51 OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1996 Đôi khi hoá học lập thể của các hợp chất hữu cơ có thể được xác định bằng cách khảo sát tính chất hóa học đặc trưng của chúng Cấu tạo của một trong các đồng phân của ax.
51 OLYMPIC HĨA HỌC QUỐC TẾ 1996: Đơi hố học lập thể hợp chất hữu xác định cách khảo sát tính chất hóa học đặc trưng chúng Cấu tạo đồng phân axit 5-norbonen-2,3-dicacboxylic, hợp chất X (kí hiệu ~ để khơng nêu rõ hóa học lập thể) hình thành nhờ thí nghiệm sau: COOH COOH X Khi đun nóng X nóng chảy tách nước để tạo hợp chất Y Hợp chất Y tan chậm lượng dư dung dịch nước NaOH để tạo X1, sản phẩm X tạo thành lượng dư dung dịch nước NaOH Dung dịch thu X1 NaOH tác dụng với iot, tạo thành hợp chất có chứa iot Axit hóa dung dịch tạo hỗn hợp hai chất đồng phân triệt quang (tiêu triền hay raxemic) A B theo tỉ lệ 3:1 Chuẩn độ 0,3913g hợp chất A với NaOH 0,1000M có mặt phenolphtalein cần dùng 12,70mL bazơ Cần thể tích NaOH 0,1000M NaOH để chuẩn độ 0,3913g hợp chất B Khi đun nóng, hợp chất A chuyển chậm thành hợp chất C khơng chứa iot phản ứng với nước Trong điều kiện, hợp chất B không xảy chuyển hóa đun nóng với axit clohydric chuyển chậm thành A Phải viết cân phương trình phản ứng Khơng cần viết chế phản ứng 1) Đánh dấu (*) nguyên tử cacbon phi đối xứng (asymmetric) axit 5norbonen-2,3-dicacboxylic 2) Viết cơng thức hóa học lập thể đồng phân lập thể có hợp chất X cấu tạo sản phẩm tách nước có xảy 3) Viết phương trình phản ứng đồng phân lập thể X hợp chất tương ứng Y với lượng dư dung dịch NaOH nước 4) Tính khối lượng mol phân tử chất A Viết phương trình phản ứng từ X1 đến A 5) Viết phương trình phản ứng tạo thành C từ A phản ứng C với nước 6) Viết cơng thức hóa học lập thể hợp chất X thoả mãn tất kiện cho 7) Viết phương trình phản ứng dẫn từ B đến A 8) A B có phải đồng phân không đối quang (diastereoisomers)? BÀI GIẢI: 1) Các trung tâm bất đối X: * * * COOH COOH * 2) Công thức cấu tạo đồng phân lập thể X ghi bên trái, cột bên phải cấu tạo sản phẩm tách nước tương ứng (nếu sản phẩm không tồn có dấu gạch ngang) 52 COOH OC COOH O OC O C COOH O COOH C O COOH COOH COOH COOH 3) Phản ứng đồng phân lập thể X với NaOH: COONa COOH + + 2NaOH 2H2O COONa COOH Phản ứng đồng phân lập thể Y với NaOH: O C COONa O + H2O + 2NaOH COONa C O 4) MA = 0,3913/(12,7.0,100/1000) = 308 (g/mol-1) Các phản ứng từ X đến A: I COONa COONa 5) Chuyển hóa A thành C: I I2 -NaI HCl COONa -NaCl O CO C O CO 53 I COOH O O CO O CO + HI CO Phản ứng C với nước: O O CO + 2H2O OH CO OH COOH COOH 6) Cấu tạo X: COOH COOH 7) Chuyển hóa B thành A: I I I +H2O -H2O COOH CO O COOH OH COOH 8) Không, A B đồng phân khơng đối quang OLYMPIC HĨA HỌC QUỐC TẾ 1997: Hợp chất X đường ba (tri – saccarit) có chủ yếu thức ăn làm từ hạt Hợp chất X không phản ứng với dung dịch Benedict không đối quang Sự thuỷ phân xúc tác axit tạo ba đường D – hexozơ khác A, B C Tất hợp chất A B hợp chất I (xem đây) cho osazon phản ứng với lượng dư phenylhydrazin môi trường axit Hợp chất C phản ứng với axit nitric tạo thành hợp chất D khơng có tính quang hoạt (khơng triệt quang) Để thiết lập quan hệ cấu hình D – glyxerandehit C, chất đường andehit cacbon (andotetrozơ) trung gian bị oxy hóa axit nitric khơng tạo thành hợp chất meso Khi A xử lý axit nitric tạo thành axit aldaric có tính quang hoạt Cả A B phản ứng với mol HIO4; A tạo thành mol axit metanoic (axit fomic) mol metanal (fomandehit), B tạo thành mol axit metanoic, mol metanal mol CO2 Cả A B có liên quan với andotetrozơ, andotetrozơ đồng phân không đối quang (diastereoisomer) O CO 54 chất mà C có tương quan Sự metyl hóa X thủy phân tạo thành 2,3,4-tri-O-metyl-D-hexozơ (E) (chuyển hóa từ A); 1,3,4,6-tetra-O-metyl-D-hexozơ (F) (chuyển hóa từ B) 2,3,4,6-tetra-O-metyl-D-hexozơ (G) (chuyển hóa từ C) 1) Xác định cơng thức chiếu Fischer A, B, C D 2) Vẽ đầy đủ công thức chiếu Haworth tương ứng để rõ kích thước vịng hóa học lập thể tuyệt đối E, F G 3) Viết công thức chiếu Haworth X O C H O C H HO H HO H H OH H OH H OH CH2OH D-glyxerandehit CH2OH I BÀI GIẢI: Hợp chất X tri-saccarit, không phản ứng với dung dịch thuốc thử Benedict, không quang hoạt Điều cho thấy X đường khơng khử có liên kết axetal xetal tồn tất cacbon anome Trong ba monosaccarit A B cho osazon có hóa học lập thể C-3; C-4 C-5 (và C-6) A B khác với hợp chất I (là D-mannozơ) cho osazon số phải C-2 epime D-mannozơ (là D-glucozơ) chất phải đường xeton tương ứng C-2 (như D-fructozơ) (Suy luận kiểm nhận sau phản ứng cắt mạch oxy hóa) Hợp chất C, sau phản ứng với axit nitric tạo axit dicacboxylic không quang hoạt axit andaric D Axit andaric có hai dạng: AA1 (D) AA2 Andotetrozơ tạo thành trước C (cũng trước D) không cho hợp chất meso sau phản ứng với axit nitric buộc phải D-threozơ: 55 COOH CHO H H OH OH meso H CHO H OH COOH CH2OH OH COOH CHO CH2OH D-glyxerandehit H OH HO HO H H H H OH OH doi xung guong COOH CH2OH D-threoza Như axit andaric D tạo thành từ C nêu AA1 C phải D-galactozơ Hợp chất A phản ứng với mol axit HIO4 để tạo mol axit metanoic (axit fomic) mol metanal (fomandehit) cho phép đề nghị A andohexozơ B phản ứng với mol HIO4 tạo mol axit metanoic, mol metanal mol CO2 giúp dự đốn xetohexozơ Các hợp chất A B có liên hệ với tetrozơ không giống C (liên quan với D –erithreozơ) Tetrozơ liên quan đến A B phải có cấu tạo sau A D – glucozơ B D – fructozơ CHO H CHO H OH H OH CH2OH OH HO CHO CH2OH H HO O H H HO H H H OH H OH HO H OH H OH H CH2OH A (D-glucoza) CH2OH B (D-fructoza) Metyl hóa X thuỷ phân tạo thành E, F G đây: OH OH CH2OH C (D-galactoza) 56 CHO CH2OH H OCH3 H3CO H H OCH3 H OH OH O H H H OCH3 H OCH3 H OCH3 CH2OH E chuyển hóa từ A CH2OH O CH2OCH3 HO H H OH O H OCH3 OH CH2OCH3 H H OH H OCH3 CH2OH F chuyển hóa từ B CHO CH2OCH3 H OCH3 O H H3CO H H3CO H H OCH3 H H OCH3 H OH OH H OCH3 CH2OCH3 G chuyển hóa từ C Trong metyl hóa, nhóm hydroxyl khơng tham gia vào hình thành axetal/xetal (hoặc nội phân tử liên phân tử) bị ete hóa Từ kiện metyl hóa, E có hai nhóm hydroxyli tự liên kết với cacbohydrat khác Như A phải cacbohydrat trung tâm Các kết qủa trật tự monosaccarit X C-A-B (hay B-A-C) Nếu: A5 biểu thị dạng furanozơ (vòng cạnh) cacohydrat A A6 biểu thị dạng pyranozơ (vòng cạnh) cacbohydrat A 57 B5 biểu thị dạng furanozơ (vòng cạnh) cacbohydrat B.v.v… saccarit X biểu thị C6 – A6 – B5 Một cấu tạo khác có X cho đây: B CH2OH O OH H H H OH O H CH2 C H OH O H H H H OH O A Tri-saccarit X CH2OH O OH H OH OH H CH2OH H B H OH Ghi chú: Bản chất liên kết anome không thiết yếu đề Sự xếp liên kết A với B C đảo lại (liên kết 1,1’ C A liên kết 1,6 A B OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1997: Các nhà hóa học cơng ty Merck Frosst Cânda Montréal phát triển dược phẩm có triển vọng hữu hiệu để trị bệnh suyễn Cấu tạo MK-0476 sau COOH CH3 H3C S Cl N MK-0476 Trong qúa trình kiểm tra, họ phát minh qúa trình tổng hợp đơn giản hiệu qủa, mô tả cho thiol hóa phần MK – 0476 este dietyl A OH 58 1) Hãy cho biết cấu tạo sản phẩm trung gian B – F qúa trình tổng hợp COOC2H5 A 1) LiAlH4 2) H3O+ B C6H5COCl Pyridin 1) CH3-SO2Cl/(C2H5)3N C (C12H14O3) 2) NaCN D(C12H13O2N COOC2H5 1) KOH(aq) 2) CH2N2 COOH 1) NaOH(aq) 2) H3O+ G F(C9H14O3S) 1) CH3-SO2Cl/(C2H5)3N E 2) CH3COS-Cs+ SH Một giai đoạn cuối qúa trình tổng hợp MK – 0476, muối diliti thiol axit (G) ghép với mạch phân tử nêu đây: H3C O CH3 S O Cl H3C OH O N H 1) - + CO2-Li+ S Li 2) H+ COOH CH3 H3C S Cl N MK-0476 2) Căn hóa học lập thể quan sát phản ứng trên, gọi tên chế qúa trình ghép này? OH 59 3) Nếu qúa trình phản ứng xảy theo chế đề nghị tốc độ tồn phần (chung) thay đổi nồng độ muối thiolat chất lúc tăng gấp ba? 4) Các nghiên cứu mẫu tiến hành với việc sử dụng brom etan chất để tối ưu hóa qúa trình ghép nói Vẽ cấu tạo sản phẩm phản ứng mol đương lượng brom etan với: a) G thêm hai mol đương lượng bazơ b) G thêm mol đương lượng bazơ 5) Qúa trình ghép trở nên phức tạp nhị hợp oxi hóa (dime hóa – oxy hóa G) Viết công thức cấu tạo Lewis, rõ tất electron không liên kết sản phẩm nhị hợp - oxy hóa BÀI GIẢI: 1) Cơng thức cấu tạo chất: O O CH2O CH2O CH2OH H2C CH2OH CH2OH C C B D CH2S CH2OH C O CH2CO2CH3 CH2CO2CH3 E F 2) SN2: nucleophin lưỡng phân tử 3) v = k[tác nhân][tác chất nucleophin] Tốc độ chung tùy thuộc vào nồng độ tác nhân lẫn tác chất nucleophin Như vậy, gấp ba nồng độ chất tham gia phản ứng dẫn đến tốc độ chung phản ứng tăng gấp lần 4) Với hai đương lượng bazơ: CH2SCH2CH3 CH2CO2H Với đương lượng bazơ: CH2SH CH2CO2CH2CH3 5) Công thức Lewis sản phẩm dime: N CH3 60 CH2S SCH2 H2C CH2 HO O O OH OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ 1998: Nấm Aspergillus nidulans tạo hai lacton (este vòng) thơm A B (C10H10O4) đồng phân tan dung dịch NaOH lạnh nước không tan dung dịch NaHCO3 nước Cả A B cho màu tím với dung dịch FeCl3 nước Phản ứng A với CH3I có mặt K2CO3 tạo thành C (C11H12O4) mà phổ 1H NMR thấy có chứa ba nhóm metyl khơng giống nhau, nhóm liên kết trực tiếp với vòng thơm Sự tách loại nhóm metyl có chọn lọc C với BCl3 xử lý kết\ tiếp nước tạo D đồng phân A Phổ 1H NMR hợp chất D cho thấy rõ diện nhóm hydroxyl có tạo liên kết hydro nội phân tử δ = 11,8pm OH H3C H3C CO2CH3 O HO I E Hợp chất D tổng hợp sau: Phenol E metyl hóa (MeI/K2CO3) để tạo F(C9H12O2) sau F khử liti kim loại amoniac lỏng – metylpropan – –ol dien đối xứng không liên hợp G Có thể chuyển dien thành liên hợp phản ứng với KNH2 amoniac lỏng xử lý nước, qúa trình tạo sản phẩm H Sự ozon phân H xử lý không khử lế tiếp tạo nhiều sản phẩm, có xetoeste I Thực phản ứng Diels – Alder hợp chất H với dimetyl but – –indioat J tạo thành K (C15H20O6) mà đun nóng loại eten để tạo este thơm L Thủy phân L mơi trường bazơ axit hóa dung dịch tạo thành M(C11H12O6) mà đun nóng chân khơng tạo N (C11H10O5) Khử N NaBH4 dimetylfomamit tạo thành C lacton O đồng phân, O thu nhờ metyl hóa B 1) Viết công thức cấu trúc tất hợp chất từ A đến O 2) Hãy trình bày cấu trúc khác B BÀI GIẢI: 1) Công thức cấu tạo chất: v max K 1+ A [A] 3) Nếu [A] → KA/[A] >> v = vmax.[A]/KA Biểu thức phù hợp với định luật tốc độ phản ứng bậc 4) Nếu [A]→ ∞ KA/[A] 750oC) 1) Viết phản ứng xảy Tốc độ hình thành BP phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng 800oC cho bảng sau: [BBr3] (mol.L-1) [PBr3] (mol.L-1) [H2] (mol.L-1) v (mol.s-1) -6 -6 2,25.10 9,00.10 0,070 4,60.10-8 4,50.10-6 9,00.10-6 0,070 9,20.10-8 -6 -6 9,00.10 9,00.10 0,070 18,4.10-8 2,25.10-6 2.25.10-6 0,070 1,15.10-8 2,25.10-6 4,50.10-6 0,070 2,30.10-8 -6 -6 2,25.10 9,00.10 0,035 4,60.10-8 2,25.10-6 9,00.10-6 0,070 19,6.10-8 (880oC) 2) Xác định bậc phản ứng hình thành BP viết biểu thức tốc độ phản ứng 3) Tính số tốc độ 800oC 880oC 4) Tính lượng hoạt hóa phản ứng BÀI GIẢI: 2) v = 1) BBr3 + PBr3 +3H2 → BP + 6HBr 2) Bậc phản ứng Biểu thức tốc độ phản ứng: v = k[BBr3][PBr3] 3) k800 = 4,60.10-8/2,25.10-8.9,00.10-6 = 2272L2.s-1.mol-1 k880 = 19,60.10-8/2,25.10-8.9,00.10-6 = 9679L2.s-1.mol-1 4) Phương trình Arrhenius có dạng: lgk = lgA – Ea/2,3RT Ta có: (1) lgk1 = lgA – Ea/2,3RT1 (2) lgk2 = lgA – Ea/2,3RT2 Trừ (1) cho (2) ta được: ⎛1 E ⎛1 ⎞ lg k − lg k = − a ⎜⎜ − ⎟⎟ ⇒ E a = −2,3R⎜⎜ − 2,3R ⎝ T1 T2 ⎠ ⎝ T1 T2 ⎞ k1 ⎟⎟ lg ⎠ k2 Thay số vào ta tính Ea = 186kJ.mol-1 BÀI TẬP CHUẨN BỊ CHO KỲ THI HÓA HOC QUỐC TẾ LẦN THỨ 35: Sự hấp thụ dược chất chất hữu gây thường dẫn đến qúa trình động học đơn giản chế qúa trình phức tạp Sau ta xét qúa trình hấp thụ dược chất dày sau uống thuốc Gọi [A]s nồng độ dược chất trọng dày giả thiết tốc độ qúa trình hịa tan vào máu phụ thuộc bậc vào [A]s Cũng giả thiết tốc độ chuyển hóa hay loại khỏi máu tỉ lệ với nồng độ máu [A]b a) Viết phương trình biểu thị d[A]b/dt b) Sau 75% [A]s loại khỏi dày Tính lượng [A]s lại dày (%) sau uống thuốc BÀI GIẢI: a) As → Ab → sản phẩm (1) d [A]s (2) − = k1 [A]s dt Giải phương trình vi phân (2) ta thu biểu thức [A]s=[A]oexp(-k1t) với [A]o nồng độ dược phẩm thời điểm t = [ [ A]o − [A]s A]s b) = 0,75 ⇒ = 0,25 = Như ¼ lượng ban đầu lại sau (1/4)2 = [A]o [A]o 1/16 = 0,625 lại sau tương ứng với thời gian bán hủy Vậy 6,25% [A]s lại sau BÀI TẬP CHUẨN BỊ CHO KỲ THI OLYMPIC HÓA HỌC QUỐC TẾ LẦN THỨ 35 Phản ứng brom metan biểu thị phương trình sau: Br2 + CH4 → CH3Br + HBr Cơ chế qúa trình sau: k1 Br2 + M ⎯⎯→ Br + M (1) k2 Br + CH ⎯⎯→ CH + HBr (2) k3 Br2 + CH ⎯⎯→ CH Br + HBr (3) k4 HBr + CH ⎯⎯→ CH + Br (4) k5 Br + M ⎯⎯→ Br2 (5) M đại diện cho phân tử có hỗn hợp phản ứng (trừ CH4 Br2), k3 k4 có độ lớn 1) Ở chế có xuất số phân tử khơng bền vững gốc tự CH3 Br Các phần tử phản ứng vừa sinh nên nồng độ chúng nhỏ so với phần tử khác Do có đời sống ngắn nên nồng độ chúng xem số (tức d[CH3]/dt = d[Br]/dt = 0) Đây gọi “trạng thái dừng” gốc CH3 Br Tìm biểu thức thể tốc độ tạo thành CH3Br phụ thuộc vào chất bền vững có mặt phản ứng số bền k1, k2, k3, k4, k5 2) Biểu thức tốc độ phản ứng vừa tìm đơn giản hố xem xét tiến trình phản ứng Ba biểu thức cho biết vận tốc phản ứng lúc bắt đầu phản ứng, lúc trạng thái dừng CH3 Br điểm gần kết thúc phản ứng Hãy cho biết biểu thức (I), (II), (III) ứng với trạng thái nào? v= k11 / k v = ' v" = 3) BÀI GIẢI: 1) k 51 / k11 / k k 1/ 1/ [ Br2 ] [CH ] (I ) k [HBr ] +1 k [Br2 ] [Br2 ] k11 / k k k 51 / k 1/ [CH ]( II ) [Br2 ]3 / [CH ] ( III ) [HBr ] Hãy xác định tỉ lệ k4[HBr]/k3[Br2] giai đoạn phản ứng Biểu thức thể tốc độ hình thành CH3Br cho phương trình sau: d [CH Br ] (1) v=+ = k [CH ][Br2 ] dt Áp dụng nguyên lý định trạng thái bền cho CH3 Br ta được: d [CH ] = k [Br ][CH ] − [CH ](k [Br2 ] + k [HBr ]) = 0(2) dt Từ phương d [Br ] = 2k1 [Br2 ][M ] − k [Br ][CH ] + [CH ](k [Br2 ] + k [HBr ]) − 2k [Br ] [M ] = 0(3) dt trình (2) ta rút được: [CH ]st = k [Br ][CH ] (4) k [Br2 ] + k [HBr ] Từ phương trình (3) (4) ta rút được: [Br ]st = k1 [Br2 ]1 / (5) k5 Kết hợp phương trình (1); (4); (5) vào chất bền vững có mặt phản ứng số bền k1, k2, k3, k4, k5 ta thu phương trình (6): 1/ k / k [Br ] [CH ] (6) v = 1/ 2 k [HBr ] k5 +1 k [Br2 ] 2) Lúc bắt đầu phản ứng: (II) Lúc trạng thái bền: (I) Lúc gần kết thúc phản ứng: (III) Lúc bắt đầu phản ứng: [Br2] >> [HBr] k3 ≈ k4 k3[Br2] >> k4[HBr] 3) Chính tỉ lệ: k4[HBr]/k3[Br2] >>1 Lúc kết thúc phản ứng:[Br2]