CHUYÊN đề CHUYỂN vị sự chuyển vị 1,2 nucleophin

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BẮC NINH TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG CHUYÊN BẮC NINH CHUYÊN ĐỀ CHUYỂN VỊ BẮC NINH-2021 MỤC LỤC A Lí chọn đề tài……………………………………………………… ………………………3 B Nội dung………………………………………………………………………… ………………………4 I Sự chuyển vị 1,2 nucleophin I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử cacbon I.1.1 Chuyển vị Vanhe-Mecvai .4 I.1.3 Chuyển vị pinacol-pinacolon 12 I.1.4 Chuyển vị benzilic .19 I.2 Sự chuyển vị đến nguyên tử N 20 I.2.1 Các phản ứng chuyển vị Hôpman 20 I.2.2 Sự chuyển vị Cautiut .24 I.2.3.Chuyển vị Becman .28 II Sự chuyển vị từ nhóm vào vòng thơm 33 II.1 Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm 33 II.1.1 Chuyển vị frai .33 II.1.2 Chuyển vị Claizen 37 II.2 Sự chuyển vị từ nguyên tử nitơ vào vòng thơm .53 II.2.1 Chuyển vị nguyên tử halogen 53 II.2.3 Chuyển vị benziđin: 54 III Chuyển vị 1,3 57 III.1 Chuyển vị xeto-enol (đồng phân hóa tautome xeto-enol) 57 III.2 Sự chuyển vị alylic 58 IV: Một số dạng chuyển vị khác 62 Phản ứng chuyển vị Favorskii 62 Phản ứng hoán vị 65 Chuyển vị Schmidt 75 Tài liệu tham khảo 82 A Lí chọn đề tài Trong năm thập niên đầu kỉ XXI, phấn đấu đưa giáo dục nước ta trở thành giáo dục tiên tiến, khoa học dân tộc, đại chúng thích ứng với kinh tế thị trường định hướng Xã hội chủ nghĩa, hướng tới xã hội học tập có khả hội nhập Quốc tế Nền giáo dục phải đào tạo người Việt Nam có lực tư độc lập, sáng tạo, có khả thích ứng cao, hợp tác lực giải vấn đề Đào tạo hướng phát triển lực người học trở thành xu tất yếu giáo dục giới Năm học 2021-2022 năm có ý nghĩa lớn, năm thực nghị Đại hội Đảng toàn Quốc lần thứ XI Thực tốt sứ mệnh nâng cao dân trí, phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao bồi dưỡng nhân tài, góp phần quan trọng phát triển đất nước, xây dựng văn hóa người Việt Nam Trong chương trình giáo dục trường THPT Chun, Hóa học mơn khoa học có kết hợp thực nghiệm lí thuyết Với mục tiêu giúp học sinh nắm vững tri thức Từ năm 1993-1994 đến nay, Bộ Giáo dục đào tạo thức tổ chức kì thi chọn học sinh giỏi lớp 12 mơn Hóa học, vấn đề bồi dưỡng học sinh giỏi nhiệm vụ quan trọng hàng đầu giáo viên dạy khối chun Hóa trường phổ thơng Để đạt kết cao kì thi đó, yếu tố quan trọng phải bồi dưỡng cho em có đầy đủ kiến thức, kĩ năng, kĩ xảo lực giải vấn đề Vì vậy, việc xây dựng tuyển chọn hệ thống tập chuyên sâu theo chuyên đề phù hợp với đối tượng học sinh chuyên hóa đặc biệt em học sinh trực tiếp tham gia vào kì thi học sinh giỏi cấp cần thiết quan trọng Hòa vào xu phát triển chung giáo dục giới, Việt Nam nhiều năm gần đây, hệ thống trường chuyên ln có trọng trách, nhiệm vụ nặng nề: Đó đào tạo học sinh có đủ sức đủ tài đủ tầm để tham gia vào kì thi học sinh giỏi Quốc Gia, Olympic Quốc Tế khu vực B Nội dung Thông thường xét phản ứng hóa học hữu cơ, đa phần phản ứng hóa học có nhóm chức thay đổi, cịn phần gốc hiđrocacbon bảo tồn Ngun tắc tỏ đắn việc xác định cấu trúc phân tử đường hóa học Tuy nhiên, có trường hợp khơng tn theo ngun tắc đó, chẳng hạn có phản ứng, nhóm vào phân tử lại khơng vào chỗ vốn có nhóm trước đây, mà lại vào nguyên tử khác Hiện tượng gọi tưởng chuyển vị Như việc nghiên cứu đặc điểm, chế loại phản ứng chuyển vị có ý nghĩa quan trọng, giúp xác định cấu trúc sản phẩm, nhận dạng loại phản ứng chuyển vị cách nhanh chóng chuỗi trình phức tạp phản ứng Trước hết, tìm hiểu khái niệm Phản ứng chuyển vị “Phản ứng chuyển vị chuyển dịch nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí sang vị trí khác hợp chất hữu cơ” Dựa vào chất loại chuyển vị, ta chia thành ba dạng chủ yếu:  Chuyển vị 1,2: chuyển vị từ vị trí đến vị trí phân tử hợp chất hữu thuộc dãy no  Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm dãy thơm  Chuyển vị 1,3: chuyển vị từ vị trí đến vị trí phân tử hợp chất hữu thuộc dãy chưa no I Sự chuyển vị 1,2 nucleophin Những trình chuyển vị nguyên tử hay nhóm nguyên tử mang theo cặp electron liên kết chuyển dịch tới trung tâm khác thiếu hụt electron gọi chuyển vị nucleophin I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử cacbon I.1.1 Chuyển vị Vanhe-Mecvai Trong phản ứng tách nucleophin đơn phân tử trình cộng electronphin vào liên kết bội cacbon-cacbon sinh cacbocation Những cacbocation chuyển vị, làm cho nguyên tử hiđro hay nhóm akyl hay aryl vị trí  C(+) chuyển dịch đến C(+) để tạo cacbocation Hiện tượng gọi chuyển vị Vanhe-Mecvai Ví dụ: Viết công thức cấu tạo sản phẩm cho 3-iot-2,2đimetylbutan phản ứng với AgNO3 etanol Sản phẩm tạo thành nhiều nhất? Hướng dẫn: Sự chuyển vị Vanhe – Mecvai có tính đặc thù lập thể rõ rệt Cụ thể, cacbocation trung gian cacbocation tự mà cacbocation cầu nối Ví dụ: [Đề thi HSGQG 2004-B9] Cho 1,1, 3- metyl but-1-en tác dụng với axit clohiđric tạo sản phẩm, có A B Bằng chế phản ứng, giải thích tạo thành hai sản phẩm A B Do cacbocation bậc (II) có khả chuyển vị hiđrua tạo thành cacbocation bậc (III) nên tạo thành sản phẩm A B Ví dụ: [Đề thi chọn vòng 2] Khi cho α-pinen tác dụng với axit vơ mạnh xảy q trình đồng phân hóa tạo thành tecpen-hiđrocacbon (D1, D2, D3, D4) q trình hiđrat hóa sinh tecpen-ancol (E1, E2, E3, E4) Hãy vẽ công thức sản phẩm trình bày chế hình thành sản phẩm Biết sản phẩm có khung monoxiclic kiểu p-mentan khung bixiclic kiểu bixiclo[2.2.1]heptan; từ cabocation trung gian sinh tecpen-hiđrocabon tecpen-ancol Hướng dẫn: Ví dụ: Khi cho tysolat – phenylbutanol-2 (ở dạng erytro threzo) tác dụng với axit axetic ta axetat tương ứng, với cấu hình lập thể khác nhau, tùy theo cấu hình tysolat ban đầu I.1.2 Chuyển vị Vơnfơ Chuyển vị Vơnfơ q trình α-điazoxeton tác dụng Ag 2O tạo cacben sau chuyển vị thành xeten chất có phản ứng cao dễ dàng tác dụng với nước (hoặc ancol) tạo sản phẩm Sơ đồ Cơ chế: Trong chuyển vị Vơnfơ nhóm R chuyển đến ngun tử cacbon trung hòa với lớp vỏ electron chưa đủ cacben Ví dụ: Hãy giải thích cho axetophenon phản ứng với điazometan ta nhận benzyl metyl xeton? Hướng dẫn: Phản ứng xeton điazometan xảy theo chế: Khả chuyển vị nhóm theo thứ tự: H > C6H5 > CH3 > iso - C3H7 Do vậy, sản phẩm nhận bezyl metyl xeton Ví dụ: Từ RCOOH viết sơ đồ tổng hợp axit đồng đẳng kế tiếp: Một số tập áp dụng : Giải thích chuyển hố đây: 10 Năm 2004, nhà khoa học Hàn Quốc sử dụng phản ứng hốn vị để tạo vịng quy trình tổng hợp chọn lọc lập thể alkaloid (+) - allosedamine (X) 3) Xác định cấu trúc hợp chất A - G Chú ý B 1/B2 C1/C2 cặp đồng phân dia Trong phân tử B1, C1 có tâm chiral với cấu hình R tâm cịn lại có cấu hình S Hướng dẫn 1) Phản ứng hoán vị propen diễn theo phương trình sau: Với phản ứng này: Hằng số cân bằng: Số phân tử phase khí khơng thay đổi q trình phản ứng Kí hiệu phần mol ethen hỗn hợp cân x, ta có: Như vậy, hỗn hợp cân có 61.2% propen, 19.4 % ethen 19.4 % trans-but-2-en 71 2) Trong phản ứng này, sản phẩm ethylen, qua phase khí Kết cân phase lỏng chuyển dịch liên tục theo hướng tạo sản phẩm 3) Bài 2: Phản ứng hoán vị (2) Hốn vị (metathesis, có nguồn gốc từ tiếng Hi Lạp meta tithemi - "thay đổi vị trí") phản ứng trao đổi nhóm nguyên tử phân tử Năm 2005, R Grubbs, R Shrok I Shoven giành giải Nobel Hóa học cho nghiên cứu phản ứng hoán vị alken - trao đổi "mảnh" cấu trúc tạo thành liên kết đôi (A=B + C=D → A=C + B+D), sử dụng hệ xúc tác phức chất kim loại chuyển tiếp Hai ứng dụng quan trọng phản ứng hốn vị là: a) tổng hợp vịng cỡ vừa cỡ lớn; b) trùng hợp mở vòng cycloalken 1) Viết phản ứng hốn vị có tham gia của: a) ethylen but-2-en; b) dodeca1,11-dien Phản ứng trùng hợp mở vòng norbornen (A) tạo thành polime A1 chất khó tổng hợp phương pháp khác Các hệ xúc tác phát triển, cho phép thực hốn vị alkyne mà khơng làm ảnh hưởng 72 tới liên kết đơi Trùng hợp B tạo thành polime B1 dùng lĩnh vực điện tử 2) Vẽ cấu trúc A1 B1 Trime norbornadien (C) tạo thành dạng hỗn hợp đồng phân đia Phản ứng C với lượng dư etylen có mặt xúc tác hốn vị CM dẫn tới tạo thành hợp chất D, chất bị oxid hóa 2,3-đicloro-5,6-đixiano-1,4benzoquinon (DDQ) tạo thành hiđrocacbon S với cấu trúc không phẳng 3) Giả sử tạo thành đồng phân dia C xảy theo phân bố thống kê Hãy viết cấu trúc đồng phân dia phụ C Xác định tỉ lệ chúng 4) Hoàn thành sơ đồ phản ứng cách xác định cấu trúc D S 5) D tạo thành từ đồng phân C Xác định đồng phân 6) Xác định cấu trúc dẫn xuất monometyl quang hoạt không quang hoạt S Hướng dẫn 73 3-4) C tạo thành dạng hỗn hợp đồng phân syn (C 1) anti (C2) Trong C1, cầu metylen hướng, C cầu metylen định hướng ngược với cầu lại Giả sử tạo thành đồng phân tuân theo phân bố thống kê tương tác hai phân tử tạo thành đime có xác suất Nhưng từ đime dạng anti có C2 tạo thành, cịn từ đime dạng syn xác suất tạo thành C1 C2 giống Do tỉ lệ C1:C2 = 1:3 Hiđrocacbon S gọi sumanen mảnh cấu trúc fulleren Do sức căng nội phân tử nên S có cấu trúc khơng phẳng 5) Chất D tạo thành từ C 1, cản trở khơng gian khiến cho C khơng thể đóng vịng 6) Hợp chất S1 có tính quang hoạt, cấu trúc khơng phẳng S khơng có mặt phẳng tâm đối xứng Cịn S2 khơng quang hoạt có mặt phẳng đối xứng Bài 3: Các phản ứng hoán vị anken - mà nghiên cứu tảng lí thuyết hệ xúc tác hiệu cho chúng mang giải Nobel Hóa học 2005 cho I Shoven, R 74 Grubbs R Shrok - đưa vào thi Olympiad Hóa học Nga Mendeleev Ở dạng đơn giản hóa, nói phản ứng hốn vị anken diễn phản ứng cộng vòng [2+2], sau phân hủy xiclobutan tạo thành hai anken Cơ chế thực phản ứng trình bày đây: Phản ứng hoán vị anken nghiên cứu từ năm 1967, tới năm 1985 ví dụ phản ứng hóa vị với tham gia anken ankin - diễn theo chế tương tự - xuất Phản ứng dùng tổng hợp (±) differolide, cô lập từ xạ khuẩn Streptomyces aurantiogriseus Ngay nhiệt độ phòng, hợp chất A bị đime hóa chậm, tạo thành (±) -differolide đồng phân cấu tạo B (hai chất đồng phân cấu tạo) 1) Xác định cấu tạo A B Về sau, nhà nghiên cứu tiếp tục tìm thấy loại hợp chất khác tham gia vào phản ứng hoán vị tương tự Ví dụ như, hợp chất sắt xúc tác cho phản ứng hốn vị có tham gia ankin anđehit 75 2) Xác định cấu tạo sản phẩm C phản ứng hoán vị nội phân tử 2-[(but2-yn-1-yl)oxy]benzanđehit Bên cạnh đặc tính vượt trội, phản ứng hốn vị anken có nhược điểm: nhiều trường hợp, tạo thành hỗn hợp cis- trans-anken Nhược điểm rõ ràng khơng ảnh hưởng đến phản ứng hốn vị ankin Sau đó, sản phẩm hốn vị ankin khử chọn lọc để tạo thành đồng phân cis- trans-anken Gần đây, hướng tiếp cận sử dụng để tổng hợp Cucujolide XI, pheromone bách thảo Oryzaephilus surinamensis Thổ Nhĩ Kì 3) Xác định cấu tạo hợp chất D - P 4) Xác định cấu hình tuyệt đối tâm chiral Cucujolide XI Hướng dẫn 76 4) Cấu hình R Chuyển vị Schmidt Bài 1: Năm 1923, Schmidt nhận thấy thêm sulfuric axit vào hỗn hợp benzophenon nitrous axit HN3 thu benzanilide Phản ứng Schmidt thực với keton, anđehit, carboxylic axit Cơ chế phản ứng benzophenon trình bày đây: 77 Trong trường hợp keton đối xứng, phản ứng Schmidt diễn rõ ràng, với với keton không đối xứng hỗn hợp sản phẩm tạo thành 1) Xác định sản phẩm phản ứng 3-metylxiclohexanon Chất khí tạo thành đun nóng 5.8 gam n-hexanoic axit với đương lượng HN có mặt sulfuric axit thu lại, làm khơ đo thể tích điều kiện tiêu chuẩn Nếu sử dụng sulfuric axit đặc phosphorus(V) oxit làm chất hút ẩm thể tích 2,24 lít, cịn dùng kali hiđroxide rắn thể tích giảm nửa 2) Xác định cấu trúc sản phẩm phản ứng sau trung hòa tính lượng chất (theo gam), giả sử phản ứng diễn hồn tồn, khơng tạo thành sản phẩm phụ Phản ứng cinnamic axit (C 6H5CH=CHCOOH) với đương lượng HN có mặt H2SO4 tạo thành sản phẩm Y chứa 80% cacbon 6,67% hiđro 3) Viết cấu trúc hợp chất Y Trong phản ứng Schmidt, anđehit RCHO tạo thành amide hợp chất không chứa oxi Chiều hướng phản ứng phụ thuộc vào nhóm R lượng sulfuric thêm vào Trong phản ứng benzanđehit có lượng dư sulfuric axit, có 50% amide 5% sản phẩm phụ Z Cịn với lượng axit ít, lượng chất Z 70% lượng chất Y chiếm 13% 4) Viết cấu trúc sản phẩm W, Z Hướng dẫn 1) Trong phản ứng keton khơng đối xứng, hai nhóm chức chuyển vị Do đó, sản phẩm sau tạo thành phản ứng 3metylxiclohexanon 2) 0,05 mol n-hexanoic axit tham gia vào phản ứng Theo sơ đồ phản ứng, lượng mol nitrogen (1,12 L) giải phóng Thí nghiệm cho thấy thể tích khí gấp đơi Trong đó, 1,12 lít khí nitrogen 1,12 lít cịn lại axit oxide (bị hấp 78 thụ kiềm) Giả định hợp lí khí CO Đối với phản ứng keton khơng đối xứng, trường hợp axit, chuyển vị nhóm khác gắn với nhóm cacbon nhóm cacbonyl Nếu nhóm hiđroxi chuyển đến nguyên tử nitrogen sản phẩm phản ứng hydroxamic axit khơng bay Nếu nhóm ankyl R bị chuyển sản phẩm chuyển vị cacbamic axit N (cacbon monoxit monoamit), chất H 2SO4 nhanh chóng bị decarboxyl hóa tạo thành amine tương ứng Trong trường hợp này, giải phóng thêm 0,05 mol (1,12 lít CO2) n-pentylamin tạo thành từ hexanoic axit Cứ 0,05 mol axit 0,05 mol npentylamin tạo thành (4,35 gam) 3) Sản phẩm Y chứa số nguyên tử cacbon hiđro Cinnamic axit chứa nguyên tử cacbon Tuy nhiên, X = N X = O) không phù hợp với công thức C9H9X Đồng thời, phản ứng cinnamic axit, giống hexanoic axit, kèm với decarboxyl hóa sản phẩm phải chứa ngun tử cacbon (do nguyên tử hiđro) Khi đó, 13,3% khối lượng cịn lại tương ứng với 16 đơn vị khối lượng - nghĩa oxi Sản phẩm có cơng thức C8H8O Sự tạo thành chất giải thích sau: nhóm C 6H5CH=CH chuyển vị, cinnamic axit bị chuyển thành 1-amino-2-phenylethylen (C 8H9N), chất điều kiện phản ứng bị đồng phân hóa thành imine C 6H5CH2CH=NH, thủy phân tạo thành phenylacetic anđehit: 4) Khi sử dụng Schmidt anđehit, nhóm R nguyên tử hiđro bị chuyển vị Trong trường hợp đầu tiên, ta có sản phẩm “truyền thống”, nghĩa amit Trường hợp chuyển vị hiđro kèm với tách nước, sản phẩm nitrile (hợp chất không chứa oxi), chất bền điều kiện phản ứng Tách nước, cách 79 để loại nguyên tử oxi khỏi phân tử, khơng thể xảy chuyển vị nhóm R, trường hợp isonitrile RNC tạo thành Isonitrile chứa nguyên tử cacbon kiểu carben, có hoạt tính cao với tác nhân nucleophile, dĩ nhiên dễ dàng phản ứng với nước Do đó, W N-phenylformamide (PhNHCHO), Z benzonitrile (PhCN) Bài 2: Chuyển vị Schmidt giai đoạn then chốt phương pháp tổng hợp LY-134046, chất ức chế -methyltransferase enzyme Nhược điểm phương pháp tạo thành hai sản phẩm đồng phân, phương pháp thay để điều chế LY-134046 phát triển (xem sơ đồ): 1) Hồn thành sơ đồ chuyển hóa xác định cấu trúc hợp chất A-H Chuyển hóa A thành B, C hồn thành theo cách khác: 80 2) Viết cấu trúc sản phẩm trung gian I phương trình phản ứng tương ứng Chỉ tác nhân điều kiện phản ứng phù hợp 81 Hướng dẫn 1) Cách để tổng hợp LY-134046 ví dụ phản ứng Schmidt keton không đối xứng Hai sản phẩm B C kết việc đưa mảnh NH vào liên kết C-C(O) Cấu trúc sản phẩm LY-134046 xác định cấu trúc amide V Do đó, sản phẩm thứ hai amide đồng phân Cách thứ hai bắt đầu với chuyển hóa hợp chất có cơng thức C 8H4Cl2O3 thành chất D có cơng thức C10H5Cl2NO2 Trong tiến trình chuyển hóa, thay ngun tử oxi mảnh C2HN đưa vào Mảnh có mặt tác nhân dạng NCCH Sự nguyên tử oxi nguyên tử cacbon nhóm biến thể phản ứng Wittig Ta biết keton anđehit tham gia vào phản ứng Thoạt tiên, nguyên liệu đầu anđehit keton Tuy nhiên, đặc trưng tượng hỗ biến mạch vịng, tương tự quan sát trường hợp glucose đường khác Do đó, chất đầu biểu diễn dạng 2,3-dichloro-6-formylbenzoic axit Nhóm anđehit phản ứng với diethyl este cyanomethylphosphonic axit tạo thành nitrile không no D Chuyển hóa D thành E cộng hợp nguyên tử hiđro Phương án thực tế khử liên kết dơi HC=CH thành CH2-CH2 Sẽ có cảm giác bất thường phản ứng khử sử dụng Vấn đề nitrile D nhóm C≡N bị phân cực mà cịn liên kết C=C liên hợp với Nhóm nitrile khơng bị khử sodium borohydride (nếu khơng khơng mà có đến nguyên tử H bổ sung), nitrile không no phản ứng với NaBH4 cách gắn hydride ion có tính nucleophile vào liên kết đôi C=C để tạo thành enolate ion, mà proton hóa chất tạo thành nitrile E no (C10H7Cl2NO2) Đây kiểu phản ứng Michael, sản phẩm tạo thành kết khử C=C Nhóm carboxyl E bị methyl hóa tạo thành este F Boran khử chọn lọc nhóm nitrile hợp chất F mà khơng ảnh hưởng đến nhóm este Kết luận xác thực thực tế sản 82 phẩm LY-134046 tạo thành phản ứng khử hợp chất H, chất rõ ràng aminde đồng phân B dựa vào vị trí nhóm cacbonyl Amide tạo thành kết cơng nội phân tử nhóm amino vào mảnh este G 2) Phương pháp tạo thành keton oxime (I) (xảy chuyển vị Beckmann): 83 C Kết Luận: Sau thời gian thực hệ thống hóa lại dạng chuyển vị bao gồm: + Trình bày sơ đồ chế 15 chế chuyển vị + loại chế có vi dụ minh họa + Bài tập áp dụng cho loại chế Chúng tơi hy vọng chun đề đóng góp vào q trình giảng dạy học sinh khối chuyên hóa nói chung đặc biệt sử dụng giảng dạy cho em học sinh tham gia vào kì thi HSG cấp Với mong muốn khát khao to lớn kinh nghiệm hạn chế thời gian có hạn nên q trình viết chun đề khơng tránh khỏi thiếu sót mong nhận góp ý thầy bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn 84 Tài liệu tham khảo Org Lett 2012, 14, 4738–4741 Cơ chế phản ứng: GS Trần Quốc Sơn Bài tập hóa học hữu cơ: Ngơ Thị Thuận Các đề thi chọn HSG Quốc gia hàng năm 85 ... II Sự chuyển vị từ nhóm vào vịng thơm II.1 Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm II.1.1 Chuyển vị frai Chuyển vị frai chuyển vị nhóm axyl este phenol chuyển dịch vào vị trí octo para vịng... chuyển vị “Phản ứng chuyển vị chuyển dịch nguyên tử hay nhóm ngun tử từ vị trí sang vị trí khác hợp chất hữu cơ” Dựa vào chất loại chuyển vị, ta chia thành ba dạng chủ yếu:  Chuyển vị 1,2: chuyển. .. ứng chuyển vị Hôpman 20 I.2.2 Sự chuyển vị Cautiut .24 I.2.3 .Chuyển vị Becman .28 II Sự chuyển vị từ nhóm vào vịng thơm 33 II.1 Sự chuyển vị từ nguyên