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

Do có cấu trúc hình tháp nên các amin có ba nhóm thế khác nhau liên kết với nitơ phải trở thành không trùng vật - ảnh, bởi vì cặp electron không liên kết là đỉnh thứ tư của tứ diện. / N/,„ CH3 ' ị C6H5 C6H5 I CH, H H Các đồng phân đối quang của hợp chất có cacbon với bốn nhóm thế khác nhau thì bền vững, ngược lại các đối quang của amin không trùng vật - ảnh, lại dễ dàng chuyển hóa lẫn nhau, tức là có sự quay cấu hình. Năng lượng hoạt hóa của sự quay cấu hình rất nhỏ, và đối với amin bậc ba thường vào khoảng 5 - 6 kcal/mol, tương ứng 1 0 2 - 1 0 3 lần quay trong 1 giây ở 20°c. Ở trạng thái chuyển tiếp phẳng của sự quay cấu hình, nguyên tử nitơ ở vào trạng thái lai hóa sp2, còn cặp electron không liên kết chiếm obitan pz. CH Người ta cũng biết được trường hợp amin có năng lượng hoạt hóa của sự quay cấu hình khá cao. Thí dụ ở bazơ Trogie (x Tập 1, tr. 460) không xảy ra sự quay cấu hình, bởi vì ba nhóm thế của nitơ được giữ chặt trong cấu trúc vòng. Đối với muối tetraankylamoni, sự quay cấu hình không xảy ra và người ta có thể tách riêng muối tetraankylamoni thành các đồng phân đối quang bền vững. Thí dụ : 13.9 Tính chất vật lý Các amin thấp là những chất khí, có mùi gần giống mùi amoniac ; các amin cao hơn là những chất lỏng ; có một số amin là chất rắn. Amin là những chất phân cực mạnh, bởi vì momen lưỡng cực lớn của cặp electron không liên kết cộng thêm vào momen lưỡng cực của các liên kết C 4 * N và H 4»N . 284

Các amin bậc một và amin bậc hai có liên kết N - H cho phép chúng tạo liên kết hnđro. Các amin bậc ba tinh khiết, không có liên kết N - H, không thể tạo liên kết hiđro. Tuy vậy, chúng có thể nhận liên kết hiđro từ các phân tử có liên kết o - H hoặc N - H. Tổng momen N ,:v lưỡng H CH2CH3 cưc ch3 HR R Amin bậc 3 : chỉ là chất nhận liên kết hiđro Amin bậc 1 hoặc amin bậc 2 : chất cho và chất nhận liên kết hiđro Bởi vì nitơ có độ âm điện nhỏ hom oxi, liên kết N - H ít phân cực hơn liên kết o - H, do đó các amin tạo liên kết hiđro yếu hơn các ancol có khối lượng phân tử tương đương. Bảng 13.2 dẫn ra sự so sánh ts của ete, ancol và amin có khối lượng phân tử tương đương. Bảng 13.2 Sự so sánh nhiệt độ sôi của một ete, một ancol với các amin có khối lượng phân tử tương đương Hợp chất Kiểu Khối lượng phân tử ts, °c (CH3)3N amin bậc ba 59 3 ch3- 0 - ch2- ch3 ete 60 8 c h 3 - NH - c h 2 - c h 3 amin bậc hai 59 37 c h 3c h 2c h 2 - n h 2 amin bậc một 59 48 CH3CH2CH2 - OH ancol 60 97 Tất cả các amin, kể cả amin bậc ba đều tạo liên kết hiđro với các dung môi có chứa nhóm OH như nước và ancol. Vì vậy các amin tan trong ancol và các amin có khối lượng phán tử thấp (cho đến sáu nguyên tử cacbon) tan khá trong nước. Bảng 13.3 dẫn ra nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và độ tan trong nước của một số amin béo và amin thơm. 285

Bảng 13.3 Hằng số vật lý của một số amin A nkylam in Công thức cấu tạo tnc >°c ts . °c Tính tan, Hợp chất g/100 ml H20 Amin bậc một C H 3N H 2 - 92,5 -6 ,7 rất tan CH3CH2NH 2 -8 0 ,6 16,6 M etylam in c h 3c h 2c h 2n h 2 -8 3 50 00 Etylamin (C H 3)2CH NH 2 - 101 33 00 /;-Propylamin c h 3c h 2c h 2c h 2n h 2 -5 0 77,8 00 Isopropylamin (C H 3)2CHCH2N H 2 -8 5 00 /Í-Butylamin C H ,CH ,CH NH , - 104 68 co Isobutylam in 00 irc-B utylam in I 66 tan te/7-Butylamin CH .,s -67,5 45,2 /i-Pentylamin (CH3)?CNH2 -55 103 tan ít /Ỉ-Hexylamin CH3(CH2)4NH2 - 19 129 Xiclohexylamin CH3(CH2)5NH2 - 18 GO < ^ ^ -n h 2 134,5 00 Benzylamin Am in bậc hai Q H 5CH2NH2 10 184,5 rất tan Đimetylamin Đietylamin (CH?)2NH -92,2 6,9 rất tan N-Metylpropylamin (CH=,CHỉ )ỉNH -50 55,5 tan Pyroliđin c h , n h c h 2c h ^ c h , 62,4 2 90 rất tan Piperiđin 0 - 10,5 106,4 tan Đipropylamin 0N Amin bậc ba H -39,6 110 00 Trimetylamin Trietylamin N -117,1 2,9 H - 114,7 89,4 N-Metylpiperiđin (CH3CH2CH2)2NH 3 107 286 (CH,),N 0(CH3 CH2)3N N 1 CH 3

A ryỉa m in Bảng 13.3 (tiếp theo) Hợp chất tLne9 °^c ts,°c Amin bậc m ột -6,3 184 Anilin - 14,7 200 Ỡ-Toluiđin - 30,4 203 m - Toluiđin A 200 p-Toluiđin 209 o-Cloanilin 44 230 m-Cloanilin - 14 232 /?-Cloanilin - 10 284 Ớ-Nitroanilin 72,5 306 m-Nitroanilin 71,5 332 /7-Nitroanilin 114 148 196 206 Amin bậc hai -57 -63 302 N-Metylanilin 68 N-Etylanilin 54 194 N-Metyl-4-nitroanilin Điphenylamin 257 365 Amin bậc ba 2,4 127 N,N- Đimetylanilin N-Phenylpiperiđin Triphenylamin Tính chất phổ của amin Như ta đã biết (x. Tập 1, mục 7.3), các amin bậc một và bậc hai có hấp thụ dao động hóa trị N - H đặc trưng ở vùng 3300 đến 3500 cm 1 trong phổ hồng ngoại của chúng. Ancol cũng hấp thụ trong vùng này, song các băng hấp thụ của amin thường sắc nét và cường độ thấp hơn các băng hấp thụ của nhóm OH. Amin bậc một có hai băng hấp thụ sắc nét và amin bậc hai có băng hấp thụ sắc nét trong vùng này. Amin bậc ba không có hấp thụ trong vùng này vì chúng không có liên kết N - H. Sự khác nhau này được trình bày trong phổ hồng ngoại ở hình 13.1. 20- HHCT2 287

A. CH3(CH2)3CH2OH B. CH3CH2CH2CH2NH2 c . (CH3CH2)2NH D. (CH3CH2)2NCH3 /7-Butyỉamin N,N-Đietylmetylamin Pentan-1-ol Đietylamin Ancol bậc một Amin bậc một Amin bậc hai Amin bậc ba I.ị 1 Vw 1_ 3 ... ỉH 1/ 1' \" • .....X ..L lÁ 1 ——■C H Số sóng (cm ) :i SỐ sóng (cm ) Số sóng (cm ) 1 ■npi iiniTỊMTnrmi Ị 4000 3600 3200 2800 2400 Số sóng (cm 1) Hình 13.1 Sự so sánh ở vùng 4000 đến 2400 c r r f 1 trong phổ hổng ngoại của ancol bậc một, amin bậc một, amin bậc hai và amin bậc ba. Amin bậc một có hai băng hấp thụ sắc nét, amin bậc hai có một băng hấp thụ sắc nét và amin bậc ba không có băng hấp thụ trong vùng 3200 đến 3500 c r r f 1. Độ chuyển dịch hóa học *H-NMR của nguyên tử hiđro liên kết với cacbon nằm gần nguyên tử nitơ của amin bị phản chắn so với ankan do độ âm điện của nitơ. Tuy nhiên, sự chuyển dịch về trường thấp thì khồng lớn như ở ancol. Các số liệu trong bảng 13.4 đưa ra sự so sánh độ chuyển dịch hóa học của hiđro CH3, CH2 và CH ở ankan, amin và ancol. Bảng 13.4 Sự so sánh độ chuyển dịch hóa học trong phổ ^H-NMR của hiđro metyl, metylen và metin ở ankan, amin và ancol ch3 ch2 Hợp chất CH Hợp chất Hợp chất 8 58 1,50 CH3CH3 3,07 c h 3n h 2 0,86 CH3CH2CH3 1,33 (CH3)3CH 3,94 CH3 0 H 2,47 c h 3c h 2n h 2 2,74 (CH3)2CHNH2 3,39 c h 3c h 2o h 3,59 (CH3)2CHOH Độ chuyển dịch hóa học ‘H-NMR của các nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử nitơ ở amin bậc một và bậc hai thì khác nhau và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ tinh khiết của mẫu, dung mối dùng để hòa tan mẫu, nồng độ mẫu và nhiệt độ khi đo mẫu. Các pic thường rộng và sự tương tác spin-spin với các hiđro bên cạnh không có do sự trao đổi với dung môi. Do vậy các nguyên tử hiđro liên kết với nguyên tử nitơ của amin, giống như các nguyên tử hiđro của nhóm hiđroxi ở ancol, được nhận biết tốt nhất bằng cách thêm một lượng nhỏ D20 vào ống đựng mẫu, khi đó tín hiệu của nó ở trên phổ biến mất. 288

Độ chuyển dịch hóa học 1 3C-NMR của nguyên tử c liên kết với nguyên tử nitơ cũng chuyển dịch về trường yếu so với ankan. Một lần nữa, sự chuyển dịch không lớn như ở ancol, như đã chỉ ra ở bảng 13.5. Bảng 13.5 Sự so sánh độ chuyển dịch hóa học trong phổ 13C-NMR của các nguyên tử hiđro của metyl, metylen và metin ở ankan, amin và ancol Hợp chất CH 3 ch2 CH ô Họp chất Hợp chất 25,0 sô 43,0 64,0 CH3 CH3 7,3 CH3 CH2 CH3 15,9 (CH3)3CH c h 3n h 2 28,3 c h 3 c h 2 n h 2 36,9 (CH3 )2 CHNH2 CH3 0 H 50,2 c h 3 c h 2o h 57,8 (CH3)2CHOH Các amin dễ dàng được nhận biết bằng phổ khối lượng nhờ sự phân mảnh đặc trưng của sự phân cắt a : CH3 CH2 CH2 N(CH3 ) 2 CH3 - C H ^ - /C H ^ -N (C H 3 ) 2 ------ » M+ (miz 87) ------ » CH3 - C H 2 + CH2 =N (CH 3 ) 2 (w/z 58) Các amin dễ dàng trải qua sự phân cắt a vì cacbocation tạo thành được bền hóa nhờ nguyên tử nitơ bên cạnh. 13.10 Tính chất hóa học 13.10.1 Tính bazơ Tương tự amoniac, tất cả các amin là bazơ Liuyt điển hình nhờ có cặp electron n trên nguyên tử nitơ. v ề mặt này, amin rất giống với ancol và ete, những hợp chất này cũng được xếp vào loại các bazơ Liuyt. Nitơ có độ âm điện kém hơn oxi do đó amin là các bazơ Liuyt mạnh hơn nhiều so với ancol và ete, hay nói cách khác, cation ankoxoni là axit mạnh hơn cation ankylamoni : ROH + H+ < = ± rÔ h2 RNH2 + H+ < = * RNH 3 Amin là những bazơ mạnh hơn nước, vì vậy dung dịch nước của amin thể hiện tính bazơ. Hằng số cân bằng đối với sự tương tác axit - bazơ của nước và amin là Kb. RNH2 + HOH <=> RNH 3 + OH~ Amin lon amoni 289

íR N M Ọín ; b b b [RNH2] Thông thường, nồng độ của nước không tham gia vào biểu thức trên củaKb, vì nước có mặt với lượng dư lớn nên thực tế coi như không đổi. Để đo lực bazơ của amin, ta có thể dùng hằng số Kh hoặc pKbvàcũng có thể coi + mức đo lực bazơ của amin là hằng số Ka hoặc pKa của axit liên hợp R N H3. RNH3 + H20 RNH2 + H3 0 + K [RNH2 ][H3 Q+] [R N H 3] pKa + pK b = 14 pKa = -lg K a; Bảng 13.6 dẫn ra giá trị pKa của một số amin béo được đo trong nước. Bảng 13.6 Tính bazơ của các amin trong nước ở 25°c Amin pKa (25°C) Amin pKa (25°C) nh3 9,24 (CH3)2NH 10,73 c h 3n h 2 10,62 (CH3 CH2)2NH 10,85 c h 3c h 2n h 2 10,64 [(CH3 )2 CH]2NH 11,13 c h 3c h 2c h 2n h 2 10,54 C NH 11,31 c h 3c h 2c h 2c h 2n h 2 10,63 C NH 11,12 (CH3 )3 CNH2 10,60 xiclo- C6 H] ]NH2 (CH3)3N 9,80 10 ,6 8 (CH3 CH2)3N 10,75 c6h 5c h 2n h 2 9,33 0 10,38 1nX U) c h 2 = c h c h 2n h 2 9,49 Q n -c h 3 10,46 C5 HsN (pyriđin) 5,23 H2 N(CH2 )6 NH2 11,10 C9 H7N (quinolin) 4,90 h 2n c h 2c h 2n h 2 h 2n c h 2c h 2c h 2n h 2 9,92 10,55 290

