Phản ứng cộng nucleophile

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Nguyễn Xuân Đạt PPHH831074 PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILE (AN) LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BM HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN TIẾN CƠNG Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2021 MỤC LỤC I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ Sơ lược phản ứng cộng AN 1.1 Cấu trúc nhóm carbonyl 1.2 Khả phản ứng cộng nucleophile 1.3 Cơ chế chung phản ứng cộng nucleophile .4 1.4 Các nucleophile thường gặp Một số phản ứng AN tiêu biểu 2.1 Cộng nước 2.2 Cộng alcohol 2.3 Cộng HCN 2.4 Cộng ion acetylide 2.5 Phản ứng với tác nhân Grignard 10 2.6 Cộng hydride 10 2.7 Cộng ammonia amine 11 2.8 Phản ứng Wittig 14 2.9 Phản ứng Baeyer – Villiger 17 Lập thể phản ứng AN 18 3.1 Quy tắc Cram 18 3.2 Mơ hình Felkin-Anh .19 II CÁC VÍ DỤ MINH HOẠ 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ Sơ lược phản ứng cộng AN 1.1 Cấu trúc nhóm carbonyl Nhóm carbonyl gồm nguyên tử carbon liên kết với nguyên tử oxygen liên kết đơi C=O Ngồi ra, carbon cịn hai liên kết với hydrogen nhóm khác Carbon nhóm carbonyl lai hố sp2 (cấu trúc tam giác phẳng) góc liên kết chúng vào khoảng 1200 Liên kết p chúng hình thành nhờ xen phủ bên hai orbital p hai nguyên tử Trong hợp chất đơn chức carbonyl với gốc hydrocarbon gọi aldehyde (có nhóm -CH=O) ketone (có nhóm >C=O) Nhóm carbonyl có tính phân cực mạnh phía oxygen Trong cơng thức cộng hưởng nhóm carbonyl, có cơng thức thể điện tích dương nằm nguyên tử carbon, điện tích âm nằm nguyên tử oxygen Điều chứng tỏ nguyên tử carbon nhóm C=O mang phần điện tích dương (d+) Sự phân bố mật độ electron làm cho nguyên tử carbon mang tính electrophile chịu tác kích của nucleophile, thuận lợi cho phản ứng cộng nucleophile xảy 1.2 Khả phản ứng cộng nucleophile Các nhóm có khả ảnh hưởng đến khả cộng nucleophile nhóm carbonyl (C=O) Cụ thể nhóm đẩy electron làm tăng mật độ electron carbon, tính electrophile giảm, dẫn đến phản ứng cộng nucleophile giảm Ngược lại, nhóm rút electron làm giảm mật độ electron nguyên tử carbon, carbon trở nên dương điện nên tính electrophile tăng, khả cộng nucleophile theo tăng Các nhóm phenyl, allyl có khả liên hợp với nhóm carbonyl làm giải toả điện tích, dẫn đến khả phản ứng cộng nucleophile giảm Mặt khác, phản ứng cộng nucleophile bị ảnh hưởng lập thể nhóm thế, nhóm cồng kềnh có khuynh hướng án ngữ khơng gian cản trở tác kích nucleophile vào tâm phản ứng carbon nhóm C=O, theo lẽ khả phản ứng giảm Ngồi ra, mơi trường ảnh hưởng đến khả phản ứng cộng nucleophile Cụ thể là, môi trường acid phản ứng cộng nucleophile dễ xảy 1.3 Cơ chế chung phản ứng cộng nucleophile 1.3.1 Phản ứng AN AN viết tắt Addition of nucleophile nghĩa cộng nucleophile, đề cập đến phản ứng cộng nucleophile, viết tắt phản ứng A N Trong phản ứng AN hợp chất carbonyl, carbon chuyển từ lai hoá sp2 sang lai hoá sp3 1.3.2 Phản ứng AN môi trường base 1.3.3 Phản ứng AN mơi trường axit Trong mơi trường acid, tính electrophile hợp chất carbonyl tăng mạnh proton hoá oxygen làm tăng mật độ điện tích dương 1.3.4 Phản ứng AN liên hợp Một carbonyl liên hợp, có tồn cơng thức cộng hưởng, ta thấy có hai trung tâm tích điện (+) ứng với hai trung tâm phản ứng Vì cộng nucleophile vào ketone liên hợp có hai vị trí nucleophile tác kích: trực tiếp nhóm C=O thơng thường ( cộng 1,2) vị trí nhóm liên hợp với (hay gọi cộng liên hợp; cộng a, b; cộng 1,4) Trong đó, ta có đặc điểm sản phẩm sau: + Sản phẩm cộng 1,2 sản phẩm bền động học nên ưu tiên tác nhân nucleophile mạnh (như tác nhân magnesium, LiAlH 4, BuLi …) carbonyl hoạt động + Sản phẩm cộng 1,4 sản phẩm bền nhiệt động ưu tiên tác nhân nucleophile yếu (như tác nhân đồng R2CuLi, cyanide R-CN, amine …); carbonyl hoạt động Điều giải thích sau: Các nucleophile mạnh hợp chất carbonyl hoạt động phản ứng nhanh, thuận lợi mặt động học nên cho sản phẩm cộng 1,2; Đối với nucleophile yếu carbonyl hoạt động phản ứng xảy chậm, phản ứng xảy theo hướng ưu tiên tạo thành sản phẩm bền mặt nhiệt động, tức cộng 1,4 1.4 Các nucleophile thường gặp Sau nucleophile tiêu biểu tham gia phản ứng AN với hợp chất carbonyl Một số phản ứng AN tiêu biểu Đề tài trình bày phản ứng A N số tác nhân nucleophile tiêu biểu H2O, alcohol, HCl, HCN, acetylide, tác nhân Grignard, hydride, amine ammonia, ylide, peroxyacid Một phản ứng ngưng tụ có mang chất phản ứng cộng AN, thuộc lĩnh vực rộng nên khơng đề cập đề tài 2.1 Cộng nước Các hợp chất carbonyl cộng nước để hình thành hydrate Aldehyde ketone dung môi nước tồn cân hydrate Tỉ lệ dạng tồn tuỳ thuộc vào thân aldehyde ketone Ví dụ, formaldehyde nước chiếm 99% dạng hydrate, cịn acetone có 0.1% tồn dạng hydrate dung môi nước Phản ứng cộng nước diễn kể môi trường base hay môi trường acid * Trong môi trường base: * Trong môi trường acid: 2.2 Cộng alcohol 2.2.1 Cơ chế phản ứng cộng alcohol Khi có xúc tác acid, hợp chất carbonyl cộng alcohol để tạo thành acetal Trong đó, hợp chất carbonyl cộng alcohol lần thứ để hình thành hemiacetal (có nhóm -OH nhóm -OR gắn carbon), sau phản ứng cộng tiếp tục diễn lần thứ hai để hình thành acetal (có hai nhóm -OR gắn carbon) Trong nhiều trường hợp, đặc biệt hemiacetal mạch hở bền, khó để lập Tuy nhiên, vài trường hợp hemiacetal bền vững, điển hình hemiacetal vịng cạnh Ví dụ trường hợp glucose, tồn chủ yếu dạng vòng cạnh nhờ vào hình thành hemiacetal bền vững 2.2.2 Phản ứng cộng diol bảo vệ nhóm chức carbonyl Một số diol (tức hợp chất có chứa hai nhóm -OH) hình thành acetal vịng với hợp chất carbonyl Chiều nghịch phản ứng tiến hành cho acetal tác dụng với dung dịch acid Vì để phản ứng thuận lợi, diol thường dùng lượng dư Acetal bền dễ bị thuỷ giải môi trường acid lại bền môi trường base Không phản ứng Đặc điểm sử dụng việc bảo vệ nhóm chức carbonyl thơng qua việc tạo thành acetal bền diol Cụ thể là, nhóm C=O acetal hoá diol nhằm bảo vệ khỏi phản ứng không mong muốn môi trường base Sau cùng, để mở khoá bảo vệ, acetal thuỷ giải mơi trường acid, thu nhóm C=O ban đầu Ví dụ, để chuyển hoá hợp chất A thành hợp chất B, cần sử dụng tác nhân khử, chả hạn LiAlH4 để khử nhóm ester alcohol Tuy nhiên, nhóm chức ketone dễ bị khử nhóm chức ester, khơng thu hợp chất B khơng bảo vệ nhóm ketone trước Để đạt mục tiêu trên, trước hết cần bảo vệ nhóm ketone việc hình thành acetal Tiếp theo tiến hành khử nhóm chức ester cuối thuỷ giải acetal để thu hợp chất B cần điều chế 2.3 Cộng HCN Hợp chất carbonyl tác dụng với HCN tạo thành cyanohydrin Vì HCN acid yếu (pKa ~ 9) nên nồng độ ion cyanide thấp, tốc độ phản ứng xảy chậm, thường có lượng base liên hợp (chả hạn KCN) bổ sung vào nhằm tăng tốc độ phản ứng hình thành cyanohydrin theo chế sau: Cyanohydrin chất có vai trị quan trọng tổng hợp hữu cơ, chuyển thành nhóm chức khác Nếu thuỷ phân cyanohydrin môi trường acid, tuỳ điều kiện khác mà điều chế a-hydroxy acid hay carboxylic acid chứa nối đôi liên hợp Nếu khử cyanohydrin tác nhân khử LiAlH4 hướng để điều chế b-aminoalcohol 28 g h  Câu Viết chế phản ứng sau: a) b) 29 c) PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN Câu a b Cơ chế 30 c h  Câu Xác định cấu trúc chất A-I sơ đồ sau: PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN 31  Câu Một aldehyde A quang hoạt có cơng thức phân tử C5H10O cho tác dụng với MeMgI H3O+ thu hai sản phẩm B C B chiếm tỷ lệ nhiều C Cho B C tác dụng với HBr thu hai dẫn xuất bromide tương ứng D E có cơng thức phân tử C6H13Br Các dẫn xuất bromide D E tác dụng với KOH đặc ethanol nhiệt độ cao, cho hai alken đồng phân F G có CTPT C6H12 Sự ozone giải F cho butanone acetaldehyde Dùng công thức chiếu Newmann để biểu diễn cấu trúc hợp chất A, B, C, D, E, F G Giải thích hình thành sản phẩm 32 PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Định hướng công thức cấu tạo hợp chất: - Vì A aldehyde quang hoạt có cơng thức C5H10O nên A có cơng thức cấu tạo sau: - Từ aldehyde A  1.MeMgI    2.H O  alcohol B, C, nên B, C đồng phân quang học có cơng thức cấu tạo: - HBr  Từ alcohol B, C   dẫn xuất bromide D, E nên D, E đồng phân quang học có cơng thức cấu tạo: - Khi ozone giải F, thu butanone acetaldehyde Suy F alkene có cơng thức sau: h - Khi đó, G đồng phân hình học (đồng phân E-Z) F  Xác định công thức Newmann A, B, C, D, E: Để xác định B C, ta dùng mơ hình Felkin – Anh 33  Câu Hằng số cân cho hình thành hydrate acetone, acetophenone, 3 7 7 benzophenone 1.410 , 6.610 1.610 - Hãy giải thích số cân acetone lớn acetophenone acetophenone lớn benzophenone - Khi so sánh với acetone số cân acetophenone nhỏ khoảng 104 lần, số cân benzophenone nhỏ acetophenone (khoảng lần), giải thích nhóm phenyl thứ hai cấu trúc benzophenone có ảnh hưởng đến số cân 34 PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Từ ra, ta thu cân sau:  Ta thấy K1 > K2 > K3, điều giải thích vào khả tham gia phản ứng A N ketone Trong đó, nhóm phenyl có khả cộng hưởng với nhóm C=O làm giải toả điện tích (+) carbon, khả cộng nucleophile giảm Nhóm -CH gây hiệu ứng +I đáng kể nhóm -C6H5 Vì khả phản ứng AN acetone > acetonphenone > benzophenone, suy số cân phản ứng hydrate hoá K1 > K2 > K3  Ta thấy, K1 >> K2 K2 > K3 khơng nhiều Điều giải thích dựa vào yếu tố lập thể hai nhóm phenyl benzophenone có tương tác đẩy lẫn nhau, dẫn đến hai không đồng thời nằm mặt phẳng liên hợp với nhóm C=O, khả giải toả điện tích (+) nhóm phenyl thứ hai giảm Vậy nhóm phenyl thứ hai không gây ảnh hưởng nhiều đến khả tham gia phản ứng AN 35  Câu Dùng mơ hình Felkin-Anh, xác định cấu trúc E F Giải thích cho lựa chọn PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Câu Một sinh viên thực tổng hợp hợp chất (III) phịng thí nghiệm Sau tổng hợp xong hợp chất tinh chế đo IR, kết đo phổ IR khơng có mũi hấp thu mạnh vùng 1730 cm-1 Tổng hợp có thành cơng hay khơng? Hãy giải thích 36 PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Vì hợp chất khơng có mũi hấp thu mạnh vùng 1730 cm -1, chứng tỏ khơng hợp chất thu khơng có nhóm C=O Như vậy, tổng hợp khơng thành cơng  Điều giải thích nhờ vào phản ứng nội phân tử hợp chất (III) tạo thành hemiacetal vòng bền vững  Câu Cho semicarbazide phản ứng với aldehyde ketone để tạo thành semicarbazone, có ngun tử N semicarbazide đóng vai trị nucleophile tác kích vào nguyên tử carbon carbonyl Hãy xác định sản phẩm chủ yếu tạo thành (1) hay (2) Giải thích PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Hai ngun tử N liên kết với nhóm C=O có yếu tố cộng hưởng với nhóm C=O nên chúng tính nucleophile đáng kể 37  Như nguyên tử nitrogen không liên kết với nhóm C=O mang tính nucleophile mạnh nhất, tác dụng với aldehyde ketone cho sản phẩm (1)  Câu 10 Bệnh du Hà Lan bệnh gây loại nấm từ loại bọ cánh cứng Những bọ thường tìm đến du tiết pheromone Các pheromone thu hút bọ đực mang theo loại nấm nguy hiểm Các pheromone bao gồm hợp chất multistriatin có cấu trúc sau: Khi xử lí multistriatin với dung dịch acid lỗng nhiệt độ phịng thu sản phẩm có cơng thức phân tử C10H20O3, cho tín hiệu 1715 cm-1 phổ hồng ngoại (IR) Hãy xác định cấu trúc sản phẩm PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Sản phẩm có tín hiệu IR 1715 cm-1, chứng tỏ có nhóm carbonyl C=O  Mặt khác, multistriatin acetal, mơi trường acid bị thuỷ phân thu nhóm carbonyl nhóm OH tương ứng  Câu 11 Xác định cấu trúc hợp chất A-F sơ đồ sau: 38 PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Phân tích: Để xác định cấu trúc ta xuất phát từ cấu trúc hợp chất A Ta nhận xét sau: A tham gia phản ứng khử Clenmensen tham gia phản ứng cộng HCN chứng tỏ A ketone không no Khi cho A phản ứng với H2 dư thu alcohol no, tác dụng với acid đặc cho sản phẩm alkene B Hợp chất D thu từ trình ozone phân alkene B không tác dụng với tác nhân Jones chứng tỏ D chứa hai gốc ketone, không chứa gốc aldehyde Như A, B, D có mạch carbon với hợp chất cho có cơng thức B D là:  Để thu B, A có ba cơng thức có gồm:  Ketone khơng no A cộng HCN, sau xử lí với acid ta thu nhóm 39 COOH hợp chất C Vì C khử hai lần: khử chọn lọc với BH 3/H+ LAH chứng tỏ C phải vừa chứa nhóm COOH vừa chứa nhóm ketone Vậy khả A ketone liên hợp Cơng thức A (1)  Tuần tự ta xác định C, E, F sau:  Câu 12 Q trình điều chế nylon-6 xuất phát từ caprolactam phản ứng trùng ngưng (với nước) a Mô tả chế phản ứng trùng ngưng hai phân tử caprolactam b Một tiền chất điều chế caprolactam cyclohenxanone theo sơ đồ sau: 40 Xác định cấu trúc hợp chất X viết chế phản ứng (2) PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN a Cơ chế: b Hợp chất X: Cơ chế phản ứng (2): 41 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1] Lê Ngọc Thạch (2002), Hoá học hữu (Các nhóm định chức chính), NXB Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh [2] Đỗ Đình Rãng, Đặng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong, Hoá học hữu 3, Nhà Xuất Giáo dục Việt Nam TÀI LIỆU TIẾNG ANH [3] D.Klein (2011), Organic Chemistry, Second Edition, Wiley [4] L.G.Wade (2006), Organic Chemistry, Sixth Edition [5] Jerry A.Jenkins (2010), Workbook for Organic Chemistry (Supplemental Problems and Solutions), W H Freeman and Company, New York [6] T W Graham Solomons, Craig B Fryhle (2011), Oragnic Chemistry, Tenth Edition, Wiley [7] Clayden, Greeves, Warren and Wothers (2001), Organic Chemistry, Oxford [8] Paula Yurkanis Bruice (2014), Organic Chemistry, Senventh Edition, Pearson ... phản ứng giảm Ngồi ra, mơi trường ảnh hưởng đến khả phản ứng cộng nucleophile Cụ thể là, môi trường acid phản ứng cộng nucleophile dễ xảy 4 1.3 Cơ chế chung phản ứng cộng nucleophile 1.3.1 Phản. .. Sơ lược phản ứng cộng AN 1.1 Cấu trúc nhóm carbonyl 1.2 Khả phản ứng cộng nucleophile 1.3 Cơ chế chung phản ứng cộng nucleophile .4 1.4 Các nucleophile thường... cộng nucleophile 1.3.1 Phản ứng AN AN viết tắt Addition of nucleophile nghĩa cộng nucleophile, đề cập đến phản ứng cộng nucleophile, viết tắt phản ứng A N Trong phản ứng AN hợp chất carbonyl, carbon