CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ

28 6.9K 9
CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HÓA hữu cơ

CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ Phản ứng ngưng tụ Claisen Este cũng như andehit và xeton cũng đều khả năng chuyển thành dạng enol, nhưng khi nồng độ este trong dung dịch qúa cao thì sẽ dẫn đến việc enolat mới sinh ra tấn công vào nhóm C = O của este theo một chế tương tự như andol hóa để tạo thành một trạng thái chuyển tiếp tứ diện, sau đó dẫn đến sự tách loại anion etoxit để hình thành sản phẩm ngưng tụ. Phản ứng như vậy được gọi là ngưng tụ Claisen Cũng tương tự như andol hóa, việc ngưng tụ hai este khác nhau cũng cho một loạt 4 sản phẩm, để tránh tình trạng đó thì người ta sử dụng một este không hydro anpha. Xét ví dụ về sự ngưng tụ giữa etylaxetat và etyl benzoat sẽ thấy rõ vấn đề: Các beta - xetoeste sinh ra từ phản ứng Claisen thường không bền và dễ tách loại nhóm cacboxyl để thành xeton tương ứng. Phản ứng decacboxyl hóa đi theo các bước là thuỷ phân để trở về nhóm -COOH. Phản ứng decacboxyl hóa xảy ra theo chế tạo thành trạng thái chuyển tiếp vòng, trong đó beta - xetoaxit sẽ chuyển thành dạng enol. Nếu như ta bằt đầu phản ứng với cùng một este thì ta sẽ thu được một xeton đối xứng. Như vậy đây là một phương pháp hết sức hữu hiệu để tổng hợp xeton đối xứng. Nếu hai este khác nhau thì sẽ xảy ra sự ngưng tụ hỗn tạp và xeton nhận được không còn đối xứng nữa. Một ví dụ về phản ứng ngưng tụ Claisen trong tổng hợp hữu là sự tổng hợp 2,6 - dimetyl-4-heptanon như được dẫn ra dưới đây: Phản ứng ngưng tụ Dieckmann là một trường hợp riêng của phản ứng Claisen khi hai nhóm chức este đều ở trên cùng một phân tử. Phản ứng này chỉ xảy ra khi hai nhóm este ở vị trí 1, 6 và 1,7. Do sản phẩm sinh ra là vòng 5 và 6 cạnh là bền vững. Vào năm 1912, khi đun nóng allyl vinyl ether, ông Claisen thu được sản phẩm là một alpha, beta bất bão hòa ketone thông qua phản ứng chuyển vị [3,3]- sigmatropic của ether ban đầu. Cơ chế phản ứng Phản ứng chuyển vị Claisen (và những phản ứng tương tự) là loại phản ứng tỏa nhiệt (khoảng 84 kJ/mol) và vòng hóa với sự đứt và ráp nối xảy ra đồng thời tuân theo quy luật Woodward-Hoffmann theo kiểu suprafacial reaction. Dung môi ảnh hưởng quan trọng đến phản ứng Claisen. Những dung môi càng phân cực khuynh hướng xúc tiến phản ứng này. Những dung môi khả năng tạo liên kết hydrogen sẽ cho hằng số vận tốc phản ứng cao nhất. Ví dụ như hệ dung môi ethanol/nước cho hằng số vận tốc phản ứng 10 lần nhanh hơn sulfolane (tetramethylene sulfone, hay 2,3,4,5- tetrahydrothiophene-1,1-dioxide). Tác chất hữu nhôm (hóa trị III) như AlMe3 cũng xúc tiến cho phản ứng Claisen. Sau đây là những loại phản ứng Claisen và tương tự Claisen khác nhau. Chuyển vị Claisen trên hợp chất hương phương (Aromatic Claisen rearrangement) Phản ứng chuyển vị Claisen,chuyển vị [3,3]-sigmatropic, của allyl phenyl ether tạo thành chất trung gian mà nó nhanh chóng hỗ biến tạo thành phenol mang nhóm thế ở vi trí ortho. Chuyển vị Bellus-Claisen Phản ứng chuyển vị Bellus-Claisen là loại phản ứng giữa allylic ether, amine, và thioether với ketenes tạo thành sản phẩm là γ,δ-unsaturated ester, amide, và thioester tương ứng.[10][11][12] Chuyển vị Eschenmoser-Claisen Phản ứng chuyển vị Eschenmoser-Claisen (phá hiện năm 1964 bởi Albert Eschenmoser) là phản ứng điều chế alpha, gamma bất bão hòa amide từ allylic alcohol. Chuyển vị Ireland-Claisen Chuyển vị Ireland-Claisen là phản ứng giữa allylic acetate với một baz mạnh như Lithium diisopropylamide (LDA) hay BuLi tạo thành gamma, delta bất bão hòa acid carboxylic. Chuyển vị Johnson-Claisen rearrangement Chuyển vị Johnson-Claisen là phản ứng của một allylic alcohol với trimethyl orthoacetate và tạo thành sản phẩm là ester bất bão hóa ở vị trí gamma, delta. Phản ứng Claisen với dị nguyên tố (Hetero-Claisens) Phản ứng Aza-Claisen Trong chuyển vị aza-Claisen, ion iminium thể đóng vai trò như một nối pi để cho sự chuyển vị xảy ra. Oxid hóa với chromium Chromium thể oxid hóa alcohol allylic thành alpha, beta bất bão hòa ketone ở vị trí đối diện với nối đôi ban đầu. Quá trình này xảy ra thông qua phản ứng chuyển vị Claisen dị nguyên tố sự đứt và ráp nối xảy ra đồng thời. Phản ứng Chen-Mapp Phản ứng Chen-Mapp còn gọi là phản ứng chuyển vị [3,3]-Phosphorimidate hay phản ứng Staudinger-Claisen. Trong đó, nhóm phosphite được gắn vào nhóm hydroxyl và sau đó chuyển hóa thành imine theo phản ứng biến đổi Staudinger. Chuyển vị Claisen xảy ra tiếp theo sau đó là nối đôi P=O được ưu đãi về năng lượng hơn nối đôi P=N. Chuyển vị Overman Chuyển vị Overman (đặt tên theo ông Larry Overman) là một loại chuyển vị Claisen của allylic trichloroacetimidate thành allylic trichloroacetamide ở nhiệt độ cao. Chuyển vị Claisen của ion lưỡng cực Claisen Không giống như chuyển vị Claisen điển hình, Chuyển vị Claisen của ion lưỡng cực Claisen xảy ra ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn. Ion acyl ammonium ưu tiên hình thành Z-enolates ở điều kiện phản ứng nhẹ. Chuyển vị Claisen trong tự nhiên Enzyme Chorismate mutase (EC 5.4.99.5) xúc tác chuyển vị Claisen của ion chorismate thành ion prephenate, chất trung gian quan trọng trong sinh tổng hợp phenylalanine và tyrosine thông qua trung gian acid shikimic. Phản ứng cộng Michael Phản ứng xảy ra khi ion enolat phản ứng với hợp chất alpha, beta cacbonyl không no theo chế như sau. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng cộng Michael: Phản ứng cộng Michael rất nhiều ứng dụng, như trong các sơ đồ sau: Về phản ứng vòng hóa Robinson, thực chất gồm hai giai đoạn nối tiếp nhau, giai đoạn đầu là ngưng tụ loại andol, sau đó là cộng Michael để thu được sản phẩm. Ví dụ: Phản ứng Suzuki: I. Lược sử: Năm 1979, Phản ứng ghép mạch sử dụng hợp chất bo sử dụng chất xúc tác là muối paladi (II) halogenua diễn ra tốt khi mặt dung dịch nước của bazơ mạnh. Đây là một phản ứng tầm ứng dụng rộng rãi trong việc tạo thành liên kết C-C bên cạnh các phản ứng tương tự của các hợp chất nguyên tố như magie; kẽm, thiếc hay silic. Bây giờ thì hầu hết các hợp chất nguyên tố đều tham gia phản ứng tăng mạch nhưng trong những năm gần đây thì các nghiên cứu đều tập trung nghiên cứu vào các hợp chất cơ bo để thể ứng dụng được phản ứng này trong công nghiệp cũng như PTN vì nó là những tác nhân thuận tiện, bền nhiệt và trơ với nước cũng như oxy nên ta thể cầm trên tay mà không nhất thiết phải phương pháp bảo hộ đặc biệt nào. II. Phản ứng Suzuki và chế phản ứng Phản ưng Suzuki là phản ứng ghép mạch sử dụng hợp chất bo dạng: Cơ chế của phản ứng Suzuki thể diễn tả tốt nhất bằng một chu trình khép kín dạng như sau: a) Cộng oxy hóa: Phản ứng của hợp phần halogenua với phức paladi-(0) sinh ra phức paladi-(II) b) Chuyển vị nhóm thế xung quanh nguyên tử trung tâm: Chuyển nhóm R' từ bo đến trung tâm của phức là ion paladi, dẫn đến kết qủa là phức paladi-(II) chứa cả hai gốc R và R' đã được liên kết với nhau c) Tách khử: Sản phẩm ghép tách ra khỏi phức và hoàn trả lại xúc tác Axit boronic trước tiên chuyển thành hợp phần hoạt động trạng thái chuyển tiếp tứ diện với tâm là nguyên tử bo sau khi cho nó phản ứng với một bazơ mạnh. Halogenua hay triflat (OTf = triflorometansunfonat) được sử dụng để đóng vai trò là tác nhân R-X của phản ứng. Tốc độ của phản ứng tăng cùng với sự tăng tính oxy hóa của anion X Phụ thuộc vào tốc độ của nhóm đi ra X thì tốc độ phản ứng giảm theo thứ tự: I>OTf>Br>>Cl Một ý nghĩa rất quan trọng của phản ứng này là sự cho phép tổng hợp các biphenyl mà không hề bị cản trở không gian. Ví dụ: Phản ứng nhiệt và quang hóa (có tên khoa học là pericyclic reaction) I. Giới thiệu: Hầu hết các phản ứng hữu xảy ra theo chế phân cực theo kiểu một tác nhân nucleophin cho 2e với một tác nhân electrophin để hình thành liên kết mới. Phần khác lại phản ứng theo kiểu gốc tự do, mỗi chất phản ứng cho 1e để hình thành liên kết mới. Và hiện nay hầu hết các phản ứng theo hai kiểu này đã được hiểu biết một cách tường tận. Một loại thứ 3 nữa của phản ứng hữu phản ứng pericyclic (ta sẽ gọi là phản ứng peri hóa) là phản ứng không hề xảy ra theo hai hướng trên mà là một qúa trình đồng bộ xảy ra theo một trạng thái chuyển tiếp vòng (phản ứng một giai đoạn). Phản ứng này 3 loại: phản ứng vòng hóa electron (đi không sâu lắm), phản ứng cộng vòng (nghiên cứu kỹ phản ứng Diels-Alder, những ai muốn tìm hiểu kỹ hơn vui lòng làm BT6 đề thi IChO 36 nhé) và phản ứng chuyển vị Sigma (cái này ta không xét). II. Quy tắc bản của phản ứng peri hóa: Quy tắc Woodward - Hoffmann 1. Obitan phân tử trong hệ liên hợp pi Dựa vào thuyết obitan phân tử (MO) thì các obitan p trong nguyên tử cacbon lai hóa sp2 trong một polien liên hợp tạo thành một hệ thống các obitan pi năng lượng phụ thuộc vào số nút mà chúng giữa các hạt nhân. Những hệ thống obitan với số nút bé sẽ mức năng lượng bé hơn gọi là các MO liên kết. Ngược lại là MO phản liên kết. Ta dễ dàng nhận thấy điều này trong thí dụ sau: (đường chấm chấm chỉ mặt phẳng nút). Xét 1,3 - butadien. 2. Quy tắc Woodward - Hoffmann: Phản ứng peri hóa chỉ thể xảy ra khi obitan của chất các chất phản ứng cùng sự đối xứng (trong hình vẽ là cùng màu). Nói một cách khác: Các thùy (phần mở rộng của obitan) phải cùng tính chất đối xứng (cùng màu) thì mới thể xen phủ tạo liên kết để hình thành sản phẩm. Nếu hai obitan cùng tính đối xứng xen phủ với nhau thì điều đó gọi là được phép về tính đối xứng (symmetry-allowed), ngược lại thì gọi là không được phép về tính đối xứng (symmetry-disallowed). Phản ứng peri hóa sẽ không bao giờ xảy ra nếu tính đối xứng bị vi phạm. Sự nghiên cứu của Giáo sư Kenichi Fukui giúp chúng ta không cần phải xem xét toàn bộ các obitan trong hệ liên hợp (mất rất nhiều thời gian) mà chỉ cần xem xét hai obitan là: obitan bị chiếm (liên kết) mức năng lượng cao nhất (HOMO) và obitan phản liên kết mức năng lượng thấp nhất (LUMO). Dựa vào hình vẽ thì lẽ mọi người cũng đã nhận ra được obitan nào là LUMO và obitan nào là HOMO nhỉ? III. Phản ứng vòng hoá electron Cách tốt nhất để hiểu ảnh hưởng của sự đối xứng obitan quan trọng như thế nào đến phản ứng peri hóa thì ta sẽ điểm qua một vài ví dụ: Phản ứng vòng hóa electron (electrocyclic reaction) là một qúa trình peri hóa mà nó xúc tiến cho việc đóng vòng hoặc mở vòng các dien liên hợp. Xem ví dụ: Điều thú vị nhất của phản ứng chính là hóa học lập thể của nó. Với tác dụng của hai tác nhân là ánh sáng và nhiệt độ thì phản ứng vòng hóa (2E, 4Z, 6E)-octatrien dẫn đến những kết qủa rất khác nhau: Để giải thích kết qủa trên thì chúng ta sẽ xem xét 2MO sự xen phủ để hình thành liên kết mới. Ở đây xảy ra hai khả năng. Các thuỳ cùng màu thể ở cùng phía hay khác phía đối với mặt phẳng phân tử. Để tạo thành liên kết thì các obitan pi này phải quay ra sao đó để cho các phần tạo thành liên kết (cùng màu) phải xen phủ với nhau. Nếu hai thuỳ cùng màu ở cùng phía so với mặt phẳng phân tử thì chúng phải quay ngược chiều nhau (disrorator) còn nếu ở trường hợp hai obitan cùng màu ở khác phía so với mặt phẳng phân tử thì chúng phải quay cùng chiều nhau (conrotator). Để dễ hình dung ta xem hình sau: Lưu ý rằng: tuỳ thuộc vào sự đóng mở vòng do obitan quay cùng chiều và ngược chiều nhau thì ảnh hưởng đến mặt lập thể của phản ứng. Nay ta xét lại phản ứng đóng vòng (2E, 4Z, 6E)-octatrien khi xúc tác là nhiệt độ và ánh sáng, các bạn tự lý giải thử xem trường hợp nào các obitan quay ngược chiều còn obitan nào thì quay cùng chiều nhé IV. Phản ứng cộng vòng Ở đây ta chỉ xét trường hợp phản ứng đóng vòng kiểu [4+2](hợp chất 4C + hợp chất 2C): phản ứng Diels-Alder Phản ứng cộng đóng vòng Diels - Alder là một phản ứng peri hóa xảy ra giữa một dien (4 electron pi) và một dienophin (2 electron pi)để tạo ra sản phẩm là vòng xiclohexen. Hàng ngàn thí dụ về phản ứng Diels-Alder đã được biết đến và chúng xảy ra một cách dễ dàng ở nhiệt độ phòng (hoặc khi đun nóng nhẹ). Một ví dụ đơn giản là phản ứng giữa butadien và dimetyl maleat (cis) và dietyl fumarat (trans) được dẫn ra dưới đây: Để phản ứng cộng xảy ra dễ dàng hơn thì hai thuỳ đối xứng của hai chất phản ứng phải tính đối xứng và vị trí thuận lợi nhất để thể hình thành liên kết. Điều này có thể được thực hiện bởi hai cách: Tấn công supra (suprafacial) và antara (antarafacial). Sự tấn công supra xảy ra khi các thuỳ tính đối xứng như nhau nằm đối diện nhau còn tấn công antara xảy ra khi một thuỳ của chất phản ứng nằm trên cùng một mặt phẳng còn thùy của chất còn lại nằm dưới mặt phẳng. Xem hình: Đối với phản ứng cộng đóng vòng [4+2] này thì chúng ta sẽ xét LUMO của dien và [...]... trình phản ứng sự tạo thành cacbocation nên sẽ xảy ra khả năng chuyển vị thành cacbocation bền hơn Điều này chúng ta sẽ xét sau chế 3 : Phản ứng E2 E2: Phản ứng tách lưỡng phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k [B-][R-LG] (LG: leaving group: nhóm đi ra) chế của phản ứng được biểu diễn như sau: Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản ứng. .. Phản ứng E2 xảy ra khi - Nồng độ bazơ mạnh lớn - Nhóm đi ra khó - Sự cắt đứt liên kết R - LG không dẫn đến sự hình thành cacbocation bền (E1) chế 4 : Phản ứng E1 E1: Phản ứng tách đơn phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k [R-LG] (LG: leaving group: nhóm đi ra) Cơ chế của phản ứng được biểu diễn như sau: Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản. .. thì phản ứng càng dễ Vậy thứ tự tham gia phản ứng SN2 giảm theo thứ tự: RI > RBr > RCl > RF Liên kết C - F thì rất bền nên khó bị bẻ gãy, còn dẫn xuất iot thì rất hoạt động nên khó thể bảo quản nó Chính vì vậy sự lựa chọn tốt nhất là dẫn xuất brom hay clo chế 2 : Phản ứng SN1 SN1 là cơ chế phản ứng thế đơn phân tử, tốc độ phản ứng được biểu diễn bởi biểu thức v = k[R-X] Đây là một chế nhiều... của nhóm đi ra Trong phản ứng E1 thì việc tách nhóm đi ra là ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, cho nên nhóm đi ra càng tốt thì phản ứng xảy ra theo chế E1 càng dễ dàng 3) Ảnh hưởng của bazơ Bazơ không đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng E1 do nó không hề tham gia vào biểu thức tốc độ phản ứng Tuy nhiên nếu bazơ càng mạnh thì phản ứng xảy ra theo E2 càng dễ 4) Hóa lập thể Phản ứng E1 xảy ra theo... công, vì thế sản phẩm trong nhiều trường hợp là quay cấu hình Sau khi kết thúc phần phản ứng thế thì bây giờ chúng ta sẽ chuyển qua phản ứng tách ba cơ chế phản ứng tách là E1, E2 và E1cB Trong đó chỉ E2 là đáng chú ý về mặt lập thể Hóa lập thể của chế tách E2 Phản ứng tách E2 chỉ xảy ra khi các trung tâm phản ứng ở vị trí anti đối với nhau trong công thức chiếu Newman hay công thức chiếu phối... này dẫn tới một ý nghĩ là chế sẽ đi qua một ion vòng cầu hidrogenoni trung gian gây cản trở lập thể Thực tế điều này tuy được chấp nhận, nhưng số bằng chứng thực nghiệm hiện vẫn chưa nhiều: Ngoài ra người ta cũng quan sát được phản ứng cộng cis vào anken, thuộc loại này là chế oxy hóa anken bởi OsO4, bởi KMnO4 và phản ứng cộng B2H6 vào anken Đặc biệt là cơ chế phản ứng cộng hydro vào anken là... các trung tâm phản ứng ở vị trí anti: Ngoài ra người ta cũng đã tìm đựơc một số phản ứng tách syn E2, nhưng ít được nghiên cứu do tính ít phổ biến của nó: Đối với phản ứng tách E1 thì đi qua trung gian là cacbocation, và hầu hết các phản ứng tách theo E1 đều cho trans-anken bền hơn Phản ứng E1cB thường xảy ra với các nhóm đi ra khó, và đi qua trung gian cacbanion ví dụ: Lập thể của phản ứng này cũng... phản ứng này cũng tương tự E1 3) Phản ứng SNi Trong phản ứng thế nucleophin loại này thì thường sản phẩm thu được là giữ nguyên cấu hình do sự tấn công cùng một phía với nhóm đi ra Hiện chế chuyển vòng đã bị bác bỏ bởi nhiều lý do khác nhau, chế được chấp nhận rộng rãi hiện nay là chế đi theo sự tạo thành cacbocation như hình dưới Tuy nhiên nếu trong hệ phản ứng một tác nhân bazơ như pyridin... nguyên tử hydro gần nhất và trung tâm phản ứng thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu trung tâm Sau đó sản phẩm trung gian này sẽ bị phân hủy theo hai con đường chế 1 : Phản ứng SN2 Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét những gì xảy ra một cách chi tiết Phản ứng này chỉ xảy ra trong một bước Để cho phản ứng xảy ra thì tác nhân nucleophin phải tiến đến đủ gần chất phản ứng để sự hình thành liên kết,... hai con đường làm giảm năng lượng của hệ là trở lại chất phản ứng hoặc hình thành sản phẩm Bức tranh về trạng thái chuyển tiếp chính là chìa khóa để hiểu rõ tính chất của phản ứng này Mức năng lượng cần thiết để đưa chất phản ứng và tác nhân nucleophin đến trạng thái chuyển tiếp (transition state) được gọi là năng lượng hoạt hóa của phản ứng Phản ứng xảy ra càng nhanh khi năng lượng hoạt hóa càng nhỏ . kết C-C bên cạnh các phản ứng tương tự của các hợp chất cơ nguyên tố như cơ magie; kẽm, thiếc hay silic. Bây giờ thì hầu hết các hợp chất cơ nguyên tố đều tham gia phản ứng tăng mạch nhưng trong. phương pháp bảo hộ đặc biệt nào. II. Phản ứng Suzuki và cơ chế phản ứng Phản ưng Suzuki là phản ứng ghép mạch sử dụng hợp chất cơ bo có dạng: Cơ chế của phản ứng Suzuki có thể diễn tả tốt nhất bằng. là dẫn xuất brom hay clo. Cơ chế 2 : Phản ứng SN1. SN1 là cơ chế phản ứng thế đơn phân tử, có tốc độ phản ứng được biểu diễn bởi biểu thức v = k[R-X] Đây là một cơ chế nhiều giai đoạn với những

Ngày đăng: 28/03/2014, 17:23

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan