc khơng gian đặc biệt cồng kềnh là 2,3,4,5,6phentaphenylbenzaldehyde – nguyên liệu phát huỳnh quang đỏ mới này là một chất

trung gian quan trọng trong việc tổng hợp nhiều hợp chất khác phức tạp hơn. Nó đã
được tổng hợp theo chuỗi phản ứng sau:

Hợp chất A được điều chế nhờ phản ứng:

Một nhà hoá học sau khi nghiên cứu các tài liệu thích hợp, và từ ngun liệu có sẵn
là anđehic cinnamic (F), đã đề nghị một con đường tổng hợp 2,3,4,5,6pentabenzealdehyde theo sơ đồ sau:

Trong các phương trình trên p-TsOH, DMSO và TCQ tương ứng là axit ptoluensulfonic, đimetyl sulfoxit và cloranil.
•

Viết cơng thức phân tử của A.

•

Vẽ cấu trúc của các hợp chất A, C, E, G, H, I, J trong chuỗi tổng hợp trên.

•

Gọi tên hợp chất A và E.

•

Cho biết phản ứng tổng hợp C và A thuộc loại phản ứng gì ?

•

Hãy cho biết mục đích của việc chuyển hố F thành G ? Tại sao khơng sử dụng
HCl khơ thay vì p-TsOH)?

Hướng dẫn:
•

Cơng thức phân tử của A: C29H20O

•

Cơng thức cấu tạo các hợp chất A, C, E, G, H, I, J:

•

Tên gọi theo danh pháp hợp chất A: tetraphenylcyclopentadienone hoặc 2, 3,
4, 5 - tetraphenylcyclopentadienyl ketone.

•

Tên gọi theo danh pháp hợp chất E: dibenzyl ketone hoặc α, α'diphenylacetone,1,3-diphenyl-2- propanone

•

Phản ứng tổng hợp C: phản ứng Diels-Alder

•

Phản ứng tổng hợp A: phản ứng ngưng tụ

•

Mục đích chuyển hố F thành G để bảo vệ nhóm aldehyde trong F. Khơng sử

dụng HCl vì HCl sẽ phản ứng với các ketone và aldehyde bất bão hoà.


7. Hợp chất hướng dẫn sinh học
Ung thư, cũng được biết đến là những khối u ác tính, được điều trị truyền thống bằng
cách xạ trị hoặc hoá trị. Nhưng những phương pháp này thường cho tỉ lệ thuyên giảm
bệnh rất thấp. Trong những năm gần đây, người ta bắt đầu nghiên cứu một số “hợp
chất hướng dẫn sinh học” (cũng được biết đến là các thuốc mục tiêu, như trong hình),
các chất này đóng vai trị là một chất mang có ái lực chun biệt với mơ tế bào nhất
định, nhằm chuyên chở thuốc đến đúng vị trí bị tổn thương. Điều này sẽ giúp đạt
được cả hai mục tiêu là làm giảm bệnh tật cũng như giảm đi các tác dụng phụ không
mong muốn khác.

(药物: thuốc, 导向载体: chất mang định hướng)
Các hợp chất có vịng porphine có một ái lực rất đặc biệt với các mô tế bào, do đó
chúng có thể sử dụng để làm chất mang chuyên chở. Một nhóm các nhà nghiên cứu
về cấu trúc vòng porphyrin đã thiết kế, cải tiến và tổng hợp một tiền chất A dưới đây
với hy vọng làm chất mang:

A được tổng hợp theo sơ đồ sau:

•

Viết cơng thức cấu tạo của (B), (C) và (D).

•

Hãy cho biết nhóm hydroxyl nào trong 5 nhóm của Beta-D-glucopyranose có
hoạt tính cao nhất ? Xác định cấu hình tuyệt đối R, S tại C1 và C3

•

D-galatose và D-glucose chỉ khác nhau cấu hình tại C4. Hãy vẽ cơng thức cấu
tạo của alpha-D-galactopyranose.

•

Hợp chất A có thể được sử dụng như một chất hướng dẫn sinh học sau khi được
thuỷ giải trong môi trường kiềm. Giải thích ngắn gọn.

