Phản ứng cần xúc tác axit hay bazocần xúc tác axit hay bazo - Xúc tác axit hoạt hoá nhóm cacbonyl Giai đoạn 1giai đoạn nhanh Giai đoạn thứ 2 côâng nucleophile là giai đoạn chââm
Trang 2TÀI LIỆU THAM KHẢO
2 Trần Quốc Sơn (1979), Cơ sở lý thuyết Hóa hữu cơ,
NXB Giáo dục
4 L.G.Wade, Organic Chemistry
1 Đỗ Đình Rãng, Hóa học lâ âp thê, NXB ĐHSP
3 Thái Doãn Tĩnh, Cơ chế phản ứng và Hóa học hữu cơ,
NXB Khoa học và kỹ thuâât
Trang 3DÀN Ý
I Tác nhân nucleophile
II Phản ứng cộng nucleophile vào nhóm cacbonyl II.1 Đặc điểm nhóm cacbonyl
II.2 Cơ chế phản ứng
III Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản ứng III.1 Hiệu ứng electron
III.2 Hiệu ứng không gian
III.3 Tác nhân nucleophile
III.4 Xúc tác
IV Hoá lập thể
Trang 4DÀN Ý
V Một số phản ứng cộng nucleophile vào nhóm cacbonyl V.1 Cộng H2O
V.2 Cộng alcol
V.3 Cộng bisunfit natri
V.4 Cộng hợp chất cơ kim, sau đó thuỷ phân sản phẩm cộng
V.5 Cộng hidrua kim loại, sau đó thuỷ phân
V.6 Cộng HCN
V.7 Cộng hidrohalogenua
V.8 Cộng hợp chất của nitơ
V.9 Cộng tiol
V.10 Phản ứng trùng hợp
V.11 Phản ứng cộng aldol
Bài tââp
Trang 5I Tác nhân nucleophile
Những tác nhân tham gia phản ứng bằng cách nhường căâp electron hoăâc chia căâp electron với những nhân nguyên tử khác gọi là tác nhân nucleophile
II Phản ứng côông nucleophile vào nhóm cacbonyl
1 Đăôc điểm của nhóm cacbonyl
Nguyên tử Cacbon của nhóm cacbonyl ở trạng thái lai hoá
sp2 Nhóm C=O có cấu trúc phẳng Giữa nguyên tử cacbon và oxi
có hai loại liên kết:
σ
Trang 72 Cơ chế phản ứng
Sơ đồ tổng quát:
II Phản ứng côông nucleophile vào nhóm cacbonyl
PHẢN ỨNG CÔâNG NUCLEOPHILE VÀO NHÓM
CACBONYL
Trang 8Phản ứng cần xúc tác axit hay bazocần xúc tác axit hay bazo
- Xúc tác axit (hoạt hoá nhóm cacbonyl)
Giai đoạn 1(giai đoạn nhanh)
Giai đoạn thứ 2 côâng nucleophile là giai đoạn chââm:
2 Cơ chế phản ứng
Trang 9Giai đoạn thứ hai là giai đoạn côâng electrophile là giai đoạn nhanh:
- Xúc tác bazơ (hoạt hoá tác nhân)
Giai đoạn đầu là côâng nucleophile là giai đoạn chââm:
2 Cơ chế phản ứng
Trang 10Tốc độ phản ứng cộng nucleophin phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tác nhân
nucleophin, dung môi, xúc tác, cấu trúc của hợp chất cacbonyl…
III.1 Hiêôu ứng electron
Những nhóm thế đẩy điêân tử như CH3, C2H5… làm giảm bớt điêân tích khả năng côâng nucleophile giảm đi, các nhóm thế đẩy electron càng mạnh thì phản ứng càng khó xảy ra
VD1: khả năng tham gia phản ứng của:
Trang 11VD 2: khả năng tham gia phản ứng của:
CH3H
N
C O H
CH3
CH3
III.1 Hiêôu ứng electron
VD3: Khả năng tham gia phản ứng của:
Ngoài ra, nếu sản phẩm của phản ứng có khả năng tạo liên kết hidro
nội phân tử, làm giảm năng lượng của hệ, làm bền sản phẩm tạo thành
thì tốc độ của phản ứng cộng tăng rất nhanh
Trang 12H Cl
H
Phân tử glioxal:
H C O
C O
H + H
OH
O H
H
C O
Phân tử anhidricphtalic
C C
III.1 Hiêôu ứng electron
Trang 13III.2 Hiêôu ứng không gian
Các nhóm thế nối với nhóm cacbonyl càng cồng kềnh thì khả năng phản nhóm cacbonyl càng cồng kềnh thì khả năng phản
ứng càng giảm
VD1: Xét phản ứng với hyđroxylamin
O
O + 2NH2OH HO N N OH + H2O
O O
* Nhận xét: Phân tử 2,4- đimetyl-1,4-quinon : do ảnh hưởng
không gian của hai nhóm – CH3 nên chỉ có một nhóm cacbonyl
tham gia phản ứng với hydroxylamin
III Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phản ứng côông nucleophile vào nhóm cacbonyl.
