HÓA HỮU CƠ 2. GS.TSKH NGÔ THI THUẬN- ĐẶNG NHƯ TẠI

Sự khác nhau về phổ hổng ngoại rất đặc biệt : axit xinamic có vạch dao động biến dạng không phẳng của nhóm c - H trong vùng 980 - 974 c rrf1, trong khi đó đồng phân cis không có vạch này. Về mặt hóa học cả hai đồng phân cis-trans đều bị hiđro hóa thành axit đihiđroxinamic (axit P-phenylpropionic), nhưng sản phẩm brom hóa chúng, tức là các axit đibromxinamic C6H5CHBrCHBrCOOH là những đồng phân quang học không đối quang của nhau. e) Axit oleic hay là axit cis-nctađex-9-en cacboxylic là một chất lỏng, không màu, không mùi, sôi ở 223°c/10 mmHg, có írong thành phần chất béo thiên nhiên. Khi hiđro hóa axit oleic ta được axit stearic, oxi hóa bằng ozon ta được hai anđehit, những anđehit này bị oxi hóa tiếp nữa sẽ chuyển thành axit pelacgonic và axit azelainic : CH3(CH.)7C H =C H (C H 2)7COOH CH3(CH2)7CHO + 0 = CH(CH2)7C 0 0 H -» CH3(CH2)7COOH + HOOC(CH2)7COOH h 20 Axit oleic Axit pelacgonic Axit azelainic Nhờ phản ứng trên người ta xác định được vị trí của nối đôi trong phân tử axit oleic. Khi có mặt N20 3 axit oleic có thể đồng phân hóa thành dạng trans là axit elaiđic : H\\ /. H N20-ị H \\ /VíCH/2')/7COOH c= c - -—- 1* c= c CH3(CH2)7/ X (CH2)7COOH CH3(CH2)7/ xh Axit oleic Axit elaiđic Axit elaiđic là chất rắn, nóng chảy ở 51°c, sôi ở 225°c/10 mmHg : axit này không có trong thiên nhiên. Người ta tổng hợp axit oleic từ axit co-clopelacgonic và anđehit pelacgonic theo sơ đồ : (C6H5)3P + C l- C H 2(CH2)7COOH — ^ (C6H5)3P = CH(CH2)7COOH (C6H5)3P = CH(CH2)7COOH + CH3(CH2)7C H = 0 LiI đimetylfomamit > (C6H5)3PO + CH3(CH2)7CH =C H (C H 2)7COOH Cũng có thể tổng hợp axit oleic từ đex-l-in theo sơ đồ : CH?(CH2)7C = CH NaNH2 CH3(CH7)7C = CNa I(CH22)77C—1 » - ■-> — NH3 -> CH3(CH2)7C ^ C (C H 2)7C1 1 NaCN CH3(CH2)7C ^ C (C H 2)7C 0 0 H -> z. H3O CH3(CH2)7C H =CH (CH 2)7COOH 134

Ngoài axit oieic ra, trong các dầu thảo mộc lỏng còn có nhiều axit không no khác chứa ưiột hay nhiều nối đôi trong phân tử. Thí dụ : Axit linoleic, C 17H3]COOH (dầu gai) CH3(CH2)4N/ CH2 n ỵ (CH2)7COOH C —C c=c / \\/ \\ H HH H cis cis Axit linolenic, C 17H29COOH (dầu gai). C H 3C H 2 n / CH2 x / CH2n / (CH2)7COOH c\\ = c / \\ / c = c c\\ = c / H HH HH H cis cis cis Axit chaumugric, C17H31COOH (dầu chaumugra) Ị ^ > -(C H 2) 12-C O O H Tất cả vào khoảng 40 axit không no, đa số có chứa 18 hoặc 20 nguyên tử cacbon trong phân tử. 12.12.2 Axit ankinmonocacboxylic Axit propiolỉc, CH s c - COOH, là chất lỏng, không màu, tnc 18°c ; ts 144°c, có mùi gần giống axit axetic. Axit propiolic được điều chế từ mononatri axetilua hoặc từ etinyl magie bromua và C 0 2 : o=c=o ■> HC—c —COONa T HC=C^Na 0 = C—o H C =C -C O O H fI ----- > HC —c —COOMgBr H C = C —MgBr Ngoài ra người ta có thể điều chế axit propiolic từ axit acrylic : + Bĩo _ _ ____ C2 H 5O N a h 2c = c h - c o o h — b c h 2 - c h - c o o h - II ‘ H C^C -C O O H - 2HBr Br Br Axit propiolic có thể tham gia các phản ứng cộng hiđro, halogen, hiđro halogenua,... Khi chiếu sáng hoặc có mặt chất xúc tác thủy ngân (II) nó trùng hợp thành axit benzentricacboxylic : 135

COOH COOH 1 H O O C^^C O O H c % CH CH I+ HOOC-C # C-CO O H CH Đồng đẳng của axit propiolic là axit tetrolic, CH3C = CCOOH (ts 203°C) khi có mặt Hg2+ sẽ hợp nước tạo thành axit axetoaxetic. Hiện nay người ta tìm thấy nhiều axit có nối ba trong thiên nhiên. Thí dụ : Axit tararinic ở dạng glixerit trong hạt Picramnia tarari: CH3(CH2) 10c = C(CH2)4COOH Axit lacnophilic (I) và axit matricaric (II) ở dạng este metylic trong dầu Lachnophyllum gossipinum và Matricaria inodora : CH3CH2CH2- C = C - C ^ C - C H = C H - C O O H (I) c h 3c h = c h - c = c - c ^ c - c h = c h - c o o h (II) Phần lớn những axit không no đó đã được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. 12.12.3 Axit đicacboxylic không no a)Axit fum aric hay axit íra/?s-etilen-l,2-đicaboxylic và axit maleic (axit cứ-etilen- 1 ,2 -đicacboxylic) Axit íumaric có trong cây Fumaria officinalis (tên gọi axit xuất phát từ đó) và nhiều cây khác. Người ta điều chế axit này từ axit malic bằng cách nhiệt phân ở 140 - 145°c hoặc cho tác dụng với P2O g : COOH — ^— > H COOH I - h 2° CHOH c 1 ĩ ch2 c COOH H O O ^ XH Trong phản ứng trên cũng sinh ra axit maleic, tỉ lệ đồng phân này sẽ tăng khi nâng cao nhiệt độ. Phương pháp điều chế thuận tiện hơn nữa là đồng phân hóa axit maleic nhờ tác dụng xúc tác của hiđro halogenua và brom dưới ánh sáng mặt trời. H COOH =±HC1, Br2 (ánh sáng) H COOH \\/ <= \\/ c c tia tử ngoại I ' ĩ c c /\\ /\\ H COOH HOOC H Axit maleic Axit íumaric 136

Axit maleic không có trong thiên nhiên. Trong công nghiệp, người ta thường điều chế axit này bằng cách oxi hóa benzen nhờ oxi không khí (x. Tập 1, mục 4.5.4). Tuy vậy, để tiết kiệm benzen hiện nay người ta còn oxi hóa hỗn hợp /í-buten nhờ chất xúc tác dị thể ; khi ấy sản phẩm sinh ra là anhiđrit maleic. Axit maleic và axit íumaric khác nhau về nhiều tính chất vật lí (xem bảng 12.9) và tính chất hóa học. Chỉ axit maleic mới dễ tạo ra anhiđrit; còn axit íumaric không thể tạo ra anhiđrit nội vì hai nhóm cacboxyl ở xa nhau. B ảng 12.9 Hằng số vật lý của axit íumaric và axit maleic Axit tlnc’ °^c .20 Độ tan trong nước íumaric 300 - 302 4 n, D ở 250°c, % maleic 2,46 0,7 130 1,635 1,590 2,38 78,7 Khi bị hiđro hóa cả hai axit đều tạo ra axit sucxinic, nhưng khi bị hiđroxi hóa hoặc halogen hóa lại sinh ra những đồng phân lập thể khác nhau. Chẳng hạn khi brom hóa axit maleic tạo ra đôi đối quang của axit 2 ,3 -đibromsucxinic, còn axit íumaric tạo ra axit 2,3- đibromsucxinic không quang hoạt gọi là đồng phân meso. b) Axit muconic hay axit biita-1,4-đienđicacboxylic gồm có ba đồng phân không gian : H H H—c COOH i I„ 1 ,C -C O O H C -H s C —COOH H—c // ý Ci - H H—c y Ci - H C - Hĩ H O O C -C / / H -C H -C ĩ I I H COOH COOH cis-cis cis-trans trans-trans (t„c 187°C) (tnc 184°C) (tnc 300°C) Dạng cis-cis được điều chế bằng cách oxi hóa phenol hoặc pirocatechol, dạng cis-trans được điều chế từ p-quinon (x. mục 11.13.1) hoặc đồng phân hóa dạng cis-cis, còn dạng ĩrans-trans sinh ra khi ngưng tụ glioxal với axit malonic. cc) Axit axetilenđicacboxylic, HOOC - c 3 - COOH là chất rắn, nóng chảy ở 179°c, được điều chế từ C 0 2 và hợp chất cơ magie : BrMgC = CMgBr 2CO, B rM g O - C - C = C - C -O M g B r ------> lí ĩ ... -> 00 2HC1 ----- — ----> H O O C -c = c -C O O H - 2MgBrCl Axit axetilenđicacboxylic có nhiều tính chất tương tự axit etilen-l,2-đicacboxylic. 137

12.13 Axit halogencacboxylic Trong phân tử axit halogencacboxylic, một hoặc một số nguyên tử hiđro trong gốc hiđrocacbon được thế bằng nguyên tử halogen. Quan trọng nhất là các axit halogencacboxylic béo không vòng (axit halogenankancacboxylic), trong số đó đáng chứ ý nhất là axit a-halogenmonocacboxylic (axit 2 -halogenankancacboxylic): R -C H -C O O H R - C H - C H 2-C O O H R - C H - C H 2- C H 2-C O O H XJ ĩ X1 X Axit Y-halogenmonocacboxylic Axit a-halogenmonocacboxylic Axit P-halogenmonocacboxvlic 12.13.1 Tính chất Đa số các halogenaxit là những chất rắn kết tinh, có nhiệt độ nóng chảy thấp. Các halogenaxit thấp tan trong nước, v ề tính axit, do có hiệu ứng - 1 của nguyên tử halogen nên các halogenaxit đều là những axit mạnh hơn các axit tương ứng không thế. Các halogenaxit, nhất là axit monocloaxetic và axit tricloaxetic ăn da mạnh. Este của halogenaxit, thí dụ etyl bromaxetat và etyl iođaxetat có tính làm chảy nước mắt. a) Trong halogenaxit, nhóm cacboxyl phản ứng bình thường và có thể được chuyển thành halogenua axit, este, amit, ... bằng các phương pháp thông thường. Các nguyên tử halogen cũng tham gia vào các phản ứng thông thường b) Phản ứng với kiềm dẫn tới tạo thành hiđroxiaxit. Tuy nhiên, kiềm phản ứng một cách đặc trưng đối với các halogenaxit khác nhau và như vậy có thể dùng để xác định vị trí tương đối của nguyên tử halogen đối với nhóm cacboxyl. a-Halogenaxit được thủy phân thành a-hiđroxiaxit: CH3— CH— COOH + 2NaOH ------ » CH3- C H - C O O N a + NaCl + H20 !1 C1 ỎH Axit a-clopropionic Axit lactic (muối natri) Các P-halogenaxit phản ứng một cách tương tự, nhưng ngoài hiđroxiaxit còn tạo thành cả các axit không no do kết quả của sự tách hiđro halogenua. Trong những điều kiộn nhất định phản ứng tách có thể trở thành phản ứng chủ yếu hay duy nhất. CH3- C H - C H 2COOH + 2NaOH 1 Ở -----— —> CH3CHOHCH2COONa + NaCl + H20 Axit Ị3-clobutyric Axit Ị3-hiđroxibutyric + 2NaOH + NaCl + 2H20 > CH3CH=CHCOONa Axit crotonic Dưới tác dụng của kiềm, các y- và ô-halogenaxit chuyển thành lacton và lacton này lại phản ứng tiếp theo với kiềm thành Ỵ - hay ô-hiđroxiaxit tương ứng : 138

c h 2- c h 2 c h 2~ c h 2 ĩĩ _ĩ 1 R-CH c = 0 ---- >R -C H 0 = 0 + C1 |N / o C1 ° y-Lacton c h 2- c h 2 c h 2- c h 2 R -C1H cI = 0„ - + OH\" ---- > 1CH cLo c r- \\/ /\\ o R OH Các halogenaxit với halogen ở cách xa nhóm cacboxyl phản ứng với kiềm tạo thành muối của hiđroxiaxit: Cl(CH2)nCOOH + 2NaOH ------> HO(CH2)nCOONa + NaCl + H20 c) Khi thủy phân bằng nước, các a,a-đihalogenaxit được chuyển thành a-o x o ax it: CHC12 cho + 2HC1 Ị + h 20 ------> I COOH COOH Axit đicloaxetic Axit glioxylic Khác với axit đicloaxetic, khi đun nóng trong dung dịch nước axit tricloaxetic dễ dàng bị đecacboxyl hóa và chuyển thành cloroíom : CCI3COOH ----- » CHCI3 + C02 Axit tricloaxetic Clorofom Các kết quả nghiên cứu động học đã chỉ ra rằng anion của axit tricloaxetic bị đecacboxyl hóa dưới ảnh hưởng của sự chuyển dịch electron để tạo thành triclocacbanion và anion này cộng hợp với proton : C1 ------> C1 + c=0 r« : c i - c1: - II ci-c-c-o : 1 0 ĩĩ C1 C1 o ! H+ C1 1 C l-C -H 1 C1 Trái lại, axit ílocacboxylic không cho các phản ứng dẫn ra ở trên. Liên kết giữa flo và cacbon bền đến mức là axit Aocacboxylic không phản ứng với tác nhân thủy phân, do đó người ta có thể điều chế axit íỉoaxetic bằng cách thủy phân etyl íỉoaxetat: CH2FCOOC2H5 + H20 ----- > CH2FCOOH + QHgOH Etyl Aoaxetat Axit Aoaxetic 139

Trong điều kiện phản ứng tương tự, etyl cloaxetat cho axit glicolic CH2C1C00C2H5 + H20 ------> CH2COOH + HC1 + C2H3OH I ỎH Etyl cloaxetat Axit glicolic Cho natri cloaxetat phản ứng với natri hiđrosuníua ta được natri thioglicolat: ClCH2COONa + NaSH ------ » HSCH2COONa + NaCl Natri cloaxetat Natri thioglicolat Hợp chất này được dùng trong uốn tóc để tạo nếp sóng vì một mặt nó làm mềm tóc, mặt khác khử liên kết đisunfua trong protein của sợi tóc : R - S - S - R + 2HSCH2COONa ------ » 2RSH + NaOOCCH2S - SCH2COONa Natri đithioglicolat Axit triíloaxetic được điều chế bằng cách điện phân hỗn hợp anhiđrit axetic và hiđro Aorua khan. Do oxi hóa hiđro florua, flo được sinh ra ở cực dương, nótác dụng ngay với anhiđrit axetic để tạo thành triíloaxetyl ílorua, và sau đótriíloaxetyl ílorua bị thủy phân thành axit triíloaxetic : (CH3C 0 )20 + 16F ------ > 2CF3COF + F20 + 6 HF Anhiđrit axetic CF3COF + H20 ------» CF3COOH + HF Triíìoaxetyl ílorua Axit triíloaxetic Ngoài ra, axit triíloaxetic còn được điều chế bằng cách đồng phân hóa l,l,2-triflotricloetan (hay còn gọi là freon 113) thành l,l,l-triflotricloetan và chất này lại được thủy phân đến axit triíloaxetic : AICI3 Oleum + Hg2+ H20 < ^ ° CF21C1-CFC112 - ■ -■-> CFi3 -C C 1 53 — _ 2HC1 > c f 3Jc \" _ —HC1 > c f 3ic \" 1,1,2-Triflotricloetan l,l,l-T riflo tr ic lo e ta n Triíloaxety 12.13.2 Phương pháp điều ché axit halogencacboxylic a) Halogen hóa axit cacboxylic Các axit cacboxylic không vòng no có thể được halogen hóa bằng tác dụng của flo, clo hoặc brom. Với sự có mặt của axit protonic mạnh hoặc axit Liuyt sẽ tạo thành chủ yếu axit a-halogencacboxylic, trong khi đó ở điều kiện của phản ứng gốc tự do, halogen lại hướng sự tấn công vào các liên kết c - H chứ không vào vị trí a : 140

Cl2 (H +) - IT ■ > C H 3 - C H - C O O H - HC1 31 CH3- C H 2-C O O H C1 Cl2, hv — > CH2- C H 2-C O O H - HC1 \\1 1 C1 Lẽ đương nhiên các axyl halogenua phản ứng nhanh hơn axit cacboxylic, vì vậy theo phương pháp Hell - Volhard - Zelinsky việc điều chế axit a-halogencacboxylic được thực hiện bằng cách cho clo hoặc brom tác dụng với axit với sự có mặt của photpho đỏ (x. thêm mục 12.3.4). Axit benzoic có thể được halogen hóa trong điều kiện của phản ứng thế electrophin, khi đó nhóm thế đi vào vị trí meta : COOH COOH Cl2, Fe ^Q HC1 Axit benzoic Axit fíỉ-clobenzoic Các axit o- và p-clobenzoic được điều chế bằng cách oxi hóa clo- và bromtoluen tương ứng : QCa +30 CIa +H*°I ^ Y CHs KMn04 ^ ^ /C O O H Ỡ-Clotoluen Axit ỡ-clobenzoic b)Các axit không no được chuyển thành halogenaxit nhờ phản ứng cộng với hiđro clorua, hiđro bromua và hiđro iođua. Phản ứng xảy ra theo hướng halogen cộng vào nguyên tử cacbon ở xa nhóm cacboxyl. Từ axit a,p-không no ta được ị3-halogenaxit: CH3 - C H = C H - C O O H + HBr ------» CH3CHBr —CH2—COOH Axit crotonic Axit P-brombutyric HOOC —CH= CH—COOH + HBr ------> H O O C - C H B r-C H 2-C O O H Axit íumaric Axit bromsucxinic Tương tự như vậy khi cộng halogen vào axit không no ta được đihalogenaxit: HOOC —CH= CH —COOH + Br2 ------» H O O C -C H B r-C H B r-C O O H Axit fumaric Axit đibromsucxinic c) Cho p-hiđroxiaxit tác dụng với hiđro halogenua ta được halogenaxit. Thí dụ : HOCH2CH2COOH + HI ------ » ICH2CH2COOH + H20 Axit hiđroxipropionic Axit (3-iođpropionic 141

Các a-hiđroxiaxit chỉ cho kết quả tương tự khi được phản ứng vói photpho pentaclorua hay photpho pentabromua. d)Các dẫn xuất flo của axit được điều chế theo những phương pháp riêng. Phản ứng giữa etyl cloaxetat và kali ílorua tạo thành axit íloaxetic : CH2C1C00C2H5 + KF -- » FCH2COOC2H5+ KC1 Etyl cloaxetat Etyl íloaxetat CH2FCOOC2H5 + h 20 — > c h 2f c o o h + C2H5OH Axit íloaxetic Trong công nghiệp, axit íloaxetic được điều chế bằng cách cho cacbon monoxit tác dụng với hiđro ílorua và fomanđehit: HF + CH2= 0 + 160°c CO —— ■> FCH2C L 750 atm 1 \\q H Axit floaxetic 12.13.3 Các axit halogencacboxylic tiêu biểu • Axit cloaxetic được điều chế bằng cách clo hóa axit axetic với sự có mặt của anhiđrit axetic và axit sunfuric đặc hoặc bằng cách thủy phân tricloetilen bằng H2S 04 75% ở 140°c: C1\\ _ / C1 2H20 ( H 2S 0 4) C=C^ C l- C H 2-C O O H ---- > H ' C1 - 2HC1 Axit cloaxetic Axit cloaxetic là chất rắn kết tinh, tnc 63°c, có tính ăn mòn, tan tốt trong nước và etanol. Nó được dùng làm nguyên liệu đầu cho nhiều phản ứng tổng hợp, chẳng hạn như điều chế axit malonic và este malonic (x. mục 12.9) hoặc điều chế inđigo. • Axit đicloaxetic được tạo thành khi đun nóng cloral hiđrat với canxi cacbonat khi có mặt natri xianua làm chất xúc tác : 2CC13- CH(OH)2------CaC° 3(N- ^ j ----- >(C12C H - COO)2Ca 2H% 2C12C H - COOH v _ 2 C 0 2, - CaCl2) - 2H20 n Ca2+ 3 2 Axit đicloaxetic Một phương pháp điều chế khác là thủy phân tetracloetilen bằng hơi nước : C1\\ „ 2H ,0(t°) Cl2C H -C O O H c=c > Q\\ \"'Cl _2HC1 • Axit tricloaxetic được điều chế bằng cách oxi hóa cloral hiđrat bằng axit nitric đặc : o [UNO,] CCI3 -C O O H CC13 -C H (0 H )2 — Cloral hiđrat Axit tricloaxetic 142

Tricloaxetyl clorua được điều chế bằng cách oxi hóa tetracloetilen bằng oxi không k h í: C lx /C 1 0 ,t° C1 /O C1 „ ;c = < a — > CI3 — c T C1 CI C1 CI Tricloaxetyl clorua Axit tricloaxetic tạo thành những tinh thể không màu, tnc 57,5°c và thuộc vào số các axit hữu cơ mạnh nhất. Do hiệu ứng - I của nguyên tử clo, liên kết c - c bị phân cực mạnh đến mức khi đun sôi với nước hoặc kiềm loãng, trong phân tử axit tricloaxetic xảy rasự đứt vỡ để tạo thành clorofom và cacbon đ io x it: [H2Oj, t° CCI3-COOH — > CHCI3 + c o 2 • Axit triĩloaxetic có thể được điều chế bằng cách oxi hóa 4-triflometylanilin bằng kali pemanganat hoặc bằng axit cromic : / “\\ [K M u 0 .ị| CF3- / V n h 2 — — 1 > CF3-C O O H 4-Triflometylanilin Là chất lỏng bốc khói trong không khí. Giống như axit tricloaxetic, nó là một axit mạnh. 12.14 Axit hiđroxicacboxylic Trong phân tử axit hiđroxicacboxylic, một hoặc một số nguyên tử hiđro trong gốc hiđrocacbon được thế bằng nhóm hiđroxi. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia các axit hiđroxicacboxylic thành hai nhóm : các axit có chứa nhóm chức ancol và các axit có chứa nhóm chức hiđroxi phenol. Theo danh pháp hệ thống, các hiđroxiaxit được xem như là các axit cacboxylic thế. Thí dụ : CH3CH2CHCOOH 1 ỎH Axit 2-hiđroxibutanoic (Axit a-hiđroxibutyric) Axit hiđroxicacboxylic với nhóm hiđroxyl ancol 12.14.1 Tính chất Các hiđroxiaxit là những chất rắn kết tinh, phần lớn tan tốt trong nước. Chúng bị phân hủy khi chưng cất ở áp suất thường. Những hiđroxiaxit thấp có thể chưng cất được ở áp suất thấp. Do có mặt trong phân tử nhóm OH là nhóm hút electron, lực axit của hiđroxiaxit mạnh hơn một chút so với các axit tương ứng chưa thay thế. 11- HHCT2 143

a) Tạo muối vói kim loại Tương tự như các axit không thế, nhóm cacboxyl của hiđroxiaxit có thể tạo muối với kim loại. Ngoài phản ứng tạo muối, nhóm cacboxyl cũng tạo thành các dẫn xuất như este, amit..., đồng thời nhóm hiđroxi cũng có khả năng phản ứng một cách bình thường. Do đó các hiđroxiaxit có thể chuyển thành ete, este... Thí dụ, axit glicolic tác dụng với ancol etylic tạo thành etyl glicolat: h o c h 2- c o o h + C2 H5 OH H+ HOCH2 COOC2 H5 1 L3 > z z' Axit glicolic Etyl glicolat HOH Đồng thời người ta còn biết một este khác được tạo thành khi cho axit glicolic (như một ancol) tác dụng với anhiđrit axetic : (CH3C 0)20 + h o - c h 2- c o o h ------►CH3C O -O C H 2COOH + CH3COOH Axit axetoglicolic Khi đun nóng với axit halogenhiđric đặc, nhóm hiđroxi được thế bằng halogen : CH3CHOHCOOH + HBr ------> CH3CHBrCOOH + H20 Axit lactic Axit a-brompropionic Dưới tác dụng của photpho pentaclorua hay thionyl cỉorua, mới đầu các hiđroxiaxit được chuyển thành cloanhiđrit của halogenaxit và sau khi thủy phân bằng nước cloanhiđrit này chuyển thành halogenaxit: CH3CHOHCOOH + 2 PCI5 ------ » CH3CHCICOCI + 2 POCI3 + 2HC1 H20 CH3CHCICOOH Axit a-clopropionic Cloanhiđrit của hiđroxiaxit không bền do phản ứng của nhóm COC1 và OH giữa hai phân tử. Tuy nhiên, nếu khóa nhóm OH bằng cách axetyl hóa, ta vẫn có thể điều chế được cloanhiđrit, thí dụ CH3COOCH2COCl. b) Phản ứng tách nước Phản ứng tách nước của các hiđroxiaxit xảy ra theo các hướng khác nhau tuỳ thuộc vào vị trí của nhóm hiđroxì trong phân tử. Do đó, người ta có thể dùng phản ứng này để nhận biết các loại hiđroxiaxit khác nhau. Khi đun nóng a-hiđroxiaxit sẽ xảy ra phản ứng tách nước giữa hai phân tử và tạo thành este vòng sáu cạnh, được gọi là ìactit. Tên lactit là xuất phát từ axit lactic (acidum lacticum) vì lần đầu tiên quan sát thấy phản ứng này ở axit đó : 144

o o / C -O H c /\\ c=0 ỏi Ci H - CH3 \\/ HO/ c Axit lactic o Lactit Sự tách nước của các a-hiđroxiaxit xảy ra đặc biệt dễ dàng ngay cả khi bảo quản trong binh phòng ẩm có chứa axit suníuric ; chính vì vậy mà việc điều chế các a-hiđroxiaxit thấp ở dạng tinh khiết là đặc biệt khó khăn. Phản ứng này tiến hành qua một số giai đoạn, chẳng hạn khi đun nóng axit glicolic mới đầu ta được monoeste (axit glicolylglicolic) và sau đó là glicolic (lactit của axit glicolic): cp /\\ ch2 0 HOCHoCOOH + HOCH2COOH ■■■■-■■ > HOCH2COOCH2COOH ...- ..- > I 1 1 - h 20 12 h 20 0 ' \\/ co Axit glicolylglicolic Glicolit Glicolit tạo thành tinh thể nóng chảy ở 86°c ; lactit của axit lactic raxemic nóng chảy ở 124°c, còn lactit của các axit (+) và (-) lactic nóng chảy ở 95°c. Khi bảo quản hay đun nóng nhẹ, lactit hồi trở lại thành các axit ban đầu. Khi đun nóng với nước hay với kiềm, lactit cũng như các poliaxit tương ứng đều có thé được chuyển thành hiđroxiaxit ban đầu. Khi chưng cất hay đun nóng với axit sunfuric loãng, P-hiđroxiaxit dễ dàng bị tách nước và được chuyển thành axit a,Ị3-không no : > c h 3 - c h = c h - c o o h + h 20 + H + Axit crotonic Ỵ- và Ô-Hiđroxiaxit tách nước để tạo thành lacton : ch 2- c h 2 ch 2- c h 2 R—CH c = 0 \\ _/ o 145

R - C H COOH ■» R -C H c = 0 —H7O \\ _/ \\_ o OH 5-Lacton Đun nóng với axit suníuric loãng, các a-hiđroxiaxit tách đi một phân tử axit fomic và chuyển thành anđehit hay xeton có ít hơn hợp chất đầu một nguvên tử cacbon. Thí dụ : CH3CHOHCOOH Axit lactic Trong một số trường hợp nếu dùng axit sunfuric đặc hơn thì người ta không thu được axit fomic mà thu được cacbon monoxit (CO) là sản phẩm tách nước của axit íomic. 12.14.2 Điều chê Có nhiều phương pháp điều chế axit hiđroxicacboxylic, dưới đây là một số phương pháp chính. a) Khử hóa este của axit oxocacboxylic Khi khử hóa xúc tác este của axit oxocacboxylic sẽ tạo được este của axit hiđroxi- cacboxylic, rồi thủy phân tiếp theo thành a x it: 2H(Ni) ■> b) Thủy phân xỉanhỉđrin Các xianhiđrin được tạo thành từ anđehit hoặc xeton, khi có mặt của axit, chúng bị thủy phân đến a-hiđroxiaxit: c h 3c h = o HCN* CH3CHCN 2H20 . HC1 OH Nitrin của axit lactic c) Thủy phân axit halogencacboxylic bằng kiềm chủ yếu được dùng để điều chế a-hiđroxiaxit từ axit a-halogencacboxylic (x. mục 12.13). 146

d) Phản ứng Reíbm atski* (1887) Khi cho este của axit a-halogencacboxylic tương tác với hợp chất cacbonyl trong sự có mặt của kẽm để tạo thành este của ị3-hiđroxiaxit: B r-C H 2-C O O C 2H5 B rZ n -C H 2 -C O O C 2H5 -RCHQ > Etyl bromaxetat Hợp chất cơ kẽm -> R - C H - C H 2 -~COOC2H5 H20 1_ _ > R - C H - C H 2 -C O O C 2H5 OZnBr - Zn(OH)Br OH Etyl este của p-hiđroxiaxit Phản ứng được thực hiện trong dung môi trơ như đietyl ete, THF, đioxan hoặc benzen và cho hiệu suất cao. Thí dụ : Ọ 1 . Zn, benzen o II II o + BrCH2COCH2CH3 CH2COCH2CH3 2- H30 + > L -V oH Xiclopentanon Etyl bromaxetat Etyl 2-( 1-hiđroxixiclopentyl)-axetat (95%) Cơ chế phản ứng Reíomatski như sau : Zn + BrZn c h 2 - c - o c 2 h 5 <— > c h 2 = c - O C 2 H 5 BrCH2C O O C 2 H 5 (chuyển dịch electron từ kim loại) (cộng nucleophin R' anion enolat vào R nhóm cacbonyl) o=c R '^ / C H 2CO O C2H5 H-iO R ’^ . / C H 2 C O O C 2H 5 thủy phân R OH _+ R o ZnBr P-Hiđroxi este e) Oxi hóa các hiđroxianđehit Các hiđroxianđehit có thể được chuyển thành hiđroxiaxit nhờ các chất oxi hóa khác nhau : R - C H - ( C H 2)n- C H O BrO [H20 ,B r 2] OH -----^ R - C H - ( C H 2)n-C O O H OH *’ Refomatski S.N. (S.N. Reformarsky ; 1860 - 1934) , nhà hóa học hữii cơ, Viện sỹ thông tấn Viện Hàn lăm Khoa học Liên Xô (1929). Ông đ ề ra phương pháp tổng hợp P-hiđroxiaxit bằng cách cho a-haloeste ngưng tụ với hợp chất cacbonyì với sự có m ặt của kẽm. Công trình được công bô' lẩn đầu tiên năm ỉ 887 và mang tên là phản ínig Refomatski. 147

12.14.3 Giới thiệu các chất tiêu biêu • • Các axit monohiđroximonocacboxylic Axit glicolic (axit hiđroxiaxetic) HOCH2COOH là hiđroxiaxit đơn giản nhất. Nó có trong nước ép quả nho xanh và nước mía. Trong công nghiệp, axit glicolic được điều chế bằng cách khử axit oxalic trên điện cực c h ì: H O O C -C O O H + 4H ------> HOCH2COOH hoặc từ íomanđehit, cacbon monoxit và nước với sự có mặt của xúc tác axit, dưới áp suất ở 1 60- 170°C: HCHO + CO + H20 u r — > HOCH2COOH Axit glicolic là chất rắn, kết tinh, tnc 80°c. Nó được dùng nhiều trong công nghẹ in vải hoa. Axit lactic (axit a-hiđroxipropionic) CH3*CHOHCOOH có một nguyên tử cacbon bất đối trong phân tử, do đó có thể tồn tại dưới dạng một đôi đối quang. Axit DL-lactic lần đâu tiên được tách ra từ sữa chua bởi Scheele (1780). Ngoài ra người ta cũng gặp nó trong rau, quả muối. Axit L-(+)-lactic có trong bắp thịt. Trong công nghiệp người ta sử dụng rộng rãi vi khuẩn Lactobacilỉus deìbrueckii để sản xuất axit lactic bằng phương pháp lên men các đường lactozơ, maltozơ và glucozơ : C12H22O11 + H20 ------ > 4 C H 3 - C H - C O O H OH Axit DL-lactic Các axit D-(-)-lactic và L-(+)-lactic là chất rắn, tnc 26°c, trong khi đó dạng raxemic là chất lỏng dạng xiro, tnc 18°c. Nó có thể trộn lẫn với nước, etanol và ete theo bất cứ tỷ lệ nào. Axit DL-lactic có thể tách thành các đối quang nhờ strichnin, quinin hay morphin. Muối của axit lactic là các lactat. Oxi hóa axit lactic bằng thuốc thử Fentons ta được axit pyruvic (axit 2 -oxopropionic): C H 3 -C H -C O O H H 2 ° ^ t( F e ^ C H 3 -C -C O O H ! ” H2° ì 0 ỎH Axit pyruvic Axit lactic được đùng để pha vào đồ uống không cồn. Trong công nghiệp da nó được dùng để sát trùng cho lông thú. Axit p-hiđroxibutyric, CH3CHOHCH2COOH, là chất rắn, tnc 44°c. Axit DL-P-hiđroxibutyric thường được điều chế bằng cách khử este axetoaxetic hay oxi hóa anđol. Axit (-)-P-hiđroxibutyric có trong nước tiểu của người bị bệnh tiểu đường cùng với axeton và este axetoaxetic. 148

Axit rixinoleic, CH3(CH2)5*CHOHCH2CH = CÍ-ỉ(CH2)7COOH là một axit cao không no, thường được điều chế bằng cách xà phòng hóa dầu thầu dầu. Axit m anđelic (axit a-hiđroxiphenylaxetic), C6H5*CHOHCOOH. v ề phương pháp điều chế và tính chất, axit manđelic rất giống các a-hiđroxiaxit mạch không vòng. Axit manđelic có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau như thủy phân xianohiđrin, khử axit phenylglioxylic bằng hỗn hống natri, cũng như clo hóa hay brom hóa axit phenylaxetic và sau đó thủy phân halogenaxit điều chế được. Trong số các phương pháp tổng hợp axit manđelic vừa kể thì phương pháp thủy phân xianohiđrin là thuận lợi hơn cả. Axit (-)-manđelic có trong thiên nhiên dưới dạng glycozit gọi là amygđalin. Amygđalin là glycozit của gentiobiozơ với xianohiđrin của axit (-)-manđelic. Đem thủy phân chất này bằng axit clohiđric đặc sẽ được axit (-)-manđelic. Axit (+)- manđelic có thể được điều chế bằng phương pháp tương tự từ một gỉycozit khác gọi là sambunigrin. Axit (±)-manđelic nóng chảy ở 118°c. Các axit (+) và (-)-manđelic nóng chảy ở 134°c ; [oc]^ = ±157° (trong nước). • Các axit polihiđroximonocacboxylic Axit glyxeric HOCH2*CHOH COOH Axit glyxeric (axit a,p-đihiđroxipropionic) là chất lỏng, sánh như dầu, tan trong nước và trong ancol, không tan trong ete. Nó thường được điều chế bằng cách oxi hóa glyxerol bởi axit nitric : HOCH2 - C H O H - C H 2OH ------> HOCH2 -C H O H -C O O H Glyxerol Axit glyxeric Đun nóng thận trọng, axit glyxeric chuyển thành anhiđrit. Đun nóng mạnh hơn hay đun với kali sunfat axit sẽ được axit pyruvic : HOCH2 -C H O H -C O O H — — CH2 = C (O H )-C O O H ------> CH3 -C O -C O O H 1 - H20 z 3 Cho axit glyxeric tác dụng thận trọng với axit iođhiđric ta được axit ị3-iođpropionic, còn khi khử mạnh hơn sẽ được axit propionic. Axit glyxeric có thể được tách thành đối quang nhờ bruxin. Axit (+)-glyxeric cũng có thể thu được nhờ sự lên men oxi hoá (Bacillus aethoceticus) glyxerol. Axit quinic hay axit 1,3,4,5-tetrahiđroxixiclohexan-l-cacboxylic (monohiđrat, tnc 162°c ; [a]p = - 44°) có trong vỏ cây quinin, trong củ cải đỏ và nhiều cây khác nữa. Khi chưng cất khan, axit quinic được chuyển thành phenol, hiđroquinon, axit benzoic và anđehit salixylic. Còn khi đun nóng với mangan đioxit và axit suníuric, nó cho quinon : 149

À kcOOH M n H on CH=CH 2' 2 4 > ỌH B T 0= < > -0 _ _ y ỎH CH=CH HH Quinon Axit quinic • Các axit monohiđroxiđicacboxylic Axit tactronic, HOOC - CHOH - COOH Axit tactronic (axit hiđroximalonic) nóng chảy ở 158°c, thường được điều chế bằng cách thủy phân axit brommalonic có mặt bạc o x it: HOOC - CHBr - COOH > HOOC - CHOH - COOH Axit brommalonic -HBr Axit tactronic Đun nóng đến 190°c, axit tactronic bị đecacboxyl hóa thành axit glicolic dưới dạng cao phân tử glicolic. Axit malic, HOOC - *CHOH - CH2COOH Axit malic (axit hiđroxisucxinic) có chứa trong phân tử một nguyên tử cacbon bất đối xứng, do đó có thể tồn tại dưới dạng một đôi đối quang và một biến thể raxemic. Axit (-)-malic có nhiều trong thiên nhiên, trong các quả chua, thí dụ trong táo xanh, trong quả lương thanh trà Sorbus aucuparia và nhiều cây khác nữa. Axit (-)-malic cũng có với một lượng nhỏ trong rượu vang, còn muối canxi của nó người ta cũng đã phát hiện thấy trong cây thuốc lá. Axit (+)-malic được tạo thành với hiệu suất thấp khi khử axit (+)-tactric bằng axit iođhiđric ở 1 3 0 °c: HOOCCHOHCHOHCOOH — ^ HOOCCH2*CHOHCOOH Axit tactric Axit malic Axit (±)-malic có thể được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau như thủy phân axit (±)-bromsucxinic : HOOCCH2*CHBrCOOH tl,(,)' 1 > HOOCCH2*CHOHCOOH L -H B r z và bằng cách đun nóng axit íumaric hoặc axit maleic với nước đến 150 - 200°c hay với dung dịch natri hiđroxit đến 10 0 °c : HOOCCH = CHCOOH + HOH ------» HOOCCH2CHOHCOOH Phản ứng này có ý nghĩa lớn về mặt sinh học do có sự phân giải oxi hóa gluxit trong cơ thể sinh vật. Enzym ỷumarase xúc tác cho phản ứng ấy có rải rác trong thiên nhiên. Thí dụ axit (-)-malic được tạo thành với lượng lớn trong sự sinh trưởng của một số nấm Aspergilỉus niger trong môi trường có đường. 150

Axit malic raxemic nóng chảy ở 1 3 0 - 131°c, còn các đối quang nóng chảy ở I00°c. Khi đun nóng đến 100°c, axit malic được chuyển thành anhiđrit. Đun nóng lâu hơn ở 140 - 150°c nó mất nước và chuyển thành axit fumaric. Axit íumaric cũng được tạo thành khi đun sôi axit malic với natri hiđroxit. Sự khử mãnh liệt axit malic bằng axit iođhiđric dẫn tới việc tạo thành axit sucxinic ; còn khi oxi hóa nó bằng pemanganat hay hiđro peoxit và bằng các muối sắt hóa trị hai sẽ tạo thành axit oxalylaxetic. Axit tactric, HOOC - CHOH - CHOH - COOH Axit tactric (axit đihiđroxisucxinic) tồn tại dưới dạng một đôi đối quang, một biến thể raxemic và một đồng phân meso. v ề cấu hình của axit tactric xem Tập 1, mục 6.1.7. Axit (+)-tactric là một trong những axit phổ biến nhất trong thiên nhiên, nó có trong nước nho ép và trong nhiều cây khác nữa. Nguồn chính để điều chế nó ở quy mô công nghiệp là muối kali hiđro tactrat; muối này ít tan trong nước và lắng xuống trong rượu vang. Axit (±)-tactric có trong rượu vang cùng với một lượng nhỏ axit (+)-tactric. Nó cũng có thể được điều chế bằng cách raxemic hóa axit (+)-tactric. Axit (-)-tactric thường được điều chế bằng cách tách riêng axit tactric raxemic. Đem chưng cất khan axit (+)-tactric ta được axit pyruvic (x. mục 12.21.2). Khử axit (+)-tactric bằng axit iođhiđric sẽ tạo thành axit (+)-malic với hiệu suất thấp ; khử mãnh liệt hơn sẽ dẫn tới axit sucxinic. Khi oxi hóa axit (+)-tactric bằng hiđro peoxit với sự có mặt của ion sắt (II) ta được axit đihiđroximaleic ; oxi hóa bằng nước brom dẫn tới axit đihiđroxitactric. Với tác dụng của những chất oxi hóa mạnh hơn sẽ tạo thành cacbon đioxit và axit fomic. Axit (+)-tactric khử dung dịch amoniac của oxit bạc (phản ứng tráng gương). Axit tactric được dùng trong công nghiệp thực phẩm (nước chanh, bánh, kẹo, rượu vang) và công nghiệp nhuộm. Ngoài ra các muối tactrat cũng có nhiều ứng dụng quan trọng. Tương tự các axit không có nhóm thế, axit tactric có thể tạo muối với kim loại. Đáng chú ý nhất là muối (+)-kali natri tactrat: COOK COOK ĩ ĩ H -ệ-O H H -ệ-O H 2_ 1 + Na2C 0 3 ------> 2 1 + CO, + H20 H O -ệ-H H O -ệ-H ĩ COOH 1 COONa Kali natri tactrat Muối này kết tinh với bốn phân tử nước (C4H40 6NaK.4H20 ) dưới dạng các lăng trụ hình thoi có các mặt bán diện. Muối (+)-amoni natri tactrat (C4H40 ốNa(NH4).4H20 ) được điều chế bằng cách tách (±)-amoni natri tactrat thành đối quang. (+)-Canxi tactrat (C4H40 6Ca.H20 ) được điều chế bằng cách cho axit tactric tác dụng với ion canxi. Muối này kết tinh dưới dạng bột, không tan trong nước, nhưng dễ tan trong axit và trong kiềm. 151

Như đã biết, đồng và các kim loại nặng khác không thể kết tủa bằng kiềm trong các dung dịch có chứa muối của axit tactric. Đó là do tạo thành các phức tan, mà không bị phân hủy bởi kiềm. Muối kali natri tactrat được sử dụng rộng rãi trong hóa học dưới tên gọi muối Xaynhet (Seignette). Để phát hiện nhóm chức anđehit trong các hợp chất hữu cơ (anđehit, monosacarit...) người ta thường dùng thuốc thử Fehlinh. Thuốc thử Fehlinh gồm dung dịch CuS04 và muối Xaynhet trong dung dịch NaOH 10%. Khi C11SO4 tác dụng với NaOH sẽ tạo thành Cu(OH)2, chất này không lắng xuống thành kết tủa, mà phản ứng với các nhóm chức ancol của muối Xaynhet để tạo thành một phức chất, tức thuốc thử Fehlinh (chất lỏng có màu xanh thẫm). Khi cho thuốc thử Fehlinh tác dụng với các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm chức anđehit sẽ tách ra kết tủa màu đỏ của Cu20 (x. mục 11.3.9). Axit xitric A x it xitric (axit 2-hiđroxipropan-l,2,3-tricacboxylic), rất phổ biến trong thiên nhiên. Nó có trong cây ngũ gia bì, trong củ cải đỏ, trong lá bông và nhiều nhất là trong quả chanh (chừng 10%), trong cuống lá cây thuốc lào (đến 7,5%). Trong quy mô công nghiệp, axit xitric được điều chế từ nước chanh ép, từ cuống lá thuốc lào và bằng phương pháp lên men đường nhờ một số nòi Citromyces hay các nấm Penicillium và Aspergillus. Bằng con đường tổng hợp, người ta khẳng định sự đúng đắn của công thức cấu trúc của axit xitric. Mới đầu, cho đicloaxeton đối xứng tác dụng với axit xianhiđric thành xianhiđrin, sau đó xà phòng hóa, ngưng tụ với kali xianua và xà phòng hóa nitrin thành axit xitric : CH2C1 CH2C1 c=0 HCN J_^ 2H20 + HC1 H O -C -C O O H H O -C -C N CH2C1 * - N H 4CI CH2C1 Xianhiđrin 2KCN -2KC1 c h 2c n H O -C -C O O H CH2CN Axit xitric là chất rắn, tạo thành những tinh thể lớn, trong suốt, dễ tan trong nước và kết tinh với một phân tử nước (tnc 100°C). Đun nóng đến 80°c, nó mất nước và cho axit xitric khan nóng chảy ở 153°c. Nếu nâng nhiệt độ lên 176°c, nó tách đi một phân tử nước và chuyển thành axit aconitic. Phản ứng này được dùng để xác định cấu trúc, bởi vì khi khử bằng hỗn hống natri, axit aconitic không no được chuyển thành axit tricacbalylic có cấu trúc xác định : 152

CH2COOH 176 c c h 2c o o h c h 2c o o h HO C -C O O H - H-)0 ĩ C -C O O H 2H c h 2c o o h ị C H -C O O H Axit xitric C H -C O O H ĩ .... . c h 2c o o h Axit aconitic Axit tricacbalylic Đem nhiệt phân axit xitric, ta được anhiđrit itaconic và anhiđrit xitraconic : c h 2c o o h C H -C O O H ch2 ch2 o ĩ1 ■» C -C O O H1 •> C -C O O H - 1_ *c c H O -C -C O O H c h 2- c o o h H ,0 o L c h 2c o o h Axit itaconic ch2- c ( Axit xitric o Anhiđrit itaconic h 20 I -co 2 o c h 2c o o h C H -C O OH CH—c \\ -C O O H- Axit aconitic ■» ĩ -------> Ỵc ,/ o C o 1 - h 2o ch3 ch3 Axit xitraconic Anhiđrit xitraconic Dưói tác dụng của axit suníìiric đặc, axit xitric được chuyển thành axit axetonđicacboxylic rồi thành axeton : CHoCOOH CH2COOH 60° c ch3 ch3 1 ĩ H O -C -C O O H h 2s o 4, - i o ° c cĩ = 0 c= 0 c h 2c o o h -C O . H20 I - C02 T c h 2c o o h co2 I Axit xitric c h 2c o o h ch3 Axit axetonđicacboxylic Axeton Axit xitric là một hợp chất quan trọng về mặt sinh học. Nó tham gia vào sự trao đổi chất trong các cơ thể sống, trong chuyển hóa các axit tri- và đicacboxylic (“chu trình axit xitric”). Axit xitric được dùng nhiều trong y tế, trong công nghiệp dược phẩm, trong công nghiệp đồ uống để sản xuất nước chanh. Trong công nghiệp hóa chất, nó được dùng để sản xuất nhựa ankit, còn các este trietyl, tributyl xitrat được dùng làm chất hóa dẻo trong sản xuất sơn. Ngoài ra, axit xitric cũng được dùng làm chất cầm mầu trong công nghiệp nhuộm. 12.15 Lacton Các este vòng nội phân tử của các hiđroxiaxit được gọi là lacton. Bền vững nhất là các lacton vòng năm và vòng sáu cạnh (y- và ô-lacton). Các (3-lacton ít bền hơn vì vòng bốn có sức căng lớn. 12.15.1 P-Lacton Phương pháp thuận lợi nhất thường được dùng để điều chế các P-lacton là cho anđehit hoặc xeton tác dụng với xeten khi có mặt của kẽm clorua hay nhôm clorua. Thí dụ, khi cho anđehit fomic tác dụng với xeten ta được P-propiolacton : 153

8V>, 6+ h 2c - c = o h 2c —c = o ■> T 1 ỗ+ 8' h 2c - 0 h 2c - o |3-Propiolacton P-Propiolacton (tnc - 31°c, ts 51°c ở 10 tor) là một chất có khả năng phản ứng cực mạnh, rất thuận lợi cho nhiều phản ứng tổng hợp khác nhau. Dưới ảnh hưởng của các xúc tác axit, nó bị trùng hợp hóa thành polieste rắn (có khối lượng phân tử chừng 10 0 0 ), chất này khi nhiệt phân cho axit acrylic, còn khi ancol phân, cho etyl hiđracrylat: H2C—c = 0 HoSO^i 4> RCO —[ OCH2 —CH2CO ]n _ 9 — OCHt —CH2 —COOH n II H2C - Ó (82%) z 200°c (80 tor) C2H5OH HO - c h 2- c h 2 - COOC2H5 CH2 = C H -C O O H Etyl hiđracrylat Axit acrylic (84%) (67%) (R = CH2= C H - hay H O - C H 2- C H 2- ) |3-Propiolacton phản ứng với các clorua, sunfua, axetat, ... trong dung dịch nước, cho các axit propionic thế ở vị trí p. Đáng chú ý là P-propiolacton phản ứng với metanol trong dung dịch kiềm sẽ tạo thành este, còn khi phản ứng với metanol mà không có mặt chất xúc tác, hay có mặt chất xúc tác axit sẽ tạo thành ete : NaCl, HC1 Axit P-clopropionic (91%) = — » CH2CH2COOH C1 h 2c - c = o NaSH > CH2CH2COOH Axit p-mecaptopropionic h 2c1 -1ò NaCN 1 (81%) NaNO' SH Ị3-Propiolacton Axit P-xianpropionic > CH2CH2COOH 1 Axit P-nitropropionic CN > CH2CH2COOH ĩ no2 CH.OH C\\ H12CH12COOCHJ3 Metyl hiđracrylat (85%) „ 0-trc-> NaOH, OH CH^OH ^ CH2CH2COOH Axit P-metoxipropionic 1 (73%) OCH3 154

12.15.2 y- và Ô-Lacton Phương pháp điều chế Các y-hiđroxiaxit có khuynh hướng tách nước nội phân tử để tạo thành lacton : H2 h 2 h2 h2 c-c c-c Hv. / \\ _ ^ 0 —- ■■■■> H . / \\_ c c - H20 H cc H OH OH vo o Axit y-hiđroxibutyric y-Butyrolacton Vì phản ứng này xảy ra rất dễ dàng nên người ta không thể điều chế các y-hiđroxiaxit ở trạng thái tự do, trừ trường hợp phản ứng lacton hóa bị cản trở bởi cấu tạo vòng của axit. Tương tự như thế, nếu đi từ ô-hiđroxiaxit ta được ô-lacton. Lacton vòng sáu cạnh cũng không có sức căng, tuy nhiên các ô-lacton có khuynh hướng mở vòng khá mạnh ; chỉ cần có mặt một lượng nhỏ nước nó đã có thể chuyển thành hiđroxiaxit tự do. Đem thủy phân bằng kiềm các y-halogenaxit hay đun nóng các axit p,y- không no với axit ta cũng được y-lacton : H2 h 2 h 2 H2 H h2 c-c c-c c-c /C o c= 0 NaCl /C CN H Kõ H o o H oo C1 N a + l Natri P-clocacboxylat H y-Lacton Axit P,y-olefincacboxylic Khi hiđro hóa bằng natri trong etanol hay bàng hổn hống natri và nước, các y- và ô-xetoaxit được chuyển thành lacton tương ứng : H2 h 2 CH3CIICH2CH2COOH CH3CIHCH2CH2COOH - H, 0 c/ \\c ô OH H3C - C- o \" \" o Axit levulic Axit Ỵ-hiđroxivaleric y-Lacton của axit valeric Bằng cách khử hóa tương tự, cloanhiđrit và anhiđrit của các axit đicacboxylic cũng có thể được chuyển thành lacton : H2 h 2 h2 h2 h2 h2 y c\\ /c\\ h 2c c h 2 h 2c c h 2 c -c c -c /\\ ------ > / \\ ; II ------ > 1 H2Ố ; c h 2c c ooo o OUq U ou Anhiđrit sucxinic y-Butyrolacton Anhiđrit glutaric Ỏ-Valerolacton 155

Tính chất Các lacton thấp là những chất lỏng, có thể chưng cất được mà không bị phân hủy, dễ tan trong nước, trong ancol và trong ete. Butyrolacton sôi ở 203 - 204°c ; Ỵ-valerolacton có ts 205 - 206°c ; ô-valerolacton có c 218 - 220°c. Sự có mặt của vòng y-lacton có thể được xác nhận nhờ dải hấp thụ đặc trưng của nhóm cacbonyl trong phổ hồng ngoại ở 1781 - 1777 cm bởi vì ở các este không vòng dải này được phân bố trong vùng 1742 - 1717 cm còn ở các ô-lacton ở 1744 - 1742 crrf Lacton tham gia vào hầu hết các phản ứng thông thường của este. Chẳng hạn, trong dung dịch nước, vòng lacton bị thủv phân một phần tạo thành hiđroxiaxit cho đến khi cân bằng đựơc thiết lập. Vị trí cân bằng phụ thuộc phần lớn vào mức độ phân nhánh của mạch. Các ỗ-lacton bị thủy phân nhanh hơn y-lacton. Dựa vào sự khác nhau này về tốc độ phản ứng, người ta đã xây dựng nên phương pháp xác định kích thước vòng lacton trong nhóm monosacarit. o-o NaOH H O - ( C H 2)3 -C O O N a o 2H[Na/Hg] 4H[LìA1H4] CH3 - ( C H 2)2 -C O O H y-Butyrolacton H O - ( C H 2)4 - O H HX X - ( C H 2)3 -C O O H KCN NC - (CH2)3 - COOK NH o Pyroliđon (pyroliđin-2-on) H ,0 N CH3NH2 H H ,0 G =o N ì CH3 Lacton của axit o-hiđroximetylbenzoic, hay còn gọi là phtalit được điều chế bằng cách khử hóa anhiđrit phtalic hoặc khử hóa phtalim it: C O \\. + 4H „ ^CH Zn + NaOH CO o 2\\ Zn -N H 3 \\ Anhiđrit phtalic C J C c“o > NaOH - h 20 CO / NH Phtalit - H 20 Phtalimit Phtalit là chất rắn kết tinh không màu, nóng chảy ở 74°c, rió giống Ỵ-lacton về tất cả mọi phương diện. Chẳng hạn như khi đun nóng chảy với kali xianua ở 190°c, nó chuyển thành nitrin của axit homophtaỉic : CH 2\\ + KCN ^ . c h 2c n a CH2COOH Ũ C c o -° COOK COOH 156

5,6-Đimetoxiphtalií hay meconin có trong thuốc phiện. Nó được điều chế bằng cách khử hóa axit apianic bằng hỗn hống natri : CH2n CH30 ' ' Ỵ ' \"CO OCH3 Meconin Phenyl phtalit (tnc 115°C) được điều chế bằng cách khử hóa axit o-benzoylbenzoic bằng kẽm trong axit axetic : C6a1HA5 COC6H5 CH \\ ^^C O O H HOH♦ n r o Khi cho tác dụng với photpho pentaclorua, phenylphtalit chuyển thành antraquinon. Nhiều lacton tồn tại trong thiên nhiên, ta có thể dẫn ra các thí dụ có kích thước vòng khá lớn, như erythromycin chẳng hạn là một lacton có vòng lớn với 14 mắt vòng. Các lacton có ba hoặc bốn mắt vòng (a-lacton và p-lacton) rất hoạt động (không bền) do đó việc phân lập chúng là rất khó khăn. Trong phòng thí nghiệm người ta phải dùng phương pháp đặc biệt để tổng hợp các lacton vòng nhỏ (x. hình 1 2 .8). CH = CH2 u c nu o o 'O Vemolepin Mevalonolacton (Chất ức chế ung thư, đó là do sự sáp nhập của Ỵ-lacton và S-lacton tạo thành khung trixiclic) (Chất trung gian trong sinh tổng hợp tecpen và steroit) OH ch3 15-Pentađecanolid (Chất kháng sinh có phân tử vòng lớn ; trong công nghiệp dược nó được sản xuất bằng phương pháp lên men với chủng (Hợp chất làm tăng mùi Streptomyces erythreus, trong phòng thí nghiêm người ta được dùng trong công cũng đã tổng hợp thành công hợp chất phức tạp này) nghiệp hương liệu) Hình 12.8 Một số lacton thiên nhiên 157

