CHUYÊN ĐỀ: HỢP CHẤT THIÊN NHIÊN
A. Mở đầu
1. Lí do chọn đề tài
Hợp chất thiên nhiên là các chất hóa học có nguồn gốc từ thiên nhiên hoặc được con
người tách ra từ các loại động vật, thực vật trong tự nhiên.
Trong cơ thể động thực vật không chỉ có hợp chất hữu cơ mà còn có nhiều hợp chất vô
cơ như muối khoáng và trong phần này chỉ đề cập đến các hợp chất hữu cơ có trong động - thực
vật.
Nhiều hợp chất hữu cơ thiên nhiên như đường mía, đường củ cải, tinh dầu thơm, v.v …
đã được sử dụng từ rất lâu. Y học cổ truyền đã biết đến tác dụng và độc tính của nhiều chất có
nguồn gốc động – thực vật và sử dụng chúng làm thuốc chữa bệnh. Ngày nay, với sự hỗ trợ của
các phương pháp phân tích hiện đại, ngành hóa học các hợp chất thiên nhiên phát triển mạnh mẽ
và trở thành khoa học độc lập
Nghiên cứu các hợp chất hữu cơ thiên nhiên là một trong những lĩnh vực rất thú vị trong
Hoá học Hữu cơ. Lĩnh vực này nghiên cứu về thành phần, cấu trúc, tính chất của những hợp chất
thiên nhiên và cách tách lấy chúng từ nguồn thiên nhiên vô tận. Trên cơ sở đó, người ta còn
nghiên cứu về một số phương pháp tổng hợp chúng thay vì phải tách chúng từ các cây cỏ, động thực vật trong tự nhiên.
Các hợp chất hữu cơ thiên nhiên rất đa dạng và phong phú. Chúng có ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược phẩm, hóa mĩ phẩm, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, thuốc kích thích
sinh trưởng, … nhờ tính chất hóa học, đặc biệt là hoạt tính sinh lí của chúng.
2. Mục đích của đề tài
Trong các vấn đề liên quan đến hợp chất thiên nhiên như nghiên cứu về các loại hợp chất
thiên nhiên, các phương pháp chiết xuất, tách biệt, phân tích cũng như tổng hợp chúng ... thì
quan trọng nhất là phải biết được chúng có cấu trúc như thế nào, hiểu được hoạt tính của chúng
ra sao để ứng dụng vào thực tiễn. Do đó trong khuôn khổ của chuyên đề này chúng tôi chỉ
nghiên cứu để làm sáng tỏ một vài vấn quan trọng, có tính thiết thực nhất về cấu trúc (cấu hình,
cấu dạng) và tính chất của hợp chất thiên nhiên.
B. Nội dung
1. Khái quát về hợp chất thiên nhiên
Hợp chất hữu cơ thiên nhiên rất đa dạng và phong phú. Tùy thuộc vào cách phân loại người
ta chia các hợp chất thiên nhiên ra thành nhiều loại khác nhau
1.1. Dựa vào tính thiết yếu đối động thực vật
1 | 26
Người ta chia thành 2 nhóm
+ Chất trao đổi sơ cấp : Là những chất thiên nhiên cần thiết cho sự sống gồm
cacbonhidrat, protein, axit nucleic, các lipit và dẫn xuất của chúng. Các hợp chất này được sản
sinh từ các cơ thể sống, không phụ thuộc vào loài. Quá trình trong đó các chất trao đổi sơ cấp
được tạo thành được gọi là quá trình trao đổi thứ cấp
+ Chất trao đổi thứ cấp: Là những hợp chất thiên nhiên không hẵn không cần thiết cho
sự sống của động thực vật. Tuy nhiên khác với chất trao đổi sơ cấp, các chất trao đổi thứ cấp
thường phụ thuộc nhiều vào loài. Các hợp chất thứ cấp bao gồm: tecpenoit, steroit, flavonoit,
ankaloit … Chúng là sản phẩm của quá trình trao đổi thứ cấp.
Các chất trao đổi thứ cấp được nghiên cứu nhiều do tác dụng dược lý và các hoạt tính
sinh học của chúng.
Trong hợp chất thiên nhiên thường có các nhóm chức cơ bản:
+ Hợp chất hidrocacbon chưa no
+ Ancol - phenol – ete
+Anđehit - xeton
+ Axit cacboxylic và dẫn xuất
+ Amin
+ Dị vòng
+ Hợp chất tạp chức
1.2. Dựa vào bộ khung cacbon, các nhóm chức
Các hợp chất thiên nhiên thường được phân loại thành:
+ Tecpenoit (monotecpen, đitecpen, sesquitecpen, tritecpen…)
+ Gluxit ( monosacarit, oligosacarit, polisacarit)
+ Axit amin, peptit, protein
+ Lipit, chất béo
+ Steroit
+ Ankaloit
+ Flavonoit
+ Tanin
+ Chất kháng sinh
+ Vitamin
2. Cấu trúc phân tử hợp chất thiên nhiên
2 | 26
Cấu trúc phân tử hợp chất thiên nhiên
Đồng phân cấu tạo
- Đồng
- Đồng
- Đồng
chức
- Đồng
- Đồng
Đồng phân lập thể
phân mạch C
phân vị trí
phân nhóm
Đồng phân
hình học
Đồng phân
quang học
Đồng phân
cấu dạng
phân liên kết
phân hỗ biến
Đồng phân
cis – trans,
Z–E
Cấu hình
D–L
R–S
Dạng a – e
với vòng
no
2.1. Đồng phân cấu tạo trong phân tử hợp chất thiên nhiên
VD1: Myrxen (7-Metyl-3-metylenocta-1,6-đien) và ocimen (3,7-Đimetylocta-1,3,7-trien)
có công thức phân tử là C 10 H16 . Chúng đều có ba liên kết đôi ở các vị trí khác nhau
Myrxen
Ocimen
Myrxen có trong tinh dầu cây nguyệt quế, … còn ocimen có trong lá cây húng quế, …
2.2. Đồng phân lập thể trong phân tử hợp chất thiên nhiên
2.2.1. Đồng phân hình học
Đồng phân hình học gây nên bởi sự phân bố khác nhau của các nhóm nguyên tử ở hai
bên của một bộ phận cứng nhắc như nối đôi, vòng no, … Khi hai nhóm thế lớn ở cùng một phía
của bộ phận cứng nhắc, ta có đồng phân cis hay Z; còn nếu khác phía ta có đồng phân trans hay
E. Tuy nhiên danh pháp cis – trans áp dụng trong phạm vi hẹp hơn, thường là hiđrocacbon.
Thứ tự giảm dần độ hơn cấp của các nhóm thế dựa theo sự giảm số thứ tự của nguyên tử
liên kết trực tiếp với bộ phận cứng nhắc (vòng 1). Nếu nguyên tử ở vòng 1 giống nhau thì xét
tiếp số thứ tự của nguyên tử ở vòng 2. liên kết đôi, ba tương đương hai, ba nguyên tử mang liên
kết đơn.
- OH > -NH2 > -CH2 -CH3 > -CH3 > -H
VD2: Geraniol là thành phần chính của tinh dầu sả và tinh dầu hoa hồng. Nerol thường
gặp trong tinh dầu hoa cam và cam lê. Chúng đều có công thức C 10 H8 O và là đồng phân E, Z của
nhau.
3 | 26
CH2OH
CH2OH
Nerol
(Z)
Geraniol
(E)
VD3 (Đề thi HSG QG 2011): Xitral (CH3 )2 C=CHCH2 CH2 C(CH3 )=CHCH=O có trong
tinh dầu chanh, gồm 2 đồng phân a và b. Cấu tạo phân tử xitral có tuân theo qui tắc isoprenoit
hay không? Hai chất a và b thuộc loại đồng phân nào? Hãy viết công thức cấu trúc và gọi tên hệ
thống hai đồng phân đó.
Hướng dẫn giải
Cấu tạo phân tử xitral tuân theo qui tắc isoprenoit:
CH3-C=CH-CH2-CH2-C=CH-CH=O
CH3
CH3
Hai đồng phân của xitral là:
O
O
O
O
Đồng phân a (xitral-a)
Đồng phân b (xitral-b)
(E)-3,7-Đimetylocta-2,6-đienal
(Z)-3,7-Đimetylocta-2,6-đienal
a và b là hai đồng phân hình học.
2.2.2. Đồng phân quang học
Đồng phân quang học xuất hiện khi chất có tính quang hoạt (tính chất làm quay mặt
phẳng ánh sáng phân cực). Điều kiện để có tính quang hoạt là phân tử có yếu tố không trùng vật
- ảnh, phổ biến là có nguyên tử C bất đối, kí hiệu là C*. Đó là nguyên tử C liên kết với bốn
nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau C*abcd (a ≠ b ≠ c ≠ d)
Kí hiệu (+), (-) dựa theo dấu của góc quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải hoặc
trái.
Kí hiệu D, L được dùng phổ biến đối với gluxit và axit amin. Kí hiệu D để chỉ nhóm OH
(với gluxit) hoặc nhóm NH2 (với aminoaxit) ở nguyên tử C* cuối cùng hướng về bên phải trong
công thức chiếu Fisơ và kí hiệu L khi các nhóm đó hướng về bên trái. Trong tự nhiên, gluxit
thường tồn tại ở cấu hình D còn axit amin ở cấu hình L. Tuy nhiên danh pháp cấu hình D – L
còn có những hạn chế.
4 | 26
CHO
OH
CHO
HO
HO
OH
OH
OH
CH2OH
D-(+)-Glucozơ
HO
HO
CH2OH
L-(-)-Glucozơ
Kí hiệu R, S. Xét C*abcd với sắp xếp độ hơn cấp a > b > c > d. Khi nhìn theo trục liên
kết C*–d (hướng từ C* đến d trong công thức phối cảnh) thì ba nhóm a, b, c theo thứ tự có cùng
chiều kim đồng hồ ta có đồng phân R ( nghĩa là “phải”), còn nếu ngược chiều kim đồng hồ ta có
đồng phân S ( nghĩa là “trái”).
Chú ý trên công thức Fisơ nều nhóm có độ hơn cấp thấp nhất ở đường nằm ngang thì cấu
hình R, S lại ngược lại, cùng chiều kim đồng hồ là đồng phân S còn nếu ngược chiều kim đồng
hồ là đồng phân R.
COOH
H2N
H
CH3
COOH
H
NH2
CH3
(S)-Alanin
(R)- Alanin
Alanin thiên nhiên
Alanin tổng hợp
VD4 (HSG QG 2005): L-Prolin hay axit (S)-piroli®in-2-cacboxylic cã pK1 = 1,99 vµ pK2
= 10,60. Piroli®in (C4 H9 N) lµ amin vßng no n¨m c¹nh. ViÕt c«ng thøc Fis¬, c«ng thøc phèi c¶nh
cña L-prolin.
H-íng dÉn gi¶i:
COOH
NH
H
N
COOH
H
H
2.2.3 Đồng phân cấu dạng
Do sự quay quanh trục liên kết đơn nên các chất đã tạo ra vô vàn các cấu dạng khác nhau
với độ bền khác nhau như dạng xen kẽ bền hơn dạng che khuất, dạng anti bền hơn dạng syn,
dạng ghế bền hơn dạng thuyền, liên kết biên (e) bền hơn liên kết trục (a).
Cấu dạng ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất, đặc biệt là hoạt tính sinh học của các chất. Cùng
là một chất nhưng cấu dạng khác nhau thì hoạt tính sinh học cũng khác nhau. Tuy nhiên, có
5 | 26
những chất khác nhau như xibeton (một xeton vòng lớn) và anđrostenol (một steroit) lại có mùi
giống hệt nhau, đó là do chúng có cấu dạng giống nhau.
CH3
CH3
H
HO
O
H
Androstenol
Xibetol
3. Giới thiệu một số hợp chất thiên nhiên tiêu biểu
3.1. Tecpenoit
Tecpen là những hiđrocacbon không no, không vòng hoặc có vòng, có công thức chung
(C5 H8 )n với n ≥ 2. Chúng dường như đã tạo thành do isopren kết hợp với nhau theo kiểu “đầu
nối với đuôi” (quy tắc isopren).
Số đơn vị mắt xích isopren
Số nguyên tử cacbon
Loại tecpen
2
10
Monotecpen
3
15
Sesquitecpen
4
20
Đitecpen
6
30
Tritecpen
Tecpenoit là các dẫn xuất chứa oxi của tecpen như ancol, anđehit, xeton, … Chúng có bộ
khung cacbon tương tự tecpen và cũng tuân theo “quy tắc isopren”.
Tecpen và tecpenoit rất phổ biến trong tinh dầu và có mùi thơm dễ chịu.
3.1.1. Monotecpen (C 10 )
Dựa vào đặc điểm cấu trúc, có thể chia thành 3 nhóm chính là: loại không vòng (như
geraniol), có 1 vòng (như limonen) và 2 vòng (như pinen). Trong mỗi nhóm có thể là loại
không có nhóm chức hoặc có thể có nhóm chức (ancol, andehit, xeton.. )
Ví dụ :
Hợp chất không vòng
OH
*
OH
OH
Myrxen
Geraniol
Nerol
Linalool
6 | 26
Geraniol có đồng phân hình học là nerol. Geraniol ở dạng trans (đồng phân E) là thành
phần chính của tinh dầu sả và tinh dầu hoa hồng. Nerol ở dạng cis (đồng phân Z) có mặt trong
một số tinh dầu như tinh dầu hoa cam và cam lê.
Linalool là đồng phân cấu tạo của geraniol và nerol. Chúng đều là những ancol không no,
đơn chức C 10 H8 O. Linalool có tính quang hoạt với một cặp đối quang, (R)-(-)-linalool có trong
tinh dầu hoa hồng. (S)-(+)-linalool có trong tinh dầu cam.
Hợp chất 1 vòng
*
*
α-Tecpinen
Limonen
α-Phenanđren
Tecpinolen
O
OH
menthol
O
carvon
menthon
Limonen có một nguyên tử C* ở vị trí số 4 nên cũng có tính quang hoạt. Tinh dầu chanh,
cam có (R)-(+)-limonen còn dầu tùng bách lá kim có thành phần chính là (S)-(-)-limonen.
Menthol, C10 H20 O, có ba nguyên tử C* trong phân tử và do đó có thể tồn tại 2 3 = 8 đồng
phân lập thể. Đồng phân (-)-menthol là thành phần chính của tinh dầu bạc hà.
Menthon, C10 H18 O, có 4 đồng phân quang học do có hai nguyên tử C*. Các đồng phân (+)menthon được tìm thấy trong tinh dầu cây phong lữ, (-)-menthon có trong cây bạc hà.
Hợp chất hai vòng:
*
O
O
*
α-Pinen
β-Pinen
Cacron
Campho
7 | 26
Phân tử campho có hai nguyên tử C* do đó có thể tồn tại hai đôi đối quang nhưng thực tế
chỉ tồn tại một đôi đối quang khi vòng xiclopentan ở cấu hình cis, còn đồng phân trans không tồn
tại do sức căng lớn.
3.1.2. Sesquitecpen (C 15 ):
Sesquitecpen luôn có mặt cùng với monotecpen trong tinh dầu. Sesquitepen trong tinh
dầu do có nhiệt độ sôi trên 200o C, do đó khi chưng cất thì chúng có hàm lượng không cao.
Một số sesquitecpen có trong tinh dầu là: neroliđol (tinh dầu hoa cam), cacđinen (tinh
dầu loài bách tròn), selinen (cần tây).
Cadinen
Selinen
Humulen
Caryophyllen
3.1.3. Đitecpen (C20 ):
Vitamin A hay renitol, C20 H30 O, có trong dầu gan cá, lòng đỏ trứng, sữa, …. Vitamin A
cần thiết cho sự phát triển bình thường của người và động vật có vú. Sự thiếu hụt vitamin A sẽ
gây nên bệnh quáng gà, khô giác mạc và võng mạc.
Axit abietic C 20 H30 O 2, có trong nhựa thông.
COOH
OH
Vitamin A
Axit abietic
3.2. Gluxit
3.2.1. Monosaccarit
Đa số các monosaccarit thiên nhiên có cấu hình D, còn cấu hình L thì ít thấy. Các
monosaccarit tồn tại chủ yếu dạng vòng pyranozơ hoặc furanozơ. Trong dung dịch nước, hầu hết
các đường hiện diện ở dạng pyranozơ nhưng nếu kết hợp với một chất sinh học thì nó hay ở dạng
furanozơ. Tùy thuộc vị trí của nhóm OH hemiaxetal, ta có cấu hình α- hoặc β-. Đối với vòng
pyranozơ thì cấu dạng ghế là bền nhất.
OH
HO
OH
L-Arabinozơ
OH CH OH
2
CH2OH
O
O
OH
HOCH2
O
O
OH
HO
HO
HO
OH
D-Glucozơ
OH
HO
OH
D-Galactozơ
CH2OH
OH
OH
D-Frutozơ
8 | 26
3.2.2. Oligosaccarit
Oligosaccarit trong tự nhiên tồn tại dạng tự do và dạng hợp chất. Oligosaccarit được tạo
bởi 2 đến 8 đơn vị monosaccarit cùng loại hoặc khác loại. Oligosaccarit ở dạng tự do phổ biến
nhất là đisaccarit.
Trong cấu trúc phân tử đisaccarit, hai monosaccarit liên kết với nhau theo kiểu glycozit
với sự tham gia của nhóm OH hemiaxetal của một phân tử monosaccarit ở dạng pyranozơ hoặc
furanozơ với cấu hình α- hoặc β-. Tùy thuộc vào nhóm OH của monosaccarit thứ hai tham gia
tạo liên kết glycozit, nếu không phải là nhóm OH hemiaxetal thì đisaccarit đó bị tautome hóa và
có khả năng đổi quay.
Do cấu dạng ghế của monosaccarit nên cấu dạng của oligosaccarit (xác định bằng sự
phân bố tương đối trong không gian của các gốc liên kết) chủ yếu phụ thuộc cấu hình của liên
kết glycozit. Trong xenlobiozơ, liên kết β-glycozit phân bố dạng e, còn trong mantozơ là dạng a.
Liên kết hiđro nội phân tử trong xenlobiozơ (hình vẽ) được bền hóa bởi cấu trúc thẳng, trong khi
đó ở phân tử mantozơ lại có khuynh hướng “đẩy ra”. Vì vậy xenlobiozơ có cấu tạo cứng nhắc
còn mantozơ thì không.
CH2OH
O
CH2OH
HO
HO
H
H
OH
O
HO
HO
CH2OH
O
O
H
OH
O
OH
O
OH
O
CH2OH
HO
OH
OH
α-Mantozơ
β- Xenlobiozơ
3.3. Axit amin, peptit, protein
3.4. Ankaloit
4. Một số phản ứng thường dùng trong xác định cấu trúc phân tử hợp chất thiên nhiên
4.1 Xác định cấu trúc của tecpen.
Dựa vào các phản ứng đặc trưng và qui tắc isopren
Những phản ứng đặc trưng thường dùng:
+ Xác định liên kết đôi: phản ứng với dung dịch brom, cộng hydro ( Ni xúc tác)
+ Xác định H linh động: Tác dụng với CH3 MgX hoặc với natri
+ Xác định nhóm -CHO: Dùng thuốc thử Fehling, Tollens hay axit fucsinsunfurơ
+ Xác định vị trí của liên kết đôi: Phản ứng ozon phân : Cho hỗn hợp các hợp chất chứa
nhóm cacbonyl, phản ứng oxi hóa cắt mạch… phối hợp với ”quy tắc isopen” ta có thế xác
định được cấu tạo của tecpen.
VD5 (HSG QG 2009):
9 | 26
Khung cacbon của các hợp chất tecpen được tạo thành từ các phân
tử isopren kết nối với nhau theo quy tắc « đầu – đuôi» . Ví dụ, nếu tạm
quy ước: (đầu) CH2 =C(CH3 )-CH=CH2 (đuôi) thì phân tử -myrcen
(hình bên) được kết hợp từ 2 đơn vị isopren.
Dựa vào quy tắc trên, hãy cho biết các chất nào sau đây là
α-Myrcen
tecpen và chỉ ra các đơn vị isopren trong khung cacbon của các tecpen
này.
OH
O
O
O
O
Acoron
O
O
O
OH
O
OH
O
Prostaglan®in PG-H2
O
O
O
Po®ophyllotoxin
HO
O
Axit abi eti c
Hướng dẫn giải:
Acoron và axit abietic là tecpen:
O
O
O
O
O
O
Acoron
Acoron
HO
Axit abietic
HO
Axit abietic
VD6 (HSG QG 2003):
Ozon ph©n mét tecpen A (C10 H16 ) thu ®-îc B cã cÊu t¹o nh- sau:
CH3
C
CH2 CH
O
CH
CH2 CH
O
C
H3C
CH3
Hidro hãa A víi xóc t¸c kim lo¹i t¹o ra hçn hîp s¶n phÈm X gåm c¸c ®ång ph©n cã c«ng
thøc ph©n tö C10 H20 .
a) X¸c ®Þnh c«ng thøc cÊu t¹o cña A.
b) ViÕt c«ng thøc c¸c ®ång ph©n cÊu t¹o trong hçn hîp X.
Hướng dẫn giải
a)
10 | 26
b)
(vßng 7 c¹nh kÐm bÒn h¬n vßng 6 c¹nh)
4.2 Xác định cấu trúc của gluxit
+ Xác định các oligosaccarit: Phản ứng thủy phân bằng các men đặc hiệu
+ Xác định cấu trúc monosaccarit: metyl hóa OH hemiaxetal bằng CH3 OH/HCl, ankyl
hóa các nhóm OH còn lại bằng phương pháp Williamson, oxi hóa
+ Xác định số nhóm OH và cấu trúc vòng: phản ứng este hóa, thủy phân
+ Xác định cấu dạng của nhóm OH: tác dụng C 6 H5 CHO hoặc CH3 COCH3 tạo axetal và
xetal vòng với hai nhóm OH ở dạng cis.
VD7: Hãy xác định cấu trúc của đisaccarit melibiozơ dựa trên các dữ kiện thực nghiệm
sau:
- Melibiozơ có sự quay hỗ biến
- Thủy phân trong axit loãng hoặc α-galactoziđaza (enzim chỉ phân cắt liên kết α-
galactozit) đều cho D-galactozơ và D-glucozơ.
- oxi hóa bằng nước brom cho axit melibionic. Metyl hóa axit melibionic rồi thủy phân
thì thu được 2,3,4,6-tetra-O-metyl-D-galactozơ và axit 2,3,4,5-tetra-O-metyl-D-glucomic.
Hướng dẫn giải
Melibiozơ bị thủy phân bởi α-galactoziđaza chứng tỏ mắt xích D-galactozơ ở dạng α-Dgalactozit.
4.3 Xác định cấu trúc của amin, aminoaxit, peptit, protein
11 | 26
+ Xác định bậc amin: Phản ứng với HNO 2 , C6 H5 SO2 Cl/NaOH
+ Xác định vị trí nhóm amin: Phản ứng thoái phân Hoffman
+Xác định nhóm amin trong aminoaxit: tác dụng của nhiệt, phản ứng ankyl hóa bằng
CH3 I hoặc (CH3 )2 SO4 , phản ứng axyl hóa.
+ Xác định số nhóm cacboxyl trong aminoaxit: phản ứng este hóa trong HCl hoặc
C6 H5 SO 3 H.
+ Xác định peptit, protit: phản ứng thủy phân hoàn toàn, thủy phân một phần nhờ các
enzym có tính chọn lọc cao, các phản ứng màu như xantoprotein, ninhiđrin ...
Phương pháp Sanger, phương pháp Edman xác định aminoaxit đầu N. Thủy phân bằng
men cacboxypeptiđaza xác định lần lượt các aminoaxit đầu C.
Ngoài ra, việc phân tích cấu trúc các hợp chất thiên nhiên sẽ thuận lợi hơn khi kết hợp
với các phương pháp phân tích hiện đại như phương pháp phổ, ...
VD8: Hợp chất (S)-conin A C 8 H17 N là một ancaloit lỏng độc trong cây độc cần, tan trong
dung dịch HCl, không tách N 2 khi cho tác dụng với dung dịch HNO 2 , cho kết tủa với
C6 H5 SO 2 Cl/NaOH, metyl hóa hoàn toàn và tách Hofmann cho anken, trong đó có B C 10 H21 N.
Thoái phân B theo Hofmann cho hỗn hợp 1,4-octadien và 1,5-octadien. Xác định cấu trúc của A
và B.
Hướng dẫn giải
A không tách N 2 khi điazo hóa và cho kết tủa sunfonamit nên là amin bậc 2. Metyl hóa
cho muối tetraankylamin, tách Hofmann cho anken, còn khả năng metyl hóa và thoái phân nên là
hợp chất vòng no. Qua hai lần metyl hóa và thoái phân cho ddien nên có mạch nhánh 3C ở vị trí
Cα, có thể là propyl hay metyl và etyl trong đó propyl mới cho 1,4- và 1,5-ddien, còn etyl và
metyl cho 1,6- và 1,5-ddien. Vậy A là 2-propylpiperidin ((S)-conin) và B là 5-N,Ndimetylamino-1-octen.
CH3I Ag2O/NaOH
CH3I Ag2O/NaOH
NH
CH2CH2CH3
A
+
N
B
5. Một số bài tập vận dụng
Bài 1. (HSG QG 2007)
Một monotecpenoit mạch hở A có công thức phân tử C10 H18 O (khung cacbon gồm hai đơn
vị isopren nối với nhau theo qui tắc đầu-đuôi). Oxi hoá A thu được hỗn hợp các chất A1, A2 và
A3. Chất A1 (C3 H6 O) cho phản ứng iodofom và không làm mất màu nước brôm. Chất A2
(C2 H2 O 4 ) phản ứng được với Na2 CO 3 và với CaCl2 cho kết tủa trắng không tan trong axit axetic;
A2 làm mất màu dung dịch KMnO 4 loãng. Chất A3 (C5 H8 O3 ) cho phản ứng iodofom và phản
ứng được với Na2 CO 3 .
12 | 26
a. Viết công thức cấu tạo của A1, A2 và A3.
b. Vẽ công thức các đồng phân hình học của A và gọi tên theo danh pháp IUPAC.
Hướng dẫn giải
a. A là hợp chất mạch hở nên có 2 nối đôi
A1 tham gia phản ứng iodofom nên A1 là hợp chất metyl xeton
CH3 COCH3 + I2 / KOH
CHI3 + CH3 COONa
A2 phản ứng với Na2 CO3 nên đây là một axit, dựa vào công thức phân tử đây là một diaxit
HOOC-COOH + Na2 CO 3
NaOOC-COONa + H2 O + CO 2
A3, C5 H8 O3 , cho phản ứng iodoform, phản ứng được với Na2 CO3 .
A3 vừa có nhóm chức metyl xeton vừa có nhóm chức axit
A1: CH3 COCH3 ;
A2 : HOOC-COOH
và A2: CH3 COCH2 CH2 COOH
b. A monoterpen mạch hở gồm 2 đơn vị isopren nối với nhau theo qui tác đầu đuôi, nên
có bộ
khung cacbon là:
Đầu
đuôi Đầu
đuôi
Dựa vào cấu tạo của A1, A2, A3 nên xác định được vị trí các liên kết đôi trong mạch cacbon:
Vì có sự hình thành axit oxalic nên A có thể là:
OH
OH
Nerol
Geraniol
(E) -3,7- dimetyl octa-2,6-dienol
(Z)-3,7-dimetyl octa-2,6-dienol
Bài 2. Cloven lµ mét hîp chÊt thiªn nhiªn cã thÓ tæng hîp ®-îc trong phßng thÝ nghiÖm. Thùc
hiÖn qu¸ tr×nh tæng hîp cloven theo qu¸ tr×nh chuyÓn hãa sau:
CH3
OH
COOCH3
H3C
A
O O
...
H3C
F
HO-
G
...
H3C
cloven
13 | 26
Cho chÊt ban ®Çu A t¸c dông víi MnO 2 t¹o thµnh hîp chÊt B (C13 H18 O3 ). Sau ®ã B ph¶n
øng víi mét axit råi ch-ng cÊt hçn hîp ph¶n øng ®Ó c« lËp mét trong c¸c s¶n phÈm ph¶n øng cho
hîp chÊt C (C12 H16 O3 ). Khö C b»ng hidro trªn Pd t¹o thµnh D, ph¶n øng kÕ tiÕp víi 1,2-etandiol
cã mÆt axit v« c¬ t¹o thµnh hîp chÊt E (C14 H22 O4 ). E t¸c dông víi (CH 3 CH2 )2 CuLi trong ete vµ
thªm axit cho hîp chÊt F. Trong m«I tr-êng kiÒm F chuyÓn thµnh hîp chÊt G (C14 H 20 O), tõ ®ã
thu ®-îc cloven b»ng hai b-íc.
ViÕt c¸c s¬ ®å ph¶n øng ®· nªu vµ hai b-íc cuèi cïng trong sù tæng hîp cloven tõ hîp
chÊt G. BiÓu diÔn cÊu tróc kh«ng gian cña cloven, chØ râ c¸c nguyªn tö bÊt ®èi vµ x¸c ®Þnh cÊu
h×nh R, S cña chóng trong cÊu tróc cña cloven.
H-íng dÉn gi¶i
OH
O
MnO2
CO2CH3
H3C
A
O
H3C
Li/NH3
OHOH
H3C
H3C
G
S
H3C
COOH
H3C
D
O
F
E
CO2H
H3C
C
O
O
COOH
O
H2/Pd
B
O
H3C
CO2CH3
H3C
O
H+
R
R
CH3
S
cloven
Bài 3. (DHBB 2013)
Axit retigeranic là một tecpenoit được phân lập từ một loại địa y. Cấu trúc của axit
retigeranic được xác định dựa trên phương pháp phân tích tia – X. Công thức của axit retigeranic
như sau:
Xác định cấu hình của axit retigeranic. Axit retigeranic có thể có bao nhiêu đồng phân
cấu hình?
Hướng dẫn giải:
14 | 26
1. Xác định cấu hình của axit retigeranic:
Bài 4. (HSG QG 2009)
Inulin (một cacbohiđrat có trong rễ cây actisô) không phản ứng với thuốc thử Felinh; khi bị thuỷ phân
có mặt α-glucoziđaza cho 2 mol glucozơ và một polisaccarit gồm các D-fructozơ kết cấu theo kiểu (2→1)-Dfructofuranozơ. Phân tử khối tương đối của inulin khoảng 5200 u.
Vẽ công thức Havooc (Haworth) của inulin.
Hướng dẫn giải:
Công thức của Inulin:
O
O O
CH2
O O
28 ®¬n vÞ
CH2
O O
CH2
OO
(Hoặc vẽ 2 gốc glucozơ ở cùng một đầu)
Bài 5. Trong mật mía có chất đường không khử (+)-raffinozơ C18 H32 O 16 bị thủy phân axit cho
D-fructozơ, D-galactozơ và D-glucozơ, thủy phân bằng men α-galactozidaza cho α-galactozơ và
saccarozơ, bằng men invertaza cho D-fructozơ đisaccarit melibiozơ, khi metyl hóa raffinozơ rồi
thủy phân cho 1,3,4,5-tetra-O-metyl-D-fructozơ, 2,3,4,6-tetra-O-metyl-D-galactozơ và 2,3,4-triO-metyl-D-glucozơ. Xác định cấu trúc của raffinozơ.
Hướng dẫn giải
Rafinozơ có liên kết giữa galactozơ và glucozơ là α(1,6), liên kết với fructozơ bằng liên
kết α-glucozit-β-fructozit nên Rafinozơ có công thức:
15 | 26
Hoặc
Bài 6. (HSG QG 2004)
Monosaccarit A (®Æt lµ glicoz¬ A) cã tªn lµ (2S,3R , 4S , 5R)– 2,3,4,5,6–
– pentahi®roxihexanal. Khi ®un nãng tíi 100 0 C, A bÞ t¸ch n-íc sinh ra s¶n phÈm B cã tªn lµ
1,6– anhi®roglicopiranoz¬. D– glucoz¬ kh«ng tham gia ph¶n øng nµy. Tõ A cã thÓ nhËn ®-îc
c¸c s¶n phÈm E (C5 H10 O5 ) vµ G (C5 H 8 O7 ) theo s¬ ®å ph¶n øng:
A
Br2
H2O
C
CaCO3
D
H2O2
E
HNO3
G
a) ViÕt c«ng thøc Fis¬ cña A vµ B.
b) A tån t¹i ë 4 d¹ng ghÕ (D-glicopiranoz¬). ViÕt c«ng thøc cña c¸c d¹ng ®ã vµ cho biÕt d¹ng nµo
bÒn h¬n c¶?
c) Dïng c«ng thøc cÊu d¹ng biÓu diÔn ph¶n øng chuyÓn ho¸ A thµnh B. V× sao
D– glucoz¬ kh«ng tham gia ph¶n øng t¸ch n-íc nh- A?
d) ViÕt c«ng thøc cÊu tróc cña E vµ G. H·y cho biÕt chóng cã tÝnh quang ho¹t hay kh«ng?
H-íng dÉn gi¶i
a)
CHO
CH
HO
OH
HO
HO
OH
0
100 C
HO
OH
+ H2O
O
CH2OH
O-CH2
HO OH
OH
O
OH
b)
C1 -
OH
OH
O
HO
OH 1 C -
HO
16 | 26
HO
OH
HO OH
OH
O
C1 -
OH
OH 1 C -
O
HO
HO
HO
HO
1 C - BÒn nhÊt v× sè liªn kÕt e – OH nhiÒu nhÊt
c)
OH
O
HO
O
OH
1000C
O
HO
OH
OH
+ H2O
HO
HO
D- Glucoz¬ kh«ng ph¶n øng t¸ch n-íc v× c¸c nhãm – OH ë C1 vµ C6 lu«n ë xa nhau.
d)
CHO
OH
COOH
OH
HO
HO
OH
CH2OH
Quang ho¹t
OH
COOH
Kh«ng quang ho¹t
Bài 7. Từ một protein thực vật tách ra được chất A C 5 H10 N2 O3 , chứa một nhóm amin, đun nóng
với kiềm không giải phóng NH3 và tạo thành axit aminođicacboxylic C 3 H5 (NH2 )(COOH)2 . Khi
tiến hành thoái phân Hofman dẫn xuất axetyl của A tạo ra axit α,γ-điaminobutirric. Xác định cấu
trúc của A.
Hướng dẫn giải
A có 2 nguyên tử N, trong đó có một nguyên tử N thuộc nhóm amin, nguyên tử N còn lại
không phải ion NH 4 vì khi đun với kiềm không giải phóng NH3 . A bị thủy phân tạo
C3 H5 (NH2 )(COOH)2 nên A có dạng NH2 CO-C3 H5 (NH2 )COOH
Thoái phân Hofman dẫn xuất axetyl của A tạo ra axit α,γ-điaminobutirric. Vậy A là
H2 NCO(CH2 )2 CH(NH2 )COOH
NHCOCH3
H2NCO(CH2)2CHCOOH
H2NCO(CH2)2CH(NH2)COOH
A
NH2
H2N(CH2)2CHCOOH
NH2
HOOCCH2CH2CHCOOH
Bài 8. Felingas trin là chất kích thích bài tiết axit gastric trong dạ dày động vật có 17 aminoaxit
với thành phần là (Ala2 AspGly2 Glu5 LeuMetPheProTrp2 Tyr).
Khi thủy phân bằng men
17 | 26
chymotrypsin thu được 4 đoạn mạch sau: (1) Glu-Gly-Pro-Trp; (2) Gly-Trp; (3) Met-Asp-Phe;
(4) Leu-Glu-Glu-Glu-Ala-Ala-Tyr
và phân tích nhóm cuối mạch cho thấy Glu là nhóm cuối
đính với N, Phe là nhóm cuối C. Xác định cấu trúc của gastrin.
Hướng dẫn giải
Theo đề bài xác định được (1) ở đầu N, (3) ở đầu C, không xác định được vị trí của (2) và
(4) nên gastrin có hai cấu trúc:
Glu-Gly-Pro-Trp-Gly-Trp -Leu-Glu-Glu-Glu-Ala-Ala-Tyr- Met-Asp-Phe
Hoặc Glu-Gly-Pro-Trp -Leu-Glu-Glu-Glu-Ala-Ala-Tyr-Gly-Trp-Met-Asp-Phe
Bài 9. (HSG QG 2003)
TRF lµ tªn viÕt t¾t mét homon ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña tuyÕn gi¸p. Thñy ph©n hoµn toµn 1
mol TRF thu ®-îc 1 mol mçi chÊt sau:
N
NH3 ;
CH2-CH-COOH
; HOOC-CH 2-CH2-CH-COOH ;
N
COOH
H
NH2
(Glu)
(Pro)
NH2
N
H
(His)
Trong hçn hîp s¶n phÈm thñy ph©n kh«ng hoµn toµn TRF cã dipeptit His-Pro. Phæ khèi l-îng
cho biÕt ph©n tö khèi cña TRF lµ 362 ®vC. Ph©n tö TRF kh«ng chøa vßng lín h¬n 5 c¹nh.
H·y x¸c ®Þnh c«ng thøc cÊu t¹o vµ viÕt c«ng thøc Fis¬ cña TRF.
H-íng dÉn gi¶i:
*Tõ d÷ kiÖn thñy ph©n suy ra 2 c«ng thøc Glu-His-Pro vµ His-Pro-Glu (®Òu cã 1 nhãm –
CO– NH 2 )
* Tõ M = 362 ®vC suy ra cã t¹o ra amid vßng (lo¹i H 2 O)
* Tõ d÷ kiÖn vßng 5 c¹nh suy ra Glu lµ aminoaxit ®Çu N vµ t¹o lactam 5 c¹nh, cßn Pro
lµ aminoaxit ®Çu C vµ t¹o nhãm – CO – NH 2 .
VËy cÊu t¹o cña TRF:
HN
CH
CO-NH
CH CO N
CH CO-NH2
CH2
O
N
NH
C«ng thøc Fis¬:
18 | 26
NH2
CO
N
CO
NH
CO
NH
O
H
H
H
CH2
N
NH
Bài 10. Atropin (C17 H23 O3 N) là một ancaloit có trong lá và thân cây cà độc dược, có tác dụng
làm giãn đồng tử, kích thích hô hấp, giảm sự co bóp của ruột. Thủy phân atropin trong môi
trường kiềm cho axit atropic C 6 H5 CH(CH2 OH)COOH và tropin C 8 H15 ON (là một ancol không
quang hoạt). Đề hiđrat hóa tropin cho tropiđen. Hãy xác định công thức cấu tạo của atropin.
CH3
N
Tropiden
Hướng dẫn giải
Vì đề hiđrat hóa tropin cho tropiđen và tropin là một ancol không quang hoạt nên tropin
có cấu trúc đối xứng.
Thủy phân atropin cho axit atropic và tropin nên atropin chứa nhóm chức este:
CH3
N
Atropin
OCO
CH CH2OH
C 6H 5
Bài 11. (HSG QG 2006)
Tõ h¹t tiªu ng-êi ta t¸ch ®-îc hîp chÊt E (C17 H19 NO 3 ) lµ chÊt trung tÝnh. Ozon ph©n E thu
®-îc c¸c hîp chÊt: eta®ial, B, D. Thuû ph©n B thu ®-îc OHC-COOH và hîp chÊt dÞ vßng 6 c¹nh
piperi®in (C5 H11 N). Cho D t¸c dông víi dung dÞch HI ®Æc thu ®-îc 3,4-®ihi®roxibenzan®ehit.
H·y x¸c ®Þnh c«ng thøc cÊu t¹o cña A, B, D. Cã bao nhiªu ®ång ph©n lËp thÓ cña E?
H-íng dÉn gi¶i:
Ozon ph©n E thu ®-îc eta®ial chøng tá trong A cã nhãm =CH-CH= . Thuû ph©n B thu
®-îc OHC-COOH vµ piperi®in, suy ra B cã liªn kÕt O=C-N- vµ N n»m trong vßng 6 c¹nh. D
ph¶n øng víi HI thu ®-îc 3,4-®ihi®roxibenzan®ehit. VËy cã c¸c c«ng thøc cÊu t¹o:
19 | 26
C
OHC
N
O
O
CHO
O
(D)
(B)
O
CH CH CH CH C
N
O
O
(E)
Trong A cã 2 liªn kÕt ®«i, sè ®ång ph©n h×nh häc lµ 4: ZZ , EE , ZE , EZ.
Chú ý đồng phân E không thể xuất hiện đồng phân ZZ.
Bài 12. (HSG QG 2011)
Khử xitral rồi chuyển hoá sản phẩm A theo sơ đồ:
Xitral
LiAlH4
H+
A
B
(C
H
,
d¹ng
m¹ch hë)
(C10H18O)
10 16
o
t
C
2,5,5-Trimetylbixiclo[4.1.0]hept-2-en
Viết công thức cấu tạo của A, B, C và hoàn thành sơ đồ các phản ứng. Giải thích quá
trình chuyển hóa tạo thành C.
Hướng dẫn giải
Xitral
LiAlH4
A
H+
CH2OH
CH2+
-H2O
2
1
- H+
3
7
7
4
6
6
B
2
1
5
C
5
Bài 13. (HSG QG 2009)
Cho sơ đồ sau:
(-)-Serin
HCl
CH3OH
A
PCl5
B
OH-
(C4H9Cl2NO2)
C
NaSH
(C4H8ClNO2)
D
(C4H9NO2S)
1. H3O+, to
2. OH
E
Viết công thức Fisơ của E và cho biết cấu hình tuyệt đối (R/S) của nó.
Hướng dẫn giải:
Các phương trình phản ứng:
HCl
HOCH2-CH-COOCH3
HOCH2-CH-COOH
CH3OH
NH3Cl
NH2
A
L-(-)-Serin
PCl5
ClCH2-CH-COOCH3
NH3Cl
B
ClCH2-CH-COOCH3
NH2
C
NaSH
HSCH2-CH-COOH
E
NH2
1. H3O+, to
2. OH-
HSCH2-CH-COOCH3
NH2 D
20 | 26
- Xem thêm -