Hướng dẫn:
Cơng thức cấu tạo của (B), (C) và (D):

Hemiacetal hydroxyl (glycosyl, hydroxy trên carbon C1). C1 có cấu hình R, C3 có cấu
hình S.
Cơng thức cấu tạo của A2D2 galactose:

Sau q trình thuỷ phân trong mơi trường kiềm, các phân tử đường này sẽ có 4 nhóm
hydroxyl, do đó phân tử nước sẽ dễ dàng tạo liên kết hydrogen hơn, do đó hợp chất
này sau khi thuỷ phân sẽ tan trong nước nhiều hơn, thuận lợi để làm chất mang.


8. Chuyển hoá ECH
Theo các bản báo cáo gần đây, nước tương của Trung Quốc đã bị cấm sử dụng do thừa
một lượng chất có tên gọi là chloropropanol, đây là một dẫn xuất clorua của glycerol
được tạo ra khi thuỷ giải glycerol bằng acid HCl. Một nguồn khác là trong quá trình
lọc với nhựa trao đổi ion trong việc sản xuất nước tương đã phát sinh ra cloropropanol
do việc sử dụng 1,2-epoxy-3-chloropropane (ECH) làm tác nhân gắn kết, sau khi thuỷ
phân ECH sẽ thu được chloropropanol. Ngoài ra, ECH cũng có thể được có từ các vật

liệu polymer bao bì dung để đóng gói thực phẩm.
•

Hãy viết các cơng thức chloropropanol có thể có dựa trên glycerol (đánh dấu
sao vào nguyên tử carbon bất đối), và viết phản ứng thuỷ giải ECH.

•

Biết rằng hợp chất chloropropanol với hai nhóm hydroxyl hoặc một nhóm
hydroxyl và một nhóm clorua gắn trên cùng một nguyên tử carbon là kém bén
bền, do đó sẽ có phản ứng tách loại xảy ra ở điều kiện bình thường. Hãy viết
hai phản ứng ví dụ cho trường hợp này.

Hướng dẫn:
Các cơng thức có thể có của chloropropanol và phản ứng thuỷ giải của ECH

Các phản ứng minh hoạ:


9. Xác định cấu trúc (2)
Phân tích nguyên tố của các hợp chất A và B cho thấy C chiếm 85.71% và H chiếm
14.29% về khối lượng. Dữ kiện phổ khối lượng chỉ ra rằng khối lượng phân tử tương
đối của A và B là 84. Ở nhiệt độ phòng, A và B có thể làm nhạt màu nước brom, nhưng
không thể làm mất màu dung dịch KMnO4. A tác dụng với HCl tạo thành 2,3dimethyl-2-chlorobutane. Tiến hành hydrogen hoá có xúc tác A thì thu được 2,3dimethylbutane. B tác dụng với HCl tạo thành 2-methyl-3-chloropentane, Tiến hành
hydrogen hố có xúc tác B thì thu được 2,3-dimethylbutane.
•

Xác định cơng thức cấu tạo của A và B.

•

Hãy viết tất cả các đồng phân có cùng khung carbocyclic như A và B, và viết
sản phẩm phản ứng của các đồng phân đó với HCl.

Hướng dẫn:
Công thức cấu tạo của A và B là:

Các đồng phân của A và B và sản phẩm với HCl tương ứng:


10. Tổng hợp thuốc chống co giật
Dưới đây là sơ đồ tổng hợp một hợp chất chống co giật E:

•

Xác định công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C, D, E

•

Hãy cho biết các đồng phân lập thể của E bằng việc dùng các kí hiệu trước chữ
E để cho biết cấu hình lập thể của từng đồng phân, giữa hai đồng phân là đối
quang của nhau thì dùng dấu gạch thẳng.

