Các chuyên đề đạt giải Nhất, Nhì, Ba hội các trường THPT chuyên, khu vực Duyên hải và Đồng bằng Bắc Bộ môn Hóa
LỜI NÓI ĐẦU
BAN BIÊN TẬP
Chuyên đề:
PHẢN ỨNG ĐÓNG VÒNG TRONG HÓA HỮU
CƠ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CÁC CẤP
Vũ Thị Len - Trường THPT Chuyên Bắc Ninh
(Chuyên đề đạt giải Nhất)
PHẦN I: MỞ ĐẦU
1.1. Lý do chọn đề tài
Hóa học được biết đến là môn khoa học gắn liền với thực tiễn, đặc biệt là hóa học hữu cơ. Các hợp chất hữu có ứng dụng rất lớn trong đời sống cũng như hương liệu trong các ngành công nghiệp thực phẩm, mĩ phẩm, đặc biệt trong lĩnh vực y học điều chế thuốc chữa bệnh. Ứng dụng nổi trội hơn cả là các hợp chất mạch vòng, có thể kể đến: Fenchone là một loại terpenoit, một chất lỏng không màu được phân lập từ cây thì là và cây ngải đắng, có mùi thơm dùng làm nước hoa. Longifolen là một sesquitecpen có trong thành phần nhựa thông và tinh dầu một số cây lá kim, được dùng trong công nghiệp hương liệu, mĩ phẩm.
Reserpin là một ankaloit được cô lập lần đầu tiên vào năm 1952 từ rễ khô của một loài cây chữa nọc độc của rắn. Reserpin được sử dụng để điều chế các dược phẩm chữa bệnh cao huyết áp hay chữa bệnh trầm cảm. Ellipticine là một ankaloit có khung pyridocarbazole thể hiện khả năng chống ung thư cao có nhiều trong rễ cây mã tiền. Loài hoa ‘’giọt tuyết’’ chỉ nở về mùa đông, và phần rễ của nó có chứa một loại ankaloit được đặt tên galantamine, chất này có hoạt tính sinh học rất giá trị là điều trị được căn bệnh mất trí nhớ...Hàng loạt các hoạt chất ứng dụng ấy có khởi nguồn từ các hợp chất được nghiên cứu tách, chiết trong các loài thực vật, nhưng nó vẫn không đáp ứng đủ nhu cầu thực tế của đời sống xã hội trong tất cả các lĩnh vực: thực phẩm, mĩ phẩm, dược phẩm.....và khi đó nó trở thành mục tiêu của các nhà hóa học, các công ty dược, mĩ phẩm, thực phẩm. Một vấn đề đặt ra đối với các nhà khoa học: Bằng cách nào để tổng hợp các chất đó từ những hợp chất đầu mạch hở, đơn giản, tiết kiệm chi phí ? Chắc chắn rằng, họ phải tìm cách khép vòng để tạo ra các hợp chất mong muốn.
Và khi hóa học là một môn khoa học thực tiễn ‘ học phải đi đôi với hành’, thì vấn đề đó đã được để ý đưa vào trong chương trình giảng dạy, trong các đề thi học sinh giỏi Quốc gia và Quốc tế là điều rất tự nhiên. Trong các đề thi, đặc biệt là những năm gần đây, hầu hết đều liên quan đến các phản ứng đóng vòng, hướng tới các hợp chất vòng có tính ứng dụng cao. Xuất phát từ thực trạng dạy và học ở các trường phổ thông cũng như việc bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp môn hóa học cho thấy có một số khó khăn như:
1- Tài liệu giáo khoa dành riêng cho học sinh chuyên hóa về phản ứng đóng vòng còn nhiều sơ sài, khoảng cách rất xa so với nội dung chương trình thi học sinh giỏi Quốc gia, đặc biệt là Olympic Quốc tế.Trong sách giáo khoa phổ thông, những kiến thức phản ứng đóng vòng chỉ được đề cập đến một cách sơ lược không đầy đủ, không đi sâu vào bản chất do đó cả giáo viên và học sinh đều bị lúng túng khi giải quyết một vấn đề đặt ra
2- Các tài liệu tham khảo tuy nhiều song nội dung kiến thức chưa khái quát, còn nằm rải rác ở nhiều tài liệu khác nhau hoặc có nhiều phần lại quá đơn giản, không chỉ ra được cho học sinh cách tiếp cận tốt nhất với cách giải quyết các phản ứng đóng vòng, không đáp ứng được nội dung và kiến thức để giảng dạy cho học sinh các lớp chuyên Hóa và bồi dưỡng cho học sinh giỏi thi Quốc gia và Quốc tế.
3-Trong các đề thi Olympic Quốc gia đặc biệt là những năm từ 2010 trở lại đây và trong một số đề thi Olympic Quốc tế, phản ứng đóng vòng thường được ra dưới dạng tổng hợp, kết hợp nhiều phản ứng liên quan, nhiều phản ứng mới mang tính hiện đại và đặc biệt phản ứng đóng vòng như là chìa khóa, mắt xích quan trọng nhất trong các bài hữu cơmà bạn rất khó nhận ra được, nếu học sinh không nắm tốt bản chất các phản ứng thì không vượt qua một cách dễ dàng!.
Để có được kết quả cao trong giảng dạy và bồi dưỡng học sinh chuyên Hóa tham dự kỳ thi chọn học sinh Giỏi quốc gia và Quốc tế, học sinh chuyên Hóa và các giáo viên tham gia giảng dạy cần không ngừng cập nhật các nội dung kiến thức mới. Dưới góc độ là một giáo viên dạy chuyên Hóa và tham gia bồi dưỡng học sinh dự thi học sinh giỏi quốc gia và chọn đội tuyển học sinh dự kì thi quốc tế, cá nhân tôi tôi đã nghiên cứu, lựa chọn và hệ thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọng tâm, đi tìm bản chất chung nhất; sưu tầm những bài tập điển hình để xây dựng một chuyên đề giảng dạy về phản ứng đóng vòng phù hợp với việc giảng dạy của bản thân và đồng nghiệp, đồng thời giúp cho học sinh có một tài liệu khá đầy đủ về hợp chất vòng, các phản ứng cơ bản liên quan, hiểu sâu và vận dụng được tốt những kiến thức trên vào việc giải các bài tập, đáp ứng ngày càng cao chất lượng giảng dạy và học tập cho đội tuyển học sinh giỏi môn Hóa học.
Chính vì thế, lựa chọn đề tài: “Phản ứng đóng vòng trong hóa học hữu cơ bồi dưỡng học sinh giỏi các cấp” là thực sự cần thiết, với hy vọng làm phong phú hơn nguồn tư liệu phục vụ cho công tác giảng dạy và bồi dưỡng học sinh chuyên Hóa và học sinh tham dự kì thi chọn học sinh giỏi Quốc gia và Quốc tế. Đặc biệt, tài liệu cũng là sự tổng kết của cá nhân tôi với các vấn đề thực tiễn giảng dạy Hóa hữu cơ cho học sinh chuyên Hóa và học sinh thi chọn học sinh giỏi Quốc gia và Quốc tế.
1.2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu cơ sở chung về các phản ứng đóng vòng: Các khái niệm, cơ chế, biểu diễn chi tiết các quá trình đóng vòng. Tìm ra được bản chất, nguyên tắc chung nhất, cơ sở khoa học các phản ứng đóng vòng từ đó giúp người học có cách nhìn nhận, đánh giá và giải quyết tình huống hiệu quả nhất, áp dụng cho tất cả các loại phản ứng đóng vòng, từ vòng bé đến lớn, từ đóng vòng hợp chất vòng béo đến hợp chất dị vòng.
Xây dựng các phương pháp đóng vòng đặc thù của các hợp chất vòng hay gặp (từ 3 đến 6 cạnh) bao gồm cả vòng béo và dị vòng. Tìm ra được những phương pháp khoa học hợp lý để thực hiện các phản ứng đóng vòng cho mọi loại vòng và dị vòng. Tiếp cận đến những phương pháp, phản ứng hiện đại trong quá trình đóng vòng.
Sưu tầm, lựa chọn, biên soạn một hệ thống bài tập logic từ mức độ dễ đến khó minh họa cho từng vấn đề lý thuyết khó, từng vùng kiến thức ôn tập có trọng tâm đáp ứng yêu cầu thi học sinh giỏi cấp Quốc gia và Quốc tế ở tất cả các lĩnh vực: cơ chế, dãy biến hóa, xây dựng dãy tổng hợp hợp lý, biện luận công thức cấu tạo. Bài tập mang tính hệ thống, logic, sáng tạo, gắn liền với khoa học thực tiễn, bài tập mang tính ứng dụng cao để kích thích tư duy, sự sáng tạo người học
Xây dựng chuyên đề tương đối phù hợp với yêu cầu và mục đích giảng dạy, bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở trường chuyên chuẩn bị dự thi học sinh giỏi các cấp, có thể dùng làm tài liệu học tập cho học sinh các lớp chuyên Hoá học và tài liệu tham khảo cho các thầy cô giáo trong giảng dạy. Là tài liệu trao đổi chuyên môn, học hỏi kinh nghiệm của các thầy cô giáo dạy chuyên bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học ở bậc THPT góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy và học tập môn Hoá học.
PHẦN II- NỘI DUNG
Chương 1. Cơ sở khoa học các phản ứng đóng vòng
1.2. Cơ sở khoa học các hợp chất vòng.
Các hợp chất vòng được biết đến từ 3 cạnh đến n cạnh, vòng không có dị tử (gọi là vòng béo) và có dị tử (gọi là dị vòng), trong đó hay gặp nhất là các vòng 3→8 cạnh. Tuy nhiên, độ bền của các vòng khác nhau phụ thuộc độ bền nhiệt tương đối các vòng, sức căng của vòng (sức căng Pitzo do tương tác giữa các nguyên tử ở vị trí che khuất , sức căng Bayer do độ lệch góc, sức Preloc do lực đẩy tương hỗ giữa các nguyên tử trong vòng khi chúng gần nhau).
Độ bền vòng: Ta có bảng thiêu nhiệt và sức căng của vòng
Bảng 1: Độ lệch góc so với chuẩn(109 0 28’), thiêu nhiệt và sức căng của các vòng xicloankan
Tên vòng
Góc lệch
∆H0(kcal/mol)
Năng lượng sức căng mỗi đơn vị CH2 (kcal/mol)
Năng lượng sức căng tổng cộng của vòng (kcal/mol)
xiclopropan
22044’
-499,8
-166,6
27,6
xiclobutan
9044’
-655,8
-164,0
26,4
xiclopentan
0044’
-793,5
-158,7
6,5
Xiclohexan
-5016’
-944,5
-157,4
0
Xicloheptan
-9033’
-1108
-158,3
6,3
Xiclooctan
-1204’
-1269
-158,6
9,6
Xiclononan
-15041’
-1429
-158,8
12,6
Xiclodecan
-1704’
-1586
-158,6
12,0
Qua bảng trên, ta cũng nhận định thấy rằng, vòng 3,4 cạnh có sức căng góc, thiêu nhiệt và năng lượng tổng cộng sức căng lớn nhất đặc biệt vòng 3. Trong khi đó vòng 5 cạnh có sức căng góc bé nhất, tuy nhiên năng lượng tổng cộng các sức căng vòng 6 là bé nhất và thiêu nhiệt lại cho thấy vòng 6 cạnh có cao hơn vòng 5 cạnh, với các vòng 7,8,9 các giá trị đó lại tăng dần. Điều đó có nghĩa rằng, vòng 3, 4 cạnh rất kém bền, vòng 7,8 cạnh kém bền. Vòng 5,6 cạnh bền nên dễ hình thành nhất.
Cấu dạng bền của các vòng:
Vòng xiclopropan: Các liên kết σ trong phân tử khác các liên kết σ bình thường và sự lai hóa của chúng cũng khác sự lai hóa sp3 bình thường. Các liên kết C-C này là liên kết hình ‘quả chuối’, mang tính chất trung gian giữa liên kết σ và liên kết π bình thường. Do đó thực tế góc liên kết của vòng 1060
Vòng xiclobutan: Theo quan điểm hiện nay, vòng xiclobutan có cấu dạng bền không phẳng dạng ‘lá gấp’:
Vòng xiclopentan: cấu dạng bền ở cấu dạng phong bì hoặc nửa ghế. Thực tế, không phải chỉ một nguyên tử C nằm ngoài mặt phẳng mà từng nguyên tử C bất kỳ với một xác suất như nhau chuyển động lên trên hoặc xuống dưới theo một đường thẳng góc với mặt phẳng trung bình của vòng, nói cách khác vòng xiclopentan chuyển động sóng liên tục
Vòng xiclohexan: Cấu dạng tồn tại 2 dạng chủ yếu là thuyền và ghế, trong đó dạng ghế bền hơn. Ở dạng ghế, có 2 dạng ghế C1 và 1C, trong đó các liên kết chiếm vị trí a hoặc e, khi có nhóm thế lớn sẽ ưu tiên chiếm vị trí e, nhóm nhỏ sẽ chiếm vị trí a.
Cấu dạng các vòng lớn hơn
Cấu dạng hệ đa vòng hay gặp ngưng tụ:
Bixiclo
Trixiclo, nhiều vòng:
Bằng cách nào tạo ra các hợp chất vòng đó?
Như chúng ta đã biết, các phản ứng hữu cơ đưa về 5 loại phản ứng cơ bản nhất: thế(subtituiation addition), cộng (addition reaction), tách (elimination reation), chuyển vị (rearrangement reaction), đồng bộ (periciclic) thì sự đóng vòng để hình thành các hợp chất vòng đó cũng không phải là ngoại lệ! Điều đặc biệt ở chỗ, bạn dễ dàng nhận ra rằng: đa trong số các phản ứng hình thành vòng thì các phản ứng cơ bản nhất thế (subtituiation addition), cộng(addition reaction), tách (elimination reation), chuyển vị (rearrangement reaction), đồng bộ (periciclic) diễn ra trực tiếp trong một phân tử, đó chính là các phản ứng đóng vòng.Như vậy điều quan trọng là bạn phải nhận ra các trung tâm phản ứng ấy trong sự hình thành các hợp chất vòng, bạn phải đưa được về bản chất của phản ứng xảy ra thuộc loại phản ứng nào, cơ chế cụ thể ra sao.?
Việc hiểu rõ cấu trúc các hợp chất mạch hở, cấu dạng các hợp chất vòng vô cùng quan trọng bởi lẽ khi đó bạn hiểu rõ cấu dạng, sự phân bố các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong không gian thì bạn sẽ xác định được khả năng phản ứng giữa các tâm phản ứng khi gặp điều kiện thuận lợi, bạn phải xử lý một cách linh hoạt và vì thế bạn sẽ trả lời được câu hỏi: Sự khép vòng có thể xảy ra hay không? Sự thay đổi cấu trúc của vòng trong điều kiện ấy có cho phép không?
Trong chương này, chúng ta sẽ đưa ra các phản ứng cơ sở cơ bản nhất để thực hiện các phản ứng đóng vòng, đặc biệt đối với sự đóng vòng 5, 6 cạnh kể cả vòng béo và dị vòng. Các chương sau, sẽ trình bày cụ thể các cách đóng vòng cho hiệu suất tốt đối với từng loại kích cỡ của vòng từ 3 đến 6 cạnh.
1.2 . Các phản ứng cơ sở đóng vòng quan trọng :
1.2.1. Đóng vòng trên cơ sở của phản ứng cộng (Addition reaction):
1.2.1.1 . Phản ứng cộng Nucleophin (AN)
Đây là phản ứng quan trọng và rất phổ biến trong hữu cơ, một cách khái quát chung của phản ứng cộng Nu là có khi hợp chất không no chứa liên kết phân cực, tác nhân Nu sẽ rất dễ tấn công vào:
Tác nhân Nu: anion OH-, RO-, RS-, CH3COO-...
Phần tử trung hòa có cặp e chưa chia: ROH, H2O, RNH2, RNHR’...
Nếu hợp phần Nu và trung tâm phản ứng nằm trong chính phân tử đó sẽ hình thành hợp chất vòng tương ứng, thường xảy ra khi trong phân tử có các phần tử có cặp e chưa chia hoặc hình thành anion mật độ e lớn. Phản ứng cộng AN ít có đặc thù về mặt lập thể, ta thường chú ý nhiều đến hướng cộng và vị trí cộng. Ta xét một vài phản ứng cộng Nu điển hình:
- Phản ứng ngưng tụ andol- croton:
Cơ chế : trong môi trường bazo
Trong môi trường axit:
Trong phản ứng ngưng tụ andol- croton, có ít nhất một hợp chất cacbonyl có Hα linh động (cạnh xeton). Như vậy, với xúc tác axit, enol là chất Nucleophin còn trong môi trường enolat đóng vai trò Nucleophin bởi lẽ anion enolat có tính bazo mạnh nên nó không thể tồn tại trong môi trường axit. Phản ứng ngưng tụ có thể dừng ở giai đoạn andol (tạo β-hidroxixeton) hoặc tiếp theo là giai đoạn croton hóa(tạo α, β -xeton không no). Trong phản ứng đóng vòng, khi 2 phần tử cacbonyl nằm trong cùng 1 phân tử nên có hiện tượng đóng vòng, tùy theo cấu tạo phân tử mà vòng 5,6 cạnh được hình thành, vòng 3,4 cạnh không được ưu tiên.
Ví dụ 1: hoàn thành dãy chuyển hóa sau:
Gợi ý: phản ứng tạo B chính là chuyển vị Fries, nhận thấy ở giai giai đoạn tạo D môi trường bazo, có tạo trung tâm Nu tấn công vào nhóm C=O theo cơ chế AN kiểu andol hóa, kèm tách nước tạo F
* Enolat động học và enolat nhiệt động học: Hầu hết các phản ứng đóng vòng được thực hiện trong môi trường bazo, chính vì vậy việc hiểu rõ sự hình thành enolat là một vấn đề rất quan trọng, nó sẽ quyết định vị trí khép vòng. Khi một phân tử có nhiều vị trí Hα có thể hình thành enolat, vấn đề là ion enolat sẽ ở vị trí nào được ưu tiên?
Sản phẩm enolat khống chế động học rất dễ được hình thành nhưng lại không bền, được ưu tiên tạo thành khi sử dụng bazo cồng kềnh như LDA, LHMDS.. trong dung môi không proton Et2O, đioxan, THF, ở nhiệt độ thấp, thời gian ngắn, anion được ổn định nhờ cation M+ nằm chu kỳ nhỏ, điện tích lớn như Li+, ..Ngược lại sản phẩm enolat nhiệt động học khó hình thành hơn do có Ea (năng lượng hoạt hóa) lớn. Enolat nhiệt động học ưu tiên khi sử dụng bazo không cồng kềnh như NaOMe, NaH.. trong dung môi proton EtOH, MeOH..ở nhiệt độ cao, anion được ổn định nhờ gốc TMSCl, R3SiCl, enamin..Tuy nhiên nếu một trong các vị trí Ha hay Hb cạnh các nhóm hút e như -COOH, -COOR, -CN thì cần xem xét độ bền anion enolat được hình thành, anion sẽ bền nếu cạnh nhóm hút e đó.
Để phân biệt enolat động học và nhiệt động học tahãy làm ví dụ dự đoán sản phẩm phản ứng sau:
Ở đây, phân tử ban đầu có 2 vị trí H linh động cạnh xeton, là Ha và Hb, trong đó khi dùng bazo cồng kềnh LDA, nhiệt độ thấp thì enolat động học ưu tiên hình thành, bazo sẽ chiếm Ha vì án ngữ không gian. Khi dùng bazo ít cồng kềnh NaNH2, thì enolat nhiệt động học được hình thành, bazo sẽ chiếm Hb. Phản ứng tạo C, E thuộc SN.
Phản ứng cộng Michael:
Đối với các phân tử chứa nhóm cacbonyl dạng α,β-cacbonyl chưa no dạng liên hợp C=C-C=O, C=C-C=C-C=O... sẽ có 2 trung tâm phản ứng mang tính electrophin nên phản ứng cộng AN có thể xảy ra theo hai hướng: cộng 1,2 hoặc cộng 1,4 ở giai đoạn đầu:
Giai đoạn tiếp theo là proton hóa hoặc sẽ tham gia phản ứng tiếp. Khi đó sự vòng hóa xảy ra khi phân tử chứa đồng thời tâm Nucleophin và Electrophin. Đó chính là phản ứng cộng đóng vòng Robinson sẽ được trình bày kỹ hơn ở chương 5 mục 5.1.1 tổng hợp các phản ứng đóng vòng 6.
Một câu hỏi đặt ra : Khi nào phản ứng cộng AN theo 1,2 hoặc 1,4?
Phản ứng cộng AN theo hướng cộng 1,2 hay 1,4 phụ thuộc vào cả bản chất Nu và cấu tạo Y , phản ứng thuận lợi khi tương tác giữa các phần tử mang tính Nu cứng với E cứng, Nu mềm với các E mềm. Kinh nghiệm cho thấy rằng, khi Y là halogen, -OCOR (dẫn xuất clorua hoặc anhidrit axit) (E cứng) phản ứng ưu tiên cộng 1,2 , còn khi Y là, -OR(este), -NR2, O- phản ứng chủ yếu cộng 1,4. Trong trường hợp Y là ankyl, H sản phẩm phản ứng có thể là 1,2 hoặc 1,4. Xét bản chất tác nhân Nu, khi Nu là Rli, RMgX ( Nu cứng) sản phẩm chủ yếu là 1,2; còn khi Nu là RS-, RSH, R2CuLi (Nu mềm) thì phản ứng vào cộng chủ yếu 1,4. Tuy nhiên trong các phản ứng đóng vòng, ngoài kinh nghiệm trên cần chú ý đến ý đồ đóng vòng trong một dãy tổng hợp hay cơ chế phản ứng nhất định để có cách xử lý linh hoạt!!!
Chẳng hạn: Dự đoán sản phẩm các phản ứng sau và viết cơ chế các phản ứng?:
Gợi ý:
Phản ứng dùng LDA cồng kềnh, thực hiện ở nhiệt độ thấp nên sản phẩm enolat động học là chủ yếu, sau đó cộng Michael -1,4, đóng vòng tạo Xtrong môi trường kiềm theo AN
b. ở đây với bazo không cồng kềnh NaH, cần lựa chọn vị trí H linh động nhất trong chất đầu tiên, lưu ý rằng với hệ liên hợp không no C=C-C=C-C=O, phản ứng cộng Michael -1,6, sau đó thực hiện phản ứng theo AN claisen nội phân tử dẫn đến sản phẩm vòng.
-Phản ứng andol hóa mở rộng: Một số phản ứng khác cũng có bản chất cộng AN tương tự phản ứng andol hóa(phản ứng Claisen, Knovagen, Perkin, Dieck mann..). Một đặc điểm quan trọng nữa là các phản ứng thuận nghịch, nên trong các bài tập chú ý phản ứng retro-andol, retro-claisen .
Phản ứng cơ sở:
Ta cũng thực hiện các phản ứng trên nội phân tử để hình thành vòng. Chẳng hạn dự đoán sản phẩm các phản ứng sau:
Gợi ý: Phản ứng a chính là phản ứng ngưng tụ claisen nội phân tử, khi đó giai đoạn đầu là cộng Michael 1,4, giai đoạn sau ngưng tụ đieste. Phản ứng b cũng là phản ứng ngưng tụ claisen, ở đây xảy ra cộng AN , với Nu là NH2OH, sau đó ngưng tụ nội phân tử đón vòng isoxazol. Phản ứng c ngưng tụ claisen tạo vòng 5, phản ứng d trải qua cộng 1,4- Micheal sau đó ngưng tụ.
Ví dụ 2: Hoàn thành sơ đồ phản ứng sau:
Gợi ý:
a.Phản ứng tạo A là quá trình ngưng tụ theo phản ứng claisen mở rộng, sau đó đóng vòng nội phân tử theo cơ chế AN, phản ứng tạo C cũng là quá trình vòng hóa theo phản ứng cộng AN
b.Giai đoạn đầu theo phản ứng ngưng tụ Perkin, sau đó đóng vòng theo AN.
Bài tập áp dụng 1: Viết sơ đồ điều chế 2,3,4,5-tetraphenylxiclopenta-2,4-đienon từ benzanđehit, etyl fomiat và các chất vô cơ cần thiết
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 2: Hoàn thành dãy phản ứng sau:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 3(vòng 2-2014). Viết cơ chế.
Gợi ý:
1.2.1.2. Phản ứng cộng electrophin (AE)
Khi trong phân tử có liên kết π như C=C , C≡C hầu như không phân cực mang tính Nucleophin, đó là các Nu eπ, gặp tác nhân mang tính electrophin (E+) sẽ xảy ra phản ứng cộng AE:
hoặc Cδ+- OMs, Cδ+-OTs....
Độ bền cabocation trong giai đoạn chậm sẽ quyết định tốc độ phản ứng nên cần xem xét trạng thái nào cacbocation bền nhất, trong nhiều trường hợp xảy ra sự chuyển vị 1,2-Nucleophin đã được trình bày rất kỹ mục 1.2.3. Để đóng vòng theo cơ chế AE, cả liên kết π và E+ sẽ thuộc cùng một phân tử, khi đó phản ứng theo cơ chế AE nội phân tử.
Ví dụ 1: Viết cơ chế các phản ứng sau:
Gợi ý:
Ơ
Ví dụ 2: Hợp chất A : 3-etyl-7-metyldeca-2,6-dien-1-ol khi đun nóng với dung dịch axit dễ dàng chuyển sang hợp chất B có cùng công thức phân tử với A. Ozon phân B chỉ thu được một hợp chất hữu cơ duy nhất. Tìm công thức cấu tạo B và viết cơ chế chuyển A thành B.
Gợi ý: B phải là hợp chất vòng có nối đôi trong vòng. Cơ chế phản ứng như sau:
Bài tập áp dụng: Xitral (C10H16O) là một monotecpen-anđehit có trong tinh dầu chanh. Oxi hóa xitral bằng KMnO4 thu được axit oxalic, axeton và axit levulinic (hay axit 4-oxopentanoic). Từ xitral người ta điều chế để điều chế vitamin A.
Xác định cấu tạo và viết tên hệ thống của xitral.
Viết sơ đồ các phản ứng chuyển hóa xitral thành , cơ chế phản ứng tạo β-ionon.
Gợi ý:
a. Lập luận tìm công thức cấu tạo của xitral
3,7-Đimetylocta-2,6-đienal
b.
β-ionon
Cơ chế: đóng vòng theo AE
Sản phẩm β-ionon bền do được liên hợp
1.2.2. Đóng vòng trên cơ sở phản ứng thế (Subtituiation reaction)
1.2.2.1 Phản ứng thế Nucleophin (SN)
Khi phân tử chứa nguyên tử Csp3 liên kết với các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có độ âm điện lớn hút e mạnh về phía mình làm cho nguyên tử Csp3 mang một phần điện tích dương đóng vai trò tâm electrophin, các phần tử mang tính Nu rất dễ tấn công vào:
Hay gặp nhất:
X= nguyên tố halogen Cl, Br, I..
X=-OH (trong ancol, axit hoặc ở dạng gắn với nguyên tử khác =N-OH, -O-OH) rất khó bị thế nên trong các phản ứng thường dùng xúc tác axit hoặc hoạt hóa nhóm -OH như chuyển về dạng -OH2+, -OH+MLn, -OH+BF3, -OMs, -OTs, -OCOMe...
X=-OR(ete) thường dùng HBr, HI, BX3 ... còn dạng xetal -C(OR)2 dùng axit nhẹ..
X= -NH2, -NR rất khó bị thế, cần chuyển -NH3+, -NHCOR, -NHSO2R, -NR3+, -NHR+...
X= -SH, -SR khó thế hay chuyển -SOR, -SO2R bằng cách oxi hóa..
Có các loại phản ứng thế Nu thường gặp:
Phản ứng ưu tiên SN1 khi dẫn xuất bậc 3, cacbocation trung gian bền, dung môi có khả năng sovat hóa tốt. Đáng chú ý trong phản ứng SN2, sản phẩm bị quay cấu hình. Để đóng vòng theo cơ chế thế SN thì trung tâm electrophin và tác nhân Nu thuộc cùng một phân tử. Tuy nhiên, tùy theo kích cỡ của vòng mà khả năng phản ứng vòng hóa được hình thành là khác nhau. Chẳng hạn, sự hình thành vòng 5 cạnh ở đó có sự chuyển động nhiệt tự nhiên của (1 ) đã mang hai đầu đến khoảng cách của liên kết và tạo thành vòng 5 cạnh.
Sự hình thành vòng 6 cạnh là sự ưu tiên động học: vấn đề ở đây vì vòng lớn hơn và vì sự quay đã dẫn đến hai đầu khép vào nhau (2) và mạch cuộn lại là cần thiết trước khi tạo ra liên kết. Sự hình thành vòng 4 cạnh là rất chậm: mạch cacbon bình thường có cấu dạng (4) với 2 nhóm phản ứng là xa nhau nhau ngay cả trong cấu dạng tốt nhất (5).
Vòng 6 cạnh dù sao cũng được ưu tiên về nhiệt động học trong đó cấu dạng ghế (6) tất cả các nhóm thế, đặc biệt là các nhóm thế lớn đều ở dạng equatorian (dạng e).
Kết hợp cả hai yếu tố động học và nhiệt động học thì vòng 5,6 và 7 cạnh dễ hình thành. Vòng 3 cạnh cũng dễ hình thành, song nó cũng dễ bị mở vòng dưới điều kiện hình thành. Trong khi đó vòng 4 cạnh rất khó hình thành và cần phương pháp đặc biệt. Trên cơ sở tổng hợp 2 yếu tố trên, tùy theo cách thức thực hiện sự vòng hóa mà khả năng hình thành các vòng khác nhau. Điều này đã được kiểm chứng rất rõ bằng thực nghiệm trong công trình đầu tiên của Perkin về sự tổng hợp vòng bằng cách nếu dùng phản ứng ankyl hóa 2 lần đietyl malonat, sản phẩm là vòng 3, 4, 5, 6 và 7 cạnh đều cho hiệu suất tốt. Tuy nhiên, Với axetoaxetat vòng 5 cạnh hình thành chậm (*), vòng 4 cạnh không được hình thành mà lại hình thành vòng 6 cạnh enol ete (**).
Như vậy thông thường vòng 5 cạnh dễ hình thành nhất, sau đó là 6, 3,4,7 theo cơ chế khép vòng SN nội phân tử.
Ví dụ:Viết cơ chế các phản ứng sau:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 1:Cho 2-cabetoxixiclopentanon phản ứng với 1,3-đibrompropan khi có mặt NaH trong DMF. Sản phẩm A nhận được được đun nóng với một đương lượng NaH trong hỗn hợp benzen - DMF cho phép thu được dẫn xuất bixiclic B, C11H16O3.B chịu tác dụng của etanđithiol khi có mặt BF3 và Ni Raney trong metanol để hình thành sản phẩm C. Xà phòng hoáC bằng NaOH, sau đó thuỷ phân rồi xử lí với thionyl clorua và cuối cùng bằng NaN3 trong axeton. Đun hồi lưu hỗn hợp trên khi có mặt vết axit H+ sẽ thu được D, C8H15N. Bằng tác dụng của fomanđehit trong axit fomic ở 1000C, D chuyển thànhE. Sau khi xử lí E bằng metyl iođua, sau đó bằng Ag2O trong nước, đun sản phẩm thu được ở 2000C khi có mặt 1,3-điphenylisobenzofuran người ta sẽ nhận được hai đồng phân C28H26O là (I) và (II) với hiệu suất thấp.
1. Hãy xác định công thức cấu trúc của các hợp chất trên.
2. Trình bày cơ chế của quá trình A ( B và D ( E.
Gợi ý:
1. Ta có thể tóm lược các quá trình phản ứng bằng sơ đồ sau, trong đó để ý rằng phản ứng tạo B là SN
Phản ứng tạo I và II là sản phẩm nhiệt phân Hopman sau đó đóng vòng Diels-Ander
2. Cơ chế
Từ A tạo thành B: SN
Từ D tạo thành E
/
Bài tập áp dụng 2: Hợp chất A có thể tác dụng với dung dịch iot trong kiềm loãng tạo ra chất kết tủa màu vàng. A tác dụng với dung dịch NaOH tạo ra B và C có cùng công thức C5H8O. B và C đều không làm mất màu dung dịch KMnO4 ở nhiệt độ thấp, chỉ có B tạo được kết tủa vàng với dung dịch iot trong kiềm. Cho B tác dụng MeMgBr rồi thủy phân được D C6H12O. D tác dụng với HBr tạo ra hai chất đồng phân cấu tạo E và F có cùng công thức phân tử C6H11Br, trong đó có một đồng phân làm mất màu dung dịch KMnO4 ở nhiệt độ thấp. Xác định cấu tạo và gọi tên các chất A, B, C, D, E, F
Gợi ý:
Chất A có phản ứng idofom, vậy A phải có nhóm CH3CO-
1.2.2.2. Phản ứng thế Eletrophin vào vòng thơm (SE2Ar)
Phản ứng đóng vòng xảy ra ở phản ứng thế electrophin vào vòng thơm(vòng benzen, dị vòng) thuộc loại SE2Ar điển hình là phản ứng axyl hóa và ankyl hóa nội phân tử theo Friedel- Crafts:
Cơ chế chung của phản ứng axyl hóa và ankyl hóa Friedel- Crafts:
Phản ứng Friedel- Crafts nội phân tử sẽ xảy ra sự đóng vòng, do đặc thù phản ứng, độ bền nhiệt động nên chủ yếu các vòng 5, 6 cạnh sẽ được hình thành theo phương pháp này. Cần lưu ý rằng độ bền trạng thái chuyển tiếp (*) và (**) sẽ quyết định tốc độ phản ứng nên vị trí vòng hóa sẽ quyết định cấu tạo sản phẩm. Khi vòng ben zen có chứa sẵn nhóm thế, độ bền cacboction trung gian, trạng thái chuyển tiếp (*) và (**), hiệu ứng không gian, khả năng hình thành vòng bền 5,6 cạnh được ưu tiên sẽ quyết định vị trí nhóm tấn công tiếp theo. Phản ứng Friedel- Crafts không có tính đặc thù lập thể rõ ràng.
Khi có mặt axit Lewis, trong một phân tử có sự hình thành cacbocation trung gian, phản ứng vòng hóa theo Friedel- crafts xảy ra thuận lợi .Chẳng hạn, dự đoán sản phẩm sự đóng vòng nội phân tử các phản ứng sau:
Gợi ý: dự đoán sản phẩm dựa vào độ bền cacbocation, sự thuận lợi khép vòng 5,6 cạnh.
Phản ứng a axyl hóa nội phân tử theo fridel-Crafts ở giai đoạn 2 để tạo vòng 5.
Cacbocation trung gian được hình thành không thuận lợi cho phản ứng ankyl hóa do vòng 7 cạnh kém bền, sự chuyển vị H tạo thuận lợi cho đóng vòng 6 theo SE2Ar
Tương tự phản ứng b, ở phản ứng c, d mặc dù cacbocation được hình thành bậc 2 tương đối bền, nhưng sự lựa chọn khép vòng 6 vẫn được ưu tiên nên xảy ra chuyển vị H sau đó khép vòng 6.
Lưu ý rằng, ở phản ứng g, sự tạo vị trí điện tích dương đặc biệt hơn các phản ứng khác.
Tóm lại: sự đóng vòng theo cơ chế phản ứng SE2Ar đặc biệt ưu tiên tạo vòng 5,6 cạnh
* Đối với hợp chất dị vòng thơm: Khi thực hiện phản ứng đóng vòng nội phân tử theo cơ chế trên, cần lưu ý vị trí thế để đóng vòng với các dị vòng:
Dựa vào cấu trúc các công thức cộng hưởng, sự phân bố mật độ e mà ta xác định vị trí thế SE2Ar ưu tiên nhất. Trong đó , thấy rằng đối với hệ dung hợp indol, khả năng phản ứng thế SE2Ar vòng pyrol lớn hơn vòng benzen nên tấn E+ tấn công vào vòng pyrol. Hiếm gặp đối với piridin và vòng dung hợp của nó, khả năng phản ứng với E+ rất khó do nghèo e, ở phân tử quinolin và isoquinolin, vòng piridin có khả năng phản ứng kém hơn do nghèo e nên E+ tấn công vào vị trí 5, 8 của vòng benzen.
Ví dụ: Viết cấu tạo sản phẩm:
Gợi ý: ở phản ứng a, xảy ra đóng vòng vào vị trí β của vòng pyrol. Trong khi đó phản ứng b, vị trí thế tiếp là α của vòng thiophen, ở phản ứng c nếu khép vòng với pyrol thì sẽ hình thành vòng rất kém bền (8 cạnh!!), nên vị trí khép vòng sẽ ưu tiên sang vòng benzen.
Bài tập áp dụng 1(vòng 1-2015)Viết sơ đồ điều chế phenantren từ các chất sau với tác nhân vô cơ có sẵn:
1. Từ o-nitrobenzandehit và axitphenylaxetic
2. Từ naphtalen và anhidrit sucxinic
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 2: Viết cơ chế các phản ứng sau:
Gợi ý:
1.2.3. Đóng vòng trên cơ sở phản ứng theo cơ chế gốc (Radical reaction):
Gốc tự do là tiểu phân mangtính electrophin, có một e tự do trên obitan, có khả năng phản ứng rất cao. Các gốc tự do tham gia vào các phản ứng thế (SR), cộng (AR) trong phản ứng. Phản ứng đóng vòng theo cơ chế gốc chính là sự vòng hóa nhờ phản ứng SR, AR nội phân tử.
Dưới tác dụng nhiệt hoặc ánh sáng, các tác nhân bị phân cắt đồng li tạo gốc tự do trong giai đoạn khơi mào, các tác nhân tạo gốc chính:
AIBN: 2,2’ -azobisisobutyronitrin Me2(CN)C-N=N-C(CN)Me2 ℎ𝑣 ℎ𝑜ặ𝑐 𝑡℃ Me2(CN)C. + N2
NBS, NCS: N- bromsuccinimide;N- closuccinimide
Peoxit ROOR’ ℎ𝑣 ℎ𝑜ặ𝑐 𝑡℃ RO.
TTMSS hay (TMS)3SiH: tris(trimetylsilyl)silan (Me3Si)3SiH
Bu3SnH: Tributyl thiếc hidrua ℎ𝑣 ℎ𝑜ặ𝑐 𝑡℃
SmI2
PhCOOOBu-t ℎ𝑣 ℎ𝑜ặ𝑐 𝑡℃ PhCOO. + t-BuO.
Tris(trimetylsilyl)silan (TTMSS) và tributyl thiếc hyđrua (Bu3SnH) là các tác nhân khử hiệu quả để đề halogen hóa hay đề chalcogen hóa (loại bỏ nhóm thế của các nguyên tố nhóm VIA, như SR và SeR). Chất khơi mào bởi nhiệt thường được sử dụng nhất là azobisisobutyronitrin (AIBN), PhCOOOBu-t, ROOR, NOCl. AIBN là tác nhân khơi mào tạo gốc khá tốt nên để tăng hiệu quả sử dụng, thường sử dụng hỗn hợp tạo gốc như Bu3SnH/ AIBN; TTMSS/AIBN....Việc lựa chọn tác nhân tạo gốc rất quan trọng, đối với cắt các liên kết C-H; C-O ; N-H; N-O.. thường sử dụng tác nhân tạo gốc Peoxit, N- bromsuccinimide;N- closuccinimide... ; đối với các liên kết C-S; C-Se; C-Br; C-Cl; C-I.. thường sử dụng tác nhân tạo gốc Bu3SnH, TTMSS...do có sự tương đồng về bán kính nguyên tử. Phản ứng theo cơ chế gốc thường diễn ra qua 3 giai đoạn theo cơ chế dây chuyền: khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch, trong đó giai đoạn phát triển mạch có sự tái tạo lại gốc tự do được hình thành trong giai đoạn khơi mào. Thông thường tác nhân tạo gốc sẽ cung cấp H để kết thúc quá trình phản ứng của chất hữu cơ, đồng thời tái tạo gốc quay lại giai đoạn phất triển mạch.
Phản ứng vòng hóa xảy ra theo cơ chế gốc nội phân tử, khi đó gốc tự do Rđược hình thành trong giai đoạn khơi mào sẽ phản ứng với các trung tâm phản ứng thuộc cùng một phân tử. Các loại phản ứng gốc tự do gồm SR, AR:
Các kiểu phản ứng của gốc tự do rất đa dạng có thể đóng vai trò như một tác nhân mang tính electrophin. Cũng có thể mở rộng vòng, thu hẹp vòng theo cơ chế phản ứng gốc
Ví dụ 1 : Giải thích cơ chế trong các phản ứng sau:
a)
b)
c)
d)
Gợi ý:
Ví dụ 2: Giải thích theo cơ chế gốc:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 1 :Viết cấu tạo các sản phẩm phản ứng sau:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 2: Hoàn thành dãy tổng hợp sau:
Gợi ý:
1.2.4. Đóng vòng trên cơ sở phản ứng chuyển vị (Rearrangement reaction)
Phản ứng chuyển vị là sự dời chuyển nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí này sang vị trí khác của mạch cacsbon gây ra sự biến đổi mạch cacbon hay bảo toàn mạch cacbon. Phản ứng chuyển vị thường xảy ra trong quá trình thế, tách , cộng qua những chất trung gian như cacbocation hay cacbanion. Những phản ứng chuyển vị liên quan đến sự chuyển vòng e sẽ được đề cập đến phản ứng đồng bộ, ở đây ta đề cập chủ yếu những phản ứng chuyển vị ion thường gặp làm thay đổi mạch cacbon.
Chú ý rằng, phản ứng chuyển vị không có ý nghĩa nhiều đến sự đóng vòng các hợp chất mạch hở, phản ứng chuyển vị đóng vòng có ý nghĩa đối với các hợp chất vòng, một trong những cách để thu hẹp (chuyển vị electrophin) hay mở rộng vòng (chuyển vị nucleophin).Đối với phản ứng chuyển vị làm thay đổi mạch cacbon có 2 loại chính: Chuyển vị Nucleophin và chuyển vị Electrophin
Chuyển vị Nucleophin: Trong chuyển vị Nucleophin có giai đoạn trung gian hình thành cacbocation,nhóm nguyên tử bên cạnh dư thừa e mang tính Nucleophin sẽ được chuyển đến theo bản chất phản ứng thế SN2, thường dùng xúc tác axit:
Nguyên tử Y hoặc nhóm nguyên tử Y mang theo cả cặp e của mình xn phủ với AO trống của B+, đồng thời hình thành cacbocation mới A+. Sự chuyển vị dẫn đến hình thành hợp chất vòng khi Y, A, B thuộc vòng hay nói cách khác đó là sự chuyển vị nội phân tử. Khi đó sản phẩm thường là các quá trình mở rộng vòng.
Hướng chuyển vị được ưu tiên khi: cacboction A+, bền hơn cabocation B+ ban đầu, Y ở vị trí anti với X, quan trọng nữa là phản ứng chuyển vị ưu tiên theo hướng tạo hợp chất vòng bền hơn ban đầu.
Xét phản ứng chuyển vị vào trung tâm C thiếu hụt e bao gồm các chuyển vị pinacol-pinacolon, Wagner-Merwein, Demijanow, Tiffene, Wolff
Các phản ứng chuyển vị này có đặc điểm chung có sự hình thành Cδ+ hoặc C+ , sau đó nhóm R bên cạnh sẽ chuyển tới vị trí mới, cacbocation trung gian bền hơn do hieu ứng +I, +C... của nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử bên cạnh.
Ví dụ 1: Giải thích cơ chế phản ứng sau:
Gợi ý:Không khó để nhận ra đây là phản ứng chuyển vị vào trung tâm C thiếu hụt e, có sự hình thành cacbocation trung gian, nhóm chuyển đến là các ankyl chứa cặp e
Ví dụ 2: (vòng 1-2013)Bằngcơ chế, giải thích sự hình thành sản phẩm:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 1(vòng 1-2015)Viết cơ chế các phản ứng sau:
Giải thích rõ tại sao có sự khác biệt giữa thời gian và hiệu suất hai phản ứng trên.
Gợi ý:
Giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng là hình thành cacbocation X2. Nếu sản phẩm trung gian X1 bền thì sinh ra X2 khó khăn do có hàng rào thế năng cao. Khi R2 là nhóm phenyl thì X1 được ổn định nhờ hiệu ứng +C, do vậy quá trình sinh ra X2 khó khăn và thời gian phản ứng dài hơn. Do vậy (1) phản ứng lâu hơn. Mặt khác, do hàng rào thế năng thấp nên sự tạo cacbocation X2 trong phản ứng (2) cũng dễ dàng hơn, đồng thời X2 sinh ra cũng bền hơn khi R1 là gốc phenyl, do vậy hiệu suất phản ứng (2) cao hơn.
Xét phản ứng chuyển vị vào trung tâm O thiếu hụt e:đó là chuyển vị Bayer-Villiger
Trong chuyển vị Bayer-Villiger từ một xeton dưới xúc tác là peraxit thu este tương ứng. Phản ứng có ý nghĩa đóng vòng khi sử dụng ban đầu là một xeton vòng sẽ thu được một este (lacton) vòng được mở rộng. Điều quan trọng là bạn phải nhận ra nhóm nào sẽ chuyển vị đến nguyên tử O đang thiếu hụt e?
Ví dụ: Giải thích cơ chế và cho biết sản phẩm chính?
Gợi ý:
Sản phẩm chính là B do nhóm ankyl chuyển vị về nguyên tử O+ gần nhánh nên mật độ giàu hơn.
Như vậy, trong phản ứng chuyển vị đến các trung tâm thiếu hụt e thì nhóm giàu e sẽ ưu tiên chuyển đến các trung tâm đó, nó sẽ quyết định sản phẩm hữu cơ chính.
Xét phản ứng chuyển vị vào trung tâm N thiếu hụt e: đó là phản ứng chuyển vị Hopman, Beckman, Curtius...
Chẳng hạn, trong phản ứng chuyển vị Beckman:
Axit lewis: H2SO4, BF3, SO3, PCl3, PCl5.....
Mở rộng của chuyển vị Beckman là có thể thay OH bằng các nhóm dễ ra đi như halogen, -OTs, -OCOR...
Phản ứng chuyển vị Beckman đặc biệt rất khống chế về lập thể, nhóm R’ chuyển đến phải ở vị trí anti đối với nhóm ra đi là -OH để thuận lợi nhất về mặt không gian bởi AO trống chứa cặp e trong không gian đã cùng phía R’
Chẳng han, dự đoán cấu trúc sản phẩm phản ứng:
Gợi ý: mặc dù p-MeOAr- giàu e hơn Ar-, tuy nhiên lại không thuận lợi về mặt không gian cho vị trí chuyển đến,nhóm Ar- sẽ được chuyển đến và có vị trí anti so nhóm OH ban đầu.
Ví dụ :dự đoán các sản phẩm chuyển vị phản ứng sau:
Gợi ý:
Chuyển vị electrophin:Nhóm chuyển vị thiếu e mang tính electrophin tới trung tâm có mật độ e lớn mang điện tích âm. Phản ứng thường dùng xúc tác bazo. Phản ứng chuyển vị này thường xảy ra với nhóm chuyển vị có dị tố đến nguyên tử C mang điện tích âm.
Phản ứng thuận lợi khi anion A-bền hơn anion C- nhờ các hiệu ứng hút e.Điển hình với loại chuyển vị này là chuyển vị bezylic, chuyển vị Favorskii, chuyển vị Wittig,....
Chuyển vị Benzylic: Xuất phát từ α,β- dixeton trong môi trường bazo sẽ chuyển thành β-hidroxiaxit. Phản ứng chuyển vị kèm sự thu hẹp vòng.
Cơ chế:
Áp dụng, viết sản phẩm các phản ứng sau:
Gợi ý:
Chuyển vị Favorskii: Xuất phát từ α- halogenxeton trong môi trường bazo sẽ chuyển thành este, axit, amit.... Đây cũng là phản ứng chuyển vị kèm thu hẹp vòng.
Cơ chế phản ứng:
Áp dụng, dự đoán sản phẩm phản ứng sau:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 1(vòng 1-2013) :
Hoàn thành sơ đồ sau:
Gợi ý: Xảy ra phản ứng chuyển vị Favorskii
Bài tập áp dụng 2: Hoàn thành dãy tổng hợp:
Gợi ý: sự tạo C xảy ra phản ứng chuyển vị đến nguyên tử C thiếu hụt e
1.2.5. Đóng vòng trên cơ sở phản ứng đồng bộ (Perciclic)
Phản ứng vòng đồng bộ là phản ứng không cơ chế, không tạo thành ion hay gốc mà chỉ do sự phân bố lại các obitan của vài liên kết dựa trên lý thuyết bảo toàn tính đối xứng obitan của Woodward-Hopffman.Các phản ứng đồng bộ xảy ra bằng sự tham gia của các obitan, đặc biệt là các obitan giới hạn. Sự xen phủ hai obitan đồng dấu sẽ có năng lượng thấp nhất và được phép về tính đối xứng.
Đặc điểm phản ứng:
- Quá trình phân cắt liên kết cũ và hình thành liên kết mới xảy ra liên tục, không có sự hình thành sản phẩm trung gian.
- Phản ứng xảy ra trong điều kiện chiếu sáng hoặc đun nóng mà không cần xúc tác hoặc tác nhân phản ứng. Tuy nhiên để tăng hiệu suất và vận tốc phản ứng có thể sử dụng thêm axit Lewis
- Phản ứng đồng bộ là một quá trình thuận nghịch nên việc đóng và mở vòng diễn ra liên tục thường xuyên
Có 3 loại phản ứng đồng bộ: Chuyển hóa điện tử vòng (Electrocyclic), cộng đóng vòng (Cycloaddation reaction), chuyển vị liên kết sigma (Perixyclic reaction).
Chuyển hóa điện tử vòng (Electrocyclic)
Phản ứng có sự chuyển hóa qua lại giữa các hợp chất polien liên hợp và hợp chất vòng tương ứng dưới tác dụng của ánh sáng hay nhiệt. Trong phản ứng đóng vòng, có sự hình thành một liên kết sigma mới nối hai đầu của hệ liên hợp
Chẳng hạn:
Tuy nhiên, khi các hệ dien liên hợp có nhóm thế thì cấu hình sản phẩm vòng sẽ như thế nào?
Lập thể của phản ứng electrocyclic:
Tính đặc thù lập thể của phản ứng biểu hiện ở chỗ: cấu hình của sản phẩm phụ thuộc vào cấu hình của chất ban đầu và điều kiện tiến hành phản ứng (kích thích nhiệt hay ánh sáng), số eπ tham gia vào quá trình. Tính đặc thù sản phẩm được giải thích theo quy tắc bảo toàn tính đối xứng của Woodward-Hopffman
Đối với hệ hệ eπ=4: chẳng hạn phân tử buta-1,3-diencó 4 obitan giới hạn ở trạng thái cơ bản và kích thích từ π1 →π4, trong đó mỗi trạng thái có 1AO bị chiếm cao nhất HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital), và 1 AO trống không bị chiếm thấp nhất LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)
Khi thực hiện phản ứng bởi ánh sáng kích thích, HOMO ở trạng thái kích thích π2(3) tham gia, khi phản ứng kích thích bởi nhiệt, HOMO ở trạng thái cơ bản π3 (2) tham gia tạo thành. Do đó khi thực hiện phản ứng đóng vòng, hai obitan ở đầu mạch liên hợp phải quay, đồng thời thay đổi trạng thái lai hóa từ sp2 sang sp3 để có thể xen phủ hai thùy dương( hoặc âm) với nhau tạo liên kết. Ngược lại khi mở vòng, liên kết σ ở vị trí cách đều hệ, liên kết π bị đứt ra, hai obitan đó phải quay đồng thời thay trạng thái lai hóa sp3 thành sp2 để có thể xen phủ bên tạo HOMO tương ứng của hệ liên hợp thành hệ ban đầu
Đối với hệ eπ=4n+2, chẳng hạn hexa-1,3,5- trien có 6 AO giới hạn ở vùng trạng thái cơ bản và kích thích, mỗi trạng thái có 1 HOMO và 1 LUMO.
Khi thực hiện phản ứng bởi ánh sáng kích thích, HOMO ở trạng thái kích thích π3 (3) tham gia, khi phản ứng kích thích bởi nhiệt, HOMO ở trạng thái cơ bản π4 (4) tham gia tạo thành. Do đó khi thực hiện phản ứng đóng vòng, hai obitan ở đầu mạch liên hợp phải quay, đồng thời thay đổi trạng thái lai hóa từ sp2 sang sp3 để có thể xen phủ hai thùy dương( hoặc âm) với nhau tạo liên kết. Ngược lại khi mở vòng, liên kết σ ở vị trí cách đều hệ, liên kết π bị đứt ra, hai obitan đó phải quay đồng thời thay trạng thái lai hóa sp3 thành sp2 để có thể xen phủ bên tạo HOMO tương ứng của hệ liên hợp thành hệ ban đầu
Tổng kết:Các điều kiện và hệ quả cho phản ứng electrocyclic như sau:
Điều kiện kích thích
Hướng quay hệ eπ=4n
Hướng quay hệ eπ=4n+2
Nhiệt, đun nóng
Cùng chiều (corotator)
Ngược chiều (dissrotator)
Ánh sáng
Ngược chiều (dissrotator)
Cùng chiều (corotator)
Bài tập áp dụng 1: Viết cấu trúc các sản phẩm sinh ra sau
Gợi ý: Phản ứng a, đóng vòng,hệ 4π, dưới tác dụng nhiệt, quay cùng chiều. Phản ứng b,mở vòng, hệ 4n+ 2, dưới tác dụng ánh sáng quay cùng chiều. Phản ứng c,đóng vòng, hệ 4n, dưới tác dụng nhiệt, quay cùng chiều.
Bài tập áp dụng 2: Viết cấu tạo sản phẩm đóng mở vòng sau:
Gợi ý:
Cộng đóng vòng đồng bộ (Cycloaddation reaction)
Phản ứng xảy ra giữa hai phân tử chưa no hình thành nên hợp chất vòng, trong phân tử, 2liên kết σ mới được hình thành nối hai đầu của hệ liên kết π. Phản ứng đòi hỏi năng lượng không lớn của sự kích thích, dưới tác dụng của nhiệt hay ánh sáng. Hai loại phản ứng thường gặp nhất là đóng vòng 4 và vòng 6 (phản ứng Diels-Ander) được trình bày chi tiết chương 3 và chương 5.
Chuyển vị liên kết sigma (Perixyclic reaction).
Phản ứng chuyển vị sigma cũng là quá trình chuyển hóa vòng theo cơ chế đồng bộ xác định bằng tính đối xứng obitan. Phản ứng về hình thưc làm dịch chuyển liên kết sigma allyl(vị trí α đối với liên kết đôi) từ đầu này sang đầu kia của hệ liên kết π dưới tác dụng của nhiệt. Phản ứng chuyển vị sigma tuân theo quy tắc bảo toàn tính đối xứng obitan và có tính đặc thù lập thể.
Phản ứng thường xảy ra với sự chuyển vị H, gốc ankyl hay aryl với các vị trí chuyển 1,3; 1,5 và 3,3. Quan trọng, bạn phải đánh số đúng: Đánh số 1 vào 2 đầu của liên kết σ-allyl bị chuyển vị, đánh liên tục theo mạch C cho đến khi gặp hai đầu liên kết σ-allyl mới
Lập thể phản ứng:
Chuyển vị 1,3
Trong phản ứng chuyển vị 1,3, gốc ankyl được chuyển theo hướng cùng phía mặt phẳng phân tử, kèm theo sự quay cấu hình gốc ankyl. Chẳng hạn
Chuyển vị 1,5: chẳng qua là 2 lần liên tiếp của chuyển vị 1,3-ankyl.
Phản ứng chuyển vị sẽ được bảo toàn cấu hình gốc ankyl
Chuyển vị [3,3]: phổ biến hơn, với điển hình là phản ứng chuyển vị Cope và chuyển vị Claisen
Phản ứng chuyển vị [3,3] là phản ứng chuyển vị đồng bộ từ 1,5-dien này sang 1,5-dien khác, phản ứng có tính đặc thù lập thể do qua trạng thái vòng trung gian cấu dạng ghế rất bền, dạng thuyền không bền không có sự xen phủ đồng bộ, không tạo sản phẩm. Cũng giống các phản ứng đồng bộ khác, phản ứng chuyển vị 3,3 tuân theo quy tắc bảo toàn tính đối xứng obitan.
Ví dụ: Viết cấu trúc các sản phẩm phản ứng khi đun nóng các chất đầu sau:
Gợi ý:
Bài tập áp dụng 1(vòng 2-2014)
Xác định công thức cấu tạo các chất trong sơ đồ tổng hợp sau:
Biết L không quang hoạt, N1 và N2 cùng công thức phân tử C7H12O4, nhưng chỉ N1 có tính quang hoạt.
Gợi ý: Mắt xích quan trọng nhất trong dãy tổng hợp trên là tạo vòng 3 qua phản ứng chuyển vị 3,3 nội phân tử.
Bài tập áp dụng 2 (vòng 1-2016)Cho sơ đồ chuyển hóa sau:
Viết công thức cấu tạo các chất trong sơ đồ trên:
Gợi ý:
Bài tập chương 1:
Bài 1: vòng 1-2016
Đề nghị cơ chế các phản ứng sau:
Gợi ý:
Bài 2: Hoàn thành sơđồ phản ứng sau:
Gợi ý:
Bài 3(vòng 1-2016)Cho sơ đồ chuyển hóa sau:
Viết cấu tạo các chất.
Gợi ý:
Quá trình chuyển A thành C là chuyển vị Beckman có thể tạo 2 sản phẩm D khác nhau 2-metylpiridin hoặc 3- metylpiridin nhưng chỉ có 2-metylpiridin ngưng tụ được tạo E .
Giải thích sự tạo A: xảy ra chuyển vị
Bài 4: Hãy tổng hợp dimetylxiclohexxan-1-on-2,4- ddicacbooxxylat bằng 2 phương pháp:
Đi từ đietyl malonat, vinylxianua, metanol và các hợp chất vô cơ cần thiết khác.
Từ axit 4- hidroxibenzoic, metanol, đimetyl cacbonat và các chất vô cơ cần thiết khác.
Gợi ý:
Bài 5: Xác định cấu tạo A, B, C trong chuỗi phản ứng sau:
Gợi ý:
Phản ứng tạo C là đóng vòng claisen nội phân tử theo cơ chế AN
Bài 6: Thực hiện dãy chuyển hóa sau. Gọi tên C
Gợi ý: Phản ứng tạo A trải qua các giai đoạn: SE2Ar, sau đó cộng AN đóng vòng nội phân tử vào phân tử Michael theo sản phẩm cộng 1,2. Tạo C từ B là chuyển vị Fries, tiếp đến là đóng vòng cumarin D theo cộng AN nội phân tử.
Tên C: 8-axetyl-7-hidroxi-4-metylcumarin
Bài 7: Từ 2-axetylphenol và anhidrit axetic, viết sơ đồ điều chế 3-axetyl-2-metyl cromon:
Gợi ý:
Phân tích:
Tổng hợp:
Bài 8: Ete crao và criptan là những hợp chất vòng có nhiều ứng dụng thực tiễn.
Ete crao có khả năng tạo phức chọn lọc với kim loại kiềm. Ete [18]crao-6 (A) sinh ra trong phản ứng Williamson thông thường (1) với hiệu suất (hs) rất thấp:
Trái lại, có thể điều chế A với hiệu suất rất cao theo phản ứng (2):
Giải thích sự khác nhau về hiệu suất của hai phản ứng. Trình bày cơ chế phản ứng (2).
Criptan B có công thức N(CH2CH2OCH2CH2OCH2CH2)3N. Dùng công thức cấu trúc, viết sơ đồ các phản ứng tổng hợp B từ 3,6-đioxaoctan-1,8-điamin, axit 3,6-đioxaoctanđioic và các hóa chất cần thiết.
Gợi ý
1. Phản ứng (1) theo cơ chế SN2 nội phân tử, xảy ra khó khăn vì hai trung tâm phản ứng ở rất xa nhau:
Phản ứng (2) theo cơ chế hai lần SN2. Lần thứ nhất xảy ra bình thường; lần thứ hai rất thuận lợi nhờ có sự tạo phức với ion K+ làm cho các trung tâm phản ứng gần nhau hơn:
2. Thực hiện phản ứng đóng vòng theo cơ chế AN
Bài 9: Từ anilin, các chất hữu cơ (không quá 2 nguyên tử cacbon trong phân tử) và vô cơ cần thiết; hãy viết các phản ứng điều chế N-etyloxinđol.
Gợi ý:
Bài 10: Cadien [C15H24]được tìm thấy trong tinh dầu một số loại thực vật, đề hidro hóa cadien bằng S tạo thành cadalen [C15H18]. Hoàn thành sơ đồ tổng hợp Cadalen từ Cavone theo dãy sau:
Gợi ý:
/
/
/
Bài 11 .Axit lysergic được tìm thấy trong một số loài nấm.
Người ta có thể tổng hợp toàn phần axit () lysergic theo ba giai đoạn lớn sau đây:
Giai đoạn 1:
Hãy viết sơ đồ phản ứng thực hiện các chuyển hoá A ( B và B ( C.
Giai đoạn 2
a. Hãy viết công thức cấu tạo của E, F, G, H và J.
b. Trình bày cơ chế của phản ứng G ( H.
Giai đoạn 3
a. Hãy viết công thức cấu tạo của K, L, M, N, P và Q.
b. Giải thích tại sao phải chuyển K thành L và nêu bản chất của phảnứng P ( Q.
c. Viết công thức cấu tạo của W và nêu cách tổng hợp W từ Q.
Gợi ý:
1.
A ( B
B ( C
2.
a.
b. Cơ chế phản ứng G ( H là SE 2Ar
3.
a.