Trang 14VD 2: Khả năng tham gia phản ứng của
Trang 15*Nhận xét:
+ Do hiệu ứng cấu trúc các xeton nói chung có khả năng phản ứng kém hơn các anđehit vì hiệu ứng không gian và hiệu ứng electron cùng tác dụng
+ Các xeton vòng dễ tham gia phản ứng cộng hơn các
xeton mạch hở, nguyên nhân do các nhóm ankyl trong
mạch hở dễ dàng chuyển động tự do nên trạng thái chuyển tiếp bị án ngữ không gian lớn hơn xeton vòng.
+ Cần chú ý rằng trong phản ứng lưỡng phân tử, hiệu ứng không gian có thể do chất phản ứng hay tác nhân hoặc cả hai yếu tố đó cùng gây ra.
III.2 Hiêôu ứng không gian
Trang 16III.3 Tác nhân nucleophile
- Tính bazơ của nucleophile càng lớn vận tốc phản ứng càng cao
- Các nhóm thế +I, +C gắn vào nucleophil làm tăng khả năng phản ứng
- Ngoài ra thể tích của nucleophil tăng làm giảm vận tốc phản ứng do hiệu ứng không gian
III.4 Xúc tác
III.4.a Xúc tác axit
H+ làm tăng độ dương điện của C trong nhóm cacbonyl giúp cho tác nhân nucleophil tấn công dễ hơn Do đó làm tăng tốc độ phản ứng
Trang 17Đa số anion dùng trong phản ứng cộng với nhóm cacbonyl xuất
phát từ axit yếu Do đó khi môi trường axít hơn (tăng nồng độ H+) thì
phản ứng:
chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm nồng độ Y-
Nếu tác nhân nucleophile không phải là anion thì khi nồng độ H+ cao
sẽ biến đổi nucleophile thành 1 chất không phản ứng
III.4.1 Xúc tác axit
III.4 Xúc tác
Trang 18III.4.2 Xúc tác bazơ
Trang 19IV Hoá lâôp thể
Về phương diện lập thể, phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl không
có tính đặc thù vì nhóm này có cấu trúc phẳng Phản ứng xảy ra theo 2 hướng cộng cis và trans của 1 liên kết đôi nhưng có cùng sản phẩm do
sự quay xung quanh liên kết C-O:
PHẢN ỨNG CÔâNG NUCLEOPHILE VÀO NHÓM CACBONYL
Trang 20Nguyên tử C liên kết trực tiếp với 1 nguyên tử C không bất đối và sản phẩm tạo thành có C* sẽ cho 2 sản phẩm R và S hay D và L:
Nếu án ngữ không gian ở 2 phía của mặt phẳng phân tử như nhau sẽ thu được 2 đồng phân lượng như nhau tạo
nên hỗn hợp racemic.
Trang 21
Nếu nhóm cacbonyl liên kết trực tiếp với C*
L
Y
L
Trang 22Ví dụ: Xét phản ứng giữa 3-phenylpropan-2-on với phenylmagiebromua,
sản phẩm chính theo qui tắc Cram nhiều gấp 5 lần sản phẩm trái với qui tắc đó
C6H5
C6H5
C6H5HO
CH3
C6H5
Tỷ lệ hai sản phẩm đồng phân phụ thuộc vào kích thước các nhóm
thế trong hợp chất cacbonyl và tác nhân
Trang 23V Môôt số phản ứng côông nucleophile vào nhóm cacbonyl
Trong nước, nhiều hợp chất cacbonyl có khả năng tương tác với nước tạo nên cân bằng:
Trang 24V.1 Cô âng nước
Trang 25Bảng: mức độ hidrat hoá của một số hợp chất cacbonyl
(dung dịch loãng ở 200C)
*Nhận xét:
- Khả năng hidrat hoá của HCHO > CH3CHO> CH3COCH3.
- Thực tế các xeton dường như không phản ứng, sản phẩm gem- điol của các xeton kém bền dễ bị tách nước tạo ra các chất ban đầu
Trang 26
H Cl
H
O
O H
H H
F F
F
- Khả năng tham gia phản ứng hidrat hóa của
CCl3CHO và CF3CHO rất mạnh, gần như hoàn toàn do:
+ Hiệu ứng cảm ứng âm của các nguyên tử Cl, F.
+ Sản phẩm tạo ra liên kết hidro nội phân tử.
Trang 27V.2 Côông alcol
Ancol có thể cộng vào hợp chất cacbonyl tạo ra sản phẩm
hemiaxetal hay hemicetal, phản ứng này có thể xảy ra trong môi trường axit hay bazơ.
Trang 28Xúc tác bazơ:
Xúc tác axit:V.2 Côông alcol
Trang 29Trong môi trường axit, hemiaxetal hay hemicetalhemiaxetal hay hemicetal phản ứng rất nhanh với một phân tử ancol và tạo ratạo ra axetal hoăâc cetalaxetal hoăâc cetal
Tóm lại:
Trang 30Phản ứng tạo ra axetal hay cetal chỉ xảy ra trong môi trường axit
- Mức độ tạo thành hemiaxetal hay hemicetal và axetal hay
cetal càng giảm khi gốc hidrocacbon càng lớn và cồng kềnh.
- Phản ứng này thường dùng để bảo vệ nhóm cacbonyl bảo vệ nhóm cacbonyl trong các phản ứng hoá học
Trang 31V.3 Cô ông bisulfit natri
Tất cả các aldehid, các metylceton (CH3-CO-R) và môât vài
ceton vòng, tác dụng được với dung dịch bão hoà bisulfit.
Phản ứng không cần xúc tác vì tác nhân có tính nucleophile cao
Trang 32Phản ứng này được dùng để tách aldehid, metylcetontách aldehid, metylceton ra khỏi hỗn hợp gồm nhiều chất hữu cơ Để tái tạo aldehid hoăâc metylceton người ta cho sản phẩm ở trên tác dụng với dung dịch axit hoăâc bazơ.
H+hayOH−
Trang 33V.4 Côông hợp chất cơ kim, sau đó thuỷ phân sản phẩm côông
* Với aldehid formic thu được rượu bââc 1
Trang 34* Với các aldehid khác, thu được alcol bââc 2
* Với ceton, thu được alcol bââc 3
* Với ceton vòng
Trang 35Phản ứng điều chế ancol nhiều nhánhPhản ứng tạo ra ancol loại anlylic.
Trang 36V.5 Cô ông hidrua kim loại, sau đó thuỷ phân
V.6 Cô ông HCN
Phản ứng tạo sản phẩm cianhidrin, các giai đoạn của phản ứng đều xảy ra theo hai chiều thuận nghịch
HCN là một axit yếu, phân li kém
Nên phản ứng thường được tiến hành trong môi trường kiềm
Trang 37Xianhidrin được dùng để điều chế axit α-hidroxicacboxylic
Trang 38Các nhóm rút electron làm tăng khả năng phản ứng của andehit Nhóm cho electron làm giảm khả năng phản ứng
CH3
CH3
CH3
Trang 39V.7.Cô âng hidrohalogenua
- Andehit và xeton có thể cộng với hidroclorua và hidrobromua để tạo ra clohidrin và bromhidrin
R1
R2
Trang 40V.8 Côông hợp chất chứa nito (NH3, RNH2, hidrazin, các dẫn xuất của NH3 và amin )
Cơ chế:
Trang 41Tóm tắt: phản ứng côâng hợp chất chứa nito với nhóm cacbonyl
Trang 44- Xúc tác axit: axit hoạt hoá nhóm cacbonyl, đồng thời cũng proton hoá amin và có ảnh hưởng đến giai đoạn tách nước.