12.16 Epoxiaxit Mục này chỉ đề cập đến các a,p-epoxiaxit hay cũng còn được gọi là axit glixiđic. Axit glixiđic thường được điều chế bằng cách cho clorua của axit oc,p- không no tác dụng với natri hiđroxit. Thí dụ, từ axit xinamic và axit hipoclorơ tạo thành được axit a-clo-Ị3-hiđroxi-(3-phenylpropionic và sau đó cho tác dụng tiếp theo với natri hiđroxit thành axit phenyỉglixiđic : C6H5CH=CHCOOH + HOC1 ------ » C6H^CH(OH) - CHC1COOH 1— H C ------» C6HsC H -C H C O O H \\/ o Axit phenylglixiđic Este của axit phenylglixiđic cũng có thể được điều chế bằng cách ngưng tụ anđehit hoặc xeton với este của halogenaxit. Thí dụ, với este của axit cloaxetic khi có mặt natri amiđua ta có : C6H,CHO + ClCH2COOR - — > C6H,CH-CHCOOR - HCl -\\ / o Các axit glixiđic bền ở nhiệt độ phòng, tan trong nước, etanol và ete. Đun nóng, axit glixiđic bị đecacboxyl hóa và đồng phân hóa thành anđehit: C6H5CH-CHCOOH > C6H5CH2CHO + c o 2 \\/ o Axit phenolcacboxylic 12.17 Phương pháp điều chê Axit phenolcacboxylic có thể được điều chế bàng các phương pháp thông thường, như oxi hóa nhóm metyl của cresol sau khi đã bảo vệ nhóm hiđroxi phenolic (bằng cách chuyển thành sunfat hay photphat) hay bằng cách điazo hóa rồi thủy phân tiếp theo các amino axit thơm... Đặc biệt quan trọng là phương pháp cacboxyl hóa trực tiếp các phenolat kim loại kiềm. Phương pháp này được tìm ra lần đầu tiên bởi Konbơ (1859) và sau đó được Smit (1885) cải tiến, nên thường được gọi là phương pháp Konbơ - Smit. Khi cho natri 158

phenolat tác dụng với cacbon đioxit dưới áp suất và ờ nhiệt độ cao sẽ tạo thành axit salixylic (phản ứng Kolbe - Schmitt), còn khi ở áp suất thường và nhiệt độ cao hơn thì lại tạo thành axit /?-hiđroxibenzoic : ONa cạ COONa 125 c, 7 atm Natri phenolat Natri salixylat co- OH 200\"c COONa Natri p-hiđroxibenzoat Phản ứng Konbơ - Smit xảy ra theo cơ chế thế electrophin và có thể biểu diễn như sau : a = - ■?} OH Anion phenoxit Xiclohexađienon C -Õ 2 (bazơ mạnh hơn) trung gian ỏĩ : Anion salixylat (bazơ yếu hơn) Phương pháp này tiện lợi và rất rẻ, do đó hiện nay là phương pháp duy nhất được dùng trong công nghiệp để điều chế axit salixylic. Phương pháp tổng hợp Konbơ - Smit cũng có thể được áp dụng đối với nhiều monophenol khác nữa. Thí dụ, ở 130°c, 5 atm, từ P-naphtol sẽ tạo thành axit 2-hiđroxi- naphtalèn-l-cacboxylic và cũng ở áp suất đó nếu nâng nhiệt độ lên 250°c, axit thu được sẽ chuyển thành axit 2-hiđroxinaphtalen-3-cacboxylic : COONa 250°c, 5 atm Axit này là sản phẩm trung gian quan trọng trong sản xuất phẩm nhuộm azo. Các đi- và triphenol, đặc biệt là các phenol có hai nhóm hiđroxi ở vị trí meta, phản ứng dễ hơn nhiều so với các phenolmonohiđric. Trong các phản ứng này không cần thiết phải loại nước mà chỉ cần đun nóng phenol với dung dịch amoni cacbonat hay kali bicacbonat ở 130 - 170°c. Khi ấy, từ rezocxinol ta được axit j3-rezocxylic (axit 2,4-đihiđroxibenzoic), còn từ hiđroquinon sẽ được axit gentisic (axit 2,5-đihiđroxibenzoic): 12- HHCT2 159

+ CO K,CO OH OH COOH 165 - 170\"c OH 7 - 35 atm Axit gentisic Axit phlorogluxincacboxylic (axit 2,4,6-trihiđroxibenzoic) còn được điều chế dễ dàng hơn nhiều bằng cách đun nóng phlorogluxin với dung dịch kali bicacbonat ở 70 - 100°c : COOH OH KHC03 7 0 - ìocrc Phlorogluxin Axit phlorogluxincacboxylic 12.18 Tính chất Các axit phenolcacboxylic là những chất rắn kết tinh, khó tan trong nước lạnh, dễ tan trong nước nóng, trong ancol và ete. Với sắt (III) clorua, các axit phenolcacboxylic cho phức màu thẫm (từ tím đến đen) tương tự các phenol. Khi cho axit phenolcacboxylic tác dụng với natri cacbonat chỉ tạo thành muối ỏ nhóm cacboxyl: còn khi tác dụng với natri hiđroxit dư thì sẽ tạo muối ở cả nhóm hiđroxi phenolic : COOH m-2cOị COONa Na0H COONa OH A .O H ^O N a Khi đun nóng với ancol có mặt axit vô cơ sẽ tạo thành este (I), còn khi cho tác dụng với metyl iođua hay đimetyl sunfat, với sự có mặt của natri hiđroxit tạo thành hợp chất (II), thủy phân hợp chất (II) bằng kiềm sẽ cho ete (III): COOR COOR / COOH c 6h 4\\ Q H 4( c 6h 4\\ OH OR OR (I) (II) (III) Người ta có thể axyl hóa các nhóm phenol bằng cách cho axit phenolcaboxylic tác dụng với clorua axit hay anhiđrit axit, còn các cloanhiđrit của axit phenolcacboxylic không thể được điều chế bằng các phản ứng thông thường, bởi vì nhóm COC1 tác dụng với nhóm OH của các phân tử khác và tạo thành các polieste. Axit phenolcacboxylic có thể tạo thành cloanhiđrit khi tác dụng với SOCli và có mặt của vết AICI3, nhưng khi đun nóng các phân tử cloanhiđrit lại phản ứng với nhau. Do đó muốn điều chế cloanhiđrit của axit phenolcacboxylic, người ta phải bảo vệ nhóm OH bằng cách axyl hoá. 160

12.1 *> Giới thiệu các chất tiêu biểu Axit salixvlic (axit ơ-hiđroxibenzoic) có dưới dạng tự do trong lá cây Cassia acu , trong hoa cúc... và dưới dạng este metylic trong nhiều loại tinh dầu. Trong cây, metyl salixylat liên kết với các gluxit dưới dạng glucozit, dễ dàng bị thủy phân dưới tác dụng của các enzym thực vật. Axit saỉixylic là chất rắn kết tinh, có điểm nóng chảy 157°c. Nó có thể thăng hoa khi đun nóng ở áp suất thấp và có thể chưng cất được với hơi nước nấu quá. Axit salixylic ít tan trong nước lạnh, dễ tan trong nước nóng. Với sắt (III) clorua, axit salixylic cho màu đỏ - tím đậm, do đó người ta dùng phản ứng này để nhận biết nó. Khi đun nóng, axit salixylic chuyển thành phenyl salixyìat (salon), rồi một phần được chuyển hóa tiếp theo thành xanton : COOH H O v /v 000CO?, - H ,0 chuyên vi HOOC Ằ J c r OH OH Salon o Xanton Axetyl hóa nhóm hiđroxi bằng anhiđrit axetic ta được axit axetylsơlixvlic (aspirin): COOH (CH3C 0 )20 a 0.COOH - CH ,COOH c ch3 oe ì 0 Axit salixylic có tính sát trùng yếu, do đó được dùng rộng rãi trong đóng hộp hoa quả, thực phẩm... Trong y học, nó được dùng làm chất sát trùng, tẩy uế, làm thuốc xoa bóp chữa bệnh thấp khớp. Aspirin (tnc 135°C) được dùng làm thuốc giảm sốt, an thần, giảm đau. Metyl salixylat (ts 220°C) có mùi mạnh và được dùng nhiều trong công nghiệp nước hoa. Salon cũng là một chất sát trùng yếu, nó được điều chế bằng cách cho natri salixylat phản ứng với natri phenolat với sự có mặt của photpho oxiclorua. Ngoài ra, y học cũng dùng cả amit của axit salixylic (salixylamit, tnc 138°C). Chất này có hoạt tính tương tự aspirin và được điều chế từ metyl salixylat và amoniac. Khử hóa axit salixylic bằng natri trong ancol amylic ta được axit pimeỉic : Q /C O O H -iíu H h 20 ^\"C H 2C 0 0 H OH r ị COOH /C O Õ H Axit pimelic 161

Trong công nghiệp phẩm nhuộm, axit salixylic được dùng nhiều để tổng hợp phẩm nhuộm azo. Axit m -hiđroxibem oic là chất rắn kết tinh, nóng chảy ở 188°c, dễ tan trong nước. Công nghiệp điều chế nó bằng phản ứng kiềm chảy axit m-sunfobenzoic. Axit A7ỉ-hiđroxibenzoic không cho phản ứng với sắt (III) clorua và không có tính sát trùng, nhưng là chất trung gian quan trọng trong tổng hợp phẩm nhuộm. Axit p-hiđroxibenzoic là chất rắn, kết tinh với một phân tử nước. Đun nóng đến 100°c nó mất nước và nóng chảy ở 213 - 214°c với sự phân hủy thành phenol và cacbon đioxit. Khác với axit salixylic, nó không tan trong cloroíòm. Metyl /?-hiđroxibenzoat hay còn gọi là axit anisic (tnc 184°C) có trong dầu hồi, ở đó nó được tạo thành do oxi hóa anetol. Axit protocatechuic (axit 3,4-đihiđroxibenzoic) có ở dạng tự do trong quả ỉìlicium reỉigiosum. Người ta thường tổng hợp axit protocatechuic bằng cách đun pirocatechin với dung dịch amoni cacbonat đến 130°c hay bằng cách brom hóa axit /?-hiđroxibenzoic rồi tiếp đó nung chảy kiềm sản phẩm tạo thành : COOH COOH COOH NaOH Br- OH OH OH Pirocatechin Axit protocatechuic Axit p-hiđroxibenzoic Axit protocatechuic nóng chảy ở 194 - 195°c và là một chất khử mạnh. Với dung dịch nước của sắt (III) clorua, nó cho màu xanh nhạt. Dưới đây là một số dẫn xuất của axit protocatechuic : COOH COOH COOH OCH Axit isovanilic OCH3 COOH OH (tnc 250°C) OCH3 Axit piperonilic Axit vanilic Axit veratric (t„c 228°C) (tnc211°C) (tnc 179°C) Trong SỐ các axit là dẫn xuất của rezocxinol, đáng chú ý nhất là các hợp chất sau đây : COOH COOH COOH COOH COOH OH J \\ / O H H3C ^ ^ k ^ O H OH HO Axit a-rezocxylic Axit P-rezocxylic Axit Y-rezocxylic Axit gentisic OH (t„c 167°C) (tnc 200°C) (tnc 232°C) (t„.213°C) Axit ocxelinic (tnc. 176°C) 162

Axit ocxelinic là một đổng đẳng cao của axit Ị3-rezocxylic. Nó tham gia vào cấu trúc phân tử của nhiều “chất rêu” . Tên gọi “chất rêu” hay đepxit dùng để chỉ các chất có đặc tính phenol gặp trong rêu ; chúng là các este của axit hiđroxicaboxylic thơm. Axit ocxelinic được tạo thành khi thủy phân nhiều “chất rêu” như axit lecanoric, axit girophoric. Trong nhiều loại rêu, thí dụ trong rêu thuộc các nòi Lecanora, Roccella và Variola có chứa một chất là eritrin, đó là este của eritritol và axit lecanoric. Bản thân axit lecanoric là một đepxit được cấu tạo nên từ hai phân tử axit ocxelinic : Axit lecanoric (tnc 166°C) Axit girophoric được tách ra từ Gyrophora esculenta là một triđepxit cấu tạo nên từ ba phân tử axit ocxelinic : Axit girophoric (tnc - 220°C) A xit galic (axit 3,4,5-trihiđroxibenzoic) là chất tiêu biểu phổ biến nhất của axit phenolcacboxylic. Nó tồn tại ở dạng tự do với lượng nhỏ trong vỏ cây sồi, trong lá chè và trong một số tanin. Ở trạng thái liên kết, nó là thành phần chính của các galotanin và do đó được điều chế bằng cách thủy phân nhờ axit hay thủy phân bằng enzym các galotanin. Trong công nghiệp, người ta thường điều chế axit galic bằng cách dùng nước chiết tanin trong hạt gala. Sau đó tanin được thủy phân bằng axit suníuric loãng hay bằng nấm (Penicillium glaucum và Aspregillus niger) có chứa enzym tanase có khả năng thủy phân tanin thành đường và axit galic. Axit galic cũng có thể được tổng hợp bằng cách nung chảy kiềm hai đồng phân của axit đihiđroxibrombenzoic, đồng thời phản ứng tổng hợp này cũng cho phép xác định cấu trúc của axit galic : OH OH Br Axit galic 163

Axit galic kết tinh dưới dạng tinh thể hình kim không màu, nóng chảy ở 222°c. Nó là một chất khử mạnh và tách được vàng và bạc ra khỏi muối của chúng. Trong không khí và nhất là trong dung dịch kiềm, nó bị thăm màu rất nhanh do bị oxi hoá. Trước đây người ta dùng rộng rãi một loại mực đen là dung dịch nước của axit galic hay tanin, sắt (II) sunfat, một ít axit sunfuric và gôm A-rập. Hiện nay người ta dùng mực chủ yếu gồm từ các phẩm nhuộm tổng hợp. Axit hiđroxixinamic và dẩn xuất của chúng. Trong số các axit phenolcacboxylic của nhóm cacboxyl nối với mạch nhánh, ta chỉ xét một số dẫn xuất quan trọng của axit xinamic. Axit o-hiđroxixinamic tồn tại dưới hai dạng đồng phân lập thể : axit cumaric là đồng phân trans, còn axit cumarinic là đồng phân cis : H H ^ C -c -C O O H = Axit cumarinic ^ ^ ohh Cumarin Axit cumaric Chỉ có axit cumaric là có thể tồn tại dưới dạng tự do (tinh thể hình kim có điểm nóng chảy 214°C). Nó có trong một số cây cùng với cumarin và cũng có thể được điều chế bằng cách điazo hóa axit o-aminoxinamic rồi thủy phân tiếp theo. Axit cumarinic rất dễ chuyển thành dạng lacton của nó là cumarin, vì vậy nó chỉ được biết dưới dạng cumarin hay dưới dạng muối thu được từ cumarin do mở vòng bằng kiềm. Các dung dịch muối của axit cumarinic có màu vàng. Dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại, axit cumaric được chuyển thành axit cumarinic : HH ^ V « = C \" C0° H a -'c - c / H [ĩ 1 <=± [X 1 Axit cumaric Axit cumarinic Cumarin có thể được tổng hợp từ anđehit salixylic (phương pháp Perkin): ocCHO 2(CH1C0)20 ^0^0 OH -W OOH * Axit cafeic (axit 3,4-đihiđroxixinamic) rất phổ biến trong thiên nhiên. Nó tồn tại dưới dạng dẫn xuất trong nhựa của những cây lá kim và trong nhiều cây khác và là một hợp phần của axit clorogenic ; muối kali của axit clorogenic có với nồng độ lớn trong hạt cà phê dưới dạng hợp chất phân tử với cafein. Axit clorogenic là đepxit cửa axit cafeic và axit quinic, trong đó axit cafeic được este hóa bởi nhóm hiđroxi ở vị trí 5 của axit quinic. 164