Tất cả các amin béo được đặc trưng bằng pKb nhỏ hơn amoniac, tức ỉà các bazơ mạnh hơn amoniac. Tính bazơ của các amin trong nước giảm theo thứ tự sau : R2NH > RNH7 ~ R3 N, như vậy là không phù hợp với ảnh hưởng + I của nhóm ankyl lên tính bazơ của các amin ; amin bậc ba lại có tính bazơ yếu hơn so với amin bậc hai. Lý do là có sự cản trở không gian đối với sự chuyển dịch proton và sự sonvat hóa trong trường hợp amin bậc ba. Tính bazơ của amin càng mạnh thì Kb và pKa càng lớn, còn pKb thì càng nhỏ. Ta + cũng cần phân biệt rõ ràng pKa của axit liên hợp R N H3 với pKa của bản thân amin RNH2. Thí dụ [(CH3 )2 C H ]N H 2 có pKa = 11,13, trong khi đó [(CH3 )2 CH]2NH có pKa ~ 40. Tính axit N - H của amin ở mức độ yếu hơn nhiều so với tính bazơ và chỉ thể hiện khi có mặt của bazơ rất mạnh như các hợp chất cơ kim, thí dụ butyl lithi, và khi đó chúng được chuyển thành kim loại amiđua : (CH3 )2 C H ^ . . ^ + C4 H9- L i ------> (CH3 )2 C H ^ .. _ + /N -H ' / N : Li + C4 H , 0 (CH3)2CH (CH3)2CH pKa ~ 50 pKa ~ 4 0 Lithi điisopropylamiđua (LDA) có tính bazơ mạnh, nhưng là tác nhân nucleophin yếu, vì hai nhóm isopropyl gây hiệu ứng không gian, cản trở sự tạo thành liên kết mới của cặp electron trên nguyên tử nitơ. Mật độ electron ở nguyên tử nitơ là thước đo tính bazơ của amin. Các hiệu ứng làm ,, + tăng mật độ electron ở nitơ - N - và làm giải tỏa điện tích dương ở RNH3 đểu làm tăng I tính bazơ. Các amin thơm nói chung có tính bazơ yếu hơn amoniac vì nhóm C6 H5 gây hiệu ứng + - c. Đối với anilin, giá trị pKb là 9,37, còn tính axit của cation C6 H 5 NH3 có pKa = 4,63, lớn hơn nhiều so với cation ankylamoni : C 6H 5 N H 3 + HOH <-t C 6 H 5 N H 2 + H 30 + Ka =2,5.10~5 M; pKa =4,63 CH 3N H 3 + HOH <=± C H 3N H 2 + H 30 + Ka =2,7.10“n M; pKa -10,62 291

Sự giải tỏa mật độ electron ở nguyên tử nitơ của anilin thường được mô tả như sau : 5+ 5+ :N H 2 NH' 'ĩ lí. vV s- ^ s- Như vậy, tính bazơ của anilin kém tính bazơ của metylamin khoảng một triệu lần. 13.10.2 Tác dụng với axit nitrơ Aminthơmbậcmộttác dụng với axit nitrơ trong môi trường axit ở nhiệt độ thấp tạo phảníừigđiazohóa.thành muối arenđiazoni [A r-N h N ]X “ , trong đó X ” là một anion như clorua, bromua, suníat,... Phản ứng này được gọi là {/T A 2 HC1 , 0 - 5 c / / \\ _ N = N C1 V n H 2 + NaN02 -> \\— / 1 1 - N a C l , - H 20 Anilin Benzenđiazoni clorua Phản ứng điazo hóa có cơ chế phức tạp, là phản ứng bậc ba, tốc độ của nó phụ thuộc vào nồng độ amin tự do, axit nitrơ và axit vô cơ mạnh : V = k[ArNH2 ][H N 0 2 ][H +] Tiểu phân nitroso hóa (chất electrophin) trong phản ứng này tùy thuộc vào điều kiện + tiến hành phản ứng, có thể là axit nitrơ proton hóa H2 o NO ; nitơ (III) oxit ; nitrosyl clorua NOC1 hoặc cation nitrosyl N = o , được sinh ra từ natri nitrit và axit vô cơ. N aN 02 + HC1 ------» H N 02 + NaCl HO — N = o + H C1 <=± H\\+ =0 + C1 / 0 -N H H\\+ <=± + + H ,0 o —N = 0 N =0 H Trong môi trường axit mạnh, tiểu phân nitroso hóa là cation nitrosyl, nó tương tác với amin tự do tồn tại trong một cân bằng với ion amoni. Cần chú ý rằng, sự tấn công electrophin xảy ra với amin tự do, chứ không phải là muối, mặc dù nồng độ amin tự do trong môi trường axit mạnh có thể rất nhỏ. Ar —NH2 + HC1 < = > [ A r - N H 3] C f 292

Cơ chế phản ứng xảy ra như sau : (II) H I- ■» A r - N - N = 0 I H (I) * A r-N = N -O H + H+ +/ H + > A r ~ N = N - c C — ——> Ar —N—N (III) H -H 20 (IV) Cation (I) tách đi proton và được chuyển thành N-nitrosoamin (II), chất này được chuyển vị thành điazohiđroxit (III). Điazohiđroxit proton hóa và tách nước để chuyển thành cation điazoni (IV). Điều kiện điazo hóa của một amin cụ thể phụ thuộc vào hai yếu tố : tính bazơ và độ tan trong nước. Các amin có tính bazơ tương đối cao và hòa tan tốt trong nước có thể điazo hóa trong dung dịch loãng và trong môi trường axit yếu. Ớ điều kiện này, trong dung dịch xuất hiện amin tự do với nồng độ cao và có thể dùng tác nhân nitroso hóa là axit nitrơ tự do hoặc axit nitrơ proton hóa, cũng như nitơ (III) oxit. Các amin có tính bazơ thấp, thí dụ nitroanilin thì phải tiến hành điazo hóa trong axit sunfuric đặc và trong môi trường tạo ra chất electrophin mạnh hơn như cation nitrosyl. Các muối điazoni thơm là những hợp chất không bền, ở trạng thái rắn dễ nổ. Phần lớn các muối điazoni tan tốt trong nước, do đó người ta thường điều chế chúng trong dung dịch nước và dùng ngay để chuyển hóa tiếp theo. Amin béo bậc một tác dụng với axit nitrơ sinh ra ancol tương ứng và khí nitơ bay lên : CH3CH2NH2 + HONO — > CH3CH2OH + N 2t + H20 Etylamin Etanol cácaminbéobậcmộtTương tự amin thơm,mới đầu tạo muối điazoni, nhưng muối này rất kém bền và bị phân hủy ngay cả ở trong dung dịch khi lạnh. Cation ankylđiazoni tách đi một phân tử nitơ và chuyển thành cacbocation tương ứng (I). Cacbocation này cộng hợp các chất nucleophin khác nhau có trong hỗn hợp phản ứng (nước, clorua hoặc ion nitrit), tách đi proton và chuyển thành ancol, ankyl halogenua, nitroso este hoặc anken. Ngoài ra, cacbocation có thể chịu các chuyển vị khác nhau và cacbocation (II) tạo thành cũng có thể tách đi proton và cộng hợp các chất nucleophin khác nhau. Như vậy, sản phẩm của sự tương tác amin béo với các axit nitrơ là một hỗn hợp phức tạp. Thí dụ : 293

c h 3c h 2c h 2c h 2n h 2 > CH3 CH2 CH2 CH2OH /?-Butylamin Butan-l-ol N a N 0 2, HC1 > CH3 CH2CH = CH2 ▼ But-l-en [CH3 CH2 CH2 CH2 N = N ] C1 ■> CH3 CH2 CH2 CH2 C1 H-Butylđiazoni clorua /i-Butyl clorua - N' > c h 3c h 2c h 2c h 2o - n = o ch 3ch 2c h - c h 2 rt-Butyl nitrit h\" Cacbocation bậc một (I) ■> c h 3 c h 2 c h c h 3 I OH Butan-2-ol c h 3c h 2c h c h 3 ■> c h 3 c h = c h c h 3 Cacbocation bậc hai trans-But-2 -en c/s-But-2-en (II) — > c h 3c h 2c h c h 3 0 -N = 0 jw-Butyl nitrit aminbậchaidãybéohaydãythơmCác đều dễ dàng phản ứng với axit nitrơ tạo thành nitrosamin có màu vàng : (CH3)2NH HONO (CH3 )2 N - N = o + H20 N-Nitrosođimetylamin (C6 H5)2NH HONO (c 6 h 5 )2 n - n = o + h 2 0 N-Nitrosođiphenylamin Các nitrosamin là những chất dầu hoặc những chất rắn màu vàng, không tan trong nước. Người ta có thể dùng phản ứng này để nhận biết amin bậc hai. Nhiều nitrosamin là Aminthơmbậcbatác nhân gây ung thư.không có H ở nitơ nên nói chung không tác dụng với axit nitrơ, trừ trường hợp xảy ra phản ứng thế electrophin ở vòng thơm (nitroso hóa bằng cation nitrosyl N = o ). Thí dụ : 294

N aN 02. HC1 --------- — 7 --------> 0 - 5°c N=0 N.N-Đimetylanilin N,N-Đimetyl-4-nitrosoanilin Amitĩbéobậcbaở nhiệt độ thấp không phản ứng với axit nitrơ loãng, nhưng khi đun nóng xảy ra sự đeankyl hóa với sự tạo thành N-nitrosoamin bậc hai và oxi hóa gốc ankyl tách ra thành anđehit tương ứng : CH3 CH2^ c h 3 c h 2^ / N - C H , C H 3 + H N 02 ------> \"N -N = 0 + CH3 C H = 0 C H 3C H 2 ' C H 3C H 2 N-Nitrosođietylamin 13.10.3 Những phản ứng thay thê hiđro ở nhóm amino a) Phản ứng ankyl hóa Tương tự amoniac, các amin béo và amin thơm có thể tác dụng với halogenankan, tạo thành hỗn hợp amin và muối amoni bậc bốn : , O h, - 1 + NHi _ •• CH, - 1 + - NH3 n h 3 — — > [CH3 - N H 3] I ■■-•--> CH3 - N H 2 — ■> [(CH3 )2 NH2] I i -N H 4I -■ -N H 4I Metylamoni iođua Metylamin Đimetylamoni iođua •• 'c h ? - 1 + nh3 „ .0 * 3 - 1 . +- ------ > (CH3)2NH [(CH3 )3 NH] I (CH3)3N [(CH3 )4 N] I — 1NH4I Đimetylamin Trimetylamoni iođua Tetrametylamoni iođua Trong công nghiệp, amoniac và các amin thấp được ankyl hóa bằng ancol thấp ở pha hơi và nhiệt độ 300 - 500°c trên chất xúc tác nhôm oxit, silic oxit, thori oxit, crom o x it,... Khi đó tạo thành hỗn hợp các amin bậc một, bậc hai và bậc ba. Phương pháp này chủ yếu được dùng để điều chế các metyl và etylamin : NH3 + CH3 OH ------ ■> CH3 NH2 + (CH3)2NH + (CH3)3N + H20 b) Phản ứng axyl hóa Các amin bậc một và bậc hai phản ứng với anhiđrit axit, clorua axit và este với sự tạo thành các amit. Có thể xem các phản ứng này như là sự thế nucleophin ở nguyên tử cacbon lai hóa sp2 của nhóm c a c b o n y l: C6 H5 C ^ ° + 2(CH3)2NH (^ ; -> C6 H5 CON(CH3 ) 2 + HC1 C1 ^^ CH3 COOH (92%) tolue” > (CH3 C 0 )20 + c 6h 5n h 2 CH3 CONHC6 H5 + (98%) 295

NCCH2COOCH2CH3 + c h 3n h 2 ------> NCCH2COHNCH3 + CH3CH2OH ( 8 8 %) Cơ chế của phản ứng axyl hóa amin là tạo ra ion lưỡng cực trung gian, mang điện tích âm ở nguyên tử oxi và điện tích dương ở nguyên tứ nitơ. Q H ,-N H 2 NH2 Q H 5 -z\\NHQHs I - H+ c ỉ < = » CH3 - C - Z ^ = = ± c h 3 - c - z i = ± c h 3 - c - n h c 6 h 5 CH3 - C - Z 1I rì O- Ò~ o vỏ Phản ứng axyl hóa thường được dùng để bảo vệ nhóm chức NH2 trong tổng hợp hữu cơ. Thí dụ muốn điều chế p-nitroanilin từ anilin thì giai đoạn đầu tiên là axetyl hóa nhóm NHo rồi mới nitro hóa bằng HNO3 , vì nếu không bảo vệ nhóm NH2 sẽ xảy ra các phản ứng oxi hóa và proton hóa. Sau phản ứng nitro hóa, dùng phản ứng thủy phân để thu lại amin : NH2 NHCOCH3 NHCOCH3 NH2 CH3COCI hn °3 f l ị H2° Anilin no2 p-Nitroanilin Ngoài nhóm axetyl CH3 C0 - người ta cũng hay dùng nhóm fomyl HCO nhóm benzoyl C6 H sCO nhóm benzyloxicacbonyl C6 H5 CH2OC ... 0 c) Sunfonyl hóa Các amin bậc một và amin bậc hai phản ứng với suníonyl clorua cho su n íam it: Ọ ArSOoCl +RNH2 >--------- 1 A rS 02Cl +R 2N H A rS-N H R I 0 ---------- > 0 1 ArS —NR2 I 0 Cơ chế tạo sunfamit tưcfng tự cơ chế phản ứng điều chế amit từ axyl halogenua và amin. Phản ứng sunfonyl hóa được dùng làm cơ sở cho thuốc thử đa năng phân biệt ba bậc amin. Đây là phương pháp đơn giản và rất tiện lợi nhận biết các amin (Hinsberg, 1890) : Lắc hỗn hợp amin và benzensunfonyl clorua hoặc /?-toluensunfonyl clorua với lượng dư dung dịch nước của natri hiđroxit ở lạnh. Sau 1 0 - 1 5 phút axit hóa hỗn hợp đến phản ứng axit. Các amin bậc một, bậc hai và bậc ba xử sự khác nhau trong quá trình hai giai đoạn này. Amin bậc một tác dụng với benzensunfonyl clorua cho suníamit N-thế, có chứa một 296