•

Hãy vẽ một cơng thức cấu tạo của E và xác định rõ cấu hình tuyệt đối tại các
nguyên tử carbon bất đối xứng:

Hướng dẫn:
Công thức cấu tạo các hợp chất A, B, C, D, E

E có 8 đồng phân lập thể


Một cơng thức cấu tạo của E và cấu hình tuyệt đối tại các nguyên tử carbon bất đối
xứng


11. Nghiên cứu về phản ứng trùng hợp
Phản ứng trùng hợp mô phỏng lại một sự lắp ráp các phân tử. Quá trình cơ bản này
bao gồm việc kết nối các thành phần kéo dài mạch vào thành phần lõi để tạo thành
một đại phân tử với cấu trúc và khối lượng nhất định. Thành phần lõi có thể là các
phân tử đơn chức hoặc đa chức (phải tương đồng hồn tồn), cịn thành phần kéo dài
mạch là phân tử nhỏ có một (và chỉ một) nhóm chức có khả năng ngưng tụ với thành
phần lõi. Chẳng hạn monoancol ROH có thể đóng vai trị là thành phần lõi, và
H2NCH2CH2CN có thể đóng vai trị là thành phần kéo dài mạch. Sơ đồ tổng hợp loại
polime này như sau:
(l） ROH + CH2=CHCN → ROCH2CH2CN → ROCH2CH2COOH → ROCH2CH2COCl
(2） ROCH2CH2COCl + H2NCH2CH2CN → ROCH2CH2CONHCH2CH2CN
(3) lập lại n lần:
(4) Cuối cùng là phản ứng thuỷ giải, ester hoá để tạo thành một loại polymer bền. Để
làm tăng khối lượng của phân tử polymer, người ta sử dụng các thành phần lõi và
thành phần kéo dài mạch đa hướng.
Chẳng hạn: Thành phần lõi hai hướng: (CH2OCH2CH2COCl)2
Thành phần kéo dài mạch hai hướng: HN(CH2CH2OCH2CH2CN)2
•

Hãy viết công thức của polymer được tạo thành từ thành phần lõi hai hướng
ngưng tụ 1 lần, 2 lần và n lần với thành phần kéo dài mạch đơn hướng.

•

Xác định các nguyên liệu thích hợp để điều chế thành phần kéo dài hai hướng
sau: HN(CH2CH2OCH2CH2CN)2

•

Hãy viết cơng thức polymer được tạo thành từ các thành phần lõi và kéo dài
mạch hai hướng đã cho: (CH2OCH2CH2COCl)2 và HN(CH2CH2OCH2CH2CN)2
sau khi ngưng tụ lần 1 và lần 2.

•

Hãy cho biết nghĩa của từ “kéo dài” trong thành phần kéo dài.

•

Tại sao sự trùng hợp đa hướng lại cần điều kiện các thành phần lõi và thành
phần kéo dài có các nhóm chức “tương đồng về hồn tồn” về mặt hố học.
Cho biết glycerol có thể đóng vai trị thành phần lõi và Beta-glucosamine có
thể đóng vai trị thành phần kéo dài trong phản ứng trùng hợp đa hướng khơng
?

•

Trong phản ứng trùng hợp đa hướng, khối lượng phân tử tăng rất nhanh. Hiện
nay, bằng việc tiến hành trùng hợp giữa một thành phần lõi 4 hướng và thành
phần kéo dài 3 hướng, người ta có thể thu được một polimer có trọng lượng

phân tử lên tới 60604. Hãy cho biết công thức của một thành phần lõi 4 hướng
và thành phần kéo dài 3 hướng, và sơ đồ điều chế chúng từ các hợp chất hữu
cơ đơn giản (<3 carbon)
Hướng dẫn:
Công thức các polymer:

Con đường tổng hợp:

Công thức polymer được tạo thành:

Công thức polymer được tạo thành sau lần ngưng tụ thứ hai

Chữ |”kéo dài” muốn nói đến khối lượng phân tử (hay kích thước phân tử) của polymer
tăng luỹ tiến theo từng giai đoạn phản ứng.
Nếu các nhóm chức khơng tương đồng về mặt hố học thì khả năng phản ứng của mỗi
nhóm sẽ khác nhau, điều đó khơng đảm bảo việc phản ứng đồng thời ở các trung tâm
hoạt động, cũng như khơng thể kiểm sốt tốt việc tăng trọng lượng phân tử. Glycerol
không thê được sử dụng để làm thành phần lõi trong phản ứng polymer đa hướng vì
ba nhóm hydroxyl của nó khơng tương đồng hồn tồn về mặt hoá học. Tương tự,


Beta-glucosamine không thể được sử dụng làm thành phần kéo dài mạch do bốn
nhóm hydroxyl của nó khơng tương đồng hồn tồn về mặt hố học.


Thành phần lõi 4 hướng: C(CH2OH)4

Thành phần kéo dài mạch 3 hướng: H2NCH2C(CH2OCH2CH2CN)3

12. Phản ứng của hợp chất carbonyl không no
Phản ứng xảy ra giữa một cacbanion và hợp chất cacbonyl α,-không no thơng thường
là phản ứng cộng Micheal, ví dụ:

Phản ứng phát triển mạch cacbon này là một trong những phương pháp hiệu quả để
điều chế các hợp chất vòng.
Một phản ứng theo kiểu “thác nước” (cascade) hay “dây chuyền” (domino) là chuỗi
liên tiếp các phản ứng hữu cơ nội phân tử, diễn ra qua các trạng thái trung gian hoạt
động. Phản ứng này cho phép tổng hợp các hợp chất đa nhân phức tạp từ một tiền
chất mạch hở duy nhất. Chất nền thường chứa nhiều nhóm chức hố học và được
chuyển hoá cùng một lúc. Định nghĩa này nhấn mạnh điều kiện tiên quyết là “nội
phân tử” để phân biệt phả nứng này với các loại phản ứng đa tác chất.
Một hợp chất có tên gọi là este Hagemann tham gia phản ứng dây chuyền (bao gồm
cả phản ứng cộng Micheal) để tạo thành sản phẩm như sau:

Hãy đề nghị cơ chế hợp lí để giải thích sự tạo thành sản phẩm của phản ứng trên
Hướng dẫn
Cơ chế của phản ứng tạo thành sản phẩm:



13. Tổng hợp L-carnitine
L-carnitine là một hợp chất có cấu trúc như sau:
Những nghiên cứu đã chỉ ra rằng hợp chất này có khả năng thúc đây sự oxi hố  các
axit béo, được dùng làm thức uống cho các vận động viên, nâng cao sức chịu đựng,
giảm lượng lipid trong thức ăn, hỗ trợ tiêu hoá, tạo cảm giác ngon miệng, hạ huyết
áp và các tác động khác. Tuy nhiên, đồng phân D-carnitine lại khơng có hoạt tính
sinh học. Vì vậy, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu nhằm tổng hợp chọn lọc
được L-carnitine.

•

Vẽ cơng thức của L-carnitine và D-carnitine theo hình chiếu Fischer, xác định
cấu hình R, S tại các tâm bất đối.

Một tác chất phi đối xứng được sử dụng nhằm tổng hợp nên sản phẩm phi đối xứng.
Vào năm 1982, M. Fiorini đã sử dụng D-mannozơ làm nguyên liệu ban đầu để tổng
hợp L-carnitine qua nhiều giai đoạn.
•

Hãy viết cấu trúc các hợp chất hay điều kiện cần thiết để hoàn thành chuỗi
tổng hợp sau, lưu ý đến hố học lập thể của các chất.

Hướng dẫn
Cơng thức L-carnitine và D-carnitine và cấu hình R/S


Điều kiện phản ứng và các hoá chất và sản phẩm cần thiết:


14. Tổng hợp melatonin
Nhân indol xuất hiện rất phổ biến trong các hợp chất thiên nhiên. Để tổng hợp cấu
trúc vòng indol này, một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất đó là
tổng hợp Fischer. Tổng hợp này dùng nguyên liệu là anđehit, xeton, xetoaxit, este,
hoặc là các nhân thơm có nhóm thế đion cho tác dụng với hiđrazon xúc tác ZnCl2
trong mơi trường có axit poliphosphoric hoặc axit Lewis như BF3 và đun nóng. Ví dụ:

Melatonin là một dẫn xuất indol có hoạt tính sinh học, có thể được điều chế từ nguyên
liệu ban đầu là anisol theo sơ đồ tổng hợp sau:

Viết cấu trúc hoặc điều kiện phản ứng cần thiết cho các chữ kí tự A, B, C, D, E, F, G,
H và I.
Hướng dẫn
Công thức cấu tạo và các điều kiện cần thiết: