HIỆN TƯỢNG CHUYỂN vị TRONG PHẢN ỨNG hữu cơ
Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 1 CHUYÊN ĐỀ: HIỆN TƯỢNG CHUYỂN VỊ TRONG PHẢN ỨNG HỮU CƠ Trong hầu hết các phản ứng hóa học hữu cơ, trung tâm phản ứng là các nhóm chức và chỉ có sự biến đổi về cấu tạo (cấu trúc) ở đó. Tuy nhiên, nhiều phản ứng có sự biến đổi không chỉ vị trí nhóm chức mà có sự tham gia của cả gốc hidrocacbon tạo ra những sản phẩm khác dự kiến, đó là hiện tượng chuyển vị trong phản ứng hữu cơ. Chuyển vị gồm 3 loại chủ yếu: + Chuyển vị 1,2 (Thuộc dãy no). + Chuyển vị 1,3 (Thuộc dãy không no no). + Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm (Thuộc dãy thơm). I. CHUYỂN VỊ 1,2 I.1. Chuyển vị 1,2 Nucleofin Là sự chuyển vị mà nhóm nguyên tử hoặc nguyên tử chuyển đi mang theo cả cặp electron. I.1.1. Chuyển vị đến nguyên tử Cacbon a. Chuyển vị Vannhe-Mecvai: Chuyển vị nguyên tử Hidro, gốc Ankyl, Aryl đến vị trí C + (Tạo cacbocation bền hơn). Loại chuyển vị này thường gặp ở: Ancol/H + (Pư thế, phản ứng tách nước), dẫn xuất/Ag + , amin/HNO 2 , hidrocacbon (Anken/H + ) VD: CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 3 C CH 3 CH 2 Cl CH 3 CH 3 C + HCl - H 2 O CH 3 CH 2 OH CH 3 CH 3 C - H 2 O (CH 3 ) 2 C=CH-CH 3 CH 2 =C-CH 2 CH 3 CH 3 b. Chuyển vị pinacol-pinacolon: Chuyển vị tạo cacboncaction bền hơn (Do có sự tương tác của cặp e của nguyên tử O với C + ). VD: CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C OH OH - H 2 O + H + CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C OH + ChuyÓn vÞ CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C OH + CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C O Pinacol Pinacolon Hay tương tự trên (Tạo cacbocation trung gian giống nhau) Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C OH Br - AgBr + Ag + -H + CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C O CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C OH NH 2 -NaCl, -N 2 + NaNO 2 ,HCl -H + CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C C O Đặc thù lập thể: Do tạo ra cacbocaction trung gian dạng cầu nối nên chuyển vị Vanhe-Mecvai và chuyển vị Pinacol-Pinacolon đều làm quay cấu hình sản phẩm (C ). Hướng chuyển vị: + Nhóm dịch chuyển mang theo cả cặp electron (Như một tác nhân Nu) nên nhóm nào có tính đẩy electron mạnh hơn sẽ bị chuyển dịch. VD: C 6 H 5 CH 3 C C OH OH - H 2 O + H + C 6 H 5 C 6 H 4 CH 3 C 6 H 4 C 6 H 5 C C OH C 6 H 5 CH 3 C 6 H 4 CH 3 C 6 H 4 + SPC + Với Pinacol không đối xứng, Cacbocation nào càng bền sẽ ưu tiên được tạo ra. VD: C 6 H 5 C C OH OH - H 2 O + H + C 6 H 4 C 6 H 5 OCH 3 C 6 H 4 C 6 H 5 C C OH C 6 H 4 C 6 H 4 + SPC OCH 3 OCH 3 OCH 3 C 6 H 5 ChuyÓn vÞ -H + SPP ChuyÓn vÞ -H + C 6 H 5 C C OH C 6 H 4 C 6 H 4 + OCH 3 OCH 3 C 6 H 5 + Ảnh hưởng không gian: o-Anizyl khả năng dịch chuyển kém p-Anizyl 1500 lần. c. Chuyển vị Vonfer Chuyển hóa -diazoxeton thành xeten, tác dụng với H 2 O (Ancol) tạo ra axit (este). VD: ChuyÓn vÞ RCOCHN 2 +Ag 2 O -N 2 RCOCH Cacben RCH=C=O +H 2 O R-CH 2 COOH +R'OH R-CH 2 COOR' Chuyển vị Vonfer dùng trong tổng hợp axit , xeton. VD: R-COOH R-COCl RCOCHN 2 RCH 2 COOH +SOCl 2 +CH 2 N 2 +Ag 2 O + H 2 O, Vonfer O +CH 2 N 2 CV O Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 3 d. Chuyển vị benzylic (Chuyển vị Benzyl-axit benzilic) Là sự chuyển hóa -dixeton/HO - thành -Hidroxi axit. ArCOCOAr HO - Ar Ar - C - C - OH O - O CV Ar Ar - C - C - OH O - O H 3 O + Ar Ar - C - C - OH OH O I.1.2. Chuyển vị đến nguyên tử Nitơ a. Chuyển vị Hopman: Amit chuyển hóa thành amin dưới tác dụng của BrO - /HO - . R-CO-NH 2 BrO - R-CO-N - BrR-CO-NHBr HO - -Br - R-CO-N : CV R-N=C=O + H 2 O -CO 2 R-NH 2 b. Chuyển vị Curtius R-CO-N 3 -N 2 , t o R-N=C=O R-CO-N : CV + H 2 O -CO 2 R-NH 2 (Azit) Nếu phản ứng trong dung môi không có hidro linh động, phản ứng dừng lại ở giai đoạn tạo isoxianat. c. Chuyển vị Lotxen R-N=C=O R-CO-N : CV + H 2 O -CO 2 R-NH 2 R-CO-NH-OH + HO - -H 2 O R-CO-N - OH -HO - (Axit Hidroxamic) d. Chuyển vị Schmidt Như vậy, các chuyển vị Hopman, Curtius, Lotxen và Schmitdt đều qua h/c isoxianat, chỉ khác ở điều kiện và chất ban đầu. e. Chuyển vị Backman Chuyển hóa xetoxim (Và các dẫn xuất O-Axyl của chúng) thành các amit thế. Xúc tác thường axit như: H 2 SO 4 ; PCl 5 ; RSO 2 Cl; BF 3 ; P 2 O 5 Cơ chế: R R' C N OH +H + R' C N -H 2 O, CV R + H 2 O + -H + R' C N R HO R' C NH R O Về mặt lập thể: Trong chuyển vị Backman, với các xetoxim không đối xứng (có đphh), nhóm bị chuyển vị ở vị trí anti (đối) với nhóm -OH. VD: Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 4 C 6 H 5 p-CH 3 OC 6 H 4 C = N OH PCl 5 ete p-CH 3 OC 6 H 4 C - NH C 6 H 5 O C 6 H 5 p-CH 3 OC 6 H 4 C = N OH PCl 5 ete C 6 H 4 OCH 3 - p C - NH C 6 H 5 O I.1.3. Chuyển vị đến nguyên tử Oxi a. Chuyển vị Bayer-Viliger Năm 1899, nhà hóa học Đức Baeyer và nhà hóa học Thụy Sĩ Villiger trong lúc nghiên cứu về phản ứng mở vòng hợp chất Xeton vòng bằng peroxi axit hoặc hydro peroxit, họ phát hiện ra Xeton sẽ được chuyển hóa thành este và Xeton vòng chuyển hóa thành lacton hoặc hydroxi axit tương ứng. Vì vậy loại phản ứng này được dặt tên là Phản ứng oxi hóa chuyển vị Baeyer-Villiger Cơ chế phản ứng Phản ứng Baeyer-Villiger có những đặc điểm sau: + Sự chuyển vị ưu tiên xảy ra so với những phản ứng khác. VD: Hợp chất , β bất bão hòa xeton cho phản ứng oxi hóa chuyển vị với nhóm carbonyl thay vì oxi hóa nối đôi. + Nhóm tham gia chuyển vị thường theo thứ tự: alkyl bậc 3> xyclohexyl> alkyl bậc 2 > aryl > alkyl bậc 1 > metyl. + Sự chuyển vị xảy ra có lưu giữ cấu hình lập thể của nhóm chuyển vị. + Nhiều loại tác nhân oxi hóa có thể sử dụng cho phản ứng này với hoạt tính giảm dần tương đối như sau: axit CF3COOH >axit monopermaleic > axit monoperphtalic > axit 3,5-dinitroperbenzoic > axit p-nitroperbenzoic > axit m- clo peroxi benzoic ~ axit performic > axit perbenzoic >axit peracetic >> H 2 O 2 . + Với -dixeton có thể bị oxh B-V thành anhidrit axit, còn β-dixeton thì không. a. Chuyển vị Hidropeoxit: Chuyển vị này xảy ra khi phân hủy hợp chất peoxit, bản chất tương tự chuyển vị Bayer-Viliger. VD: Xeton Xeton Este Lacton Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 5 C 6 H 5 CH 3 CH 3 C O-O-H H + -H 2 O C 6 H 5 CH 3 CH 3 C O + CV (CH 3 ) 2 C + -O-C 6 H 5 + H 2 O (CH 3 ) 2 C=O + C 6 H 5 OH Andehit salixilic + H 2 O 2 /NaOH o-Hidroxi phenol (pyrocatechol) I.1. Chuyển vị 1,2 electronfin, đồng li Nhóm chuyển vị không mang theo cặp electron liên kết (đóng vai trò như tác nhân electronfin), tạo liên kết mới với cặp eletron của nguyên tử chuyển đến. a. Chuyển vị Steven: Z-CH 2 -N(CH 2 ) 2 R + HO - Z-CH-N(CH 2 ) 2 R -H 2 O (Z hút e: RCO; ROOC R: Anlyl; Benzyl ) b. Chuyển vị Wittig: Chuyển hóa ete dưới tác nhân bazơ mạnh: C 6 H 5 Li; NaNH 2 VD: CH 3 - O - CH 2 C 6 H 5 + C 6 H 5 Li -C 6 H 6 CH 3 - O - CH C 6 H 5 - CV - O - CH C 6 H 5 CH 3 + H 2 O -HO - HO - CH C 6 H 5 CH 3 Khả năng chuyển dịch của các gốc: Anlyl, benzyl > metyl; etyl > phenyl. c. Chuyển vị 1,2 Halogen ( Chuyển vị 1,2 đồng li ) t-C 4 H 9 OCl VD: (CH 3 ) 2 CHBr CH 3 CHClCH 2 Br (SPP) + CH 3 -CBr(Cl)CH 3 (SPC) (Sản phẩm chính ưu tiên hướng tạo ra gốc tự do bền hơn) II. CHUYỂN VỊ 1,3 a. Chuyển vị Anlylic Trong phản ứng thế của dẫn xuất Anlyl: RCH=CH-CH 2 X /NaOH VD: CH 3 CH=CH-CH 2 Cl + NaOH CH 3 CH=CHCH 2 OH (40%) CH 3 CH(OH)CH=CH 2 (60%) (CH 3 ) 2 C=CH-CH 2 Cl + Na 2 CO 3 CH 3 CH=CHCH 2 OH (15%) CH 3 CH(OH)CH=CH 2 (85%) H 2 O b. Chuyển vị Xeton-Enol (Hiện tượng Tautome) Xuất hiện ở hợp chất có H linh động: Hợp chất Cabonyl; hợp chất chứa nhóm: -NH-CO- ; > CH-NO 2 ; > CH-NO Nhưng sự chuyển hóa Xeto-Enol có nhiều ý nghĩa hơn cả. Dưới xúc tác H + hoặc HO - , hợp chất Cacbonyl bị Enol hóa nhanh tạo ra một cân bằng. Tỉ lệ Xeto/Enol ở trạng thái cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ, dung môi và đặc biệt là cấu trúc. Nếu trong phân tử có nhóm gây -C mạnh để liên hợp với hệ Enol thì dạng Enol chiếm tỉ lệ lớn. VD: Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 6 CH 3 COCH 3 CH 3 C(OH)-CH 2 0,00025% CH 3 COCH 2 COCH 3 CH 3 COCH 2 COH=CH 2 80% III. CHUYỂN VỊ VÀO VÒNG THƠM Chuyển vị vào vòng thơm chủ yếu là các phản ứng mang đặc thù thế Electronfin vào vòng benzen (Nhóm chuyển vị đóng vai trò như một tác nhân elctronfin). Các chuyển vị vào vòng thơm thường từ các nguyên tử dị tố như Oxi, Nitơ. III.1. Chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm a. Chuyển vị Frai (Fries) Chuyển vị nhóm axyl trong este của phenol vào vòng thơm dưới xt axit Lewis (AlCl 3 , ZnCl 2 , FeCl 3 ) Ở nhiệt độ thấp, ưu tiên chuyển vị vào vị trí Para. Khi vòng hơm có sẵn nhóm đẩy e (Hoạt hóa vòng) thì chuyển vị Frai càng dễ thực hiện. Cân bằng Xeto-Enol Enol hóa xt axit Enol hóa xt bazo Xeto hóa xt axit Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 7 VD: OCOCH 3 CH 3 AlCl 3 , 25 o C OH CH 3 CH 3 CO AlCl 3 , 165 o C 80% 95% OH CH 3 CH 3 CO b. Chuyển vị Claizen Khi đun nóng ete Anlyl chuyển hóa thành o-Anlyl phenol. OCH 2 CH=CH 2 200 o C OH CH 2 CH=CH 2 90% III.2. Chuyển vị từ nguyên tử Nitơ vào vòng thơm a. Chuyển vị nhóm Ankyl Đun nóng muối Halogen của Aryl ankyl amin, nhóm ankyl sẽ chuyển dịch đến vị trí o- hoặc p- của nhân thơm. VD: NR 2 HHal, t o NHR R NHR R NHR HHal, t o NH 2 R NH 2 R b. Chuyển vị Octon (Chuyển vị nguyên tử Halogen) Đun N-Clo axetanilit với HCl (HBr), thu được o- hoặc p- Clo (Brom) axetanilit. N(Cl)COCH 3 HHal, t o Hal Hal NHCOCH 3 NHCOCH 3 c. Chuyển vị nhóm Aryl azo Chuyển vị nhóm Aryl azo của diazo aminobenzen thành p-aminoazobenzen Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 8 N=N-NH-Ar HHal, t o NH 2 N=N-Ar Nếu vị trí p- đã có nhóm thế, sự chuyển vị vào vị trí o- d. Chuyển vị Fisơ - Hep(Chuyển vị nhóm Nitrozo ) Cho hợp chất có nhóm Nitrozo của amin thơm tác dụng với HCl, t o . N(NO)CH 3 HHal, t o NO NHCH 3 NO NHCH 3 e. Chuyển vị benzydin Cho Hidrazobenzen/H + tạo ra Benzidin -NH-NH- H + NH 2 H 2 N (70%) Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 9 IV. BÀI TẬP VẬN DỤNG Bài 1: Hãy dự đoán sản phẩm tạo thành trong các quá trình chuyển vị sau: a. Xiclo hexanon + CH 2 N 2 Xiclo heptanon. b. Xyclohexanon + 1. H 2 N-OH; 2. H + Caprolactam c. (CH 3 ) 3 CCH 2 CONH 2 + NaOBr (CH 3 ) 3 CCH 2 NH 2 d. -NH-NH- H + NH 2 H 2 N CH 3 H 3 C CH 3 H 3 C e. (C 6 H 5 ) 2 C-C(CH 3 ) 2 O H OH H + f. (C 6 H 5 ) 2 C-C(CH 3 )C 6 H 5 O H OH H + g. O H OH h. p-CH 3 OC 6 H 4 -COCOC 6 H 5 HO - i. 2,2-dimetyl propan-1-ol + H + k. Xiclopentyl metanol + H + Bài 2: Hãy giải thích 1. 3-metylbuten-1 tác dụng với axit clohidric tạo ra các sản phẩm, trong đó có A là 2-clo-3-metylbutan và B là 2-clo-2-metylbutan. Bằng cơ chế phản ứng, hãy giải thích sự tạo thành hai sản phẩm A và B. 2. 2-metylbuten-2 phản ứng với axit clohidric. Trình bày cơ chế của phản ứng, cho biết sản phẩm chính và giải thích? 3. But-3-en-2-ol tác dụng với dd HBr tạo thành 3-brombut-1-en và 1-brombut-2- en. Hãy giải thích? 4. Hoà tan hexa-1,4-dien-3-ol (A) trong H 2 SO 4đ rồi sau một thời gian pha loãng dd thì thu được A và 2 ancol đồng phân cấu tạo của nó. (BT1,2 HS tự giải) Bài 3. Cho ancol A có CTCT: C CH 3 OH CH 3 H 3 C Khi đehiđat hóa ancol A thu được 3 ankađien liên hợp. Viết CTCT, gọi tên 3 ankađien liên hợp? Trình bày cơ chế phản ứng? HD: Trường THPT Chuyên Lào Cai Tổ Hóa học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 10 H + -H 2 O -H + -H + -H + OH Bài 4. Tiến hành phản ứng giữa 3,5,5-trimetyl xiclohex-2-enon và n-butyl magiê iođua. Sau đó, thuỷ phân hỗn hợp bằng dung dịch HCl 4M thu được hợp chất B. B bị chuyển thành năm đồng phân, kí hiệu từ D1 đến D5 có công thức phân tử C 13 H 22 . Viết công thức cấu tạo của các đồng phân D1, D2, D3, D4, D5 và giải thích sự hình thành chúng? HD: Bài 5. Xử lí - halogen xeton Với bazơ mạnh tạo thành các sản phẩm chuyển vị. Sự chuyển vị này gọi là phản ứng Favorski. - cloxiclohexanon sẽ chuyển vị thành metylxiclopentancacboxilat khi có mặt CH 3 ONa trong ete. Hãy xác định cơ chế của phản ứng này. HD: O Cl COOCH 3 NaCl CH 3 ONa ete O 1 .BuMgBr 2 . H 2 O HO H + H 2 O - Hb Ha + - Hb - Ha D 1 D 2 D 3 + H + - H 2 O D 4 D 5 B CV [...]... Chuyờn Lo Cai O T Húa hc O O Cl CH3O O Cl OCH3 CH3O CH3OH OCH3 O OCH3 O H2O OH Bi 6 Hóy vit cu to cỏc cht t A n E: O COOH OH C (CH3CO)2O CH3COOH A COOH C thay đổi vị trí Br 2 H3C H+ chuyển vị Fries (B: sản phẩm chính) (CH3)3CNH2 HBr D LiAlH4 E C OH (Trong phổ hồng ngoại không còn các đám C= O nữa) HD: OH OH OOCCH3 A: COOH COOH COOH ; B CH3CO ;C BrCH2CO CH2OH COOH OH OH D: (CH3)3CNHCH2CO ; E: (CH3)3CNHCH2CH(OH)... tờn trong s , tr giai on to thnh F HD: Phm Duy ụng - Chuyờn hu c 11 Trng THPT Chuyờn Lo Cai T Húa hc + CH2=CH-CH2-MgBr AN cộng 1, 4 + CH2 = CH-CH = O thuỷ phân H3O+ CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH2-OMgBr B CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH-OH tautome hoá C CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH=O D Hoc: CH2=CH-CH2-MgBr AN H2O + CH2=CH-CH2-CH-CH=CH2 CH2=CH-CH2-CH-CH=CH2 cộng 1, 2 -MgBr(OH) CH2=CH-CH=O B OMgBr C OH o C OH Hỗ biến t Chuyển vị . học Phạm Duy Đông - Chuyên đề hữu cơ 1 CHUYÊN ĐỀ: HIỆN TƯỢNG CHUYỂN VỊ TRONG PHẢN ỨNG HỮU CƠ Trong hầu hết các phản ứng hóa học hữu cơ, trung tâm phản ứng là các nhóm chức và chỉ có. phản ứng có sự biến đổi không chỉ vị trí nhóm chức mà có sự tham gia của cả gốc hidrocacbon tạo ra những sản phẩm khác dự kiến, đó là hiện tượng chuyển vị trong phản ứng hữu cơ. Chuyển vị. Cơ chế phản ứng Phản ứng Baeyer-Villiger có những đặc điểm sau: + Sự chuyển vị ưu tiên xảy ra so với những phản ứng khác. VD: Hợp chất , β bất bão hòa xeton cho phản ứng oxi hóa chuyển