nguyên tử “hiđro axit” ở nguyên tử nitơ, và tan được trong dung dịch kiềm với sự tạo thành dung dịch đồng thể của muối natri sunfamit. Khi axit hóa dung dịch này sẽ tách ra kết tủa không tan trong nước của sunfamit N-thế. C6 H5 S 0 2 C1 + RNH2 NaOH o NaOH H ,0 H20 /H c 6 h 5s - n IR 0 o o C6 H5S —NRNa H' c 6 h 5 s - n h r I H?0 1 0 0 tan trong nước không tan trong nước Amin bậc hai phản ứng với benzensunfonyl clorua trong dung dịch kiềm - nước cho suníamit N,N-hai lần thế. Hợp chất này không tan trong dung dịch kiềm vì không chứa nguyên tử hiđro axit ở nitơ. Trong trường hợp này khi axit hóa không dẫn đến sự thay đổi nào cả và suníamit N,N-hai lần thế vẫn tồn tại ở dạng kết tủa. C6 H 5 S 0 2 C1 + r 2n h NaOH c6h 5so2 - n r 2 H ,0 Amin bậc ba không phản ứng với benzensunfonyl clorua. Như vậy, nhờ phản ứng suníònyl hóa ta có thể phân biệt các bậc amin và tách riêng hỗn hợp các amin có bậc khác nhau. d) Phản ứng tạo thành isonitrin Khi cho amin bậc một tác dụng với cloroíom trong dung dịch kiềm - rượu sinh ra isonitrin hay cacbilamin : RNH2 + CHC13 + 3KOH C2 H5OH * R -N = c + 3NaCl + 3HoO Isonitrin Vì cacbilamin có mùi khó ngửi rất đặc trưng, nên phản ứng này được dùng để nhận biết amin bậc một. Cơ chế của phản ứng là như sau : HO + C l - C - C l c r H ,0 C 1-C -C 1 C1 R -N H 2 + C l-C -C l H CU HO - c r , - h 2o u ÍJ •> R - N - C I1 H C1 •• — - c r , - h 20 > [ R - N = c : <----- > R — N —c ] 297

e) Phản ứng cộng vào aryl isoxianat và aryl isothioxianat Các amin bậc một và amin bậc hai có thể tham gia phản ứng cộng nucleophin vào aryl isoxianat và aryl isothioxianat tạo thành sản phẩm rắn là dẫn xuất của ure và thioure : C6 H5 NH2 + C6 H5 - N = C = 0 c6h5- NH- co - NH- c6h5 Phenyl isoxianat N,N'-Điphenylure c6h 5n h 2 + c6h 5 - n = c = s c6h 5 - n h - cs - n h - c 6h 5 Phenyl isothioxianat N ,N ’-Điphenylthioure 13.10.4 Phản ứng oxi hóa Do có tính bazơ, các amin tương đối dễ bị oxi hóa. Amin bậc ba dễ bị oxi hóa hơn cả : R3N + H2O2 * RiN —>0 + H-,0 Chất oxi hóa dùng cho phản ứng này có thể là H2 0 2 (30%) hoặc peaxit hữu cơ RCOOOH: H20 2 30% „ +- (C2 H5)3N ; 2 2; ; ; > (C2 H5 )3 N - Q 0 - 20'c (95%) (C2 H5 )2 NCH2 CH2 N(C2 H5 ) 2 H20 2 30% „ +_ _ + •• > (C2 H5 )2 NCH2 CH2 N(C2 H5 ) 2 0 - 20 c ị ị 0 0\" - (92%) Q > - N ( C H 3)2 + p - c o 3H CH2C1 C1 0«c ■» C ^ ị (C H * + ^ ^ C° 2 H C1 (90%) /~ \\ H20 2 30% / “ \\ + < ^ -C H -N (C H 3)2 ^ > <^J>-C H -N (C H 3)2 ch3 ch3 0\" (98%) Các N-oxit của amin bậc ba thuộc loại các ion lưỡng cực. Aminoxit có tính bazơ yếu hơn amin tương ứng, bị khử bởi SnCl2, Na2 S2 0 3 hoặc triphenylphotphin để tái tạo amin. Amin bậc hai bị oxi hóa bởi H2 0 2 cho dẫn xuất điankyl của hiđroxylamin : nNH + H202 --H-C-—OOCHì > </ \\N-OH (78%) 298

Phản ứng oxi hóa amin bậc một phức tạp hơn nhiều, bởi vì trong trường hợp này dẫn xuất hiđroxylamin tạo thành có thể bị oxi hóa tiếp theo đến hợp chất nitroso : /O H RNH2 ------ > R N H -O H ------> R N ; ------> R - N = 0 OH f> N„ 2 g> f y N= o \\—/ 2 CH2C12 \\—/ (62%) Khi dùng chất oxi hóa mạnh hơn như axit triflopeaxetic, amin bậc một bị oxi hóa đến hợp chất nitro. Phương pháp này có giá trị thực tiễn trong tổng hợp các hợp chất nitro ortho pơra:thơm có chứa nhóm thế hút electron ở vị trí và r v nh2 ^ £ 2^ ^> no2 o 2n ^ ^ n h 2 CF3C 0 3H /\\ ^ „ c > o3n ^ - n o 2 ( 86%) 13.10.5 Phản ứng thê electrophin ở amin thơm ortho paraNhóm amino NH2 được định hướng và và hoạt hóa vòng thơm trong phản ứng thế electrophin, do đó người ta có thể thực hiện phản ứng trong điều kiện êm dịu và dùng tác nhân electrophin yếu. a) Halogcn hóa Phản ứng halogen hóa amin thơm không cần sử dụng xúc tác là axit Liuyt. Anilin phản ứng với brom trong nước, cũng như trong dung môi hữu cơ đặc biệt dễ dàng sinh ra 2,4,6-tribromanilin kết tủa trắng : fBr, + '> Br NH2 r v Br Br COOH (75%) paraMuốn brom hóa chỉ một vị trí của anilin ta cần làm giảm ảnh hưởng hoạt hóa của nhóm amino bằng cách axyl hóa : ể (V -N H 2 (CH3CQ)2Q > NHCOCH3 -------- B r 2 - > \\ __ / 2 \\ ___/ CH^COOH, 50 c —i> Br V-NHCOCH3 — — > Br — V- NH: nước - etanol 299

bD)j NiMitiro hnóoa Amin thơm dễ dàng bị nitro hóa dưới tác dụng của hỗn hợp nitro hóa (axit nitric và axit suníuric), cũng như của dung dịch axit nitric trong axit axetic hoặc anhiđrit axetic. Do đó người ta phải nitro hóa dẫn xuất axyl của amin. Khi đó ta nhận thấy có sự định hướng khác nhau đối với các tác nhân nitro hóa khác nhau. O N H C 0 CH 3 -— H^N° 3 .-> 0 2N - ^ - N H C 0 CH3 + < ^ ^ - N H C O C H 3 (90%) no2 (vết) t - Q -1 <^^-N H C O C H 3 (77%) no2 (23% ) (Vnhcoch3 — > 0 2n —ể NHCOCH3 + <^^-N H C O C H ; \\—/ J (CH3C 0 )20 l \\—/ J no2 20°c (70%) (30%) ortho,Thí dụ trên cho thầy hệ tác nhân HNO3 - (CH3 C 0)20 định hướng nitro hóa vào vị trí còn nhóm axyl có thể tách đi nhở sự thủy phân bằng axit. c) Sunfo hóa Mới đầu anilin tác dụng với axit sunfuric tạo thành anilin sunfat, rồi tách nước thành axit phenylsuníamic, cuối cùng thành axit suníanilic : NH3HSO4 N H -SO 3H H2SO4 , chuyên vị hay 180°c - HOH Anilin SO3H Axit sunfanilic Tương tự anilin, 1 -naphtylamin bị sunfo hóa cho ta axit naphthionic : NH2 nh7 H2SO4 SO3H Trong trưòfng hợp sunfo hóa amin thơm bằng một lượng dư axit sunfuric đặc, sẽ xảy + metara phản ứng sunfo hóa trực tiếp vòng benzen. Khi đó nhóm -N H 2 ở dạng - N H 3 định hướng nhóm sunfo vào vị trí : 300

Trong điều kiện như trên, sunfo hóa 1-naphtylamin sẽ sinh ra các axit 1,5- và 1,6 -naphtaIenaminosunfonic. Axit sunfanilic bắt đầu có vai trò quan trọng trong y học từ năm 1934 khi người ta phát hiện thấy rằng nhiều amit của nó (các sunfamit) có tính kháng sinh cao và được dùng để điều trị bệnh. Dưới đây dẫn ra một số suníam it: h2n ^ V s o 2n h 2 / > h 2 n c 6 h 4 s o 2n h och3 N -{ ín Streptoxit Suníađimetoxit OCH N ----- j| NH AJ H - , N - f V s o 2NHc p - h 2 n c 6 h 4 s o 2n h s NH2 Norsunfazol Suníaguaniđin N— N CH AA N / > h 2 n c 6 h 4 s o 2n h s c 2 H ? / ?-h2 n c 6 h 4 s o 2n h \" n c h 3 Etazoi Sunfađimezin Các sunfamit được tổng hợp theo sơ đồ chung sau đây : (CH-ịC070 _ „ C lSO iH ; t° _______ rf~ \\ c 6h 5n h 2 - 2 >c6h 5n h c o c h 3 >c h 3 c o n h ^ \\ - s o 2c i —-Ĩ—+ /—CH3 C O N H -/ V s o 2n h x NH2X ___ / ~ \\ HC1; t° /\\ s o 2n h x ^ ...> h 2 n - < Người ta thường ví các suníamit như là “viên đạn kỳ diệu” bắn tiêu diệt vi trùng, vi khuẩn nhưng không gây tổn hại gì cho tế bào sống. d) Phản ứng fomyl hóa bởi hỗn hợp paraCác amin thơm bậc ba có thể được fomyL hóa vào vị trí đimetylfomamit và photpho oxi clorua (Vilsmeier, 1927). Phản ứng này được ứng dụng rộng rãi để fomyl hóa điankylanilin :

o(CH3)2N D P O C l, /\\ ^7 7 7 7 ; » (CH3)2N - y/ xx CHO + HCN(CH3)2 2) H ,0 o (80 - 85%) Phản ứng Vilsmeier thực chất là một trường hợp đặc biệt của phản ứng axyl hóa theo Friđen - Crap, với POCI3 đóng vai trò của axit Liuyt, và thời gian gần đây người ta ưa dùng chất xúc tác là oxalyl clorua C10C - COC1 hoặc thionyl clorua SOCl2. Tác nhân electrophin trong phản ứng Vilsmeier là muối clorimini, được sinh ra khi có sự tương tác của đimetylíomamit và photpho oxi clorua hoặc axit Liuyt khác : o o + C1 £0 C1 / °- p^ C1 C1 H- c\" H -C ' + C1 Q Ị(C H 3)2 C1 C n(C H 3)2 ọ C1 n __ Q Í - 0 - p C <=± H - C = N(CH3 ) 2 C1 1 cT C \" <C H 3>2 C1 C12 PƠ2 Muối clorimini chỉ phản ứng với hợp chất thơm có chứa nhóm đẩy electron mạnh NR2, NHR, OR, OH. Sản phẩm thế a-cloramin bị thủy phân đến anđehit bằng tác dụng của dung dịch natri axetat trong nước : NR2 - H+ Ị^Jl + C1CH=N(CH3 )2 < = > H C H -N (C H 3)2 C1 H20 : CH,COONa CHO H20 ; 60°c C1 N(CH3 ) 2 Benzen, ankylbcnzen và naphtalen không tham gia vào phản ứng này. Tuy nhiên, antraxen và azulen dễ dàng được fom yl hóa dưới tác dụng của hỗn hợp đimetylfomamit và photpho oxi clorua. Phản ứng Vilsmeier đặc biệt quan trọng trong phản ứng fomyl hóa các hợp chất dị vòng dãy pyrol, inđol và ihiophen. 302

13.11 Phương pháp điều chê Có rất nhiều phương pháp điều chế amin, ở đây ta chỉ xét một số phương pháp chung và quan trọng nhất. 13.11.1 Ankyl hóa trực tiếp amoniac và amin (Hofmann, 1849) Khi cho ankyl halogenua bậc một và bậc hai tác dụng với amoniac ta nhận được các amin. Đây là phương pháp đơn giản nhất tổng hợp amin bậc một, amin bậc hai và amin bậc ba, cũng như muối tetraankylamoni. Phản ứng của ankyl halogenua với amoniac và amin thuộc loại phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử ở nguyên tử cacbon no, trong đó amoniac hoặc amin đóng vai trò tác nhân nucleophin : RBr + n h 3 RNH3 Br RNH3 Br + n h 3 RNH2 + NH4+Bi­ RNH- + RBr Amin bậc một R2 NH2 Br R2 NH2 Br + NH3 R2NH + n h ^ Br R2NH + RBr Amin bậc hai R3 NH+ Br\" R3 NH+ Br“ NH3 r 3n + NH4 Br Amin bậc ba R,N + RBr R4 N + Br~ Muối amoni bậc bốn Tỷ lệ các sản phẩm của phản ứng phụ thuộc vào tỷ lệ các chất phản ứng ban đầu. Tãng lượng ankyl halogenua làm tăng tỷ lệ amin bậc ba và muối amoni bậc bốn, trong khi đó sự có mặt của lượng dư amoniac, hỗn hợp sản phẩm chủ yếu là amin bậc một và amin ởbậc hai. Tuy vậy, kể cả khi dùng amoniac ở lượng dư lớn cũng không thể dừng phản ứng giai đoạn chỉ tạo thành amin bậc một. Thí dụ cho một mol 1-bromoctan tác dụng với ba mol amoniac ở 20°c ta nhận được hỗn hợp gồm 45% octylamin, 43% đioctylamin và vết trioctylamin. Với lượng amoniac lớn hơn, tỷ lệ amin bậc một tăng lên nhưng amin bậc hai vẫn luôn có mật trong sản phẩm phản ứng : CH3 (CH2 )6 CH2Br + NH3 C 2 H 5 OH CH3 (CH2 )6 CH2 NH2 + 1 M 3M 25°c (45%) + [CH3 (CH2 )6 CH2]2NH + [CH3 (CH2 )6 CH2]3N (43%) (1% ) Như vậy, phản ứng ankyl hóa trực tiếp amoniac là phương pháp ít tiện lợi cho việc điều chế các amin bậc một, bậc hai và bậc ba tinh khiết. 21- HHCT2 303

Mặc dù có bản chất ion, nhiều muối amoni bậc bốn tan được trong dung môi không phân cực. Bốn nhóm ankyl liên kết với nitơ che chắn điện tích dương của nitơ làm cho ion tetraankyl amoni có đặc tính ưa dầu. Thí dụ, hai muối amoni bậc bốn tan được trong các dung môi ít phân cực như benzen, đecan và các dẫn xuất halogen của hiđrocacbon là metyl- ++ trioctylamoni clorua CH3 N(C8 H 1 7 )3 C1 và benzyltrietylamoni clorua PhCH2 N E t3Cl . Tính chất này của muối amoni bậc bốn được dùng làm chất xúc tác chuyển pha, nó đóng vai trò như một chất trung gian giữa hai pha không trộn lẫn nhau, hỗ trợ sự chuyển dịch chất nucleophin từ pha nước vào pha hữu cơ, cũng như chuyển dịch nhóm đi ra quay trở lại pha nước. Thí dụ, nếu ta muốn ion xianua phản ứng với 1-bromhexan thì gặp phải vấn đề khó khăn là hai chất ở hai pha khác nhau, NaCN chỉ tan trong nước, 1-bromhexan chỉ tan trong dung môi không phân cực nên hai chất không thể tiếp xúc với nhau. Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi dùng xúc tác chuyển pha R 4 N X : + CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2Br + CN r 4n x > C6 H n CN + Br 13.11.2 Ankyl hóa gián tiếp. Tổng hợp amin béo bậc một theo Gabriel Gabriel (1887) đã đề nghị phương pháp đơn giản và tiện lợi điều chế amin bậc một. Kali phtalimit được ankyl hóa bởi ankyl halogenua để sinh ra N-ankylphtalimit với hiệu suất cao. Tiếp theo, N-ankylphtalimit tác dụng với hiđrazin hiđrat trong etanol và chuyển thành amin bậc một. Tổng hợp Gabrieỉ là một trong những phương pháp tốt nhất điều chế amin bậc một từ dẫn xuất halogen bậc một và bậc hai nhưng không phải là ankyl halogenua bậc ba. Phương pháp này cũng được dùng rộng rãi để điều chế este của a-am ino axit. oo oo o 1) C2H5ONa, C2H5OH 2 ) QH5 CH2Br > 304

Bằng phản ứng Gabriel có thể tổng hợp đopamin, một chất điều hòa sự hoạt động của hệ thần kinh trung ương : CH2 CH2Br o o + NK c h 2 c h 2- n o o n h 2n h 2.h 2o c h 2c h 2n h : o c 2h 5o h + NH NH OH o Đopamin 13.11.3 Phương pháp khử a)Khử hợp chất nitro Các hợp chất nitro mạch không vòng và hợp chất nitro thơm đều có thể được khử đến amin bậc một. Phương pháp này quan trọng đối với hợp chất nitro thơm, nhận được bằng nitro hóa trực tiếp các aren (x. thêm Tập 1, chương 4). Sự khử có thể được thực hiện nhờ hiđro hóa xúc tác, cũng như dưới tác dụng của các tác nhân khử khác nhau như sắt và axit clohiđric, thiếc và axit clohiđric,... Dưới đây dẫn ra một số thí dụ điển hình. Fe + HC1 NH' s c 2h 5o h ' CHO SnCl; CHO HC1 (57%) Natri hiđrosuníua và natri đisunfua được dùng rộng rãi để khử một trong hai nhóm nitro trong vòng thơm : NO, N02

h ,n - ^ ^ - n o 2 Na2S, NaSH h 2n - / ? - n o , C2H5OH NOt h 2n (52 - 58%) Hợp chất nitro mạch không vòng cũng có thể được khử đến amin bậc một và chất khử tốt nhất là hệ bột sắt - sắt (II) sunfat trong H20 - H2 S 0 4. _ __ Fe. FeS04 HOCH2- c - NOo h o c h 2- c - n h 2 2/ \\ 2 —> /\\ h 20 - h 2s o 4 h 3c c h 3 h 3c c h 3 CH3 (CH2 )5 CHCH3 NaNO, „„ Fe, FeSOj ........... ... Br — — > CH3 (CH2 )5 CHCH3 -^ r Ì 7 ~ > C H 3( C H 2)sỌ H C H 3 h 20 - h 2s o . NO n h 2 (90%) Tuy vậy, sự khử các nitroankan không được phổ biến rộng rãi lắm, bởi vì amin mạch không vòng là lớp hợp chất dễ kiếm hơn nitroankan. b) Khử các hợp chất có chứa nitơ bj) Khử nitrin CH3 CH2 CH2 CH2 C =N H- c h 3c h 2c h 2c h 2c h 2n h 2 * Pentannitrin (91%) Ni Raney CN lía ih 4 CH2 NH2 ch3 ete ch3 b2) Khử amit o LiAlR CH2 N(CH3 ) 2 ete, 36 c < ^K C N (C H 3)2 (8 8 %) Đối với các amit không thế, ta có thể thay L1 AIH4 bằng điboran, hiệu suất phản ứng sẽ tốt hơn : (CH3 )3 CCNH2 b2h 6 (CH3 )^CCH ,N H 2 (79%) 0 ,> THF, 0 c 306

bị) Khử az.it Đây là phương pháp tiện lợi điều chế amin bậc một. Tác nhân khử có thể là LiAlH4 hoặc khử xúc tác với sự có mặt của Pd/BaS04 : C6 H5 CH2 CH2Br + NaN3 C2 H5OH c 6h 5c h 2c h 2 - n = n = n C6 H5 CH2 CH2 - N = N = N + LiAlH. ete ( 86%) C6 HsCH2 CH2 NH2 (89%) Hiệu suất của quá trình hai giai đoạn này thường rất tốt, nhưng có hạn chế là các azit có khối lượng phân tử thấp dễ gây nổ. b 4) K h ử o x i m Khi cho anđehit hoặc amin tương tác với hiđroxylamin ta nhận được oxim với hiệu suất gần như toàn lượng. Khử oxim bằng lithi nhôm hiđrua hoặc bằng natri xian bo hiđrua đến amin bậc một. Đây là phương pháp đặc biệt thuận lợi để chuyển hóa nhóm cacbonyl thành CHNH2 hoặc CH2 NH2 : NOH 1) L 1A IH 4 , ete ♦ o\\ __</ N\\H2 2) H3O\" Xiclohexylamin (80%) NOH 1) NaBH^CN, CH3OH o 2) CHiCOOH C *N H 2 (81% ) 13.11.4 Amin hóa - khử hợp chất cacbonyl Các imin được tạo thành từ anđehit hoặc xeton và amoniac, khi hiđro hóa với sự có mặt của xúc tác niken, sẽ được khử hóa đến amin bậc một (x. thêm mục 1 1.3.8c): C6 H5 - C - H + NH3 ĩH ?0 c 6h 5- c - h H 2/N i JL ị NH - > c 6h 5c h 2n h 2 90 atm , 70 c 0 Im in Phản ứng amin hóa - khử được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để tổng hợp amin bậc một, đặc biệt trong hóa dược để điểu chế các amin có hoạt tính sinh học, thí dụ tổng hợp amphetamin. Trước đây amphetamin được dùng làm chất điều hòa hệ thần kinh trung ương, nay được xếp vào loại ma túy rất nguy hiểm : c 6h 5 - c h 2 - c - c h 3 NH3 c 6h 5 - c h 2- c h - c h 3 ĩ H2/Ni nh2 ỏ A m phetam in 307

13.11.5 Phản ứng chuyển vị Hopman (August w. Hofmann) Khi cho amit tác dụng với clo hoặc brom trong dung dịch kiềm, amit được chuyển hóa thành amin, trong phân tử có ít hơn amit ban đầu một nguyên tử cacbon. Do đó phản ứng được gọi là thoái phân Hopman. R - C O - N H 2 + Br2 + 4NaOH ------> R - N H 2 + 2NaBr + Na2 C 0 3 + 2H20 Amit bâc môt Amin Thí dụ : o CH3 CH2 CH2 CH2 CH2- c - n h 2 Cl2. OH ■> CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 - N H 2 H ,0 1-Pentanamin Hexanamit (90%) Br o Br2, KOH Br H ,0 NH b - l NH2 wỉ-Brcmobenzamit m-Bromoanilin (87%) Cơ chế của chuyển vị Hopman : Bước một là thay thế một hiđro của nitơ bằng halogen do proton của N - H có tính axit yếu và có thể bị đeproton hóa khỏi phân tử amit. Amit đã tách proton là một chất nucleophin mạnh : c OH •o - Ọ / Br ỌH R -C -N : ĩ R - Cĩ - NO:\\' ■> R - C - N :\\ H H Amit bậc một Amit đeproton N-Bromamit Hiệu ứng hút electron của brom trong N-bromamit làm cho sự đeproton hóa còn dễ dàng hơn amit bậc một ban đầu. Nhóm R chuyển dịch từ cacbon đến nitơ và brom tách khỏi nitơ. Đây thực sự là bước chuyển vị tạo ra N-ankylisoxianat trung gian : c~OH o : 0 :\\ -> R -N = C = Ộ ;+ Br -> R - C Ọĩ <yH R -C 'ỉN -B r X R -C -N : N -B r \\ •• ^ Br N-Bromamit N-Bromamit đeproton Isoxianat 308

[soxianat nhanh chóng phản ứng với nước, cho axit cacbamic : •• - ,* •, :ọ : Ọ . . . II .. 1 <R - N = c = ộ : ------> R —N = C —OH ---- >R—N —C —OH •• OH ẸỌ Isoxianat H—O—H I II >R -N -C -O H + OH •• Axit cacbamic Tiếp theo là sự đecacboxyl hóa axit cacbamic để sinh ra amin : o c> •• II (~)ỊJ •• II •( \\ — R -N H -C -0-H R - N H - C - 0 ------ > R - N - H + 0=c = 0 (+■ •• H—o —H R -N -H — > R -N H 2 + OH Phản ứng chuyển vị Cuatiut (Curtius) cũng nhằm mục đích tổng hợp amin bậc một, giống như chuyển vị Hopman, do đó nó có cơ chế tương tự và đều sinh ra sản phẩm trung gian isoxianat. Clorua axit phản ứng với natri aziđua sinh ra axyl azit, khi đun nóng axyl azit tiếp nhận chuyển vị C uatiut: o NaN- o í Õ ín HoO ìĩ \\J c A. <— > c v + / \\ .. + R C1 \\ R ~ •N• —N = N : R ^ N•• Tv vN = N : Axyl azit > R - N•• = c = ộ :• H2° > R - N H 2 Isoxianat Phản ứng chuyển vị Hopman chỉ xảy ra với amit bậc một, nếu amit là chất quang hoạt, sản phẩm amin có cùng cấu hình với amit ban đầu, nghĩa là phản ứng xảy ra với sự bảo toàn cấu hình : HO Na0H H c 6h 5c h 2 ‘Ị ĩ Br2; ĩNaOH- > c 6h 5c h 2 c —cnh2 h20 / c - nh2 /2 ch3 ch3 (S ) - ( + ) - 1-Phenyl-2-propanamin (5)-(+)-2-Metyl-3-phenylpropanamit Phản ứng Hopman được dùng để tổng hợp các amin bậc một khó điều chế bằng các phương pháp khác, thí dụ xiclobutylamin. 309

