Chương 6 - Organic Chemistry by Jonathan Clayden bản Tiếng Việt

Phản ứng cộng Nucleophile vào nhóm Carbonyl 1 Hóa học hữu cơ là gì? 2 Cấu trúc hữu cơ 3 Xác định cấu trúc hữu cơ 4 Cấu trúc của các phân tử 5 Phản ứng hữu cơ 6 Phản ứng cộng nucleophilic vào nhóm carbonyl 7 Giải tỏa và liên hợp 25 Alkyl hóa enolate 26 Phản ứng của enolate với hợp chất carbonyl: phản ứng aldol và Claisen 614 27 Lưu huỳnh, silic và phốt pho trong hóa học hữu cơ 656 Trang 7 33 Chọn lọc lập thể dia 852 34 Phản ứng pericyclic 1: cộng đóng vòng 877 35 Phản ứng pericyclic 2: phản ứng sigmatropic và electrocyclic 909 36 Phản ứng nhóm kề tham gia, chuyển vị và phân mảnh 931 42 Hóa học hữu cơ của sự sống 1134 43 Hóa học hữu cơ ngày nay 1169

Hỗ trợ online.Biểu tượng trong lề cho biết rằng các tài nguyên tương tác đi kèm được cung cấp trực tuyến để giúp

sự hiểu biết của bạn: chỉ cần nhập www.chemtube3d.com/clayden/123 vào trình duyệt của bạn, thay thế 123 bằng số trang

Kết nối

Xây dựng trên

•Các nhóm chức hữu cơ, đặc biệt là

nhóm C = O ch2

•Xác định các nhóm chức trong quang

phổ phân tử ch3

•Cách các obitan phân tử giải thích

hình dạng phân tử và nhóm chức ch4

•Làm thế nào và tại sao, các phân tử

phản ứng với nhau và sử dụng các mũi

tên cong để mô tả các phản ứng ch5

Đi đến

•Làm thế nào và tại sao nhóm C = O phản ứng với nucleophile

•Giải thích khả năng phản ứng của nhóm C = O bằng cách sử dụng obitan phân tử và mũi tên cong

•Loại phân tử nào có thể được tạo ra bằng phản ứng của các nhóm C = O

•Cách xúc tác axit hoặc bazơ cải thiện khả năng phản ứng của nhóm C = O

Mong đợi

•Phản ứng cộng của các hợp chất cơ kim ch9

•Phản ứng thế nguyên tử oxy của nhóm C = O ch11

•Nhóm C = O trong dẫn xuất của axit cacboxylic thúc đẩy phản ứng thế như thế nào ch10

•nhóm C = O với một liên kết đôi liền kề ch22

6

Phản ứng cộng nucleophile

vào nhóm carbonyl

Các obitan phân tử giải thích khả năng phản ứng của nhóm

cacbonyl

Bây giờ chúng ta sẽ chuyển sang một phía hầu hết các phản ứng mà bạn đã gặp trong chương trước —

chúng ta sẽ quay lại tất cả chúng một lần nữa ở phần sau của cuốn sách Trong chương này, chúng ta sẽ chỉ

tập trung vào một trong số chúng — có lẽ là phản ứng đơn giản nhất trong tất cả các phản ứng hữu cơ —

phản ứng cộng nucleophile vào một nhóm cacbonyl Nhóm cacbonyl, như được tìm thấy trong aldehyde,

xeton và nhiều hợp chất khác, chắc chắn là nhóm chức quan trọng nhất trong hóa hữu cơ, và đó là một lý

do khác khiến chúng tôi chọn nó làm chủ đề đầu tiên để nghiên cứu chi tiết hơn

Bạn đã gặp phản ứng cộng nucleophilic vào nhóm cacbonyl trên trang 115 và 121, tại đây chúng tôi

đã chỉ cho bạn cách xyanua phản ứng với andehit để tạo ra alcohol Xin nhắc lại, đây là phản ứng một

lần nữa, lần này với một xeton, với cơ chế của nó

OH NC

O

phản ứng cộng

nucleophilic của CN– vào

alcohol hiệu suất 78%

NaCN, H 2 SO 4

H 2 O

Phản ứng có hai bước: cộng nucleophin của xyanua, tiếp theo là proton hóa anion Trên thực tế, đây là

đặc điểm chung của tất cả các phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl

■ Chúng tôi sẽ thường xuyên

sử dụng một hình vẽ như thế này, hiển thị một sơ đồ phản ứng với cơ chế cho cùng một vòng lặp phản ứng bên dưới

Thuốc thử và điều kiện bên trên và bên dưới mũi tên ở trên cùng cho bạn biết cách bạn có thể thực hiện phản ứng và con đường hiển thị bên dưới cho bạn biết nó thực

sự hoạt động như thế nào

● Phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl thường bao gồm hai bước cơ học:

• tấn công nucleophilic vào nhóm cacbonyl

• proton hóa của anion mà kết quả.

Bước cộng quan trọng hơn, và nó hình thành một liên kết C – C σ mới với việc phá vỡ liên kết C = O

π Bước proton hóa tạo nên phản ứng cộng tổng thể của HCN qua liên kết C = O π

Tại sao xyanua, chung với nhiều nucleophile khác, lại tấn công nhóm cacbonyl? Và tại sao nó lại tấn công nguyên tử cacbon của nhóm cacbonyl? Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta cần xem xét chi tiết cấu trúc của các hợp chất cacbonyl nói chung và các obitan của nhóm C = O nói riêng

Liên kết đôi cacbonyl, giống như được tìm thấy trong các anken (liên kết mà chúng ta đã thảo luận trong Chương 4), bao gồm hai phần: một liên kết σ và một liên kết π Liên kết σ giữa hai nguyên tử lai hóa sp2 - cacbon và oxy - được hình thành từ hai obitan lai hóa sp2. Các obitan sp2 khác trên cacbon tạo thành hai liên kết σ với các nhóm thế trong khi các liên kết trên oxi được liên kết bởi hai cặp đơn lẻ Sự lai hóa sp2 có nghĩa

là nhóm cacbonyl phải phẳng và góc giữa các nhóm thế gần bằng 120 ° Sơ đồ minh họa tất cả điều này cho hợp chất cacbonyl đơn giản nhất, fomanđehit (hoặc metan, CH2O) Sau đó, liên kết π là kết quả của sự xen phur của các obitan p còn lại — một lần nữa, bạn có thể thấy điều này đối với fomanđehit trong sơ đồ

O C

H

H

Liên kết C – O σ được thực hiện từ sự xen phủ của orbital sp2 trên mỗi C và O

Liên kết C – O π tạo ra từ sự xen phủ của obitan p trên C và

trên O

O H H

orbital sp2 còn lại

trên nguyên tửC tạo liên kết với H

hai cặp đơn độc chiếm hai trong số các obitan sp2 của O

formaldehyde (methanal, CH2O) nhìn từ một góc nhỏ

góc 120˚

Khi chúng tôi giới thiệu liên kết trong nhóm cacbonyl trong Chương 4, chúng tôi đã giải thích cách phân cực trong liên kết π có nghĩa là nó bị lệch về phía ôxy, bởi vì ôxy có độ âm cao hơn cacbon Ngược lại,orbital phản liên kết π * bị lệch theo hướng ngược lại, với hệ số lớn hơn ở nguyên tử cacbon Điều này khá khó để biểu diễn với liên kết π được biểu diễn dưới dạng một hình ảnh, như được hiển thị ở trên, nhưng sẽ dễ hình dung hơn nếu thay vào đó chúng ta biểu diễn các obitan π và π * bằng cách sử dụng các obitan p riêng lẻ trên C và O Các sơ đồ bên lề cho thấy các obitan π và π * được biểu diễn theo cách này

Độ âm điện, độ dài liên kết và độ bền của liên kết Năng lượng liên kết biểu trưng, kJ mol − 1 Độ dài liên kết biểu trưng, Å Độ âm điện

Bởi vì có hai loại liên kết giữa C và O, liên kết đôi C = O ngắn hơn liên kết đơn C-O điển hình, và cũng mạnh hơn hai lần - vậy tại sao nó lại có tính phản ứng mạnh như vậy? Sự phân cực là chìa khóa Liên kết C

= O phân cực mang lại cho nguyên tử cacbon một mức độ nào đó mang điện tích dương, và điện tích này thu hút các nucleophile mang điện tích âm (như xyanua) và khuyến khích phản ứng Sự phân cực của obitan π * phản liên kết đối với cacbon cũng là

Bạn đã được giới thiệu về sự

phân cực của các obitan trong

Chương 4 và chúng ta đã thảo

luận về trường hợp của nhóm

cacbonyl trên tr 104

Các obitan liên kết tương tác

trong formaldehyde

R

R

orbital trống, phản liên kết

π *

σ orbital lấp đầy

O C

R

R

O C

CHƯƠNG 6    CỘNG NUCLEOPHILIC VÀO NHÓM CARBONYL 126

quan trọng bởi vì, khi nhóm cacbonyl phản ứng với một nucleophile, các điện tử di chuyển từ HOMO của

nucleophile (một orbital sp trong trường hợp cyanua) vào LUMO của electrophin — nói cách khác là quỹ

đạo π * của liên kết C = O Hệ số của orbital π * tại carbon càng lớn có nghĩa là tương tác HOMO-LUMO

tốt hơn, vì vậy đây là nơi nucleophile tấn công

Khi nucleophile của chúng ta — mà chúng ta đại diện ở đây là ‘Nu -’— tiếp cận nguyên tử carbon, cặp

electron trong HOMO của nó bắt đầu tương tác với LUMO (phản liên kết π *) để tạo thành liên kết σ mới

Việc lấp đầy các obitan phản liên kết sẽ phá vỡ liên kết và khi các điện tử đi vào phản liên kết π * của nhóm

cacbonyl, liên kết π bị phá vỡ, chỉ còn lại liên kết C – O σ nguyên vẹn Nhưng các điện tử không thể chỉ biến

mất, và những điện tử trong liên kết π chuyển sang ôxy âm điện, kết thúc bằng điện tích âm bắt đầu trên

nucleophile Bạn có thể thấy tất cả điều này xảy ra trong sơ đồ bên dưới

O O

Nu O

O

Nu

Nu

Nu

Nu

electrons trong HOMO bắt đầu tương tác với LUMO

liên kết σ mới

carbon lai hóa sp3

mũi tên cong

diễn tả

orbitals

liên quan:

HOMO

carbon lai hóa sp2

LUMO = π*

các electron từ liên kết π kết thúc là điện tích âm trên oxy

đồng thời

lấp đầy π * là nguyên nhân liên kết π bị phá vỡ

C

Chú ý cách nguyên tử cacbon lai hóa sp2 tam giác, phẳng của nhóm cacbonyl chuyển sang trạng

thái lai hóa sp3 tứ diện trong sản phẩm Đối với mỗi loại nucleophile bạn gặp trong chương này,

chúng tôi sẽ cho bạn thấy tương tác HOMO-LUMO liên quan đến phản ứng cộng Những tương

tác này cũng cho bạn thấy cách các obitan của nguyên liệu ban đầu thay đổi thành obitan của sản

phẩm khi chúng kết hợp với nhau Quan trọng nhất ở đây, cặp nucleophile đơn lẻ kết hợp với π *

của nhóm cacbonyl để tạo thành liên kết σ mới trong sản phẩm

Sự tấn công của xyanua vào aldehyde và xeton

Bây giờ chúng ta đã xem xét lý thuyết về cách một nucleophile tấn công một nhóm cacbonyl, hãy

quay trở lại phản ứng thực mà chúng ta bắt đầu chương này: sự hình thành cyanohydrin từ hợp chất

cacbonyl và natri xyanua Xyanua chứa các nguyên tử C và N lai hóa sp, và HOMO của nó là một

obitan sp trên cacbon Phản ứng này là một phản ứng cộng nucleophin điển hình vào nhóm

cacbonyl: cặp electron từ HOMO của CN− (một obitan sp trên cacbon) di chuyển vào obitan C = O

π *; các êlectron từ obitan C = O π chuyển động về nguyên tử ôxi Phản ứng thường được thực hiện

khi có mặt axit, proton hóa alkoxit tạo thành để tạo ra nhóm hydroxyl của nhóm chức tổng hợp

được gọi là xyanohydrin Phản ứng tác dụng với cả xeton và anđehit, và cơ chế dưới đây cho thấy

phản ứng của một anđehit tổng quát Phản ứng này xuất hiện đầu tiên trong Chương 5

■ HOMO của nucleophile sẽ phụ thuộc vào nucleophile là

gì, và chúng ta sẽ gặp các ví dụ trong đó nó là một orbital sp hoặc sp3 chứa một cặp đơn lẻ, hoặc một orbital B – H σ hoặc kim loại – cacbon σ Chúng ta

sẽ thảo luận ngắn gọn về xyanua là nucleophile;

cyanide’s HOMO là một orbital sp trên carbon

orbitals của cyanide ion

hai cặp obitan p tạo thành hai liên kết π trực giao

HOMO = orbital sp trên C

có chứa cặp e đơn độc

C–N σ orbital (không được chỉ ra) orbital sp trên

N có chứa cặp e đơn độc

C N

SỰ TẤN CÔNG CỦA CYANIDE TRÊN ALDEHYDES VÀ KETONES 127

H R O

H R

O

H R

O NC

H R

OH NC

H 2 O, HCl NaCN

N

= sp orbital

LUMO = π*

các obitan liên quan đến việc cộng xyanua

Cyanohydrins trong tổng hợp

Cyanohydrin là chất trung gian tổng hợp quan trọng, ví dụ cyanohydrin được hình thành từ xeton amin vòng này là chất trung gian đầu tiên trong quá trình tổng hợp một số hợp chất y học được gọi là chất chủ vận 5HT3, được thiết kế để giảm buồn nôn ở bệnh nhân hóa trị

N

O

N

OH CN

Chất chủ vận 5HT3 hiệu suất 95%

Cyanohydrins cũng là thành phần của nhiều sản phẩm tự nhiên và công nghiệp, chẳng hạn như thuốc trừ sâu cypermethrin (được bán trên thị trường là ‘Ripcord’ và ‘Barricade’)

Cl

Cl O

O

OPh

CN

OPh

H O CN

OPh cypermethrin

NaCN

H +

chất phản ứng khác

Sự hình thành cyanohydrin có thể đảo ngược: chỉ cần hòa tan cyanohydrin trong nước có thể trả lại aldehyde hoặc xeton mà bạn đã bắt đầu, và dung dịch base thường phân hủy hoàn toàn cyanohydrin

Điều này là do xyanua là một nhóm tách loại tốt — chúng ta sẽ quay lại loại phản ứng này chi tiết hơn

trong Chương 10

O

H HO

NaOH, H 2 O

ketone cyanohydrin

CN

H 2 O, HCl R

R O

R R

OH NC

các nhóm thế di chuyển gần nhau hơn

NaCN

Do đó, sự hình thành cyanohydrin là trạng thái cân bằng giữa nguyên liệu ban đầu và sản phẩm, và chúng ta chỉ có thể thu được sản lượng tốt nếu trạng thái cân bằng có lợi cho sản phẩm Trạng thái cân bằng thuận lợi hơn cho aldehyde cyanohydrins hơn là xeton cyanohydrins, và lý do là kích thước của các nhóm gắn với nguyên tử cacbon cacbonyl Khi nguyên tử cacbon cacbonyl thay đổi từ sp2 đến sp3, các góc liên kết của nó thay đổi từ khoảng 120 ° đến

Cơ chế tương tác để hình

thành cyanohydrin

R

R

O

R R

OH NC

O

+

aldehyde

hoặc ketone Keq

Keq

212

28

HCN

PhCHO

Một số hằng số cân bằng

CHƯƠNG 6   PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILIC VÀO NHÓM CARBONYL 128

khoảng 109 ° - nói cách khác, các nhóm thế mà nó mang theo di chuyển gần nhau hơn Việc giảm góc

liên kết này không phải là vấn đề đối với anđehit, vì một trong các nhóm thế chỉ là một nguyên tử

hiđro (rất nhỏ), nhưng đối với xeton, đặc biệt là các nhóm mang nhóm ankyl lớn hơn, hiệu ứng này

có thể làm ảnh hưởng đến phản ứng cộng Các hiệu ứng do kích thước của các nhóm thế và lực đẩy

giữa chúng được gọi là hiệu ứng steric, và chúng tôi gọi là lực đẩy do các nhóm thế lớn cản trở Sự cản

trở Steric (không phải "sự cản trở") là hệ quả của lực đẩy giữa các điện tử trong tất cả các obitan lấp

đầy của các nhóm thế alkyl

Cản trở không gian

Kích thước của các nhóm thế đóng một vai trò trong rất nhiều phản ứng hữu cơ — ví dụ, đó là lý do anđehit (với

H bên cạnh nhóm C = O) phản ứng mạnh hơn xeton Sự cản trở của Steric ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng,

nhưng cũng làm cho các phân tử phản ứng theo các cơ chế hoàn toàn khác nhau, như bạn sẽ thấy trong các phản

ứng thế ở Chương 15 Bạn sẽ cần phải làm quen với việc suy nghĩ về việc liệu sự có mặt của các nhóm thế lớn, với

tất cả các liên kết C–H và C-C lấp đầy, là một yếu tố quyết định phản ứng sẽ diễn ra tốt như thế nào

Cyanohydrins và sắn (củ mì)

Phản ứng nghịch của sự hình thành cyanohydrin quan tâm hơn đến lý thuyết Ở các vùng của Châu Phi, lương

thực chính là sắn Thực phẩm này chứa một lượng đáng kể glucoside của axeton cyanohydrin (một glucoside là

một axetal có nguồn gốc từ glucose) Chúng ta sẽ thảo luận về cấu trúc của glucose ở phần sau của chương này,

nhưng hiện tại, chỉ cần chấp nhận rằng nó bền hóa cyanohydrin

Bản thân glucoside không độc, nhưng các enzym trong ruột người sẽ phân hủy nó và giải phóng HCN Cuối

cùng 50 mg HCN trên 100 g sắn có thể được giải phóng và điều này đủ để giết một con người sau một bữa ăn sắn

chưa lên men Nếu sắn được nghiền với nước và để yên (‘lên men’), các enzym trong sắn sẽ thực hiện công việc

tương tự và sau đó HCN có thể được rửa sạch trước khi sắn được nấu chín và ăn

O HO

HO

HO

OH

glucoside của acetone cyanohydrin được tìm thấy trong sắn β-glucosidase hydroxynitrile lyase

(một enzyme) (một enzyme khác)

Hiện nay sắn có thể an toàn để ăn nhưng nó vẫn chứa một số glucozit Một số bệnh được tìm thấy ở miền

đông Nigeria có thể bắt nguồn từ việc tiêu thụ HCN trong thời gian dài Các glucosit tương tự được tìm thấy

trong táo và nhân bên trong hạt của trái cây như đào và mơ Một số người thích ăn những thứ này, nhưng sẽ

không khôn ngoan nếu ăn quá nhiều một lúc!

Góc tấn công nucleophin trên aldehyde và xeton

Sau khi đã giới thiệu cho bạn chuỗi các sự kiện tạo nên một cuộc tấn công nucleophin tại C = O (tương tác

của HOMO với LUMO, hình thành liên kết σ mới, sự phá vỡ liên kết π), bây giờ chúng tôi sẽ cho bạn biết

thêm một chút về hướng từ đó nucleophile tiếp cận nhóm cacbonyl Các nucleophile không chỉ luôn tấn

công các nhóm cacbonyl ở cacbon, mà chúng còn luôn tiếp cận từ một góc độ cụ thể Trước tiên, bạn có thể

ngạc nhiên với góc này, vì nucleophile tấn công không phải từ hướng vuông góc với mặt phẳng của nhóm

cacbonyl mà ở khoảng 107 ° đối với liên kết C = O - gần với góc mà liên kết mới sẽ hình thành Lộ trình tiếp

cận này được gọi là quỹ đạo Bürgi – Dunitz sau khi các tác giả của phương pháp tinh thể học đã tiết lộ nó

Bạn có thể nghĩ về góc tấn công là kết quả của sự thỏa hiệp giữa sự xen phủ orbital cực đại của HOMO với π

* và lực đẩy cực tiểu của HOMO theo mật độ điện tử trong liên kết cacbonyl π Nhưng một lời giải thích tốt

hơn là π * không có các obitan nguyên tử song song vì có một nút nằm ở giữa liên kết (Chương 4) nên các

obitan nguyên tử đã ở một góc Các nucleophile tấn công dọc theo trục của orbital lớn hơn trong HOMO

Chúng tôi đã chỉ ra điều này trong Chương 4 trên tr 104

GÓC CỦA SỰ TẤN CÔNG NUCLEOPHILIC TRÊN ALDEHYDES VÀ KETONES 129

Nu

lực đẩy từ orbital π được lấp đầy buộc nucleophile tấn công theo góc tù

π

kết hợp hai hiệu ứng: 107°

nucleophile tấn công

C = O ở góc 107 °

Nu

nucleophile tấn công

C = O ở góc 107 °

orbital nghiêng khỏi nút

nút

π*

sự xen phủ cực đại với liên kết π * vuông góc với

C = O

Nu

Bất kỳ phần nào khác của phân tử cản trở (hoặc nói cách khác, gây cản trở không gian đối với) quỹ đạo Bürgi – Dunitz sẽ làm giảm đáng kể tốc độ cộng và đây là một lý do khác tại sao anđehit phản ứng mạnh hơn xeton Tầm quan trọng của quỹ đạo Bürgi – Dunitz sẽ trở nên rõ ràng hơn sau này, đặc biệt là trong Chương 33

Bürgi và Dunitz đã suy ra quỹ đạo này bằng cách xem xét cấu trúc tinh thể của các hợp chất chứa cả nguyên

tử nitơ nucleophin và nhóm cacbonyl electrophiles Họ phát hiện ra rằng, khi cả hai đến đủ gần để tương tác, nhưng không tự do phản ứng, nguyên tử nitơ luôn nằm trên hoặc gần quỹ đạo 107 ° được mô tả ở đây

Các tính toán lý thuyết sau đó đã đưa ra cùng một giá trị 107 ° cho góc tấn công tối ưu

Sự tấn công nucleophin bằng cách ‘hyđrua’ lên các aldehyde và xeton

Sự tấn công hạt nhân bởi ion hyđrua, H−, là một phản ứng hầu như chưa được biết đến Ion này, có trong muối natri hiđrua, NaH, có mật độ điện tích cao đến mức nó chỉ phản ứng như một bazơ Lý do là orbital lấp đầy 1s của nó có kích thước lý tưởng để tương tác với nguyên tử hydro đóng góp vào orbital σ * của liên kết H – X (X có thể là bất kỳ nguyên tử nào), nhưng quá nhỏ để dễ dàng tương tác với sự khuếch tán hơn của cacbon orbital 2p đóng góp vào LUMO (π *) của nhóm C = O

O

H 2 X H

+

×

Tuy nhiên, cộng H− vào nguyên tử cacbon của nhóm C = O sẽ là một phản ứng rất hữu ích, vì kết quả sẽ

là sự hình thành rượu Quá trình này sẽ liên quan đến việc đi xuống từ mức oxy hóa aldehyde hoặc xeton xuống mức oxy hóa rượu (Chương 2, trang 32) và do đó sẽ là một phản ứng khử Nó không thể được thực hiện với NaH, nhưng nó có thể được thực hiện với một số hợp chất khác có chứa nguyên tử nucleophin hydro

O

H

phản ứng khử một xeton thành một rượu

?

Hợp chất quan trọng nhất trong số các hợp chất này là natri borohydrid, NaBH4 Đây là một muối tan trong nước có chứa anion BH4− tứ diện, đồng điện tử với metan nhưng có điện tích âm vì bo có ít proton hơn trong hạt nhân so với carbon

■ Mặc dù bây giờ chúng ta

biết chính xác hướng

nucleophile tấn công nhóm C

= O, nhưng điều này không

phải lúc nào cũng dễ biểu

diễn khi chúng ta vẽ các mũi

tên cong Miễn là bạn lưu ý

đến quỹ đạo Bürgi – Dunitz,

bạn hoàn toàn có thể tự do

viết bất kỳ biến thể nào được

hiển thị ở đây, trong số những

biến thể khác

H R

O

H

R

O

H

R O Nu

Nu

Nu

CHƯƠNG 6     PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILIC VÀO NHÓM CARBONYL 130

tấn công nucleophilic bởi H– hầu như không bao giờ xảy ra H– hầu như luôn luôn phản ứng như một bazơ

Trong Chương 4, chúng ta đã xem xét borane đẳng điện tử BH3 và cation CH3 + Ở đây, chúng tôi đã có

cộng một cách hiệu quả một ion hyđrua vào mỗi chúng

Nhưng hãy cẩn thận! Hãy nhớ (trang 115) không có cặp e đơn lẻ nào trên boron: bạn không được vẽ mũi

tên ra khỏi điện tích âm này để tạo thành liên kết khác Nếu làm vậy, bạn sẽ nhận được hợp chất B (V) cộng

hóa trị penta, có 10 electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nó Điều này là không thể xảy ra với một nguyên tố tố

chu kì một vì chỉ có bốn obitan sẵn có (1 × 2s và 3 × 2p) Thay vào đó, vì tất cả các electron (kể cả những

electron được biểu thị bằng điện tích âm) đều nằm trong các obitan B – H σ, nên từ liên kết B – H, chúng ta

phải bắt đầu bất kỳ mũi tên nào để chỉ ra phản ứng của BH4− như một nucleophile Bằng cách chuyển cặp

electron này, chúng tôi làm cho nguyên tử boron trở nên trung hòa — hiện tại nó đang hóa trị ba với chỉ sáu

electron

H B H

các điện tử phải được chuyển từ một liên kết

tám electron trong các liên kết B – H

H

sáu electron trong liên kết

B – H

và một obitan p trống

E

H

B

H

H B H H H E

cấu trúc bất khả thi:

mười electron các liên kết với B

tám điện tử

trong các liên kết B – H

mũi tên không thể bắt đầu trên điện

tích âm: không có cặp e đơn độc

trên B

×

Điều gì xảy ra khi chúng ta thực hiện phản ứng này bằng cách sử dụng hợp chất cacbonyl làm

electrophin? Nguyên tử hydro cùng với cặp electron từ liên kết B – H sẽ được chuyển sang nguyên tử

cacbon của nhóm C = O Mặc dù không có ion hiđrua nào, H -, thực sự tham gia vào phản ứng,

nhưng sự chuyển nguyên tử hiđro với một cặp điện tử kèm theo có thể được coi là 'sự chuyển hiđrua'

Bạn sẽ thường thấy nó được mô tả theo cách này trong sách Nhưng hãy cẩn thận để không nhầm lẫn

BH4− với chính ion hyđrua Để làm rõ hơn rằng chính nguyên tử hydro đang hình thành liên kết mới

với C, phản ứng này cũng có thể được biểu diễn hữu ích bằng một mũi tên cong đi qua nguyên tử

hydro

H

B H

O

B H

B H

O

Bạn đã gặp phản ứng này trong Chương 5 nhưng còn nhiều điều để nói về nó Oxyanion được tạo ra ở

bước đầu tiên có thể giúp bền hóa phân tử BH3 nhận electron bằng cách thêm vào obitan p trống của nó

Bây giờ chúng ta lại có một anion bo hóa trị bốn, có thể chuyển một nguyên tử hydro thứ hai (với cặp

electron của nó) sang một phân tử aldehyde khác

B H

O

H H

Quá trình này có thể tiếp tục để về nguyên tắc, tất cả bốn nguyên tử hydro có thể được chuyển sang các

phân tử của aldehyde Trong thực tế, phản ứng hiếm khi xảy ra như vậy, nhưng anđehit và xeton thường bị

khử tạo thành rượu tương ứng bằng natri boro-hiđrua trong nước hoặc dung dịch rượu Dung môi nước

hoặc rượu cung cấp proton cần thiết để tạo thành rượu từ alkoxit

H

O

OH

H

ví dụ về phản ứng khử

với natri bo hyđrua

NaBH 4

H 2 O

NaBH 4 MeOH

NaBH 4

i-PrOH

H B H

H C H

borohydride anion methane

■ Cũng giống như chúng ta

đã sử dụng Nu− để biểu thị bất kỳ nucleophile (chưa xác định) nào, ở đây E + có nghĩa là bất kỳ electrophin (chưa xác định) nào

Cơ chế tương tác cho phản ứng khử bo hyđrua

TẤN CÔNG NUCLEOPHIN BỞI ‘HYĐRUA’ TRÊN ALDEHYDES VÀ KETONES 131

H EtO

O

H EtO

OH

H NaBH 4

EtOH

Hai ví dụ tiếp theo minh họa phản ứng khử anđehit và xeton khi có các nhóm chức phản ứng khác Không có phản ứng nào xảy ra ở nhóm nitro trong trường hợp đầu tiên hoặc ở ankyl halogenua trong trường hợp thứ hai

H

O

O 2 N

NaBH 4 NaOH

H 2 O MeOH

OH

O 2 N

Br NaBH 4

MeOH

25 °C

O Br

Cộng hợp chất cơ kim vào anđehit và xeton

Các hợp chất cơ kim có liên kết cacbon-kim loại Lithi và magiê là những kim loại rất electrophin và các liên kết Li – C hoặc Mg – C trong chất phản ứng cơ lithi hoặc cơ magiê rất phân cực đối với carbon Do đó, chúng

là những nucleophile rất mạnh và tấn công nhóm cacbonyl để tạo ra rượu, tạo thành liên kết C-C mới Đối với ví dụ đầu tiên của chúng tôi, chúng tôi sẽ lấy một trong những chất hữu cơ đơn giản nhất, methyllithium,

có sẵn trên thị trường dưới dạng dung dịch Et2O, được hiển thị ở đây phản ứng với một aldehyde Giản đồ obitan của bước cộng cho thấy cách phân cực của liên kết C – Li có nghĩa là nguyên tử cacbon của nucleophile tấn công nguyên tử cacbon của electrophin và chúng ta nhận được liên kết C – C mới Chúng tôi

đã giải thích trên trang 113 sự phân cực của liên kết giữa cacbon và các nguyên tố electrophin hơn Các độ âm điện liên quan là C 2.5, Li 1.0 và Mg 1.2 nên cả hai kim loại đều có tính electrophin cao hơn nhiều so với cacbon Các obitan của MeLi được thảo luận trong Chương 4

2 H 2 O

O

OH

R

O Me Li

O

R

C H H H

HOMO = Li–C σ phân cực hướng về C

LUMO = π*

các obitan liên quan đến phản

ứng cộng của methyllithium

Quá trình của phản ứng giống như bạn đã thấy trước đây, nhưng chúng ta cần làm sáng tỏ một số điểm

mà sơ đồ phản ứng này khác với sơ đồ bạn đã gặp trước đó trong chương Trước hết, hãy chú ý đến chú giải

‘1 MeLi, THF; 2 H2O ’ Điều này có nghĩa là, đầu tiên, MeLi được thêm vào aldehyde trong dung môi THF Xảy ra phản ứng: MeLi tác dụng với anđehit tạo ra alkoxit Sau đó (và chỉ sau đó) nước được thêm vào

để tạo ra alkoxit Dấu ‘2 H2O ’có nghĩa là nước chỉ được thêm vào theo một bước riêng biệt khi tất cả MeLi

đã phản ứng: nó không có ở đầu phản ứng như trong phản ứng xyanua và một số phản ứng cộng

borohydride Trên thực tế, nước không được có mặt trong quá trình thêm MeLi (hoặc của bất kỳ thuốc thử

cơ kim nào khác) vào nhóm cacbonyl vì nước phá hủy cơ kim rất nhanh

benzaldehyde acetophenone

Nhôm có tính electrophin hơn

(nhiều kim loại hơn) so với bo

và do đó, nó sẵn sàng hơn để

loại bỏ nguyên tử hydro (và

điện tích âm liên quan), cho dù

với nhóm cacbonyl hay với

nước Lithi nhôm hyđrua phản

ứng mạnh và nguy hiểm với

nước trong một phản ứng tỏa

nhiệt tạo ra hiđro có tính cháy

cao

H Al H

Li

H OH

H Al

H

phản ứng mãnh liệt!

Cơ chế tương tác cho

phản ứng cộng

methyllithium

CHƯƠNG 6   PHẢN ỨNG NUCLEOPHIN VÀO NHÓM CARBONYL

Natri bo hyđrua là một trong những chất cho hyđrua yếu hơn Thực tế là nó có thể được sử dụng trong nước

là bằng chứng của điều này: các chất cho hyđrua mạnh hơn như hyđrua nhôm liti, LiAlH4, phản ứng dữ dội với nước Natri borohydride phản ứng với cả andehit và xeton, mặc dù phản ứng với xeton chậm hơn: ví dụ, benzaldehyde bị khử nhanh hơn khoảng 400 lần so với acetophenone trong isopropanol Điều này là do cản trở của không gian (xem ở trên)

Natri borohydrua hoàn toàn không phản ứng với các hợp chất cacbonyl ít phản ứng hơn như este hoặc amit: nếu phân tử chứa cả anđehit và este thì chỉ có anđehit bị khử

132

bằng cách proton hóa chúng tạo ra ankan (organolithiums và organomagnesiums là bazơ mạnh cũng như

nucleophile mạnh) Việc thêm nước, hoặc đôi khi là axit loãng hoặc amoni clorua, vào cuối phản ứng được

gọi là phản ứng (work-up)

Bởi vì chúng rất dễ phản ứng, các organolithiums thường được sử dụng ở nhiệt độ thấp, thường

–78 ° C (nhiệt độ thăng hoa của CO2 rắn), trong dung môi aprotic như Et2O hoặc THF Dung môi protic

như nước hoặc rượu có proton có tính axit nhưng dung môi aprotic như ete thì không Organolithiums

cũng phản ứng với oxy, vì vậy chúng phải được xử lý trong môi trường khô, trơ của nitơ hoặc argon Các

thuốc thử organolithium thông thường khác và có bán trên thị trường bao gồm n-butyllithium và

phenyllithium, và chúng phản ứng với cả andehit và xeton Lưu ý rằng cộng vào một anđehit tạo ra rượu bậc

hai trong khi cộng vào xeton sẽ tạo ra rượu bậc ba

Bể nhiệt độ thấp

Làm lạnh hỗn hợp phản ứng nói chung là công việc của bể làm lạnh bằng nước đá và nước khoảng 0 ° C,

hoặc bể CO2 rắn trong dung môi hữu cơ như axeton hoặc etanol xuống khoảng –78 ° C Thêm từ từ các mẩu

nhỏ CO2 rắn vào dung môi cho đến khi hết sủi bọt mạnh Sau đó, rất ít nhà hóa học đo nhiệt độ của bể,

nhiệt độ này có thể nằm trong khoảng từ –50 đến –80 ° C Nhiệt độ được đưa ra trong các ấn phẩm thường

là –78 ° C, khoảng giới hạn dưới Nhiệt độ thấp hơn cần nitơ lỏng Sổ tay thực hành cho biết chi tiết

1 Ph Li, THF

R

alcohol bậc hai

2 H 2 O

1.n-BuLi, THF

O

R OH

R

alcohol bậc ba

2 H 2 O

Thuốc thử Organomagnesium được gọi là chất phản ứng Grignard (RMgX) phản ứng theo cách

tương tự Một số chất phản ứng Grignard đơn giản, chẳng hạn như metyl magie clorua, MeMgCl, và

phenyl magie bromua, PhMgBr, có bán trên thị trường và sơ đồ cho thấy PhMgBr phản ứng với một

aldehyde Phản ứng của hai loại thuốc thử cơ kim này — organolithiums và thuốc thử Grignard — với

các hợp chất cacbonyl là một trong những cách quan trọng nhất để tạo liên kết carbon-carbon, và

chúng ta sẽ xem xét chúng chi tiết hơn trong Chương 9

2 H 2 O

O

OH

R

1 PhMgBr, Et 2 O

O

R

O Ph BrMg

Phản ứng cộng nước vào andehit và xeton

Nucleophile không cần phải phân cực hoặc tích điện âm cao để phản ứng với aldehyde và xeton: những

chất trung tính cũng vậy Làm sao mà chúng ta biết được? Phổ 13C NMR này thu được bằng cách hòa

tan formaldehyde, H2C = O, trong nước Bạn sẽ nhớ từ Chương 3 rằng các nguyên tử cacbon của nhóm

cacbonyl cho tín hiệu 13C thường trong vùng 150–200 ppm Vậy pic cacbonyl của formaldehyde ở đâu?

Thay vào đó, chúng ta có một tín hiệu ở 83 ppm - nơi chúng ta mong đợi các nguyên tử cacbon tứ diện

liên kết đơn lẻ với oxy sẽ xuất hiện

0 50

100 ppm 150

200 Phổ 13C NMR của formaldehyde trong nước

Me

methane

organometallics bị phá hủy bởi nước

nhanh và tỏa nhiệt

Cơ chế tương tác cho phản ứng cộng Grignard

Chất phản ứng Grignard được phát hiện bởi Victor Grignard (1871–1935) tại Đại học Lyon, người đã nhận giải Nobel cho khám phá của mình vào năm 1912 Chúng được tạo ra bằng cách phản ứng alkyl hoặc aryl halogenua với magiê ‘biến đổi’

Ph Mg Br

Ph Br

ether

Mg PHẢN ỨNG CỘNG NƯỚC VÀO ANĐEHIT VÀ XETON 133

H H O

H H

OH HO

+

hydrate or 1,1-diol formaldehyde

mong đợi tín hiệu 13C giữa 150 và

200 ppm

Tín hiệu 13C ở

83 ppm

H 2 O

Phản ứng này, giống như phản ứng cộng xyanua mà chúng ta đã thảo luận ở đầu chương, là một cân bằng, và khá chung cho các anđehit và xeton Nhưng, cũng như với các xyanohydrin, vị trí của cân bằng phụ thuộc vào cấu trúc của hợp chất cacbonyl Nói chung, các yếu tố không gian giống nhau (trang 129) có nghĩa là các anđehit đơn giản được hydrat hóa ở một mức độ nào đó trong khi xeton đơn giản thì không

Tuy nhiên, các yếu tố đặc biệt có thể chuyển trạng thái cân bằng sang dạng ngậm nước ngay cả đối với xeton, đặc biệt nếu hợp chất cacbonyl có phản ứng hoặc không bền

Formaldehyde là một aldehyde cực kỳ phản ứng vì nó không có nhóm thế để cản trở sự tấn công — nó phản ứng mạnh đến mức nó dễ bị trùng hợp Và thật là hạnh phúc khi chuyển từ lai hóa sp2 sang sp3 vì có rất ít cản trở không gian tăng lên giữa hai nguyên tử hydro khi góc liên kết thay đổi từ 120 ° đến 109 ° (trang 129) Đây là lý do tại sao dung dịch nước của chúng tôi chứa formaldehyde về cơ bản không chứa CH2O —

nó được hydrat hóa hoàn toàn Một cơ chế cho phản ứng hydrat hóa được trình bày dưới đây Chú ý cách một proton phải được chuyển từ nguyên tử oxy này sang nguyên tử oxy khác, qua trung gian của các phân

tử nước

H H

O

H H

H H

H H

H H

Formaldehyde phản ứng với nước rất dễ dàng vì các nhóm thế của nó rất nhỏ: một hiệu ứng không gian Hiệu ứng điện tử cũng thuận lợi cho phản ứng với nucleophile — các nguyên tử âm điện như halogen gắn với nguyên tử cacbon bên cạnh nhóm cacbonyl có thể làm tăng mức độ hydrat hóa bằng hiệu ứng cảm ứng theo số nhóm thế halogen và sức hút điện tử của chúng Chúng làm tăng độ phân cực của nhóm cacbonyl, vốn đã có một cacbon cacbonyl phân cực dương, và làm cho nó thậm chí còn dễ bị nước tấn công hơn Trichloroacetaldehyde (chloral, Cl3CHO) được ngậm nước hoàn toàn trong nước, và sản phẩm ‘chloral hydrate’ có thể được phân lập dưới dạng tinh thể và là một chất gây mê Bạn có thể thấy điều này khá rõ ràng trong hai phổ IR bên dưới Phổ đầu tiên là quang phổ của clo hydrat từ một lọ— lưu

ý rằng không có sự hấp thụ mạnh trong khoảng từ 1700 đến 1800 cm-1 (nơi chúng tôi mong đợi C = O xuất hiện) và thay vào đó chúng tôi có O – H rộng đạt cực đại ở 3400 cm − 1 Việc làm nóng sẽ đẩy nước

ra khỏi nước, và phổ IR thứ hai là của cloral khô: đỉnh C = O đã xuất hiện trở lại ở 1770 cm-1 và đỉnh O –

H đã biến mất

● Hiệu ứng không gian và hiệu ứng điện tử

• Hiệu ứng không gian liên quan đến kích thước và hình dạng của các nhóm trong phân tử.

• Hiệu ứng điện tử là kết quả của cách mà sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử ảnh hưởng đến cách phân bố các electron trong phân tử Chúng có thể được chia thành các hiệu ứng cảm ứng, là hệ quả của cách mà sự khác biệt về độ âm điện dẫn đến sự phân cực của liên kết σ, và sự liên hợp (đôi khi được gọi là hiệu ứng mesomeric) ảnh hưởng đến sự phân bố của các điện tử trong liên kết π và được thảo luận trong chương tiếp theo.

Hiệu ứng không gian và điện tử là hai trong số các yếu tố chính chi phối khả năng phản ứng của nucleophile và electrophin.

R

R

O

R R

OH HO

+

nồng độ đáng kể của hyđrat

thường chỉ được hình thành

từ các anđehit

H 2 O

LUMO = π*

O

H

sp3 chứa cặp đơn lẻ

các obitan liên quan

đến việc cộng nước

Cơ chế tương tác để hình

thành hydrat

Fomanđehit đơn phân

Bản chất ngậm nước của

fomanđehit đặt ra một vấn đề

đối với hóa học đòi hỏi các

điều kiện khan như các phản

ứng cộng cơ kim mà chúng ta

vừa nói đến May mắn thay,

crackinh (đun nóng để phân

hủy) polyme

‘paraformaldehyde’ có thể

cung cấp formaldehyde đơn

chất trong dung dịch khan

polyme 'paraformaldehyde'

∆

CH 2 O

Chloral hydrate là ‘giọt

thuốc hạ gục’ khét tiếng của

Agatha Christie hay ‘Mickey

Finn’ của những băng đảng

xã hội đen bị cấm

CHƯƠNG 6    PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHIN VÀO NHÓM CARBONYL

Điều đã xảy ra là nước đã cộng vào nhóm cacbonyl để tạo ra một hợp chất được gọi là hydrat hoặc 1,1-diol

134