Giáo trình Hóa hữu cơ - Dành cho Cao đẳng Dược (Năm học 2018-2019)

• Chuyên ngành: Dược học
• Đề tài: Giáo trình hóa hữu cơ dành cho cao đẳng dược
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2018

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình hóa hữu cơ dành cho cao đẳng dược

Giáo trình hóa hữu cơ dành cho cao đẳng dược là tài liệu học tập chính thức, được biên soạn theo chương trình đào tạo dược sĩ trình độ cao đẳng. Tài liệu cung cấp kiến thức nền tảng về cấu tạo hợp chất hữu cơ, đồng phân học và các phương pháp tinh chế cơ bản. Nội dung được trình bày theo logic từ đơn giản đến phức tạp, phù hợp với đối tượng sinh viên dược. Các hợp chất hữu cơ cơ bản như hydrocarbon, amin, aldehyd, ceton, acid carboxylic và dẫn xuất được giới thiệu đầy đủ. Giáo trình còn bao gồm phần thực hành giúp sinh viên nắm vững kỹ năng phòng thí nghiệm. Cấu trúc rõ ràng của tài liệu hỗ trợ hiệu quả cho việc học tập và nghiên cứu chuyên ngành dược phẩm. Năm học áp dụng là 2018-2019, thuộc lưu hành nội bộ của Bộ Lao động Thương binh và Xã hội.

1.1. Cấu trúc và nội dung chính của giáo trình

Giáo trình hóa hữu cơ cao đẳng dược được chia thành nhiều bài học có hệ thống. Phần lý thuyết bao gồm cấu tạo hợp chất hữu cơ, danh pháp IUPAC, đồng phân học và các phản ứng cơ bản. Phần thực hành hướng dẫn kỹ thuật tinh chế, kết tinh và chưng cất. Mỗi bài học đều có mục tiêu rõ ràng và bài tập thực hành. Nội dung được biên soạn theo chuẩn chương trình đào tạo, đảm bảo tính khoa học và thực tiễn cho ngành dược.

1.2. Đối tượng và phạm vi áp dụng của tài liệu

Giáo trình hướng đến đối tượng chính là sinh viên cao đẳng dược và các ngành liên quan đến y dược. Tài liệu cũng phù hợp cho người học cần củng cố kiến thức hóa hữu cơ cơ bản. Phạm vi áp dụng rộng rãi trong đào tạo nghề dược, từ hệ chính quy đến đào tạo liên thông. Giáo trình được thiết kế để sinh viên có thể tự học và ôn tập hiệu quả. Kiến thức trong tài liệu là nền tảng quan trọng cho các môn học chuyên ngành dược lý học và bào chế học.

II. Các vấn đề thường gặp khi học hóa hữu cơ dược

Sinh viên cao đẳng dược thường gặp nhiều khó khăn khi tiếp cận môn hóa hữu cơ. Khó khăn đầu tiên là hệ thống danh pháp phức tạp với nhiều quy tắc đặt tên theo IUPAC. Các cấu trúc phân tử ba chiều khó hình dung trên giấy khi chỉ sử dụng công thức phẳng. Số lượng phản ứng lớn và cơ chế phức tạp khiến người học dễ nhầm lẫn giữa các loại phản ứng. Nhiều sinh viên thiếu nền tảng hóa học cơ bản, dẫn đến việc tiếp thu kiến thức mới chậm hơn. Phương pháp học thụ động, chỉ đọc sách mà không thực hành cũng là nguyên nhân phổ biến. Thời gian học tập hạn chế so với khối lượng kiến thức đồ sộ cần tiếp thu. Việc liên hệ lý thuyết với thực tế sản xuất dược phẩm chưa được chú trọng đầy đủ trong quá trình học.

2.1. Khó khăn trong việc nắm vững danh pháp hợp chất

Danh pháp IUPAC là một trong những thử thách lớn nhất với sinh viên khi học hóa hữu cơ. Hệ thống quy tắc đặt tên phức tạp với nhiều tiền tố, hậu tố và quy tắc ưu tiên cần ghi nhớ. Việc xác định mạch chính, nhóm chức và vị trí thay thế đòi hỏi sự chính xác cao. Nhiều hợp chất có tên thông thường khác biệt hoàn toàn với danh pháp hệ thống. Sinh viên thường nhầm lẫn giữa các loại đồng phân và cách đặt tên tương ứng. Thực hành đặt tên thường xuyên là cách duy nhất để khắc phục vấn đề này.

2.2. Vấn đề hiểu cơ chế phản ứng hữu cơ

Cơ chế phản ứng hữu cơ là phần kiến thức khó tiếp thu nhất trong giáo trình. Sinh viên phải hiểu rõ về liên kết hóa học, orbital phân tử và sự phân bố electron trong phân tử. Các loại cơ chế như thế SN1, SN2, E1, E2 đòi hỏi tư duy logic chặt chẽ. Nhiều người học ghi nhớ phản ứng mà không hiểu nguyên nhân dẫn đến kết quả cuối cùng. Việc thiếu hình ảnh minh họa và mô hình ba chiều làm tăng độ khó hiểu bài. Giáo viên cần sử dụng phương pháp trực quan và ví dụ thực tế để hỗ trợ sinh viên.

III. Phương pháp học hóa hữu cơ hiệu quả cho sinh viên dược

Để học hóa hữu cơ hiệu quả, sinh viên cần áp dụng phương pháp học tập chủ động và có hệ thống. Đầu tiên, xây dựng nền tảng vững chắc về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học là bước không thể bỏ qua. Tiếp theo, học thuộc hệ thống danh pháp IUPAC thông qua việc thực hành đặt tên thường xuyên với nhiều loại hợp chất khác nhau. Sử dụng mô hình phân tử để hình dung cấu trúc ba chiều của hợp chất hữu cơ. Vẽ lại cơ chế phản ứng nhiều lần để加深理解 và ghi nhớ lâu hơn. Liên hệ kiến thức lý thuyết với ứng dụng thực tế trong ngành dược phẩm. Lập bảng tổng hợp các phản ứng theo nhóm chức giúp hệ thống hóa kiến thức. Tham gia thảo luận nhóm và giải bài tập đa dạng để củng cố hiểu biết. Ôn tập định kỳ để tránh quên kiến thức đã học qua mỗi bài.

3.1. Kỹ thuật tinh chế và kết tinh hợp chất hữu cơ

Kỹ thuật tinh chế là phần thực hành quan trọng trong giáo trình hóa hữu cơ cao đẳng dược. Kết tinh là phương pháp phổ biến để tinh chế chất rắn từ hỗn hợp. Quy trình bao gồm hòa tan chất trong dung môi nóng, lọc nóng và làm nguội từ từ để tạo tinh thể. Sử dụng bột than hoạt tính để loại bỏ chất bẩn trong quá trình tinh chế. Điều khiển tốc độ làm nguội ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước tinh thể thu được. Các kỹ thuật khác bao gồm chưng cất, chiết xuất và sắc ký. Thực hành thành thạo các kỹ thuật này giúp sinh viên chuẩn bị tốt cho công việc trong ngành dược.

3.2. Xây dựng sơ đồ tư duy và hệ thống hóa kiến thức

Sơ đồ tư duy là công cụ học tập hiệu quả cho môn hóa hữu cơ. Hệ thống hóa kiến thức theo nhóm chức giúp dễ nhớ và so sánh các tính chất hóa học. Ví dụ: nhóm hydrocarbon, dẫn xuất halogen, amin, aldehyd, ceton, acid carboxylic. Mỗi nhóm cần nắm rõ tính chất vật lý, tính chất hóa học và phương pháp điều chế tương ứng. Liên hệ giữa các nhóm chức thông qua chuỗi phản ứng tổng hợp giúp hiểu sâu hơn. Sử dụng bảng màu để phân biệt các loại liên kết và nhóm chức trong sơ đồ. Ôn tập theo sơ đồ tư duy giúp ghi nhớ lâu và hiểu sâu kiến thức đã học.

IV. Ứng dụng hóa hữu cơ trong ngành dược phẩm hiện đại

Hóa hữu cơ đóng vai trò nền tảng không thể thiếu trong ngành dược phẩm hiện đại. Kiến thức về cấu trúc hợp chất hữu cơ giúp hiểu rõ cơ chế tác dụng của thuốc trong cơ thể. Các loại dược phẩm phổ biến như kháng sinh, thuốc giảm đau, vitamin đều là hợp chất hữu cơ. Quá trình tổng hợp thuốc đòi hỏi kiến thức sâu về phản ứng hữu cơ và kỹ thuật phòng thí nghiệm. Hóa học dược phẩm sử dụng nguyên lý hóa hữu cơ để thiết kế phân tử thuốc mới với hiệu quả cao hơn. Nghiên cứu mối quan hệ cấu trúc - hoạt tính dựa trên nền tảng hóa hữu cơ vững chắc. Công nghiệp sản xuất thuốc generic cần kiến thức tổng hợp hữu cơ để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hiểu biết hóa hữu cơ cũng giúp dược sĩ đánh giá tương tác thuốc và tác dụng phụ tiềm ẩn.

4.1. Tổng hợp và bào chế thuốc từ hợp chất hữu cơ

Quá trình tổng hợp thuốc là ứng dụng trực tiếp của hóa hữu cơ trong dược học hiện đại. Các bước tổng hợp bao gồm chọn nguyên liệu, thực hiện phản ứng và tinh chế sản phẩm cuối cùng. Ví dụ điển hình: tổng hợp aspirin từ acid salicylic và acid acetic, điều chế paracetamol từ p-aminophenol. Kiến thức về bảo vệ nhóm chức và thay thế có chọn lọc rất quan trọng trong tổng hợp dược phẩm. Quy trình bào chế dạng viên, viên nang, dung dịch đều liên quan đến tính chất hóa học của hoạt chất. Sinh viên dược cần nắm vững kiến thức này để làm việc hiệu quả trong nhà máy sản xuất thuốc.

4.2. Hóa hữu cơ trong kiểm định và phân tích dược phẩm

Kiểm định chất lượng thuốc dựa nhiều vào phương pháp phân tích hóa học hữu cơ. Các phản ứng định tính giúp nhận biết nhóm chức có trong phân tử thuốc một cách chính xác. Phương pháp sắc ký như HPLC và GC sử dụng nguyên lý hóa học để phân tích hàm lượng hoạt chất. Phổ hồng ngoại và phổ khối cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc phân tử hợp chất. Tiêu chuẩn dược điển quy định các phép thử hóa học cụ thể cho từng loại thuốc. Sinh viên cần thực hành thành thạo kỹ năng phân tích để đảm bảo chất lượng sản phẩm dược. Đây là kỹ năng thiết yếu cho công việc kiểm định tại các cơ sở sản xuất thuốc hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI   GIÁO TRÌNH HÓA HỮU CƠ Đối tượng: Dược cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Năm học: 2018 – 2019 MỤC LỤC Trang Bài 1. CẤU TẠO HỢP CHẤT HỮU CƠ . ĐỒNG PHÂN HỌC . CÁC PHƯƠNG PHÁP TINH CHẾ HỢP CHẤT HỮU CƠ. HYDROCARBON MẠCH HỞ . HYDROCARBONCYCLANIC VÀ DẪN XUẤT. HỢP CHẤT AMIN . ALDEHYD – CETON – QUINON. ACID CARBOXYLIC VÀ DẪN XUẤT . HỢP CHẤT DỊ VÒNG . 101 PHẦN THỰC HÀNH . CẤU TẠO HỢP CHẤT HỮU CƠ 1. Cách biểu diễn công thức cấu tạo hợp chất hữu cơ Công thức cấu tạo phẳng biểu diễn cấu trúc của phân tử quy ước trên một mặt phẳng, thường là mặt phẳng giấy. Công thức Lewis Công thức Lewis biểu diễn các liên kết giữa các phân tử hay số electron hoá trị của mỗi nguyên tử bằng số electron. Số electron là bằng tổng electron của các nguyên tử đóng góp vào và các nguyên tử có xu hướng tạo trạng thái electron lớn nhất có thể có để có vòng electron bền vững của khí trơ. Ví dụ: Các công thức có thể mang điện tích, thường gọi là điện tích hình thức hay quy ước: Khi những tiểu phân không có đủ vòng bát tử thì thường đó là những tiểu phân trung gian không bền, có khả năng phản ứng cao và trong phản ứng có xu hướng nhanh tạo thành cấu trúc electron bát tử. Ưu điểm: Dễ kí hiệu, cho thấy được bản chất của quá trình phân tích. Nhược điểm: Phức tạp cho quá trình biểu diễn, dễ gây sai sót. Trong một số trường hợp không biểu diễn được. Công thức Kekule Để đơn giản trong cách biểu diễn của Lewis, người ta quy ước biểu diễn các liên kết trong phân tử bằng vạch ngang thay cho cặp electron liên kết. 1 Ví dụ: Trong các hợp chất có mang điện tích cũng có thể thay thế kiên kết bằng mũi tên từ chất cho tới chất nhận: Để đơn giản trong cách biểu diễn công thức, có thể ẩn các gạch liên kết, ẩn một phần hay toàn phần tuỳ thuộc vào yêu cầu cách biểu diễn, đồng thời cũng bỏ qua các cặp electron không liên kết, gọi là công thức rút gọn: CH3CH2 CH3 , CH3 – CH2 – CH3 , CH3CH2CH2 – H Ngoài ra, một chất có thể biểu diễn dưới nhiều dạng công thức, chẳng hạn: Ưu điểm: Khắc phục nhược điểm của công thức Lewis, đơn giản và phản ánh thật bản chất của liên kết. Nhược điểm: Không thấy sự góp chung electron. Trong trường hợp phân cắt dị ly thì không thấy được hiện tượng. Chú ý: Trong một số trường hợp đặc biệt các hợp chất hữu cơ mạch vòng, người ta thường không biểu diễn kí hiệu của các nguyên tử cacbon và hidro. Danh pháp hợp chất hữu cơ Có 4 loại danh pháp chủ yếu: 2. Danh pháp thông thường Là tên được gọi theo nguồn gốc thu nhận được chất đó, theo tên của người tìm ra nó hay ý muốn của người tìm ra nó, theo phương pháp thu nhận được chất đó. Ví dụ: Axit fomic: HCOOH (Fomica: Kiến) Axit axetic: CH3COOH (Acetus: Giấm) Mentol: C10 H20 O (Mentha piperita: Bạc hà) 2 2. Danh pháp hợp lý Lấy tên của một hợp chất hữu cơ làm tên gọi đầu sau đó gọi tên của các hợp chất hữu cơ khác tương tự theo tên của các chất hữu cơ đầu. Ví dụ: Nhược điểm: Đối với các hợp chất phức tạp thì không thể gọi tên được. Danh pháp thương mại Là tên của các hợp chất hoá học hữu cơ được sử dụng trên thị trường do các hãng sản xuất đặt tên. Ví dụ: Các loại thuốc nhộm: Rongalit C (NaHSO2.2H2O): dùng để in hoa Rongal P (Dẫn xuất của axit sunfonic): dùng để nhuộm huyền phù. Danh pháp IUPAC (Hiệp hội hoá học quốc tế: International Union Pine And Applycation Chemistry) Tên gốc - chức TÊN PHẦN GỐC TÊN PHẦN ĐỊNH CHỨC Ví dụ: CH3 CH2 – CH3 CH2 –O– COCH3 CH3CH2 –O– CH3 Cl clorua Etyl Etyl axetat Etyl metyl ete Tên thay thế - Tên không đầy đủ: TÊN PHẦN TÊN MẠCH CACBON CHÍNH TÊN PHẦN ĐỊNH CHỨC THẾ (bắt buộc phải có) (bắt buộc phải có) (có thể không có) Ví dụ: H3C – CH3 H3C – CH2 Cl H2C= CH2 Etan Cloetan Etan 3 - Tên nhóm thế: Các nguyên tử của các nguyên tố thì gọi tên theo từng nguyên tố: -OH : Hiđroxyl -OR : Ancoxyl CH3 O- : Metoxyl C6H5O- : Phenolxyl CH3 CO- : Axetyl C6H5- : Phenyl C6H5CH2- : Benzyl -NO2 : Nitro -NH2 : Anmino -CN : Nitryl -SH : Mecaptan -SO3 H : Sunfonic R- : Ankyl 2. Chọn mạch chính: Chọn mạch cacbon dài nhất chứa các nguyên tử cacbon liên kết cacbon làm mạch chính. Chọn một nhóm chức có độ ưu tiên nhất làm nhóm chức chính, các chức còn lại là phần thế. Độ ưu tiên nhóm chức: -COOH > -COO- > -CHO > -CO- >-OH >-NH2 > -O- 2. Đánh số thứ tự: Ta đánh số thứ tự từ bên phải sang bên trái hoặc trái qua sao cho tổng các chỉ số của các nhóm thế là nhỏ nhất. Trường hợp khi đánh số từ đầu này đến đầu kia mà thu được một số dãy chỉ số của các nhóm mạch nhánh khác nhau thì phải sắp xếp chúng lại theo thứ tự tăng dần. Dãy có tổng các chỉ số nhỏ nhất được xem là dãy có chỉ số đầu nhỏ nhất. Ví dụ: * Tên phần định chức: An, en, in, ol, al, on, oic… 4  Tên đầy đủ: Cấu hình + dấu quang hoạt + tên gọi không đầy đủ Để gọi tên hợp chất hữu cơ, cần thuộc tên các số đếm và tên mạch cacbon như sau: SỐ ĐẾM MẠCH CACBON CHÍNH 1: mono C met 2: đi C–C et 3: tri C–C–C prop 4: tetra C–C–C–C but 5: penta C–C–C–C–C pent 6: hexa C – C –C – C – C – C hex 7: hepta C–C–C–C–C–C–C hep 8: octa C–C–C–C–C–C–C–C oct 9: nona C–C–C–C–C–C–C–C–C non 10: deca C–C–C–C–C–C–C–C–C–C dek 3. Phân loại các hợp chất hữu cơ Hợp chất hữu cơ được phân thành hidrocacbon và dẫn xuất của hidrocacbon. - Hidrocacbon là những hợp chất được tạo thành từ hai nguyên tố C và H. Gồm 3 loại: + Hidrocabon no (Ankan): CH4, C2H6 + Hidrocacbon không no gồm anken: C2 H4 và ankin: C2H2 + Hidrocacbon thơm (Aren): C6H6 - Dẫn xuất của hidrocacbon là những hợp chất mà trong phân tử ngoài C, H ra còn có một hay nhiều nguyên tử của các nguyên tố khác như O, N, S, halogen…bao gồm: dẫn xuất halogen như CH3Cl, ancol như: CH3OH, axit như: CH3COOH,… 5 Bài 2. ĐỒNG PHÂN HỌC Các hợp chất hữu cơ được cấu tạo theo một trật tự xác định. Công thức phân tử cho biết thành phần và số lượng nguyên tử có trong một phân tử. Công thức cấu tạo phản ảnh bản chất và thứ tự sắp xếp các liên kết trong phân tử. Một công thức phân tử có thể có nhiều công thức cấu tạo khác nhau hoặc những chất khác nhau. Hiện tượng một công thức phân tử ứng với hai hoặc nhiều công thức cấu tạo khác nhau được gọi là hiện tượng đồng phân (isomery). Thuật ngữ isomery xuất phát từ tiếng Hy Lạp "isos" có nghĩa là "cùng" và "meros"có nghĩa là "phần". Dựa vào đặc điểm cấu trúc người ta chia thành 2 loại đồng phân: đồng phân phẳng và đồng phân lập thể (đồng phân không gian) 1. ĐỒNG PHÂN PHẲNG Các nguyên tử và nhóm nguyên tử trong phân tử chất hữu cơ đều cùng nằm trong một mặt phẳng. Các đồng phân chỉ khác nhau về vị trí và thứ tự liên kết giữa các nguyên tử tạo thành phân tử. Đồng phân phẳng có các loại sau: 1. Đồng phân mạch carbon Có mạch carbon sắp xếp khác nhau. Mạch thẳng hoặc phân nhánh. Đồng phân vị trí nhóm định chức Nhóm định chức trên mạch carbon ở các vị trí khác nhau. Dùng các chữ số chỉ vị trí nhóm chức trên mạch chính của mạch carbon. Đồng phân nhóm chức Có nhóm chức khác nhau. Đồng phân liên kết Các nguyên tử trong phân tử có cách liên kết khác nhau 2. ĐỒNG PHÂN LẬP THỂ - ĐỒNG PHÂN KHÔNG GIAN Đồng phân lập thể hay còn gọi là đồng phân không gian có cùng công thức cấu tạo nhưng khác nhau về sự phân bố không gian (phân bố lập thể) của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử. Tính chất và phản ứng của các chất hữu cơ liên quan chặt chẽ với sự phân bố không gian của các nguyên tử trong cấu trúc của chúng. Có các loại đồng phân không gian: Đồng phân hình học Đồng phân quang học Đồng phân cấu dạng 2. Đồng phân hình học 2. Cấu tạo và danh pháp đồng phân hình học Có thể biểu diễn công thức của ethylen theo dạng không gian: 7 Sự phân bố của các nguyên tử hydro nằm về 2 phía của mặt phẳng chứa liên kết π (mặt phẳng π). Các nguyên tử carbon không thể quay tự do xung quanh liên kết δ được vì sự cản trở của mặt phẳng π. Nếu thay thế các nguyên tử hydro của etylen bằng các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử khác nhau thì sự phân bố không gian của chúng so với mặt phẳng π sẽ khác nhau. Sự phân bố về 2 phía của mặt phẳng cũng thường gặp trong hợp chất vòng. Sự phân bố không gian của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử về 2 phía của mặt phẳng π hay mặt phẳng của vòng làm xuất hiện một loại đồng phân. Đó là đồng phân hình học. Đồng phân hình học là những hợp chất có cùng công thức phân tử nhưng có vị trí không gian của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác nhau đối với mặt phẳng π hoặc mặt phẳng của vòng. Phân loại đồng phân hình học − Có 2 loại đồng phân hình học: Đồng phân cis và đồng phân trans. + Dạng cis để chỉ đồng phân có 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử giống nhau ở cùng một phía đối với mặt phẳng π hay mặt phẳng vòng. + Dạng trans chỉ đồng phân có 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở khác phía với mặt phẳng π hay mặt phẳng vòng. Có công thức tổng quát sau: abC=Cab, abC=Cac (a ≠ b, a>b) Cis Trans Cis Trans 8 Ví dụ: Cis trans Acid maleic Acid fumaric Cis trans Trường hợp hợp chất có dạng tổng quát abC =Ccd cũng có đồng phân hình học với a,b,c, d là những nguyên tử hay nhóm thế hoàn toàn khác nhau về " độ lớn ". − Sự phân bố không gian các nhóm thế lớn về một phía ta có đồng phân Z và khác phía ta có đồng phân E. Z và E là những chữ đầu của Zusammen (cùng phía) và Eintgegen (khác phía).