CHUYÊN đề 3 hợp CHẤT dị VÒNG

Chuyên đề
3.

HỢP CHẤT DỊ VÒNG

A. LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ CÁC HỢP CHẤT DỊ VÒNG
1. Phân loại dị vòng
Có nhiều cách phân loại dị vòng: Theo kích thước của vòng, theo số lượng dị tử, theo đặc điểm cấu
trúc electron,... Thông thường người ta tổ hợp nhiều cách khác nhau.
a) Theo kích thước dị vòng, ta phân biệt các dị vòng ba cạnh, bốn cạnh, nằm cạnh, v.v... Thí dụ:

b) Theo số lượng dị tố, ta phân biệt dị vòng chứa một dị tố, dị vòng chứa hai dị tố, v,v... Các dị vòng
trong những thí dụ trên chỉ chứa một dị tố, sau đây là một số dị vòng chứa hai hoặc ba dị tố:

c) Theo đặc điểm cấu trúc electron của dị vòng, người ta phân biệt dị vòng thơm và dị vòng không
thơm. Trong các thí dụ nêu ở trên, chỉ trừ etilen oxit và azetiđin là những dị vòng không thơm, còn lại là
những dị vòng thơm vì chúng đáp ứng các yêu cầu của một vòng thơm. Các dị vòng thơm có thể có là
vòng nọ hoặc không no. Thí dụ:

Các dị vòng không thơm đều có thể là đơn vòng hay đa vòng ngưng tụ. Thí dụ:

2. Cách gọi tên
a) Tên thông thường: Ví dụ “Furan”; “Pirol”; “Piriđin”; “Thiophen”...
(Nếu dị tố là S thì tiếp đầu ngữ là thio- ; nếu dị tố là oxi thì tiếp vị ngữ là an)
b) Tên hệ thống:
* Qui tắc:
Ghép - Một từ cơ bản nói lên số cạnh của vòng
Trang 1

- Một hay nhiều tiếp đầu ngữ để chỉ số lượng và tên các dị tổ trong vòng
- Một tiếp vị ngữ nói lên mức độ bão hòa của vòng
+ Từ cơ bản: Vòng 3 cạnh: -ir- ; 4 cạnh: -et- ; 5 cạnh: -ol- ; 6 cạnh: -in-; 7 cạnh: -ep-...
+ Tiếp đầu ngữ oxa - chỉ oxi; thia - chỉ lưu huỳnh ; aza - chỉ nitơ ... (số lượng dị tố là đi, tri...)
+ Tiếp vĩ ngữ: Vòng 5 cạnh chứa nitơ chưa bão hòa có đuôi –ol, nhưng bão hòa có đuôi – olidin
- Vòng 5 cạnh không chứa nitơ, chưa bão hòa có đuôi –ol, nhưng bão hòa có đuôi - olan
- Vòng 6 cạnh chứa nitơ, chưa bão hòa có đuôi -in, nhưng bão hòa có đuôi – an...
* Cách đánh số:
- Nếu dị vòng chứa 1 dị tố thì số 1 đánh cho dị tố và tiếp tục ngược chiều kim đồng hồ.
- Nếu dị vòng chứa nhiều dị tố giống nhau thì đánh số sao cho các dị tố có chỉ số nhỏ nhất (nếu có 2
dị tố là N có bậc khác nhau thì bắt đầu từ dị tố bậc 2).
- Nếu dị vòng chứa nhiều dị tố khác nhau thì số 1 ưu tiên cho O → S → N .
Thí dụ:

3. Tính chất hoá học
- Các dị vòng khác với vòng cacboxilic trước hết ở sự có mặt dị nguyên tử. Nếu dị nguyên tử là
nguyên tố nitơ mà không liên hợp với liên kết π , nó sẽ biểu hiện các tính chất của amin, như tính bazơ và
phản ứng ankyl hoá.
• Tính bazơ của dị vòng no chứa nitơ mạnh hơn của amin tương ứng song tính bazơ của dị vòng thơm
lại yếu hơn. Thí dụ:

• Khả năng phản ứng của hợp chất dị vòng chứa nitơ cũng tương tự như amin.
Thí dụ:

• Các dị vòng no kích thước nhỏ ( 3− 4 cạnh) cũng phản ứng cộng mở vòng tương tự xicloankan vòng
nhỏ, và có khả năng phản ứng cao hơn nhờ sự phân cực của liên kết cacbon và dị nguyên tử.
- Cộng - mở vòng các tác nhân axit. Thí dụ:

Trang 2

- Cộng mở vòng các tác nhân bazơ. Thí dụ:

- Các dị vòng thơm như furan, thiophen, pirol, piriđin tham gia các phản ứng thế ở nhân thơm như
hiđrocacbon thơm, song khả năng phản ứng cao hay thấp hơn tuỳ theo cấu trúc của dị vòng và cơ chế của
phản ứng. Thí dụ khi nitro hoá (cơ chế electrophin) trình tự giảm khả năng phản ứng như sau:

II. HỢP CHẤT DỊ VÒNG 5 CẠNH 1 DỊ TỐ
Quan trọng nhất là furan, pirol và thiophen:

1. Tính chất hóa học
a) Tính axit - bazơ
Pirol, furan và thiophen gần như không có tính bazơ do cặp electron π không còn tự do nữa, mà đã
tham gia vào liên hợp thơm:

Trái lại, riêng pirol còn có tính axit rất yếu (vì có nguyên tử H linh động liên kết với nitơ của dị vòng)
với pK a ~17 . Tính axit sẽ tăng thêm khi có nhóm thế hút electron trong dị vòng.
b) Phản ứng thế electrophin, SE
Nhờ sự liên hợp của các dị tố, pirol, furan và thiophen đều dễ tham gia phản ứng thế electrophin hơn
benzen. Trình tự khả năng phản ứng của 3 dị vòng đó như sau:
Thiophen < Furan  < Pirol
Phản ứng thể ưu tiên xảy ra ở vị trí 2 (vị trí α ), cơ chế phản ứng tương tự có chế thế vào vòng benzen:
Trang 3


Dựa vào thuyết cộng hưởng, ta có thể giải thích hướng ưu tiên thể như sau:

Sự tấn công của  E + vào vị trí 2 cho ba công thức giới hạn:  I , II vaøIII nên trạng thái chuyển tiếp ổn
định hơn. Thí dụ:

Trang 4


Lưu ý phản ứng nitro hóa và sunfo hóa không dùng tác nhân thông thường như HNO3 đặc và H2SO4
đặc vì độ axit cao của môi trường sẽ phá vỡ hệ thống liên hợp vòng thơm và nhựa hóa chúng.
c) Phản ứng thế nucleophin, SN
Trang 5


Furan không tham gia phản ứng thế nucleophin, các dẫn xuất của furan có nhóm thế hút electron mạnh
như −CN, NO2, − COOH, COOR, ... có thể tham gia phản ứng thế nucleophin. Thí dụ:

Các dẫn xuất halogen của thiophen không có nhóm thế hút electron vẫn có thể tham gia phản ứng thế
nucleophin. Thí dụ:

d) Phản ứng gốc, SR

- Phản ứng thường xảy ra ở vị trí α . Thí dụ:

e) Phản ứng cộng

Cần chú ý rằng phản ứng của thiophen với hiđro trên xúc tác dị thể không thực hiện được vì thiophen
đầu độc xúc tác kim loại.
Furan bị khử bởi hiđro, tuỳ theo chất xúc tác sẽ cho các sản phẩm khác nhau:

Trang 6


• Cộng mở vòng
Đây là phản ứng đặc trưng cho furan và các dẫn xuất của furan:

Pirol và các dẫn xuất của pirol khó tham gia phản ứng cộng mở vòng hơn.
Thiophen bền vững hơn furan và pirol trong phản ứng cộng mở vòng.
• Phản ứng cộng đóng vòng
Furan dễ tham gia phản ứng cộng đóng vòng Đinxơ-Anđơ kiểu cộng 1,4 vào đien. Thí dụ:

Pirol tham gia phản ứng với đienophin rất khó khăn, thiophen không tham gia phản ứng cộng vào
đienophin.
f) Phản ứng chuyển hóa giữa các dị tố

2. Các phương pháp tổng hợp
a) Điều chế trong công nghiệp
• Furan được điều chế bằng cách đecacbonyl hóa furfural tách được pentozan có trong vỏ trấu, lõi
ngô, bã mía...

b) Đi từ 1,4-điandehit hay đixeton

Trang 7


c) Đi từ điaxit

d) Tổng hợp vòng pirole từ hợp chất cacbonyl
• Đi từ hợp chất 1,4 -bicacbonyl và amoniac hoặc amin bậc một
Sơ đồ chung:

Thí dụ:

• Đi từ hợp chất α -amino xeton và hợp chất cacbonyl có nhóm α −CH2 linh động
Sơ đồ chung:

Thí dụ:

Trang 8


  ,3− đicacbonyl và este của glyxin
• Đi từ hợp chất 1
Sơ đồ chung:

Thí dụ:

• Đi từ hợp chất 1,3− đicacbonyl và este của glyxin
Sơ đồ chung:

III. SƠ LƯỢC VỀ CÁC 1, 3− AZO

 1
( ) Khi thay thế một nguyên tử cacbon sp2 trong phân tử pirol, furan và thiophen bằng nguyên tử nitơ
sp2 ta được các dị vòng thơm nằm cạnh có hai dị tử được gọi chung là azol. Sau đây là cấu tạo, tên gọi và
nhiệt độ sôi của các 1,3− azol:

( 2)

Vòng imiđazol có mặt trong phân tử aminoaxit histiđin và hormon histamin trong cơ thể người.

Nhiều dẫn xuất của imiđazol và thiođazol là những dược phẩm như vitanin B1 , thuốc trị ung nhọt
ximetiđin, thuốc chữa lị metriđazol, thuốc diệt khuẩn sunfathiazol...
Trang 9

Vòng imiđazol ngưng tụ với vòng pirimiđin ( 1,3− điazin) tạo thành vòng purin mà nhiều dẫn xuất của
nó có trong thành phần cấu tạo của axit nucleic (ađenin, guanin, ...), của nhiều hợp chất thiên nhiên
(cafein trong chè và cà phê, axit uric trong nước tiểu,...) và một số dược phẩm (axiclovir trị khuẩn, DDI
trị AIDS, ...).

c) Khác với pirol, các 1,3− azol có tính bazơ nhờ nguyên tử nitơ ở vị trí 3 còn mang cặp electron tự
do. pKa của imiđazol, oxazol và thiazol lần lượt bằng 7, 1; 0,8 vaø2,5.
Các 1,3− azol tham gia phản ứng thế electronphin ở vị trí  5 với khả năng phản ứng kém dị vòng
tương ứng chỉ một dị tử, kém nhất là oxazol:

IV. DỊ VÒNG THƠM SÁU CẠNH
Chất tiêu biểu nhất của các dị vòng thơm sáu cạnh có một dị tử là piriđin; đó là một chất lỏng, có mùi
khó chịu, sôi ở 1150 C , tan trong nước, rượu, ete và benzen.

Vòng piriđin có mặt trong phân tử một số chất giữ vai trò quan trọng trong các quá trình sinh hoá như
niaxin (nicotinamit), piriđoxin (vitamin B6), coenzim nicotinamit ađenin đinucleotit (NADP),....

Trang 10


Nhiều dẫn xuất tổng hợp được của piriđin được dùng làm dược phẩm, isoniazit (thuốc kháng lao),
sunfapiriđin (thuốc kháng khuẩn), prianđoxim (thuốc chống nhiễm độc bởi hợp chất cơ photpho), ...

Các dẫn xuất benzo của piriđin gồm có quinolin và isoquinolin:

Vòng quinolin và vòng isoquinolin có mặt trong phân tử các ankaloit như quinin, xincholin,
papaverin... và trong một số chất dùng làm thuốc chữa bệnh như cloquin (thuốc sốt rét), plasmokin (thuốc
sốt rét), emetin (thuốc chữa lị), sovcain (thuốc gây mê), ...

1. Tính chất hoá học

a) Tính bazơ
Nhờ có cặp electron n ở nguyên tử nitơ, piriđin là một bazơ có  pK a (của axit liên hợp) là 5,2. Tính
bazơ của piriđin kém amoniac ( pK a = 9,5) và trimetylamin ( pK a = 9,8) vì nguyên tử nitơ ở trạng thái
lai hoá  sp2. Tính bazơ đó biến đổi theo ảnh hưởng đẩy hay hút electron của nhóm thế. Thí dụ pK a của
một số dẫn xuất là: 4− clopiriđin 3,83; 4− aminopiriđin 9,17 .
Vòng benzen ngưng tụ không gây ảnh hưởng lớn đến tính bazơ của vòng piriđin. Thí dụ:  pK a
quinolin 4,85 ; isoquinolin  5,14.
Piriđin có thể tác dụng dễ dàng với nhiều tác nhân electronphin cho muối piriđin nhờ có cặp electron
trên nguyên tử N . Thí dụ:

Trang 11


b) Phản ứng thế electrophin (SE)
Phản ứng thế electrophin nguyên tử hiđro trong vòng piridin xảy ra rất khó khăn, vì nguyên tử nitơ làm
giảm mật độ electron ở các nguyên tử cacbon, nhất là khi nitơ đã tác dụng với H + và các chất electrophin
+
+
khác như Br , NO 2 , v.v… Chính vì vậy, các phản ứng nitro hóa, sunfo hóa, halogen hóa piriđin chỉ thực

hiện được với hiệu suất thấp trong những điều kiện khắc nghiệt vào vị trí số 3; các phản ứng Friđen-Crap
không xảy ra. Nếu có nhóm thế đẩy electron, thí dụ nhóm CH 3, thì sẽ dễ hơn và cho hiệu suất cao hơn.
Thí dụ:

5-nitro-2-metylpiridin
Dựa vào công thức cộng hưởng ta có thể giải thích được sự định hướng cho tác nhân electrophin vào vị trí
số 3 (hoặc 5) của piriđin:

Trang 12

Trong các cấu trúc giới hạn trên, cấu trúc (I) và (VIII) đặc biệt không bền vì sự định vị điện tích dương
trên nguyên tử N âm điện làm tăng nội năng của trạng thái chuyển tiếp so với trạng thái tiếp khi
electrophin tấn công vào C2.
c) Phản ứng thế nucleophin (SN)
Phản ứng thể nucleophin rất đặc trưng cho tính chất của piriđin. Tác nhân nucleophin ưu tiên tấn công
vào vị trí số 2 (đôi khi vào vị trí số 4). Điều này được giải thích dựa vào cấu trúc cộng hưởng của piridin
và tính ổn định của trạng thái chuyển tiếp:

Cấu trúc I đặc biệt ổn định vì sự tích điện âm trên nguyên tử N đã giải thích sự định hướng của tác nhân
nucleophin vào vị trí 2 của piriđin.
• Thế nguyên tử hiđro
Piriđin có thể phản ứng với NaNH2 theo sơ đồ:

Quinolin và isoquinolin cũng tham gia phản ứng tương tự như piriđin:

• Phản ứng thế nucleophin
Nguyên tử halogen ở dị vòng của piriđin, quinolin và isoquinolin đều dễ bị thay thế khi có tác nhân
nucleophin như CH 3ONa, NH 3 ,… Thí dụ:

Trang 13


d) Phản ứng khử và oxi hoá
• Phản ứng khử
Piriđin dễ bị khử hơn benzen:

Khử quinolin và isoquinolin, phản ứng xảy ra trước hết ở dị vòng piriđin rồi mới đến vòng benzen. Thí
dụ:

• Phản ứng oxi hoá
Piriđin bền vững với chất oxi hoá. Quinolin bị oxi hoá ở phía vòng benzen tạo thành axit piriđin -2,3đicacboxylic, còn isoquinolin bị oxi hoá ở hai phía gần như nhau sinh ra axit piriđin-3,4-đicacboxylic và
axit benzen-1,2-đicacboxylic (axit phtalic).

2. Điều chế
a) Điều chế piriđin và dẫn xuất của piriđin
• Ngưng tụ đóng vòng của các hợp chất 1,5-đicacbonyl không no với amoniac:
Trang 14


Có thể thay thế hợp chất 1,5-đicacbonyl không no bằng hợp chất cacbonyl không no:

• Trùng hợp đóng vòng axetilen với hiđro xianua:

• Ngưng tụ este β − xetoaxit với anđehit và NH3:

• Đi từ hợp chất 1,5-đicacbonyl và amoniac
Phương pháp tổng hợp này gồm hai giai đoạn là động lòng thành 1,4-đihidropiriđin rồi đêhiđro hoá sản
phẩm đóng vòng đó.

Nếu xuất phát từ hợp chất 1,5-đicacbonyl không no thì chỉ cần giai đoạn đóng vòng:

• Đi từ anđehit, hợp chất 1,3-đicacbonyl và amoniac
Phương pháp này cũng gồm hai giai đoạn là đóng vòng và đehiđro hoá:

Trang 15


Thí dụ:

• Đi từ hợp chất 1,3-đicacbonyl và 3-aminoxeton không no
Sơ đồ chung:

Hợp chất 1,3-đicacbonyl đơn giản nhất là O = CHCH 2 CH = O lại không bền nên người ta dùng dạng
axetal-etanol ete của nó là C 2 H 5OCH = CH − CH ( OC 2 H5 ) 2 :

b) Điều chế quinolin
• Tổng hợp Scraupơ
Đây là phương pháp phổ biến và chung nhất để điều chế quinolin và các dẫn xuất của nó từ anilin hoặc
anilin thể với glixerol có mặt axit sunfuric và chất oxi hóa nhẹ (thường là nitrobenzen).