13.12 Giới thiệu các chất tiêu biểu • Các m etylam in (metylamin, đimetylamin và trimetylamin) là những chất khí, có mùi tương tự amoniac, tan tốt trong nước và các dung môi hữu cơ có cực. Trong công nghiệp, các metylamin được dùng để sản xuất thuốc trừ sâu, trừ nấm, thuốc chữa bệnh, thuốc nổ, nhựa trao đổi ion và các sản phẩm khác của tổng hợp hữu cơ. • Các etylam in (etylamin, đietylamin và trietylamin) là những chất lỏng không màu, có mùi đặc trưng, tan tốt trong nước, etanol và ete. Tương tự metylamin, trong công nghiệp người ta điều chế etylamin bằng cách ankyl hóa amoniac bằng etanol hoặc ankyl hóa - khử axetanđehit. Etylamin được dùng trong sản xuất thuốc chữa bệnh, các chất phòng trừ dịch hại, chất dẫn dụ côn trùng, chất tăng tốc lưu hóa cao su, chất ức chế ăn mòn kim loại. • Etylenđiam in H2 NCH2 CH2 NH2 là chất lỏng không màu, tan trong nước. Nó được điều chế bằng cách amon phân 1 ,2 -đicỉoetan và được dùng trong sản xuất chất hoạt động bề mặt, chất diệt cỏ, thuốc trừ sâu. • Hexametylenđiamin H2 N(CH2 )6 NH2 là chất kết tinh dễ nóng chảy. Trong công nghiệp nó được điều chế bằng hiđro hóa xúc tác đinitrin của axit ađipic : N = C -(C H 2)4- C = N --11* Nl >H2N -(CH 2)6-N H 2 Hexanđinitrin Hexametylenđiarnin Hexametylenđiamin được dùng trong sản xuất polihexametylenađipinamit, dùng làm sợi poliamit nylon. • Anỉlin C6 H5 NH2 là chất lỏng không màu, có mùi nhẹ tương tự mùi benzen, để ngoài không khí bị oxi hóa chuyển thành màu vàng nâu, rồi nâu đen và có mùi khó ngửi. Anilin độc, nồng độ giới hạn cho phép trong không khí là 0,1 mg/m3. Anilin được phát hiện bốn lần : khi chưng inđigo với vôi (1826); chưng inđigo với kali hiđroxit (F. Runge, 1834) ; trong nhựa than đá (1841) ; khử hóa nitrobenzen (N. Zinin, 1842). Trong công nghiệp, anilin được điều chế bằng nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp thường dùng là khử nitrobenzen bằng sắt trong axit clohiđric 30%. Người ta cũng khử nitrobenzen bằng cách hiđro hóa dùng xúc tác đồng - niken ở 250 - 350°c, hoặc dùng phương pháp chuyển hóa trực tiếp phenol thành anilin ở pha hơi với xúc tác nhôm - silicat: c 60h35o h + n h 33 zA I2O VSÌO 2 + h z2o 300 - 600 c > c 06 h 35 n h z2 (93%) Hiện nay hơn 50% sản lượng anilin toàn cầu được dùng sản xuất chất ổn định và chất tăng tốc lun hóa cao su. Nó cũng được dùng nhiều để sản xuất isoxianat trong sản xuất poliurethan. Anilin cũng còn được dùng để sản xuất phẩm nhuộm, thuốc chữa bệnh, vật liệu nhiếp ảnh, hóa chất bảo vệ thực vật và caprolactam. 310

• Các toluđin CH3 C6 H4 NHi là những hợp chất tinh thể khống màu, có mùi dặc trưng, đế ngoài không khí bị 0 X1 hóa nhanh và thẫm màu lại. Toluđin được điều chế bằng cách khử hóa nitrotoluen và được dùng trong sản xuất các loại phẩm nhuộm khác nhau (phẩm nhuộm triphenylmetan, phẩm nhuộm azo, ...) cũng như để điều chế cresol. Toluđin cũng như một số amin thơm khác có tính độc và là tác nhân gây ung thư. • Các naphtvlamin là những chất tinh thể không màu, để ngoài không khí bị thẫm màu do bị oxi hóa, tan tốt trong etanol và ete, tan ít trong nước. 1-Naphtylamin (a-naphtylamin) được điều chế bằng cách khử 1 -nitronaphtalen bằng natri sunfua hoặc bằng hiđro với xúc tác. Đối với 2-naphtylamin (P-naphtylamin) có một phương pháp điều chế có thể chấp nhận được là dùng phản ứng Bucherer. 1-Naphtylamin được dùng trong sản xuất phẩm nhuộm, N-phenyl-l-naphtylamin được dùng làm chất chống oxi hóa trong sản xuất cao su. 2-Naphtylamin là tác nhân gây ung thư mạnh, do đó nhiều nước đã hạn chế hoặc ngừng hẳn việc sản xuất hóa chất này. 13.13 Am oni hiđroxit bậc bốn. Quy tắc tách theo Hopman Khi cho muối amoni halogenua bậc bốn tác dụng với hỗn hợp bạc oxit trong nước ta nhận được amoni hiđroxit bậc bốn : 2 R4 NI ~ Bạc oxit + Ag20 + H20 -------- Amoni iođua bậc bốn Amoni hiđroxit bậc bốn Bạc iođua Thí dụ : 2CH3 CHCH2 CH3 + Ag20 -----> 2CH3 CHCH2 CH + N(CH3)3~I N(CH3)3\"O H sec-Butyltrimetylamoni iođua íec-Butyltrimetylamoni hiđroxit Sản phẩm phản ứng tan trong nước, sau khi lọc bỏ kết tủa Agl và cho bay hơi dung dịch sẽ nhận được amoni hiđroxit bậc bốn rắn. Amoni hiđroxit bậc bốn là những bazơ mạnh, không bền đối với nhiệt, khi đun nóng sẽ xảy ra phản ứng tách tạo thành anken (riêng trường hợp tetrametylamoni hiđroxit cho m etanol): (CH3 )4 NOH~ ------ > (CH3)3N + CH3OH CH3 CHCH2 CH3 15Q°C > CH2 = C H C H 2 CH3 + CH3 C H = C H C H 3 + (CH3)3N + H20 N (C H 3)3~ O H But-l-en (95%) But-2-en (5%) cis- và trans- ^C-Butyltrimetylamoni hiđroxit 311

quytắcHopman,Phản ứng tách của amoni hiđroxit bậc bốn xảy ra theo Phảnứngtáchlãitiênchạytheohướngtạoquy tắc Zaixep (x. Tập 1 , mục 8.3.2), tức là : thànhankencóítnhómthếởc 2 • ngược với sp Để giải thích quy tắc Hopman, ta có thể dựa vào yếu tô' không gian. Như đã biết, trans,phản ứng E2 xảy ra theo kiểu nghĩa là nhóm X như N(CH3 ) 3 bị tách đi cùng với antinguyên tử hiđro ở vị trí đối với nó. Như vậy, khi phản ứng tách ở Sé-c-butyltrimetylamoni hiđroxit xảy ra theo quy tắc Hopman thì có thể xuất phát từ cấu dạng (I) (nhìn theo liên kết C2 - Cj) bền hơn. Trong khi đó cấu dạng (II) (nhìn theo liên kết C2 - c 3) có thể dẫn tới sản phẩm Zaixep lại kém bền do có sự đẩy nhau giữa hai nhóm CH3 và N(CH3)3. HO H H (E2) HọO + c=c + :N(CH3 ) 3 íI -c -c - 1 N(CH3 ) 3 Xem thí dụ ở hình 13.2. HO ĩ H3 4 Nhìn theo c 2—> c - h 20 (CH3)3N H CH2 CH3 ; N(CH3 ) 3 But-l-en (sản phẩm chính) Nhìn theo c 2— > Cịị - h 20 h^ ch3 - (CH3)3N CH3 h But-2-en (sản phẩm phụ) Hình 13.2 Công thức chiếu Niumen biểu diễn các cấu dạng của sec-butyltrimetylamoni hiđroxit trong phản ứng tách Hopman Phản ứng tách E2 của các hợp chất oni và các hợp chất khác có X cồng kềnh xảy ra theo quy tắc Hopman thuận lợi hơn theo quy tắc Zaixep. Hiệu suất của sản phẩm Hopman nói chung tăng theo kích thước của nhóm X. Thí dụ tỷ lệ phần trăm pent-l-en sinh ra từ CH3 CH2 CH2 CHXCH3 biến đổi theo X như sau : Br : 31%, OTs : 48%, S(CH3 ) 2 : 87%, S 02 CH3 : 89% và N (CH 3 ) 3 : 98%. Phản ứng tách Hopman được dùng để xác định cấu tạo của các amin, các ancaloit thiên nhiên. Tuy vậy, hiện nay ứng dụng này đã được thay thế bằng các phương pháp phổ. 312

Hóa học lập thê của họp chất amoni bậc bốn Khảo sát các hợp chất amoni bậc bốn bằng thực nghiêm người ta thấy rằng các ion [abcdN] cũng có cấu trúc tương tự hợp chất Cabcd ; nếu a, b, c, d là những nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau thì có thể xuất hiện đồng phân quang học : a / \\ \\ \\ / \\ / \\ \\ /+ \\ / \\ + \\\\ N \\ Mặt phẳng đốì xứng Thực vậy, người ta đã thành công trong việc tách riêng alyl benzyl metyl phenyl amoni iođua và các muối amoni bậc bốn khác thành các đối quang. Quan sát cấu trúc của cation ta nhận thấy nó không có mặt phẳng cũng như tâm đối xứng nào (x. hình 13.3). C6H 5CH2 c h 2c h = c h 2 Hlnh 13.3 Cấu tạo tứ diện của hai đối quang của cation alyl berưyl metyl phenyl amoni iođua Dùng phương pháp nhiễu xạ tia X để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các tetrametyl và tetraetyl amoni halogenua người ta đã chứng minh được sự định hướng tứ diện của các nhóm thế trong cation. Còn cấu hình của nitơ hóa trị bốn thì được chứng minh bằng cách tách riêng 4-phenyl-4’-cacbetoxi-ốứ-piperiđinspiran bromua ra thành các đối quang tương ứng với [M]jy8 ± 4 5 °. Trên hình 13.4 ta có thể nhận thấy một cách dễ dàng rằng cation này không có một yếu tố đối xứng nào cả. Br r c^>BOr C< C2 H5OOC „ / — \\+ H> c o < Hình 13.4 Hai đối quang của 4-phenyl-4’-cacbetoxi-b/s-piperiđinspiran bromua Các hợp chất amoni quang hoạt thường dễ tự raxemic hóa. Nếu trong hợp chất [abcdN]+X~, X là F hay S 0 4H thì sự raxemic hóa xảy ra khó hơn khi X là ơ , Br hay I. Trong dung dịch nước sự raxemic hóa xảy ra khó hơn trong dung môi không phân cực, thí dụ trong cloroíom. 313

Nguyên nhân của sự raxemic hóa các hợp chất amoni quang hoạt là vì có cân bàng giữa hợp chất amoni và amin : >R,N + RX [R4N fX Từ hiện tượng quang hoạt ở các hợp chất amoni bậc bốn ta có thể nghĩ rằng các amin bậc ba R |R 2 R3N và amin bậc hai R |R 2HN cũng có thể có tính quang hoạt. Trường hợp amin bậc hai etylmetylamin chẳng hạn có bốn nhóm thế khác nhau xung quanh nitơ : hiđro, nhóm etyl, nhóm metyl và cặp electron. Như vậy, về mặt hình học phân tử này là tứ diện, là bất đối xứng và phải tồn tại ở hai dạng đồng phân đối quang : 0 H C2 H5 CH, C2H5 Tuy nhiên, trong thực tế người ta thường không tách được etylmetylamin thành các đối quang riêng biệt vì có sự chuyển dịch cân bằng rất nhanh giữa hai dạng đối quang : H,c C2H5 h 3c - ^ n H H a \\ \" CH c2h 5 c 2h 5 I_________ Nếu ta có cách gì kìm hãm sự chuyển dịch tương hỗ đó thì có thể nhận được chất quang hoạt. Thực vậy, một điamin có cấu trúc cứng nhắc gọi là bazơ Trogie đã được tách thành hai chất đối quang (x. Tập 1, mục 6.3). Tương tự như bazơ Trogie, các amin khác đơn giản hơn mà có cấu trúc cứng nhắc ở nguyên tử nitơ cũng có đồng phân quang học : H i C COCH2CH2COOH h 3c c o c h 2c h 2c o o h N h 3c ^ Ã /C H 3 13.14 Hợp chất azoxi 13.14.1Điều chê Hợp chất azoxi được điều chế bằng cách khử hợp chất nitro nhờ etanol khi có mặt một lượng nhỏ kiềm (Zinin, 1842). Thí dụ : 314

2C6 H5 N 0 2 + 3C2 H5OH kiém > C6 H5N = NC6 Hs + 3 CH3 CHO + 3H20 Nitrobenzen 0 Azoxibenzen Các sản phẩm trung gian sinh ra trong quá trình khử nói trên là nitrosobenzen và phenylhiđroxylamin, hai chất này tương tác với nhau tạo thành azoxibenzen : C6 H5 - N H + N - C 6 H5 -----» C6 H5 - N = N - C 6 H3 I II - h 20 ồ- * ỎH 0 o Hợp chất azoxi cũng có thể được điều chế bằng cách oxi hóa trực tiếp hợp chất azo : C6H5- N= N- c ốu .51 --C-H-3—C O —> C6H5- N= N—C6H5 ò5 ò- ị b OH Azobenzen 0 Azoxibenzen 13.14.2 Cấu trúc Nhờ khảo sát hợp chất azoxi không đối xứng, có chứa hai gốc C6 H5 - và /?-BrC6 H4 - người ta nhận thấv chúng tồn tại ở hai dạng khác nhau với nhiệt độ nóng chảy lần lượt là 73 c và 92°c : p-BrC6 H4—N = N - C 6 H3 p-BrC6 H4- N = N - C 6 H5 0 0 tnc : 73°c tnc: 92°c cis-trans(syn-anti).Do sự có mặt của nối đôi N = N, hợp chất azoxi có thể tồn tại ở hai dạng đồng phân Thí dụ azoxibenzen có hai dạng khác nhau như sau : C6 H5 ^ / C6 H5 / C6 H5 o c 6h 5 o c/í-Azoxibenzen /rữ/ỉj-Azoxíbenzen tnc : 84°c tnc: 36°c ụ = 4,7D H = 1 ,7 D 13.14.3 Tính chất hóa học Khi bị khử, hợp chất azoxi sẽ chuyển thành hợp chất azo tương ứng. Thí dụ : Q íH s-N -N-QH, S L > Q H ,-N =N -Q H , ĩ - h 2u o Khi cho azoxibenzen tác dụng với axit, nguyên tử oxi sẽ chuyển dịch vào vòng thơm : N =N ^^> ả%H 2 S ° 4 N=N— OH 0 />Hiđroxiazobenzen Azoxibenzen 315

Hiện tượng trên được gọi là sự chuyển vị Valac (Wallach, 1880). Sự chuyển vị trong môi trường axit có thể bắt đầu bằng sự proton hóa rồi tách nước và kết hợp nước, cuối cùng kết thúc bằng sự tách proton : QH,N = N ^ 3 QH,N = N ^ 3 C6H,N = N = ( ^ ) í H 0 +o h 2 + — > Q H 5 N - N - ( ^ > < “ 2 — ^ C6 H5 N - N ^ Q ^ O H Khi chiếu sáng thật lâu, đồng phân có oxi ở xa brom (tnc 92°C) sẽ chuyển vị thành 2-hiđroxi-4-bromazobenzen : B r -^ > N = N -{3 0 OH Hai đồng phân cấu tạo của />bromaz.oxibenzen tham gia chuyển vị Valac trong axit đều sinh ra /?-brom-p’-hiđroxiazobenzen : B r-/~ V - N= N—/ V - OH 13.15 Hợp chất azo Hợp chất azo có chứa nhóm - N = N Các hợp chất azo loại R - N = N - H thường rất kém bền, dễ phân hủy thành RH và giải phóng nitơ. Hợp chất azo loại RN = NR bền hơn rất nhiều, nhất là khi R là gốc thơm ; dưới đây ta sẽ nghiên cứu loại hợp chất này. 13.15.1Điều chê Hợp chất azo có thể được điều chế bằng cách khử hợp chất azoxi (x. mục 13.4) hoặc oxi hóa hợp chất hiđrazo. Thí dụ : CH3 N H -N H C H 3 K2 Cĩ2 0 7 CH3N =N C H 3 „H^2 S7U-4...> Đimetylhiđrazin Azometan đối xứng ts l,5°c Trong số những hợp chất azo loại béo, quan trọng hơn cả là các azonitrin (làm chất khơi mào trong tổng hợp cao phân tử). Azoisobutyronitrin được điều chế từ hợp chất hiđrazo tương ứng, hợp chất hiđrazo này lại được điều chế từ axeton : 2HCN „ „ H2N -N H 2 2(CH3 )2 C = 0 ... > 2(CH3 ) ,C - O H > (CH3 )2 C - N H - N H - C ( C H 3 ) 2 I - 2H20 II C= N C= N C —N Axeton Axetonxianhiđrin H idrazo-ò/5 -isobutyronitrin 316

(CH3 )2 C - N H - N H - C ( C H 3 ) 2 (CHj)2 C - N - N - C ( C H 3)j Z rlu C=N C —N C —N C=N Azo-6 /'s-isobutyronitrin tnc 109°c Các hợp chất azo thơm được điều chế bằng cách khử hợp chất nitro hoặc ngưng tụ hợp chất nitroso với amin. Thí dụ : 2C6 H5 N 0 2 + 4Sn(ONa) 2 - H29 _ > C6 H5 - N = N - C 6 H5 + 4Na2 SnQ3 + NaOH C6H5NH2 + ONC6H5 - h 2o » C6 H5 —N = N —C6 H5 Các hợp chất azo thơm có chứa nhóm thế đẩy electron mạnh ở một hoặc cả hai vòng thơm được điều chế từ hợp chất điazoni (x. mục 13.17.3). Đây là phương pháp rất quan trọng để tổng hợp các phẩm nhuộm azo. 13.15.2 Tính chất vật lý. Đồng phân cis - trans Azometan CH3N = NCH3 là chất khí, ts l,5°c, trong khi đó azobenzen cis-trans.C6 H5N = NC6 H5 lại là chất rắn. Do có nối đôi - N = N ở hợp chất azo xuất hiện các đồng phân Thí dụ azobenzen có hai dạng với công thức cấu tạo và tính chất vật lý khác nhau như sau : c6h 5 c6h 5 c6h 5 1,25 Ẳ N= N NN c6h 5 cừ-Azobenzen /ratts-Azobenzen V = 1511 c m 1 ^max = 3 2 4 nm (£max : 15.000) t„c = 68°c ụ=0 V = 1418 cm 1 ^max = 317 nm (8max : 20.000) íram'-Azobenzen là dạng bền vững, trong các quá trình tổng hợp ta thường thu được dạng này. Khi chiếu sáng bằng tia tử ngoại, í/'<mv-azobenzen chuyển hóa một phần thành cis cis trans.dạng kém bền hơn. Trong ánh sáng ban ngày dạng lại chuyển thành Nhiệt của quá trình này là - 11 kcal/mol, nãng lượng hoạt hóa bằng 23 kcal/mol. 13.15.3 Tính chất hóa học Hợp chất azo là những chất trung tính, nói chung không tác dụng với axit và bazơ trong dung dịch nước ở điều kiện thường. Các axit vô cơ mạnh, đặc như H2 S 04, HC1,... có thể tác dụng với azobenzen tạo thành “muối” có dạng quinoit. Thí dụ : 317

Sản phẩm trên dề dàng bị thủy phân tạo thành hợp chất azo ban đầu. Hợp chất azo dề bị khử bới hỗn hống natri hay kẽm trong kiềm tạo thành hợp chất hiđrazo. Nếu dùng các chất khử mạnh như HI, SnCU hoặc hiđro hóa có mặt chất xúc tác thì liên kết N - N sẽ bị đứt ra tạo thành amin bậc một. Thí dụ : C6 H3 N = N C 6 H 5 C6 H5 NH=NHC6 H5 2C6 HsNH2 Azobenzen Hiđrazobenzen Anilin Họp chất azo có khuynh hướng phân hủy bởi nhiệt tạo thành nitơ và gốc tự do : R—N = N —R — 2R* + N2 Nhiệt độ cần để thực hiện quá trình trên có liên quan với độ bền của gốc tự do R*. Gốc R* càng bền, phản ứng phân hủyhợp chất azo càng dễ dàng. Thí dụ : CH3 - N = N - C H 3 450 - 550°c • N2 -------- — ---- > 2CH3 + (CH3 )2 C - N = M - C ( C H 3 )2 6 0 ' 1 0 0 - > 2 (CH3)2C + n 2 CN CN CN Các hợp chất azo thơm bền vững hơn hợp chất azo dãy béo rất nhiều. Khi đun nóng tới 300°c azobenzen vẫn chưa bị phân hủy. 13.16 Dẩn xuất hữu cơ của hiđrazin Khi thay thế một hay nhiều nguyên tử hiđro trong phân tử hiđrazin HUN - NH2 bằng những gốc hiđrocacb-on ta sẽ được những dẫn xuất hữu cơ khác nhau của hiđrazin. Quan trọng hơn cả là các điarylhiđrazin đối xứng (gọi là hợp chất hiđrazo thơm) và monoarylhiđrazin. 13.16.1 Điarylhiđrazin đỏi xứng hay là hợp chất hiđrazo thơm Điarylhiđrazin tiêu biểu và quan trọng nhất là điphenylhiđrazin đối xứng hay là hiđrazobenzen C6 H5NH - NHC6 H5. Chất này thường được điều chế bằng cách khử azobenzen bởi chất khử yếu hoặc khử nitrobenzen bằng kẽm và NaOH. Hiđrazobenzen là chất rắn kết tinh, không màu, dễ bị đehiđro hóa trong không khí tạo thành azobenzen. Khử hiđrazobenzen ta thu được anilin (x. mục 13.15). Đun nóng tới 200 - 300°c hiđrazobenzert chuyển thành azobenzen và anilin : c6h 5n - n c 6h5 c6h 5n = n c 6h 5 + HH 200^300^ c6h 5n h - n h c 6h 5 c6h 5n h 2 h 2n c 6h 5

Cũng có thể chuyển hiđrazobenzen thành azobenzen bằng cách oxi hóa : c 6h 5 - n h - n h - c 6h 5 [0 ] ■> c 6 h 5 - n = n - c 6 h 5 + h 2 0 Trong môi trường axit vô cơ mạnh, hiđrazobenzen chuyển vị thành benziđin, ta gọi đó là sự chuyển vị benziđin : ^ H2n - T S - T V n h , chuyển vị Benziđin (/;,p'-Điaminobiphenyl) Hiđrazobenzen 128°c tnc 131°c Trong phản ứng trên, ngoài benziđin (chiếm 85%) còn sinh ra điphenylin hay o,p'-ỡ,p’-điaminobiphenyl (chiếm 15%) là sản phẩm của sự tổ hợp và những lượng rất nhỏ của các sản phẩm tổ hợp khác : NH p-Xemiđin Ỡ-Benziđin paraNếu ở vị trícủa một vòng benzen đã có sẩn nhóm thế N(CH3)2, CH3 C0 0 hay halogen, phản ứng sẽ tạo ra chủ yếu là dẫn xuất của điphenylin : X paraNếu nhóm thế X ở vị trí của một vòng là NH7 hay CH3 CONH thì ta sẽ được dẫn p-xtxuất của miđin (hay p-aminođiphenylamin), còn nếu nhóm thế X là CH3 hoặc CH3 O ta xemiđin. chuyểnvịsẽ được o-xemiđin (hay o-aminođiphenylamin). Khi ấy sự chuyển vị được gọi là nh2 X - / V nh-^ V -nh, Dản xuất của p-xemiđin Dản xuất của 0 -xemiđin 2 2- HHCT2 319

p pTrong trường hợp cả hai vị trí và ’ đều bị chiếm bởi nhóm CH3 hoặc C1 ta cũng được dẫn xuất của o-xemiđin. Sự chuyển vị benziđin thuộc loại chuyển vị nội phân tử, vì khi cho hỗn hợp hai hiđrazobenzen khác nhau tham gia phản ứng ta không thấy sinh ra sản phẩm chéo III. N H -N H - (I) (II) 2H+ (III) Các kết quả nghiên cứu động học cho biết sự chuyển vị benziđin có bậc một đối với hiđrazobenzen và bậc hai đối với axit. Như vậy chắc rằng phân tử hiđrazobenzen đã bị proton hóa ở cả hai nguyên tử nitơ. H HH /\\ 2H+ Hiđrazobenzen Sự có mặt hai nguyên tử nitơ mang điện dương ở cạnh nhau làm cho liên kết N - N vốn có năng lượng không lớn (32 kcal/mol) trở nên yếu hơn ; còn hai vòng benzen ở gần nhau lại có thể kết hợp với nhau tạo ra benziđin : nh2 NH ì -» - 2H+ / - \\ỉ HH 13.16.2 MonoaryIhiđrazin Monoarylhiđrazin đơn giản và quan trọng là phenylhiđrazin, chất này thường được điều chế từ anilin theo sơ đồ sau : 320

C6 H3 NH2 + HONO + HC1 --------> C6 H5 N = N C f + 2H20 C6 H5 N = N C f + Na2 S 0 3 --------> C6 H5 N = N S 0 3Na + NaCl C6 H5 N = N S 0 3Na + 2H - SQ---> C6 H5 N H - N H - S 0 3Na C6 H5 NH—NH—S 0 3Na + HOH HC--> C6 H5 N H -N H 2 + NaHS04 Phenylhiđrazin là chất lỏng không màu, sôi ở 241°c. Đó là một bazơ yếu, có thể tạo muối với một đương lượng axit. Phenylhiđrazin là chất khử, tác dụng được với nước Felinh. Mặt khác, khi gặp chất khử mạnh như Sn + HC1 hoặc Hỉ, nó lại bị khử thành anilin và amoniac : C6 H3 - N H - N H 2 C6 H5 - N H 2 + NH3 Phenylhiđrazin được dùng làm chất thử cho hợp chất cacbonyl (x. mục 11.3). Một số dẫn xuất nitro của phenylhiđrazin cũng được dùng để nhận ra nhóm cacbonyl. 4-Nitrophenylhiđrazin là chất rắn, tnc 157°c, được điều chế từ 4-nitrobenzenđiazoni clorua : 0 2 N-<^ệ __VN =- NN =CN1 n ---------------->» 0O2 .NN-—<^/\"_\"_\"^'S- N H - N H 2 4-Nitrophenylhiđrazin 2,4-Đinitrophenylhiđrazin cũng là chất rắn kết tinh, tnc 197°c, được điều chế từ hiđrazin và 2,4-đinitroclobenzen theo sơ đồ : 02N ^ C 1 + 2H2N-NH2 o2n^ ^ - nh- nh2 + H2N-NH2.HC1 NO, NOo D. HỢP CHẤT ĐIAZO Các hợp chất điazo dãy thơm và các hợp chất điazo dãy béo khác nhau rõ rệt về cấu tạo, về tính bền và khả năng phản ứng. Quan trọng hơn cả là các hợp chất điazo thơm. 13.17 Hợp chất điazo thơm Hợp chất điazo thơm là những hợp chất trong đó một nguyên tử nitơ của nhóm azo - N = N - nối với gốc thơm, còn nguyên tử nitơ kia nối với dị tử. Thí dụ phenylđiazoamino- benzen C6 H5N = N - NHC6 H5, phenyloxiđiazobenzen C6 H5N = N - OC6 H5. Nếu cả hai nguyên tử nitơ nối với các gốc thơm, hợp chất được gọi là hợp chất azo thơm, thí dụ p-arrunoazobenzen p-H 2N - C6 H4 - N = N - C6 H5. Đại biểu quan trọng nhất của hợp chất 321

điazo thơm là muối arenđiazoni A r - N = NX . Các muối arenđiazoni với X là anion của axit mạnh c r , Br , HSO4 hoặc anion phức BF4“ , SnClg” , PF6” , SbF6” , HgCỈ3 , ... là những chất tinh thể ion điển hình. Độ tan trong nước và trong ancol của chúng được quyết định chủ yếu bởi bản chất của anion X”. Các arenđiazoni halogenua và arenđiazoni suníat tan tốt trong nước còn các muối với anion phức tan kém hơn. 13.17.1 Phản ứng điazo hóa amin thơm bậc một. Điều chê muối điazoni thơm Muối arenđiazoni được tạo thành khi cho amin thơm bậc một tương tác với axit nitrơ. Phản ứng được phát hiện năm 1858 bởi Grixơ (Gries) và ngay lập tức có ý nghĩa to lớn trong tổng hợp các hợp chất thơm khác nhau. Trong công nghiệp, muối arenđiazoni được dùng rộng rãi để điều chế phẩm nhuộm azo. Do đó phản ứng điazo hóa được xếp vào số các phản ứng hữu cơ quan trọng nhất và được nghiên cứu tỷ mỷ nhất. Sơ đồ phản ứng điazo hóa amin thơm bậc một là như sau : ArNH2 + N aN 02 + 2HC1 ------> ArN—NC1- + NaCl + 2H20 Theo phương trình trên, để điazo hóa cần hai đương lượng axit clohiđric, nhưng trong thực tế ta cần phải lấy axit clohiđric, axit suníuric hoặc các axit vô cơ mạnh khác với lượng không ít hơn ba đương lượng để khi phản ứng điazo hóa kết thúc pH không vượt quá 0,5 - 1,5. Cần thiết phải có môi trường axit cao để kìm hãm hai phản ứng phụ với sự tham gia của cation arenđiazoni tạo thành và amin thơm ban đầu. Một phản ứng phụ từ cation điazoni và amin thơm ban đầu (hợp chất aminoazo). Một phản ứng phụ khác từ cation điazoni và amin cho hợp chất điazoamino thường gọi là triazen. A rN = N + H2 N - A r ------> A r N = N - N H ~ A r ArN— N + Q - N H 2 ------■> A rN = N— NH2 Trong dung dịch với giá trị pH thấp làm giảm mạnh nồng độ amin tự do và điều đó cũng cản trở hai quá trình không mong muốn này. Điazo hóa là phản ứng phát nhiệt, thoát ra một lượng lớn nhiệt, mà muối điazoni lại kém bền nhiệt. Do đó, khi điazo hóa cần làm lạnh, giữ nhiệt độ trong khoảng 0 - 5°c. Trong đa sô' trường hợp, khi điazo hóa cần thêm chậm dung dịch nước của natri nitrit. Các amin có tính bazơ yếu như 2,4-đinitroanilin, 4-nitro-2,6-đicloanilin, aminoantraquinon ... được điazo hóa trong axit sunfuric đặc dưới tác dụng của nitrosylsuníat - anhiđrit hỗn tạp của axit sunfuric và axit nitrơ ở 20°c. Nó được điều chế bằng cách hòa tan natri nitrit khô trong axit sunfuric : 2H2 S 0 4 + N aN 02 ------ > ONOSO3 H + NaHS04 + H20 322

Cơ chê phản ứng điazo hóa Nghiên cứu cơ chế phản ứng điazo hóa, Ingon (Ingold, 1958) cho rằng phản ứng nàv bắt đầu bằng sự proton hóa axit nitrơ, rồi nitroso hóa amin ; tiếp theo là đồng phân hóa hợp chất nitroso và phân cắt điazohiđrat: ĩ=±H 0-N=0 + H+ <=> H2ỏ-N = 0 N = o + H20 C6 H5 - N H 2 + H2 ố - N = o * c 6h 3 - n h - n = o - H,0 (hoặc N = 0 ) Nitrosamin <■C6 H5 —N = N iT C6 H3 - N = N - O H lon điazoni Điazohiđrat Nếu trong nhân thơm của anilin có nhóm thế với hiệu ứng - c và - I như N 0 2, CN... tính bazơ của amin sẽ giảm, do đó phản ứng điazo hóa trở nên khó khãn (vì giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là nitroso hóa). Ngược lại, các nhóm thế có hiệu ứng + c > - I như OCH3, N(CH3)2... làm tăng tính bazơ của amin nên phản ứng điazo hóa trở nên dễ dàng hơn. Vì lý do trên các nitroanilin chỉ bị điazo hóa trong axit sunfuric đặc và đôi khi phải dùng tác nhân nitroso hóa mạnh nhất là axit nitrosylsunfuric. Độ hoạt động của các tác nhân electrophin trong phản ứng điazo hóa giảm dần theo thứ tự sau : N O » H2 N ơ ; > NOBr > NOC1 > N2 0 3 » H N 0 2 Khi điều chế muối điazoni người ta thường đem chuyển hóa ngay mà không tách chúng ra khỏi dung dịch vì chúng kém bền. Tuy vậy, bằng cách cho thêm muối hoặc axit thích hợp, người ta có thể cho muối điazoni kết tủa dưới dạng các muối phức. Thí dụ : C6 H5 - N i N HgClg, C6 H 5 - N Ì N B F 4“, C6 H5 - N Ì N S b C l Ị , C6 H s - N Ì N Z n C lJ , C6 H5 - N i N SbClg, ... Muốn nhận được arenđiazoni clorua ở trạng thái rắn, ta hòa tan muối của amin trong etanol rồi điazo hóa bằng este của của axit nitrơ. Arenđiazoni clorua tạo thành được tách lấy bằng ete. Muối arenđiazoni là những chất điện giải, thường dề tan trong nước, ít tan trong ancol etylic và khó tan trong ete, hiđrocacbon ... Khi đun nóng, muôi benzenđiazoni đorua, sunfat hoặc nitrat có thể nổ mạnh. Các muối này không bển nên không thể bảo quản lâu được ; muối phức điazoni, đặc biệt C6 H5 - N = NBF4 khá bền, có thể bảo quản hàng tháng mà không bị biến đổi. 323

13.17.2 Cấu tạo. Các dạng hợp chất điazo khác nhau Cấu tạo của muối điaioni Hiện nay người ta đã khẳng định rằng muối điazoni là một hợp chất ion C6 H5 N 2 X~, nghiên cứu bằng tia X cho thấy các nguyên tử nitơ trong ion C6 H5 N 2 nằm trên một đường thẳng đi qua hai vị trí 1, 4 của vòng benzen. Điện tích dương phân bố ở cả hai nguyên tử nitơ, nhưng nguyên tử nitơ ở gần vòng benzen mang điện tích lớn hơn. hoặc Các sản phẩm kiềm hóa muối đỉazoni Khi thêm kiềm vào dung dịch muối điazoni, mới đầu tạo thành điazohiđroxit (tên cũ là điazohiđrat): ArNj + OHT < = > ArN = N - OH Khác với cation điazoni thuộc loại axit Liuyt, điazohiđroxit là axit Bronstet, nó tương tác nhanh với một ion hiđroxit để sinh ra anion điazotat: ArN = N - OH + OH~ <= ± ArN = N - 0 ~ + H 20 Anion điazotat Trong môi trường trung tính, các cân bằng này có thể được biểu diễn như sau : ArNj + 2H20 ArN = N - OH + H 3 0 + ArN = N - OH + H20 < = = > ArN = N - 0 “ + H 3 0 + antì- trans syn- cỉsTương tự các hợp chất khác có liên kết đôi nitơ - nitơ hoặc cacbon - nitơ, các anion điazotat tồn tại ở các dạng ( -) và ( -). Khi có sự tương tác cation arenđiazoni với kiềm, mới đầu tạo thành dạng ỵy/7-điazotat anti-kém bền, khi để yên hoặc đun nóng trong môi trường kiềm, nó chuyển thành dạng bền hơn : 0~ h 20 . h + anti-Đ iazotat 324

anti-Tốc độ đồng phân hóa i’v/7-điazotat thành đồng phân phụ thuộc vào bản chất của các nhóm thế trong vòng benzen. Các nhóm thế kéo electron làm dễ dàng sự đồng phân hóa này và cation p-nitrobenzenđiazoni hoặc 2,4-đinitrobenzenđiazoni khi xử lý bằng dung dịch syn-anti.kiềm ngay lập tức được chuyển thành a«//-điazotat. Các nhóm thế đẩy electron làm chậm sự đồng phân hóa anti-àĐể chuyển hóa cation /?-metoxibenzenđiazoni thành iazotat cần phải đun nóng dung dịch muối điazoni với kiềm ở 140°c. Ion điazotat thuộc vào loại ion có hai trung tâm nucleophin độc lập nhau : trung tâm oxi và trung tâm nitơ. Khi proton hóa ữAư/-điazotat chỉ tạo thành được N-nitrosoamin, tức là ion a/ư/-điazotat chủ yếu được proton hóa ở nguyên tử n itơ : Ar —N—N r<-0 - + H3o ■>ArNH—N = o + H ,0 s}72-Điazotat khi proton hóa sinh ra điazohiđrat do kết quả proton hóa ở oxi. Tiếp theo, điazohiđrat chuyển hóa rất nhanh trong môi trường axit thành cation arenđiazoni: N=N nhanh N=N. Ar o + HiO Ar OH + HoO nhanh N=N * Ar —N = N + HoO Ar \\ H30 + H syn-Cách xử sự khác nhau như vậy của các ion và ứrt//-điazotat là do ỵyAỉ-điazotat có tính bazơ cao hơn ứ«n'-điazotat và do đó được proton hóa ở nguyên tử oxi. a«//-Điazotat có tính bazơ kém hơn, được proton hóa ở nitơ để sinh ra N-nitrosamin. Sự khác nhau về tính bazơ của hai dạng điazotat có thể giúp giải thích tốt sự chuyển dịch cân bằng về phía tính bazơ kém hơn và do đó a/ư/-điazotat bền hơn khi đun nóng. Trong một số trường hợp, chỉ quan sát thấy sự đổng phân hóa theo chiều nghịch khi chiếu sáng bằng tia tử ngoại. Sơ đồ chung của sự chuyển hóa protonic các hợp chất điazo thơm trong dung dịch nước là như sau : /N = N t°c o Ar o N=N íy/i-Điazotat hv Ar anti-Đ iazotat OH H + OH H + A r-N = N OH Ar —NH—N = 0 Cation điazoni Ar —N = N —OH N-Nitrosamin H + Điazohiđrat H+ OH A r-N H -N = O H 325

Ion điazotat thuộc loại anion có khả năng phản ứng hai mặt không những đối vứi phản ứng proton hóa mà cả với phản ứng ankyl hóa. Khi ankyl hóa muối natri của ứ«?/'-điazotat bằng ankyl iođua và ankyl bromua mềm ta nhận được N-ankylnitrosamin, trong khi đó với ankyltosylat hoặc với các muối triankyloxoni cứng sinh ra điazoete : o Na + RI 20°c Ar — N—N = 0 + Nai ■» N=N 1 Ar CH,OH R (70 - 80%) ^ o Na + _ _ 20°c o c2h, /N = N N=N Ar + (C2 H5 )3 OBF4 — > Ar ch2u 2 (60 - 70%) Các muối bạc của <2 /ư/'-điazotat chỉ ankyl hóa ở nguyên tử oxi dẫn tới sản phẩm điazoete : /O A g + RI _ |Q<>£ OR -> N=N N=N Ar Ar trans-Khác với muối ứ/ư/'-điazotat, các muối A7 «-điazotat khi ankyl hóa bằng các tác nhân ankyl hóa rất khác nhau đều cho hựp chất azoxi: . N=N. + - - 20°c ++/ C 2 h 5 Ar C T K + + (C2 H3 )3 OBF4 — / N=N Ar O\" CH2C12 Axyl hóa các ố7 A2-điazotal và ữ«r/-điazotat bằng các axyl halogenua khác nhau sinh ra N-nitrosoaxylanilit: A r - N = N - 0 Na+ + RCOC1 0°c o ■» R ete A r - N = N - O C 2 H5 (2 0 - 80%) Khi đun nóng, N-nitrosoaxylanilit dễ dàng đồng phân hóa thành 0-axylđiazohiđrat: A r-N N=0 Ar —n ! + . 0 Ar N. No C -R - II oR oR 0 0-Axylđiazohiđrat N-Nitrosoaxylanilit 326

13.17.3 Tính chất của các muôi điazoni thơm Muối arenđiazoni có khả năng phản ứng cao, dưới đây dẫn ra một số lớp hợp chất thơm có thể được điều chế trực tiếp từ muối arenđiazoni : ArOH, ArSH, Arl, ArBr, ArF, ArCN, ArNO?, ArH, Ar - Ar, Ar, - Ar2, ArN3, ArNH - NH2, Ar, - N = NAr2 ... Các phản ứng của muối điazoni có thể chia làm bốn nhóm lớn, khác nhau về cơ chế tưimg tác của cation điazoni với tác nhàn nucleophin X : r\\ X + N' (1) Y (2) r\\ (3) N2 + X (4) Các phản ứng kiểu (1) và (4) thuộc loại phản ứng thế nucleophin ở vòng thơm. Tuy vậy, giữa các phản ứng này có sự khác nhau về nguyên tắc, bởi vì nhóm phản ứng (4) chạy với sự giữ nguyên nhóm điazo. Nhóm điazo là nhóm hút electron mạnh, hoạt hóa sự thế ortho paranucleophin nhóm Y bằng X ở vị trí hoặc đối với nhóm điazo. Trong các phản ứng thuộc nhóm (1) xảy ra sự thế chính nhóm điazo bằng nhóm X. Sự phân cắt gốc của muối điazoni xảy ra trong các phản ứng thuộc nhóm (2). Sau đó các gốc aryl Ar‘ tạo thành lại được chuyển hóa tiếp tục. Ở kiểu phản ứng (3), tác nhân nucleophin tấn công vào nguyên tử nitơ ngoài cùng của cation điazoni và các phản ứng này xảy ra với việc giữ lại nguyên tử nitơ. a) Các phản ứng của muối arenđiazoni kèm theo sự tách loại nitơ Phản ứng th ế nhóm diato Phản ứng thế nhóm điazo trong muối điazoni bằng nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử Y nào đó rất đa dạng. Phản ứng có sơ đồ tổng q u á t: Ar —N =N X Ar —Y + N, X trong đó Y = OH, OR, SH, SR, Cl, Br, I , ... Thí dụ : C6 H5 — N = N C T + HOH ------» C6 H5OH + N' HC1 Về cơ chế, đa số các phản ứng thế nhóm điazo thuộc loại thế nucleophin, số còn lại thuộc loại thế theo cơ chế gốc. 327

Phản ứng thế nucleophin xảy ra khi đun nóng muối điazoni ; khi đó sinh ra cacbocation phenyl CgH^ rất ít bền, có khả nàng phản ứng rất cao và chuyển hóa ngay thành sản phẩm C6 H5 - Y : ( 3 - N c5 m > .1 lm h > < ^ - Y cation phenyl Như vậy phản ứng trên thuộc loại phản ứng thế đơn phân tử SN1. Phản ứng thế theo cơ chế gốc thường xảy ra khi có mặt đồng hóa trị một (phản ứng Sandmeyer) hoặc khi có mặt đồng kim loại (phản ứng Gattermann). Đồng kim loại có khả năng nhường hai electron, còn đồng hóa trị một có khả nàng nhưòng một electron để tạo ra ion Cu2+. Mặt khác, đồng (II) lại dễ bị khử thành đồng (I). Vì vậy có thể cho rằng sự phân cắt liên kết c - N trong ion điazoni bắt đầu bằng sự chuyển dịch một electron từ nguyên tử đồng (I) sang nguyên tử nitơ mang điện dương và khi kết thúc phản ứng, đồng (I) lại được tái tạo. Thí dụ : <^2)^N =N C 1 + C u C 1 ------ > ^ 3 ’ + N2 + CuCl2 Benzenđiazoni clorua Gốc phenyl + Cud2 — » ^y~cì +Guci Phản ứng trên tuy theo cơ chế gốc tự do nhưng không phải là phản ứng dây chuyền vì nó không dẫn tới sự hình thành gốc tự do mới để bắt đầu lại phản ứng. dj) Thế nhóm điazo bằng OH +- t° ArN2 X + H20 ——> ArOH + N2 + HX Phản ứng này thường tiến hành trong dung dịch 40% - 50% axit suníuric trong nước. Phản ứng chạy theo cơ chế thế nucleophin đơn phân tử ở nguyên tử cacbon của vòng thơm. Thí d ụ : r v í,N - -a ạ - H . rv o H \\= J h2so4, 100°c \\= / 0 2n 0 2n (81 -85%) Ở đây cần dùng H2 S 04 thay cho HC1, bởi vì cation Ar+ có khả năng phản ứng rất cao, dễ dàng phản ứng với anion c r sinh ra sản phẩm phụ Ar - Cl, làm giảm hiệu suất ArOH. AnionHSOỊ sinh ra từ H2 S 04 không tác dụng được với Ar+ vì tính nucleophin kém H2 0 . Giốngnhư tất cả các quá trình SN1, giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng và giai đoạn quyết định thành phần các sản phẩm phản ứng không trùng nhau : 328

2H20 „+ ------------ > ArOH + H ,0 —>+ chậm nhanh + ArN;T — Ar + N2 cr nhanh ArCl Vì vậy, tốc độ phản ứng không phụ thuộc nồng độ ion clorua, trong khi đó lượng aryl clorua tỷ lệ với nồng độ ion clorua trong dung dịch. Aryl sunfat axit A1OSO3 H sinh ra từ Ar+ và H S O 4 trong điều kiện này bị thủy phân hoàn toàn trong môi trường axit đến phenol. a2) Thế nhóm điazo bằngflo Phản ứng thế nhóm điazo bằng flo xảy ra khi nung khan muối arenđiazoni tetraíloborat: +- t° ArF + BF3 + N2 A rN Í BF4 ——> Cơ chế của phản ứng này lần đầu tiên được mô tả bởi Schiemann (1927), về cơ bản tương tự cơ chế thế nhóm điazơ bằng nhóm hiđroxyl. Hiệu suất aryl ílorua phụ thuộc vào bản chất của nhóm thế trong vòng benzen của arenđiazoni. Hiệu suất phản ứng tốt khi vòng benzen có chứa nhóm thế đẩy electron. ọ ~ m > -55^ f > F + N> + BF3 ch3 ch3 ch3 (69%) B P ^ -O -O -ÍÍ^ K IX > F a3) Thế nhóm điazo bằng iod và thioxianat Việc thay thế nhóm điazo bằng halogen dưới tác dụng của các anion mềm được thực hiện theo một cơ chế khác và là quá trình ion - gốc và cần sử dụng chất xúc tác là muối đồng hóa trị một. v ề mặt điều chế, đây là một trong những phản ứng đơn giản nhất của hợp chất điazo thơm. C‘H^ + C f vy * n2 + KC1 (74 - 76%) C66 H55N22+C f b—H20K;S2C5Nc0 ->C6H5—s —c = N 5 (54%) a4) Thế nhóm điơzo bằng clo, brom, nhóm xian và nhóm nitro (phản ứng Sandmeyer) Khi không có mặt của chất xúc tác, hiệu suất phản ứng thấp và hiếm khi vượt 20%. Để nâng cao hiệu suất phản ứng người ta phải dùng phản ứng Sandmeyer (1884) với chất xúc tác là muối đồng (I). 329

Để điều chế aryl clorua, ta cần phải điazo hóa amin trong axit clohiđric, còn để phân hủy muối điazoni lại phải dùng Cu2 Cl2 ; trong khi đó để điều chế aryl bromua cần phải dùng một tổ hợp axit bromhiđric và Cu7 Br2. sử dụng hỗn hợp HC1 và Cu?Br2 hoặc HBr và Cu2 Cl2 luôn luôn dẫn tới một hỗn hợp aryl clorua và aryl bromua : f y NH2 f y Br + n 2 \\= / HBr, 0 - 5 c \\ —/ 2 HBr, 60°c \\ — / 2 2 C1 C1 C1 (80 - 95%) NH2 NaNO \\ — / V' 1 T+ 1N>;2 ch3 H c i.0 -5 ° c■'> \\^ = \"^S Ni't1\"2 —HC1,70°c ' (74 - 79%) ch3 Để tổng hợp aryl xianua, người ta thay thế anion clorua và bromua trong phản ứng Sandmeyer bằng ion xianua với sự có mặt của xianua đồng (I). Tác nhân thế nucleophin là ion phức Cu(CN>2 , thí dụ : nh2 ịN a N 0 2 /T A + - K [C u(C N )2] ry — ,— •> c V n ,h s o 4 -— > ( V-CN \\—/ 2 4 H20 , 5 c \\—/ H2S04, H20 , 5 ch3 ch3 ch3 (64 - 70%) Gattermann (1890) phát hiện ra rằng, phản ứng thế nhóm điazo bằng halogen hoặc nhóm xian trong nhiều trường hợp có thể thay thế muối đồng bằng bột đồng kim loại : *íí?' ' Y ' ' N H 2 NaN02 Br Cu r r Br HBr, H20 , 0 - 5°c H20 .5 0 °c > k ^ Ằ CH3 (43 - 47%) Phưcmg pháp này cho hiệu suất đặc biệt cao khi thế nhóm điazo trong arenđiazoni íloborat hoặc trong arenđiazoni hexaflophotphat bằng nhóm nitro nhờ ion n itrit: f~\\ + - NaN02 ; Cu o 2 n - ^ =J - N2+BF4 ->0 2N (67 - 82%) Phản ứng này chủ yếu được dùng điều chế các hợp chất nitro thơm mà không thể điều chế được bằng nitro hóa trực tiếp. Một phương pháp khác dùng thế nhóm amino bằng nhóm nitro được thực hiện bằng cách oxi hóa các amin thơm bậc một bằng axit o-triílopeaxetic. Cả hai phương pháp này được dùng để điều chế và /?-đinitrobenzen và o- p-những nitrobenzen khác có chứa ở vị trí và nhóm thế hút electron mạnh. 330

a5) Thế nhóm điazo bàng nhóm azit và nhóm thiol Để thav thế nhóm điazo bằng nhóm N3 và bằng nhóm SH ta không cần phải dùng một chất xúc tác nào cả. Khi tương tác cation arenđiazoni với ion azit mới đầu tạo thành vòng pentazen trung tính, rồi vòng này bị phá vỡ thành arylazit : A r-N sN N + NaCl > Ar —N = N = N + N2 C1 + NaN3 ------ > A r - NN N \\/ N= N Pentazen Phản ứng của muối điazoni với natri hiđrosunfit xảy ra mạnh, bởi vì hiđrosuníit là chất khử mạnh. Do đó, để thế nhóm điazo bằng nhóm SH người ta dùng phương pháp xantogenat hai giai đoạn. Kali xantogenat (nhận được từ kali etylat và cacbon đisunfua) tác dụng với muối điazoni cho etyl arylxantogenat, rồi được thủy phân tiếp theo đến thiophenol: CHU NH OC2 H, a6) Thê' nhóm điazo bằng kim loại Các arenđiazoni halogenua có thể tạo muối phức bền với thủy ngân, stibi, bismut. thiếc và nhiều kim loại không chuyển tiếp khác nữa : ArNỊCl\" + HgCl2 HC1 HịO * ArNọHgCl ArN^Cl\" + SbCl3 HCI > (ArN2 )2 SbClị“ 1^ 0 A rNỊCl\" + BiCl3 HCI . . . . . . _____2 - H20 A.N. Nhexmeianop (1929) đã phát hiện ra rằng, những muối phức này bị phân hủy khi tương tác với các chất khử như đồng, kẽm, bismut để tạo thành hợp chất cơ kim dãy thơm của các kim loại không chuyển tiếp : thủy ngân, chì, stibi, bismut, thiếc, arsen. Một nhóm lớn các phản ứng tổng hợp các hợp chất cơ kim được gọi là “phương pháp điazo” của A.N. Nhexmeianop, thí dụ : p - I C 6 H4 N^HgCl3 + 2Cu axcton ■» p - I C 6 H4HgCl + N 2 + Cu2 Cl2 - 10°c (45%) 331

ir u M 2+ /\\ 2 SCbKC/-l'!^2- 4\" 127Zn CH3COOC2H5 ■» (C6H 5)2SbCl + N2 + 2ZnCl2 77 c (46%) Những phản ứng thế nhóm điazo bằng kim loại có thể xảy ra theo cơ chế gốc hoặc theo cơ chế ion. a7)Thếnhómđiazobằnghiđro-phảnứngđeaminhóacácaminthơmbậcmột Phản ứng này cần dùng chất khử là ancol hoặc axit hipophotphorơ H3 PO2 : ArN2+ + RCH2OH ■» ArH + R C ^ + N2 + H + H Trong một số trường hợp, tỷ lệ các sản phẩm phản ứng thay đổi khi thay đổi pH của môi trường phản ứng. Thí dụ : / V -N Í C 2 H5OH / % OC2 H; pH < l (90%) o N' C 2 H5OH r\\ pH > 7 (1 0 0 %) Qiất khử đa năng đế thế nhóm điazo bằng hiđro là axit hipophotphorơ. Thí dụ : C1 NH, ° 2 N ONOSO3H °2 N CHCI3 10 - 20”C NO' Ngoài H3 P 0 2, để thế nhóm điazo bằng hiđro, người ta có thể dùng NaBH4. Tác nhân này không ảnh hường gì đến nhóm cacbankoxi, halogen và một số nhóm khác ở vòng benzen : \"Cl+N 2 - 0 0 N2+C1 NaBH \\ ==/ \\ — DMF, 0°c (75%) a8)Điềuchếbiaryltừcáchợpchấtđiazo(phảnícngGomberg) Khi phân hủy muối arenđiazoni bằng muối phức của đồng (I) trong axeton thì tùy theo bản chất của các nhóm thế trong vòng thơm, ta có thể nhận được hoặc biaryl đối xứng hoặc azobenzen đối xứng : 332

<A Cu‘(N H ,)+ A XT+ Cu'(NH,)+ x ArN = NAr ----- -— ----- ArN2 ------ — Ar —Ar + N2 axeton axeton Sự có mặt của các nhóm hút electron thúc đẩy sự tạo thành b iary l; các nhóm thế đẩy electron làm thuận lợi cho việc điều chế hợp chất azo. Người ta điều chế các biaryl không đối xứng bằng cách phân hủy dung dịch nước của muối arenđiazoni trong môi trường kiềm yếu với sự có mặt của hợp chất aryl hóa : A r 'N Í C r + Ar2H ^ > A r '- A r 2 + N2 + NaCl HOH L ** Phương pháp điều chế các biaryl không đối xứng lần đầu tiên được Gomberg (1924) đề nghị và một thời gian dài là phương pháp duy nhất để điều chế loại hợp chất này. Hiệu suất của các biaryl không đối xứng thường không cao, chỉ vào khoảng 15 - 30%, nhưng hiệu suất có thể tăng lên đến 40 - 60% khi tiến hành phản ứng trong đệm axetat với các giá trị pH khác nhau : Br —i Cl~ + f ~ \\ -------NaOE — > + NaCl + H20 \\— / \\ — / b en zen -n ư ớ c, 5°c \\= / \\= / Phản ứng Gomberg được xem là một thí dụ kinh điển của phản ứng đồng ly trong dãy thơm (phản ứng theo cơ chế gốc). Khi aryl hóa benzen thế bằng muối của arenđiazoni, ortho paratạo thành hỗn hợp các sản phẩm, trong đó các dẫn xuất biphenyl thế và luôn chiếm ưu thế, độc lập với bản chất của nhóm thế trong vòng benzen : r\\ — w/ + NaOH _ „ /N 0 2 H20 , 0 - 5 ưc o- : m- : p- (60% : 10% : 30%) a9) T hế nhóm điazo bằng cacboxyl Muối arenđiazoni dễ dàng bị cacboxyl hóa bởi cacbon (II) oxit và natri axetat với sự có mặt của palađi axetat ở nhiệt dộ phòng và áp suất thường để sinh ra anhiđrit hỗn tạp : —ArN? BF4 + CO + CH3COONa oo +- (CH3COO)2Pd II II — > A r-C -0 -C -C H 3 14 J 30 phút, 25 - 30HC J Khi đun nóng đến 100°c, anhiđrit hỗn tạp phân bố lại thành anhiđrit axetic và anhiđrit của axit cacboxylic thơm : 2ArCOOCOCH3 100 - 120°c ------— ---- > (CH3 C 0 )20 + (A rC0)20 Hiệu suất tổng cộng của các anhiđrit thom có thể đạt tới 80 - 90% và phương pháp này có thể được xem là phương pháp chung để tổng hợp các axit cacboxylic thom từ các amin thơm bậc một. 333