CH= CH - COOC6H7(OH)3COOH CH=CH—COOH 0H Axit caíeic Axit clorogenic Khi thủy phân axit clorogenic ta được axit caíeic. Axit cafeic có tính khử và cho phản ứng màu (màu xanh) với sắt (III) clorua. Axit cafeic có thể được tổng hợp bằng cách ngưng tụ anđehit protocatechuic với axit malonic khi có mặt amin bậc hai. 12.20 T anin Tanin là tên gọi của những hợp phần thực vật có đặc tính chuyển da sống thành da thuộc (từ tiếng Anh tan có nghĩa là thuộc da). Tanin rất phổ biến trong thiên nhiên, nó có trong vỏ, lá và quả của nhiều loại cây, thí dụ : cây sồi, cây chè, các cây sú vẹt... 12.20.1 Tanin có nhóm chức este Nhiều tanin là những este, khi xà phòng hóa chúng cho axit galic và đôi khi cả glucozơ nữa. Người ta đã xác định được rằng, hợp phần đặc trưng của tanin thường là este của hai phân tử axit galic (este này có tên đepxit do xuất phát từ tiếng Hy Lạp, depsein có nghĩa là thuộc da). Nếu chất gồm từ ba hay bốn gốc axit thì có tên gọi là triđepxit hoặc tetrađepxit. Bằng con đường tổng hợp, người ta đã chứng minh được rằng axit /?7-đigalic (có t 25°C) là đepxit đơn giản nh ất: OH COOH Axit m-đigalic Tanin phân lập từ cây xuyên đại hoàng (Rheum) giống hệt với chất l-galoyl-P-D-glucozit: CH2OH o ỵ0 H HH ^ Ì ^ L o - C ^ y O H OH OH 1-Galoy 1-P-D-glucozit Tanin có nhiều ứng dụng quan trọng như làm chất thuộc da, chất cầm màu trong nhuộm vải bông... 12.20.2 Tanin không có nhóm chức este Tanin loại nàv có chứa các gốc phenol được nối với nhau bởi các liên kết c - c hoặc c - o - c. Một số trong chúng thuộc vào nhóm catechin, rất phổ biến trong thiên nhiên. 165

Thí dụ (-) epicatechin được phân lập từ Acacia catechu và catechin chè II được phân lập từ lá chè xanh là những penta- và hexahiđroxi flavan tương ứng : OH OH (-)-Epicatechin Catechin chè II Cả hai hợp chất đều là dẫn xuất hiđro hóa của chất màu antoxianiđin. (-) Epicatechin và dẫn xuất 3-halogen của nó là những hợp phần thông thường của lá chè. Axit elagỉc, một hợp phần của nhiều tanin, có cấu trúc đilacton phenol kiểu quinoit. Nó là chất rắn, nóng chảy cao hơn 360°c. Axit elagic ít tan trong nước, nhưng dễ tan trong kiềm cho dung dịch có màu vàng sáng. Axit elagic nhuộm vải bông (với chất cầm màu là các muối crom) thành màu xanh ô-liu rất bền với ánh sáng. Metyl este của axit galic (nhưng không phải là axit tự do) tự oxi hóa trong dung dịch amoniac 2N, thành đimetyl este của axi-t hiđroxiđiphenic. Chất này bị chuyển este nội phân tử rất nhanh thành axit elagic : HO OH CH3OOC HO OH COOCH, HO COOCH3 HO OH ĩCH3OOC HO OH Axit hexahiđroxiđiphenic Axit galic HO o - o c Axit elagic Sơ đồ phản ứng trên đã dẫn đến ý nghĩ cho rằng, axit elagic được tạo thành trong thiên nhiên do kết quả của sự ngưng tụ - oxi hóa este của axit galic. 12.21 Axit oxocacboxylic Tính chất của các hợp chất có chứa trong phân tử đồng thời nhóm cacbonyl và nhóm cacboxyl phụ thuộc rất nhiều vào vị trí tương đối của các nhóm chức này, do đó người ta phân ra thành : - Axit a-oxocacboxylic - Axit P-oxocacboxylic - Axit Ỵ-oxocacboxylic và v.v... 166

Trong các nhóm nàv có thể có các andehitaxit và xetoaxit. Đối với mục đích tổng hợp, có ý nghĩa nhất là este P-xetoaxit. Một số axit a - và P-xetocacboxylic chiếm vị trí trung tâm trong các quá trình trao đổi chất. Bởi vì khả năng phản ứng của axit oxocacboxylic cũng như các hợp chất đicacbonyl được quyết định bởi vị trí tương đối của các nhóm cacbonyl, tính chất hóa học của những hợp chất này sẽ được xem xét trong mục những chất tiêu biểu, sau khi đã giới thiệu chung vể phương pháp điều chế. 12.21.1 Phương pháp điều chê các axit oxocacboxylic a)Thủy phân a-oxonitrin Khi cho axyl clorua phản ứng với kali xianua sẽ tạo ra a-oxonitrin rồi hợp chất này được thủv phân đến axit a-oxocacboxylic : / C1 CN- / CN 2H20 ( H +) R - C ' — ——» R - c ' ---->R - C - C O O H -NH' - cr o Qt-Oxoaxit b)Phản ứng ngưng tụ Claisen (1887) Khác với phương pháp điều chế các hợp chất P-đicacbonyl, bằng sự ngưng tụ các este của axit cacboxylic với hợp chất cacbonyl khi điều chế axit oxocacboxylic theo Claisen (x. mục 14.7), để làm hợp phần cacbonyl người ta dùng este của axit cacboxylic có nguyên tử hiđro a linh động. Để thực hiện phản ứng ngưng tụ, người ta dùng tác nhân có tính bazơ, ngoài metylat, amiđua hoặc natri hiđrua, người ta cũng dùng các ancolat. Từ hai phân tử este của axit monocacboxylic tạo thành được một phân tử axit P-oxocacboxylic, thí dụ từ etyl axetat sẽ nhận được etyl este của axit axetoaxetic (axit 3-oxobutanoic): CH3- C \" + C2H50 <-=±,-:CH2- c \" + C2H5OH OC2H5 OC2H5 /O C 2 h , _ OC2H5 I2 : CH3- C ' + :CH2- C \" <-----» CH3- C - C H 2- C \" <=± o OC2H5 OC2H5 <— ± c h 3 - c - c h 2- c \" + c 2 h 5o ỊỊ OC2H5 0 Etyl axetoaxetat c h 3- c - c h 2- c \" + c 2h 5o -<=> CH3- C - C H - c ' + c 2h 5o h I OC2 H5 ' i OC2 H5 0 0 167

Bởi vì etanol là axit mạnh hơi) este của axit axetic, cân bằng ở giai đoạn một lệch vé bên trái. Mặt khác, este của axit axetoaxetic là axit mạnh hơn etanol và trong điều kiện cứa phản ứng, este này tồn tại chủ yếu dưới dạng muối natri. Do đó este axetoaxetic ở giai đoạn cuối được loại khỏi hỗn hợp phản ứng để phản ứng ngưng tụ este được tiến hành tiếp tục. Để cho phù hợp với cơ chế đã mô tả, không nên thực hiện phản ứng ngưng tụ este etylic của axit isobutyric dưới tác dụng của natri ancolat, bởi vì trong este chỉ có một nguyên tử hiđro duy nhất ở vị trí a. Để thực hiện được các phản ứng như vậy ta cần phải dùng các bazơ mạnh hơn như natri hiđua chẳng hạn để làm tác nhân ngưng tụ. Nếu dùng đietyl este của axit oxalic làm hợp phần cacbonyl thì qua giai đoạn este thế của axit oxalylaxetic (este đietyl của axit 2 -oxobutanđioic) bằng sự phân cắt xeton của nó ta sẽ nhận được axit a-oxocacboxylic : C2H5C K / O C 2h 5 (C2H5Ó” ) 'c - c ' + c h 9- c \" —> oo 1 o c 2h^ - c 2h 5o h R c 2h 5o c -c CH o 2 H 20 ( H +) - 2 C 2H 5O H o 11 1 \\ o c 2h , 0 R ------> H O O C -C -C H -C O O H — —> H O O C -C -C H 2- R 0I ĩR '2 0I c)Sự tương tác của anhiđrit sucxinic với tác nhân Grinha Từ các hợp chất cơ magie vằ anhiđrit sucxinic ta dễ dàng nhận được este của axit y-oxocacboxylic : H2C - C H 2 / \\ RMgX „„ H 20 0=C \\ / c=0 R - C - ( C H 2)2 - C \" » ì OMgX - Mẽ(°H)x ------> R - C - ( C H 2)2-C O O H 0 Axit Ỵ-oxocacboxylic .1 2 2 1 . 2 Giới thiệu các chất tiêu biểu Axit glioxylic (axit oxoetanoic) OHC - COOH là anđehitaxit đơn giản nhất, rất phổ biến trong thiên nhiên ; nó có ở trong mội số quả xanh như nho, phúc bồn tử ,... Axit glioxylic thường đựơc điều chế bằng cách thủy phân axit đicloaxetic (hoặc axit đibromaxetic) bằng nước ở Ỉ40°c hoặc bằng cách khử điện hóa axit oxalic với catot c h ì: 168

H,0 o <rcatot chì o CloCH-COOH C-COOH +ri2-H\" C-COOH H HO -2H C I Axit glioxylic Ỏ điều kiện thường, axit glioxylic là chất lỏng sánh ; do hiệu ứng - I của nhóm cacboxyl, với nước nó tạo hiđrat bền HOOCCH(OH)2. Tinh thể hiđrat nóng chảy ở 98°c, dễ tan trong nước, khó tan trong ancol và ete. Axit glioxylic thuộc vào loại chất có khả năng phản ứng mạnh, nhóm cacbonyl và nhóm cacboxyl tham gia vào các phản ứng thông thường. Với natri bisuníit, axit glioxylic tham gia phản ứng cộng nucleophin : o OH H O O C -C + NaHSO -> HOOC I H C - S Ơ 3Na I H Đun nóng với hiđroxit kiềm nó cho phản ứng Cannizaro : 0 ^ / O H OH h 2c - c o o k COOK 2 > -< o KOH OH I H COOK Axit glioxylic Kali glicolat Kali oxalat Etyl glioxyỉat CHO - COOC2H5 được điều chế bằng cách oxi hóa đietyl tactrat bằng chì tetraaxetat: H5C2O O C - c h o h - c h o h - c o o c 2h 5 [0 ] 2 0 = CH—COOC2H5 > Đietyl tactrat Etyl glioxylat Etyl glioxylat khan là một chất lỏng (ts 130°C) rất dễ trùng hợp hoá. Axit pyruvic (axit 2-oxopropanoic) CH3 COCOOH là chất trung gian quan trọng trong trao đổi chất của cacbohiđrat và protein. Lần đầu tiên nó được điều chế bằng cách đehiđrat hóa axit tactric (Beczeliuyt, 1835) và phương pháp còn được dùng cho đến ngày nay : COOH COOH COOH COOH 1 KHSO4, 210 - 220°c 1 1 1 - HiO H O -C -H HO—c c= 0 - CO' ■> c = 0 ĩ- I I I H -C H -C -O H ch2 CH COOH COOH 1 Axit tactric COOH Axit pyruvic Axit piruvic là chất lỏng không màu, ts 165°c, trộn lẫn được với nước. Ở dạng mới tinh chế, nó tạo thành tinh thể có tnc 13,6°c, bị phân hủy khi bảo quản. Axit pyruvic tạo được oxim và hiđrazon. Nó khử được dung dịch amoniac của nitrat bạc, khi đó nó bị oxi hóa đến axit axetic và cacbon đioxit. Axit nitric oxi hóa nó đến axit oxalic : 169

C H ^ -C -C O O H - c o 2, - h 20 HOOC-COOH II 0 Axit pyruvic Phản ứng điển hình của axit a-xetocacboxylic là sự đecacboxyl hóa dưới tác dụng của axit sunfuric loãng nóng và đecacbonyl hóa khi đun nóng với axit suníủric đặc : CH3 - C - C O O H H2S 0 4 loãng, t° '1 ■» CH3 -C H O 0 -co 2 H2S 0 4 đặc. t° ■» CHi—COOH -c o Axit axetoaxetic (axit 3-oxobutanoic) CH3 COCH2COOH là p-xetoaxit đơn giản nhất, tnc 36 - 37°c và có thể tan trong nước theo bất cứ tỉ lệ nào, có thể tự phân hủy khi đun nóng nhẹ thành axeton và cacbon đioxit. Axit axetoaxetic được phân lập cùng với axeton từ nước tiểu của người bệnh tiểu đường ; nó cũng là sản phẩm trung gian của sự oxi hóa các axit béo trong cơ thể động vật. Dưới tác dụng của axit nitrơ, axit axetoaxetic được chuyển rất nhanh thành isoniữosoaxeton (oximinoaxeton) CH3CO - CH = N - OH, và cacbon đioxit. Với sắt (III) clorua, dung dịch nước của axit axetoaxetic cho màu đỏ tím, do có mặt dạng enol. Giống như tất cả các axit P-oxocacboxylic, axit axetoaxetic rất kém bền vững và bị đecacboxyl hóa để tạo thành axeton : ỊJ r CHo o ---------> h 3c x / h 2 -*=-> __„ -c o 2 c 3C ' ' c ' 0 F c r 1 H3C\\ / CH3 ÌK c 0 ) Co OH lí o Axit axetoaxetic Một số (3-xetoaxit có cấu trúc phức tạp thì bền hơn và có thể điều chế được dưới dạng tinh thể. Tuy vậy, chúng cũng bị đecacboxyl hóa dễ dàng khi đun nóng. Thí dụ muối natri của axit benzoylaxetic được tạo thành hoặc bằng cách xà phòng hóa este của nó hoặc bằng cách cho cacbon đioxit phản ứng với natri axetophenon trong ete khan : C6 H5 COCH2Na + C 02 ------» C6 H5 COCH2COONa Natri benzoylaxetat Axit levulinic (axit 4-oxopentanoic) CH3 COCH2 CH2COOH là axit Ỵ-xetocacboxylic đơn giản nhất. Người ta thường điều chế nó bằng cách đun nóng fructozơ với axit suníuric đặc đi qua giai đoạn trung gian tạo thành 5-hiđroximetylfufurol: c 6h 12o 6 H0CH2- O ^ C H 0 - HCOOH CH3 - C - C H 2 - C H 2-C O O H 0 12 0 - 3 H 20 1 x0 J II z z 5-Hiđroximetylfufurol ^ Axit levulinic 170

Axit levulinic kết tinh dưới dạng các ỉá nhỏ không màu, tnc 34°c. Nó cho các phản ứng thông thường của xeton và axit cacboxylic, tuy vậy nó có thể tạo thành cả y-hiđroxi-y-lacton, hợp chất này khi đun nóng bị tách nước với sự tạo thành hỗn hợp a - và P-angelicalacton : CH2 - C H 2 h 3c o / \\_ HO a-Angelicalacton c c o % - h 20 ■> h 3c - v > = o /\\ ho o o h 3c o P-Angelicalacton Axit 9-oxodex-2(Zì)-enoic gặp trong thiên nhiên và là một pheromon (x. Tập 1, mục 3.12.6): o Axit 9-oxodex-2(£')-enoic Axit xetocacboxylic không no này có trong ong chúa và nó ngăn cản ong thợ phát triển thành ong chúa mới. Prostaglanđin và những poliaxit không no liên quan tạo thành lớp các hợp chất có phổ rộng chức năng sinh học quan trọng. Chất tiêu biểu trong chúng là prostaglanđin E|. Prostaglanđin lần đầu tiên được phát hiện có trong tinh dịch người, trong tuyến tiền liệt (prostate gland) do đó có tên prostaglanđin và với lượng rất nhỏ trong tất cả các mô của động vật có vú (Euler, 1934). Prostaglanđin cũng chỉ được phân lập và xác định cấu trúc sâu năm 1955 (Bergstrốm) và đã được tổng hợp toàn phần năm 1968 (E.J. Corey). Prostaglanđin E| Do có những công trình nghiên cứu về prostaglanđin, hai nhà khoa học Thụy Điển Becstrom (S. Bergstrốm) và Samuenson (B. Samuelsson) đã được nhận giải thưởng Noben năm 1982. Gibberelỉin, lớp các hocmon sinh trưởng - OH thực vật lần đầu tiên được phân lập từ nấm Gibberelỉa fujikuroi (Yabuta và Sumiki, 1938). CH3 COOH Người ta đã biết được trên 60 gibberellin, quan trọng nhất trong số đó là gibberellin A3 Gibberellin A 3 (axit gibberellic). Tất cả các gibberellin đều là đitecpen axit trên cơ sở khung gibberellan có chứa 171

nhân gibban. Người ta phát hiện gibberellin được phân bố rộng rãi trong thế giới động vật, nó giữ chức năng điều hoà sinh trưởng thực vật và vì vậy có tên là phytohormon. Việc tổng hợp toàn phần gibberellin raxemic được thực hiện năm 1969. CH 3 H3C CH3CH3 'CH Gibberellan 12.22 Axit thiocacboxylic Trong các phân tử thioaxit (cacbothioaxit) nguyên tử oxi của nhóm cacboxyi được thế bằng nguyên tử lưu huỳnh. Trong các hợp chất này có hiện tượng tautome, tồn tại càn bằng giữa các axit thiolcacboxylic và các axit thioncacboxylic. Thí dụ : o .O H C H .-C \\ CHU —c SH Axit etanthiolcacboxylic Axit etanthioncacboxylic Về nguyên tắc, các thioaxit phản ứng ở dạng thiolcacboxylic .Các thioaxit có thể đựơc điều chế bằng cách đun nóng axit cacboxylic với photpho pentasuníua : 5R-COO H P2S5 . 5R -C O S H - p 20 5 Các axit thiocacboxylic có mùi khó chịu và bị phân hủy chậm trong không khí. Khác với axit cacboxylic chúng là các tác nhân axyl hóa, thí dụ : R -C O S H + R'OH ■» R -C O O R ' + H2S R -C O S H + R’NH2 ■» R -C O N H R ' + H2S Các axit thionthiolcacboxylic (axit đithiocacboxyỉic) có công thức chung như sau : s R-C SH Các este của chúng được điều chế bằng cách cộng hợp chất cơ magie vào cacbon đisuníua rồi ankyl hóa tiếp theo : R -M g X CS2 * R - C \\ SR' SMgX Khi cho photpho pentasuníua tác dụng lên amit ta nhận được thioamit 5R -C o p2,sJ 5 5R -C NH P2o 5 NH Thioamit 172

B. DẪN XUẤT ở NHÓM CHỨC CỦA AXIT CACBOXYLIC Dẫn xuất của axit cacboxylic là dẫn xuất của nhóm chức cacboxyl, trong đó nhóm OH được thế bằng những nhóm thế khác nhau : R -C -O H ----- » R—c —z ]Ị 11 0 0 Axit cacboxylic Dẫnxuất ở nhóm chức của axit cacboxylic Tuỳ theo bản chất của nhóm thế z, người ta phân b iệ t: Halogenua axit R — c — Hal 11 0 Anhiđrit axit R —c —o —c —R ỉ 11 00 Este R -C -O R ' Amit 11 0 R - C - N R '2 Ĩ 0 Hiđrazit R —C —NH —NH2 Azit Axit hiđroxamic 1 0 R — c — N3 1 0 R — c — NHOH o v.v... Dẫn xuất ở nhóm chức của axit cacboxylic cũng còn là những sản phẩm thế nguyên tử oxi trong nhóm cacboxyl hoặc sản phẩm thế cả nguyên tử oxi lẫn nhóm OH trong nhóm cacboxyl: Axit hiđroximic R — c —OH 11 NH Amiđin R — c —NHt 11 NH 173

Imiđoete R —c —OR' 11 NH Amiđoxim R —c —NHt JL NOH Imiđoclorua R — c — C1 Nitrin JL v.v... NR R—c —N Cấu tạo của dẫnxuất axit cacboxylic Este đơn giản nhấtlà metyl fomiat,về hình học tương tự axit fomic : Độ dài liên kết. Ả Góc hóa trị, độ c=0 1,200 H -C = 0 124,95 0 = C —0 1,334 0 -C = 0 125,87 CH3- 0 - C 1,437 H -C -0 109,18 0 = C —H 1,101 CH3- 0 - C 114,78 Cần chú ý rằng liên kết ơC 2 - O ngắn hơn liên kết ơ C , - 0 vì liên kết c s 2 - O phần nào có đặc tính liên kết đỏi do có sự xen phủ của cặp electron không phân chia của oxi và obitan trống không liên kết của nhóm cacbonyl. Đặc tính liên kết đôi tăng lên trong amit, ở đó liên kết ơ của cacbon và nitơ ngắn hơn nhiều so với c - N trong amin. Dưới đây dẫn ra độ dài liên kết và gÓG hóa trị sủa fom am it phẳng: Độ dài liên kết, Â Góc hóa trị, độ ọ c== 0 1,193 H —c = 0 123,00 1 C -N 1,376 H -C -N 113,23 / c \\ / H(a) C -H 1,102 N -C -O 123,80 N - H (a) 1,014 HN C - N - H (a) 117,15 I N - H (b) 1,002 C - N - H (b) 120,62 H(b) H -N -H 118,88 Hai liên kết N - H trong íomamit khác nhau về độ dài, chứng tỏ hai nguyên tử hiđro không tương đương nhau. Trong số các dẫn xuất khác của axit cacboxylic, amit được đặc o II trưng bởi sự cản quay xung quanh liên kết amit N - c , nó được biểu lộ ở chô không tương đương của hai nhóm ankyl ở nhóm điankylamino NR2 trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân o II của N,N-điankylamit của axit. Hàng rào của sự quay xung quanh liên kết N - C trong 174

N,N-đimetylaxetamit và N,N-đimetylamit của các axit khác vào khoảng 17,2 - 18 kcal/ mol (72 - 75 k.J/mol). Sự cản quay xung quanh liên kết amit là do có sự tương tác obitan nNcủa nguyên tử nitơ với obitan trống không liên kết n của nhóm cacbonyl. Sự tương tác đó quyết định đặc tính liên kết đôi của nitơ với nguyên tử cacbon cacbonyl trong amit và là nguyên nhân chính của tính bền nhiệt động cao của các amit và những chất tương đồng thiên nhiên là các peptit và protein. Đối với axyl clorua đơn giản nhất là fomyl clorua, ta không có được các dữ kiện về độ dài liên kết, về trị số của các gốc liên kết, bởi vì hợp chất này không bền, kể cả ở - 60°c. Dưới đây dẫn ra những số liệu có được của axetyl clorua CH3C O C I: Độ dài liên kết, Ả Góc hóa trị, độ c =0 1,192 0 127,08 II u 1 u o c -c 1,499 C -C -C l 112,86 H,c C1 C -C l 1,789 0 120,26 C -H 1,083 II n 1 Q Ta cần nhớ rằng độ dài liên kết c - Q trong axetyl clorua (1,789 Ả) chỉ dài hơn một chút so với liên kết c - C1 trong metyl clorua (1,784 Ả). Điều đó có nghĩa rằng đặc tính liên kết đôi của liên kết cacbon và clo là rất nhỏ, do đó đặc tính liên kết đôi giảm theo thứ tự sau : cT > cT >c , tức là theo thứ tự N R2 > OR > C1 NR2 OR C1 Nitrin đơn giản nhất CH3CN có cấu tạo giống như cấu tạo propin : c sp3 — c sp H 109,5° H - - \" - c - ----- C = N 1,095 Ả 1,462 Ả 1,157 Ả H Nguyên tử cacbon của nhóm chức nitrin ở vào trạng thái lai hóa sp. Nó tạo thành các liên kết ơ c , - Cc„ và c ■»- N „ . Hai obitan nguyên tử p còn lai của cacbon xen phủ với sp' sp' \" các obitan p tương ứng của nguyên tử nitơ để tạo hai liên kết n có trục đối xứng hình trụ như trong axetilen. Cặp electron không phân chia của nitơ chiếm obitan lai hóa sp. Đăc tính chung của dẫn xuất axit cacboxylic Tương tự như axit cacboxylic, các dẫn xuất ở nhóm chức có thể tham gia phản ứng axyl hóa và vì thế chúng có thể được xem như là các dẫn xuất axyl của các chất nucleophin khác nhau. Phản ứng axyl hóa dẫn tới sự tạo thành các dẫn xuất ở nhóm chức khác của axit cacboxylic. 13-HHCT2 175

Phản ứng axyl hóa vói sự tham gia của các dẫn xuất ở nhóm chức của axit cacboxylic là phản ứng thế nucleophin ở nguyên tử cacbon lai hóa sp2. R -C \" T_ ------» R _C \\ +z z + Nu Nu Đây là phản ứng xảy ra theo cơ chế thế nucleophin lưỡng phân tử SN2 (CO) hay cơ chế tứ diện để phân biệt với cơ chế SN2 : R - C —z + Nu Nu ----- > Nu + z ĩ In I 0 ----- ► R - C - Z ỊR - C 0 h 0 Khả năng phản ứng của các dẫn xuất ở nhóm chức trong các phản ứng axyl hoá (khả năng axyl hoá) tuỳ thuộc vào bản chất của nhóm z và tương quan với độ bền của anion đi ra z - . Tóm lại, anion càng bền thì khả năng phản ứng của dẫn xuất càng cao. Clorua axit và anhiđrit axit có hoạt tính axyl hóa cao nhất, bởi vì các gốc axyl của chúng liên kết với những nhóm đi ra z rất bền (các ion halogenua và anion cacboxylat). Este và amit có hoạt tính axyl hóa thấp, vì các anion ankoxit và amiđua thuộc loại ít bền. Cách đánh giá khả năng axyl hóa như vậy được chỉ ra dưới đây với các thí dụ là những dẫn xuất ở nhóm chức quan trọng nhất của axit cacboxylic. Sự giảm khả năng axyl hóa R -< 73 70 R -< R -< R -< C1 11 OH nn OR' n h 2 Cloanhiđrit / \\/ ^ Axit cacboxylic ooo Anhiđrit Este Amit cf R„ - <\" ° \" HO R'0~ n h 2~ lon clorua 0 lon hiđroxit lon ankoxit lon amiđua lon cacboxyỉat Sự giảm độ bền của ion đi ra Dưới đây ta sẽ nghiên cứu một số dẫn xuất quan trọng. 12.23 Este Este là nhóm dẫn xuất quan trọng nhất của axit cacboxylic. Chúng được dùng trong nhiều phản ứng hóa hữu cơ khác nhau. Các este còn rất phổ biến trong các sản phẩm thiên nhiên ; mỡ động vật, dầu thực vật và sáp gần như hoàn toàn gồm các este của glyxerol. Nhiều tanin là hỗn hợp phức tạp các este của axit galic và glucozơ, còn este của axit thơm và poliphenol tham gia vào thành phần của rêu, mốc. Nhiều chất có hoạt tính sinh học cũng chứa este. Các polieste tổng hợp như polietilenglicol terephtalat và policacbonat được dùng rộng rãi trong công nghiệp dệt và để sản xuất thủy tinh hữu cơ. 176

Tên gọi của este RCOOR’ bao gồm tên gốc ankyl trong nhóm ankoxi (hoặc gốc aryl trong nhóm aryloxi) và tên của gốc axit RCOO (tương tự như trong các muối của axit cacboxylic). c h 3c h 2c o o h c h 3c h 2o h c h 3c h 2c o o c 2h 5 Tên thường Axit propinoic Ancol etylic Etyl propionat Tên IUPAC Axit propanoic Etanol Etyl propanoat 12.23.1 Tính chất Este của các axit cacboxylic thấp và ancol thấp là những chất lỏng, có mùi thơm của trái cây (chuối, lê, táo...). Este của các axit cao và ancol cao là những chất rắn. Nói chung các este sôi ở nhiệt độ thấp so với axit cacboxylic tương ứng, tất cả đều nhẹ hơn nước và ít tan trong nước. Bảng 12.10 trình bày hằng số vật lý của một số este. Bảng 12.10 Hằng số vật lý của một số este Hợp chất Công thức tlnc’ ° c ts, ° c .20 -9 9 ,0 760 mm Hg 4 Metyl fomiat HCOOCH3 -80,5 Etyl fomiat HCOOCịHg -98,1 31,5 0,975 Metyl axetat CH3COOCH3 -8 3 ,6 54,3 0,917 Etyl axetat CH3COOC2H5 - 92,5 57,1 0,924 /Ỉ-Propyl axetat CH3COO-/;-C H7 -76,8 77,1 0,901 /Í-Butyl axetat -98,9 101,6 0,88725° /-Butyl axetat c h 3c o o - « - c 4h 9 - 78,5 126,5 0,88225° Ỉ-Amyl axetat 116,5 0,871 Metyl butyrat c h 3c o o - / - c 4h 9 < -95,0 142,5 0,87025<> Xetyl panmitat c h 3c o o - / - c - h , i 55,5 102,3 0,898 Metyl benzoat 0,83250° Etyl benzoat c h 3c h 2c h 2c o o c h 3 - 12,5 — 1,094150 Phenyl benzoat CH3(CH2)j4COO(CH2) ,5CH3 -3 4 ,6 1,05115° 199,6 1,23531° Đimetyl oxalat C6H5COOCH3 70,0 2 12 ,6 1,148540 Đietyl oxaỉat c 6h 5c o o c 2h 5 54,0 314,0 1,078 Đimetyl malonat c 6h 5c o o c 6h 5 -4 0 ,6 163,3 1,154 Đimetyl sucxinat COOCHo -6 2 ,0 185,4 1 , 1 2 0 i8° Đimetyl phtalat COOCH3 19,5 COOC2 Hc 181,0 - COOC2 H„ 5 49,5 CH2 (COOCH3 ) 2 192,8 CH.COOCH, \\ — CH2 COOCH3 ơ-C6H4 (COOCH3 ) 2 177

Este có thể tham gia nhiều phản ứng hóa học ; hầu hết những phản ứng đó đều xảy ra ở nhóm cacbonyl. Mặt khác, do sự phân cực của nhóm cacbonyl, những nguyên tử hiđro ở vị trí a đối với nhóm cacbonyl cũng hoạt động mạnh tương tự như trong phân tử của các hợp chất cacbonyl khác. a) Phản ứng thủy phân Sự thủy phân este bằng nước tinh khiết, trong nhiều trường hợp là phản ứng thuận nghịch, dẫn đến một hỗn hợp cân bằng của axit cacboxylic và este ban đầu : R -c f , + H20 < = ± R - c Z + r'0 H o - r' oh Phản ứng này trong môi trường axit và môi trường kiềm được tãng tốc mạnh do có mặt của xúc tác axit - bazơ. Theo c . Ingon (C. Ingold), cơ chế của sự thủy phân este được phân loại theo những tiêu chí sau : 1) Kiểu xúc tác : xúc tác axit (ký hiệu là A) hoặc xúc tác bazơ (ký hiệu là B). 2) Kiểu phân c ắ t : chỉ rõ liên kết nào trong hai liên kết ơ c - o của este bị đ ứ t; liên kết axyl - oxi (ký hiệu Ac) hoặc liên kết ankyl - oxi (ký hiệu A l) : R — CO OR' R -C O O ^-R ' HO-|—H H-ị-OH Phân cắt axyl - oxi (Ac) Phản cắt ankyl - oxi (Al) 3) Số phân tử của phản ứng : 1 hoặc 2 phân tử. Từ ba tiêu chí này có thể xếp phản ứng thủy phân thành 8 loại khác nhau. ũị) Cơ chế phản ứng thủy phân este bằng xúc tác axit (AcA2) Giống như các phản ứng thế axyl nucleophin khác, phản ứng thủy phân este AcA2 xảy ra trong hai giai đoạn gồm 6 bước (hình 12.9). Hợp chất trung gian tứ diện được tạo thành ở giai đoạn 1 (bước 1 - 3) và phân ly thành các sản phẩm ở giai đoạn 2 (bước 4 - 6 ). ở giai đoạn 1 este được proton hóa làm cho nhóm cacbonyl tăng khả năng tiếp nhận sự tấn công nucleophin (bước 1). Một phân tử nước cộng hợp vào nhóm cacbonyl của este đã proton hóa (bước 2 ) tạo ion oxoni, sau đó tách proton từ ion oxoni cho hợp chất trung gian tứ diện ở dạng trung hòa (bước 3) và hoàn thành giai đoạn 1 của cơ chế phản ứng. Trong giai đoạn 2, ở bước 4 lại proton hóa hợp chất trung gian tứ diện ở ion ankoxit tạo ra ion oxoni mới để sau đó phân ly thành ancol và dạng proton hóa của axit cacboxylic (bước 5), cuối cùng (bước 6 ) đeproton dạng proton hóa của axit cacboxylic và hoàn thành giai đoạn 2 . 178

Giai đoạn 1 Bước I : Proton hóa oxi cacbonyl của este R C I 18 + H *=* /Õ -H /H O• • R' R C ^ ik H H Este H •Ọ• R' Nước lon hiđroni Este proton hóa Bước 2 : Cộng hợp nucleophin phân tử nước vào dạng proton hóa của este ỈOH 18« _ R C -O R ' 1 •• Nước Dạng proton hóa của este HH lon oxoni Bước 3 : Đeproton ion oxoni cho hợp chất trung gian tứ diện trung hoà :Õ H „ :6 h H H -Ọ :; I + 18“ + R C -O R ' R C -O R ’ + H lon oxoni Nước :O••H lon hiđroni Hợp chất trung gian tứ diện Giai đoạn 2 Bước 4 : Proton hóa hợp chất trung gian tứ diện ở oxi ankoxi :ÕH y __________ :Õ h 18+ R’ H ! 18« H -o C I RC 0 »\\ R CI - O••R ' + H + ;os I lon hiđroni H H :OH :Ọ H lon oxoni Nước Hợp chất trung gian tứ diện Bước 5 : Phân ly dạng proton hóa của hợp chất trung gian tứ diện thành ancol và dạng proton hóa của axit cacboxylic C ? Hr + , ^ R ' + •• R' H R C -oC OH Ancol •QU H RC \\x •• OH lon oxoni •• Dạng proton hóa của axit cacboxylic Bước 6 : Đeproton dạng proton hóa của axit cacboxylic N •• \\ ' o: + H„ - O+ : -^ H -R--C- \\ \" H 0•• - H H O•• H lon hiđroni Axit cacboxylic proton hóa Nước Axit cacboxylic H ình 12.9 Các bước mô tả cơ chế thủy phân este bằng axit AcA2 179

Khi dùng nước chứa 180 để thủy phân metyl benzoat người ta nhận được axit benzoic chứa l80 . Điều đó càng chứng tỏ liên kết bị phân ly là liên kết axyl - oxi. Cơ chế phản ứng này thuộc loại SN2 (CO). C6H5C O --O C H 3 + H 18o h < = * C6H5C O l8OH + CH3OH Phản ứng este hóa và thủy phân nhò axit rất nhạy cảm đối với án ngữ không gian. Trong những điều kiện bình thường, axit 2,4,6-trimetylbenzoic không tham gia phản ứng este hóa. Nếu hòa tan axit 2,4,6-trimetylbenzoic vào H2S 0 4 đậm đặc rồi cho dung dịch nhận được vào metanol ở lạnh thì phản ứng este hóa xảy ra dễ dàng. Như vậy, axit cacboxylic đã được chuyển thành ion a x y li: (CH3)3C6H2COOH + 2H2S 04 ------> (CH3)3C6H2C = 0 + H30 + + 2HSO; (CH3)3C6H2COOCH3 + 3H2S 04 — ■> (CH3)3C6H2C + h 3o + + CH3OSO3H + 2 HSO4 0 Cation axyli dễ dàng tác dụng với ancol vì tác nhân nucleophin tấn công nhóm + - C = o theo hướng thẳng góc với mặt phẳng của vòng benzen và không bị án ngữ bởi các nhóm metyl. Cơ chế AcA 1 thương chỉ quan sát thấy trong dung dịch axit mạnh (thí dụ trong axit sunfuric đặc) và đặc biệt đối với các este của axit thơm có án ngữ không gian. Sơ đồ tổng quát của cơ chế AcA 1 như sau : RCOOR' + H nhanh + (**+ <> R -C -O R ’ R -C -O R ' nhanh oH + R'OH II I <= ± chậm+ 0H nhanh R —c —o + nhanh _ + __ + R - c = o + h20 <7 - R ~ c-o h 2 H + chậm II R -C -O H , nhanh 0 II <= 3 _____ 0 chậm RCOOR' + Bên cạnh phản ứng thủy phân este theo cơ chế cắt liên kết axyl - oxi người ta cũng còn gặp một số phản ứng thủy phân este mà liên kết bị phân cắt là liên kết ankyl - oxi. Thủy phân theo cơ chế phân cắt liên kết ankyl - oxi (Al) là sự thế nucleophin ở nguyên tử cacbon no, trong đó nhóm đi ra là anion cacboxylat (A1B) hoặc phân tử 180

axit cacboxylic trung hòa (A1A). Phản ứng đơn phân tử kiểu này thường đặc trưng cho este có gốc ankyl bậc ba và các hợp chất tương tự để khi bị phân ly có thể tạo ra cacbocation bền vững. Este của axit axetic và ancol bậc ba quang hoạt bị thủy phân trong dung dịch kiềm với sự bảo toàn cấu hình theo cơ chế hai giai đoạn AcB2, nhưng trong môi trường axit loãng thì nhận được ancol raxemic hóa theo cơ chế A1A1 : CH3 ch3 o ° ^ > (CH3)2CH(CH2)3- C - O H 1 * II I Bảo toàn cấu hình C 2 H 5 (CH3)2CH(CH2)3- c - o - c - c h 3 c 2h5 Ancol raxemic ,Nếu tiến hành thủy phân r-butyl axetat trong dung dịch HC1 0,001 M trong H218o thì phần lớn 180 được tìm thấy trong r-butanol. Tuy vậy, một số ít 180 cũng được tìm thấy trong axit axetic. Điều này là do phản ứng xảy ra theo cả hai cơ chế A1A1 và AcA2 : A1A1 CH3COOH 1« H+ + Í-Bu OH c h 3- c Z + H2180 O-Bu-t AcA2 _______Ị 0 CH3COl8OH + í-BuOH Triphenylmetyl este của axit cacboxylic có thể bị ion hóa ở môi trường trung tính : ^ 0 nu pH 7 _ + R—c t' / Ph * RCOO + Ph3C O -C -P h ^Ph Cơ chế A1A1 ưu tiên ở nhiệt độ cao, trong dung dịch hơi axit hoặc trong gốc điphenylmetyl có nhóm đẩy electron. Cân bằng chuyển dịch về cơ chế AcA2 ở nhiệt độ thấp hơn, trong dung dịch axit yếu. Cơ chế A1A2 nói chung ít được biết đến, có thể minh họa bằng phương trình sau : R -C -0 -R '^ n < = ...-» R-COOH + R '-O H 2 J ỎH H20•• a2) Phản ứng thủy phân este được xúc tiến bằng bazơ. S ự xà phòng hoá Khác với phản ứng thủy phân bằng axit, sự thủy phân trong dung dịch kiềm nước là bất thuận nghịch. oo ĩ- I R - C - O R ' + OH ------> R - C - O + R’- O H Este lon hiđroxit lon cacboxylat Ancol 181

Sở dĩ như vậy là vì ở điều kiện này axit cacboxylic đã được chuyển thành ion cacboxylat là những chất nucleophin khá mạnh và do đó không thể tiếp nhận sự tấn công nucleophin của ancol đế’ cho phản ứng nghịch tạo este. Bazơ bị tiêu hao trong phản ứng và vì thế ở đây bazơ đóng vai trò chất xúc tiến chứ không phải chất xúc tác. Hình 12.10 trình bày cơ chế phản ứng thủy phân este được xúc tiến bằng bazơ AcB2, thuộc loại Sn2 (CO) là cơ chế tương đối phổ biến. Bước 1 : Cộng hợp nucleophin ion hiđroxit vào nhóm cacbonyl, quyết định tốc độ phản ứng :5•• :_ HO ỉ OR' 1 18“ lon hiđroxit •• R C -O R ' Este 1 •• : O•• H Dạng anion của hợp chất trung gian tứ diện Bước 2 : Chuyển dịch proton đến dạng anion của hợp chất trung gian tứ diện (nhanh) R CI - O••R ' + H - O••H <=± :OH + :OH 1 I8»* ** : O•• H R C -Ọ R ' Dạng anion của hợp chất I* trung gian tứ diện :O•• H Hợp chất trung gian tứ diện Bước 3 : Sự phân ly của hợp chất trung gian tứ diện H -rÕ : H / o: ị_8m I ho: :O í + R c C + :O R ’ RC OR' H :Ọ••H :O••H Axit cacboxylic lon ankoxit Hợp chất trung gian tứ diện Bước 4 : Các bước chuyển dịch proton tạo ancol và anion cacboxylat (nhanh) 18 + :OH RỌ —H RC. ^ + :OH Ancol H so: \\ ìo - H •• H 0: RC :0 : Axit cacboxylic lon hiđroxit lon cacboxylat Nước (Axit mạnh hơn) (Bazơ mạnh hơn) (Bazơ yếu hơn) (Axit yếu hơn) Hình 12.10 Các bước mô tả cơ chế thủy phân este bằng chất xúc tiến bazơ 182

Để chứng minh cho sự đứt liên kết axyl - oxi, người ta đã dùng etyl propanoat với i80 ở nhóm etoxi rồi tiến hành thủy phân trong bazơ. Sau khi phân lập các sản phẩm thì thấy rằng ,80 chỉ ở trong etanol, còn trong natri propanoat không có chứa 180 . 18 18 CH3CH2 - C - O C 2H5 + NaOH ------> CH3CH2 - C - O N a + CH3CH2OH o o Etyl propanoat chứa 180 Như vậy, liên kết cacbon - oxi bị đứt trong quá trình thủy phân là liên kết giữa oxi và nhóm propanoyl. Liên kết giữa oxi và nhóm etyl được giữ nguyên. Giống với cơ chế phản ứng đã được xúc tác bằng axit, phản ứng thủy phân este được xúc tiến bằng kiềm cũng gồm hai giai đoạn : giai đoạn tạo hợp chất trung gian tứ diện và giai đoạn phân hủy tiếp theo. Tất cả các bước đều thuận nghịch, trừ bước cuối cùng, nên toàn bộ phản ứng thủy phân là bất thuận nghịch. Vì vậy, ta không thể dùng bazơ làm chất xúc tiến thay cho xúc tác axit trong phản ứng este hóa. Với cơ chế AcBl hiện nay còn chưa rõ ràng : R C O -O R ' ~ R O > RCO+ — > RCOOH ------» RCOCT Trong những điều kiện nhất định về cấu tạo của R ’ trong RCOOR’ và về dung môi, có thể xảy ra sự phân ly RCOOR’ thành RCOO\" và R ’+. Đây có thể là phản ứng thủy phân đơn phân tử làm đứt liên kết ankyl - oxi (A1B1): RCOOR' chậm ___ _____ + + RCOO <...— > RCOO + R' nhanh R '-O H 2 + nhanh R’- O H 2 * chậm nhanh R ’ phải là gốc bậc cao để tạo được cation R ’+ tương đối bển. Thí dụ : ^ y Co o h Ph p\\ + un r Ị CH (quang hoạt) och3 (hợp chất raxemic) Phản ứng minh chứng cho việc cắt liên kết ankyl - oxi là : CH3 1 18 183