Quá trình xảy ra như sau:

Trang 16


• Tổng hợp Đopnơ-Minlơ

2-metylquinolin
• Tổng hợp Compe:

2,4-dimetylquinolin
• Tổng hợpFri đlenđơ:
Dựa trên sự ngưng tụ các o-cacbonylamin với các hợp chất cacbonyl có nhóm metylen α có mặt xúc tác
axit hay kiềm.
Thí dụ:

c) Điều chế isoquinolin
• Tổng hợp Pomeranzơ-Frizơ
Dựa trên sự ngưng tụ các anđehit thơm với các α-aminoaxetal và đóng vòng tiếp theo dưới ảnh hưởng

của chất xúc tác axit.
Thí dụ:

• Tổng hợp Bislơ-Napiransnki

B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH CÁC DẠNG BÀI TẬP
DẠNG 1: VIẾT PHƯƠNG TRÌNH HÓA HỌC THEO SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA
Phương pháp: Nắm vững tính chất và phương pháp điều chế các hợp chất dị vòng.
Ví dụ 1: Viết phương trình biểu diễn cấu tạo các sản phẩm theo sơ đồ sau:

Trang 17


Trang 18


Giải

Trang 19


Trang 20


Ví dụ 2: a) Hãy đề nghị cấu trúc của các chất từ A đến G trong dãy tổng hợp papaverin (G):
0

H2
NaNO2 + HCl , t
KCN

→ A 
→ B 
→C
3,4 - đimetoxibenzylclorua 
2.[ O ]
Ni , t o
PCl5
P2O5
+B
Pd
C 
→ D 
→ E 
→ F 
→ G ( C 20 H 21O 4 N )
t0

b) Trong Papaverin có chứa dị vòng nào?
Giải
Trang 21


b) Trong papaverin (G) chứa dị vòng isoquinolin

DẠNG 2: BÀI TẬP VỀ ĐIỀU CHẾ
Phương pháp: Nắm vững các phương pháp tổng hợp chất dị vòng.
Ví dụ 1: Hãy đề nghị sơ đồ phản ứng với đầy đủ điều kiện để:
a) Từ etylen và các chất vô cơ tổng hợp các hợp chất sau và sắp xếp chúng theo thứ tự tăng dần nhiệt độ
sôi: C 2 H 5OCH 2 CH 2OCH 2 CH 2 OH (Etylcacbitol);

b) Từ benzen hoặc toluen và các chất vô cơ tổng hợp được các được chất sau: Axit 4-amino-2hiđroxibenzoic; axit 5-amino 2,4 đihiđroxibenzoic.
Giải
+

H3O
→ C2 H 5OH
a) CH 2 = CH 2 
t0 ,p

Nhiệt độ sôi:

A > C > B.

Trang 22


Ví dụ 2: Hãy điều chế các hợp chất sau đây bằng cách đun nóng hợp chất đicacbonyl-1,4 với các tác
nhân vô cơ thích hợp:
a) 3,4-đimetylfuran.
b) 2,5-đimetylthiophen.
c) 2,3-đimetylpirol.
Giải
a)

b)

c)

Ví dụ 3:
a) Từ axit sucxinic hãy điều chế pirol.

b) Điều chế α, α′ , β, β′ − tetrametylthiophen từ etylaxetat và các chất cần thiết.
Giải

Trang 23


Ví dụ 4: Từ piriđin hoặc các đồng phân picolin hãy điều chế
a) 2-butylpiriđin
b) 2-butylpiperiđin
c ) 3-aminopiriđin
d) 2-xianpiriđin
e) 2-piriđon
f) 2-clopiriđin
g) 3-xianpiriđin (bằng 2 cách)
h) 2 − PyCH 2 − CH 2 − NH 2
Giải
a) b) Có thể ankyl hóa bằng sự thế nucleofin R (hoặc Ar-) rồi hiđro hóa:
-

c) Nitro hóa rồi khử hợp chất nitro bằng Sn /HCl và OH- hoặc:

d) 2-aminopiriđin không điazo hóa được theo cách thông thường và không thể chuyển thành hợp chất
xian. Nhóm xiano được điều chế từ amit là tốt nhất.

Trang 24


e) và f) Hydroxyl hóa trực tiếp piriđin cho hiệu suất thấp vì OH - không phải là tác nhân nucleofin đủ
mạnh.

g) 2 cách: Điều chế 3-aminpiriđin và dẫn xuất amit của nó theo câu (c)

DẠNG 3: VIẾT CƠ CHẾ PHẢN ỨNG
Phương pháp: Nắm vững cơ chế các phản ứng thế SE, SN của hợp chất dị vòng.
Ví dụ 1: Hãy giải thích cơ chế trong các phản ứng sau:

Giải

Trang 25