Trang 45VD: Benzaldehid tác dụng với metylamin với xúc tác axit
Trang 46- Xúc tác bazơ: bazơ tác dụng ở giai đoạn xác định phản ứng tách nước
Khi pH giảm tốc đôâ tách nước tăng nhưng tăng nồng đôâ amin proton hoá, tốc đôâ phản ứng côâng giảm Giai đoạn xác định tốc đôâ là giai đoạn côâng nucleophile
Khi pH tăng, sự proton hoá hợp chất côâng giảm, giai đoạn tách nước giảm, giai đoạn này trở thành quyết định tốc đôâ phản ứng
Về ảnh hưởng của nhóm thế, ở pH nhỏ, giai đoạn xác định tốc đôâ phản ứng là giai đoạn côâng nucleophile, các nhóm thế hút electron làm tăng tốc đôâ phản ứng, ở pH cao, giai đoạn xác định tốc đôâ là giai đoạn loại nước theo phản ứng tách E1, các nhóm thế cho electron làm tăng tốc đôâ phản ứng.Thực tế ở môi trường trung tính, tốc đôâ phản ứng không phụ thuôâc vào bản chất nhóm thế
Trang 48Tóm tắt cơ chế
*Thí dụ:
* PHẢN ỨNG VỚI AMIN BẬC HAI
Trang 49V.9 Cộng tiol
Tiol cộng dễ dàng vào nhóm cacbonyl của andehit tạo hemitioaxetal và
tioaxetal, xeton tạo hemitioxetal và tioxetal
Trong dung dịch axit tioaxetal bền hơn axetal nhưng có thể bị thủy phân bởi hỗn hợp HgCl2 và CdCO3
Trang 50Hợp chất cacbonyl tác dụng với etilen tioglicol và etilen ditioglicol
Sản phẩm ditioaxetal và ditioxetal vòng bền hơn tioaxetal và tioxetal vòng
Trang 51V.10 Phản ứng trùng hợp
Chỉ có các andehit không vòng đầu dãy đồng đẳngandehit không vòng đầu dãy đồng đẳng tham gia phản ứng
trùng hợp, và tuỳ vào từng trường hợp cụ thể mà ta thu được andehit tuỳ vào từng trường hợp cụ thể mà ta thu được andehit
dạng vòng hay dạng hở
Ở trạng thái khí fomandehit sẽ tự trùng hợp tạo ra dạng vòng trioxan
O C O
C C
O
C O
C O
Trang 52Khi đun nóng với vài giọt axit cả hai sản phẩm trên đều phân huỷ tạo ra axetandehit.
Ở trạng thái dung dịch 40% trong nước, fomandehit tham gia trùng hợp tạo thành polime mạch hở ở dạng kết tủa trắng và gọi là polioximetilen hay là parafomandehit (parafooc)
H O Hδ− δ+ C O
H H
O CH2
O H
C O
H H
δ + δ −
C
H H OH
Trang 53V.11 Phản ứng cô âng andol
- Andol Andol là hợp chất vừa có nhóm hidroxi nhóm hidroxi vừa có nhóm cacbonyl nhóm cacbonyl
- Phản ứng cộng andol là phản ứng của môât andehit andehit hay xeton xeton có
H α cộng hợp vào nhóm cacbonyl của một andehit hoặc xeton khác.
* Phản ứng cộng andol xúc tác axít
Cơ chế phản ứng: gồm 3 giai đoạn
Giai đoạn 1: axit proton hóa nhóm C=O của phân tử cacbonyl thứ nhất tạo cacbocation, đồng thời xúc tác phản ứng enol hóa phân tử cacbonyl thứ 2
Giai đoạn 2: sự tấn công của cacbocation vào phân tử enol
Giai đoạn 3: proton hóa hợp chất trung gian ở giai đoạn 2 tạo sản phẩm
Trang 54VD:
Trang 55Phản ứng của xeton có Hα
Trang 56Phản ứng cộng hợp giữa 2 hợp chất cacbonyl khác nhau mà cả 2 đều có thể bị enol hóa thì cho ta hỗn hợp 4 sản phẩm.
VD:
Phản ứng cộng andol xúc tác axít thường cho hiệu suất thấp Do đó sự cộng andol xúc tác bởi bazơ thích hợp hơn
Trang 57* Phản ứng cộng andol xúc tác bởi bazo:
Trang 58CH3 CHO + OH CH
2 CHO + H2O
C H O
2 CHO H3C CH CH2 CHO
O
CH2 CHO CH
H3C
OH
+ H2O
CH2 CHO CH
Phản ứng aldol hoá cũng xảy ra với 2 aldehid (ceton) khác nhau và
đều có Hα Trong trường hợp này, ta được môât hỗn hợp gồm 4 chất
VD: CH3-CHO + CH3-CH2-CHO CH3-CHOH-CH2-CHO +
CH3-CH2-CHOH-CH(CH3)-CHO +
CH3-CH2-CHOH-CH2-CHO +
CH3-CHOH-CH(CH3)-CHO
Trang 59Các phản ứng cộng andol của hợp chất cacbonyl
- Cộng andol giữa 2 phân tử andehit giống nhau (có Hα)
Sản phẩm andol không phải luôn luôn được cô lập và có thể tiếp tục phản ứng với andehit để cho một hemiaxetal vòng
2 CHO + H2O
C H
H3C
OH
+ H2O
CH2 CHO CH
H3C
O
+ OH
CH2 CHO CH
VD:
Trang 60Cộng andol giữa 2 phân tử xeton giống nhau
Phản ứng của xeton đối xứng
Trang 61- Phản ứng của xeton không đối xứng:
Phản ứng có thể tạo thành 2 sản phẩm andol hóa khác nhau
Trang 62Ngoài ra, ta có:
Nếu ta dùng môât lượng thừa metanal, phản ứng tiếp tục, các Hα của aceton lần lượt được các nhóm –CH2-OH (hidroximetylen) thay thế
Trang 63Cộng andol giữa 2 phân tử andehit khác nhau
Nếu cả 2 phân tử andehit đều có H α
Phản ứng có thể cho 4 sản phẩm
+ H2O
+ R-CH2-CHO
+ R'-CH2-CHO + H2O
+ H2O
R-CH2-CH-CH-CHO
R OH
R'-CH2-CH-CH-CHO
R OH
R-CH2-CH-CH-CHO
R' OH
R'-CH2-CH-CH-CHO
R' OH R'-CH2-CHO
+ R'-CH2-CHO
Trang 64Nếu có 1 phân tử andehit không có H α
Phản ứng có thể cho 2 sản phẩm
R-CH2-CHO + OH R-CH-CHO
+ R-CH2-CHO
+ R'-CHO + H2O
+ H2O
R-CH2-CH-CH-CHO
R OH
R'-CH-CH-CHO
R OH
Trong nhiều trường hợp sản phẩm (B) (sản phẩm cộng chéo) quan trọng hơn
(A)
(B)
Trang 65Phản ứng giữa andehit và xeton
Nếu andehit và xeton đều có Hα: Phản ứng có thể cho 2 sản phẩm do sự cộng cacbanion của xeton vào nhóm cacbonyl của andehit và sản phẩm do sự
tự cộng hợp của andehit
CH2 R' C
OH
H2C R
R
CH C H
O
HC OH
H2C R
(B)
Sản phẩm chính là (A), lượng sản phẩm (B) rất ít
Không có sự tự cộng của xeton trừ trường hợp dùng dư xeton
Trang 66Nếu andehit không có H α và xeton có H α
Phản ứng thường chỉ cho 1 sản phẩm vì xeton không tự cộng
Trang 67Sự hóa vòng bởi phản ứng cộng andol
Hợp chất cacbonyl có 2 tâm phản ứng (nhóm metylen hoạt động và nhóm ccabonyl) sẽ xảy ra phản ứng andol hóa vòng, với điều kiện vòng tạo thành bền (vòng 5,6 cạnh)
Ví dụ:
CHO
CHO
Trang 68BÀI TÂôP
1 Điều chế chất sau:
Giải:
Trang 692 Hãy so sánh khả năng phản ứng côâng nucleophile của nhóm cacbonyl ở những hợp chất sau: aceton, dietylceton,
acetandehid, cloral, diisopropylceton
Trang 703 Hãy chỉ ra phương pháp bảo vệ nhóm andehid trong hợp chất CH3COCH2CH2CHO khi chuyển nó thành andehidaxit HOOCCH2CH2CHO
Giải:
Trang 714 Cho sơ đồ phản ứng:
a Viết cơ chế phản ứng và công thức cấu tạo của sản phẩm
b Gọi tên B theo R, S
Giải:
a
b B: (2R,3S)-2-phenyl-3-etylhexa-2-ol