skkn các PHẢN ỨNG CHUYỂN vị QUAN TRỌNG TRONG TỔNG hợp CHẤT hữu cơ ( bồi DƯỠNG học SINH GIỎI cấp THPT)

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG TRONG TỔNG HỢP CHẤT HỮU CƠ... Trong phạm vi đề tài này, Tôi đã đề cập đến các loại phản ứng chuyển vị quan trọng thường gặp tro

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI

Đơn vị Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh

Mã số:

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG

TRONG TỔNG HỢP CHẤT HỮU CƠ

( BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CẤP THPT)

Người thực hiện: GV Nguyễn Minh Thư

Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN

 Mô hình  Đĩa CD (DVD)  Phim ảnh  Hiện vật khác

(các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm)

Năm học: 2015 - 2016

BM 01-Bia SKKN

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

––––––––––––––––––

1 Họ và tên: Nguyễn Minh Thư

2 Ngày tháng năm sinh: 30 – 10 - 1974

8 Đơn vị công tác: THPT chuyên Lương Thế Vinh

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Thạc sỹ

- Năm nhận bằng: 2001

- Chuyên ngành đào tạo: hóa hữu cơ

III KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Hóa

Số năm có kinh nghiệm: 14

- Các sáng kiến kinh nghiệm (chuyên đề) đã có trong 5 năm gần đây:

o 1 số hiệu ứng hóa học trong hóa học hữu cơ

o Một số vấn đề quan trọng về đại cương hóa hữu cơ và các hợp chất

Tên SKKN ‘CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG TRONG TỔNG

HỢP CHẤT HỮU CƠ ’

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Để tổng hợp hợp chất hữu cơ, các nhà khoa học luôn nghiên cứu tìm ra con đường

ngắn nhất, đạt hiệu suất cao nhất Trong các quá trình phản ứng, hiện tượng

chuyển vị xảy ra trong 1 số trường hợp đặc biệt Trong phạm vi đề tài này, Tôi đã

đề cập đến các loại phản ứng chuyển vị quan trọng thường gặp trong phản ứng hóa hữu cơ, về mặt lý thuyết sẽ giúp chúng ta dự đoán và giải thích được sản phẩm sinh ra khi thực hiện phản ứng giữa các chất mà có khả năng xảy ra sự chuyển vị Với vai trò là giáo viên giảng dạy hóa học chuyên sâu và BDHSGQG, Tôi nhận thấy việc viết chuyên đề này là rất cần thiết, vừa làm tài liệu để học sinh chuyên hóa tham khảo & luyện tập, vừa làm tư liệu cho giáo viên dạy chuyên hóa hữu cơ Chuyên đề gồm 2 phần chính:

- Phần 1: giới thiệu các loại phản ứng chuyển vị, điều kiện xảy ra đối với từng loại,

cơ chế phản ứng, và các ví dụ minh họa

- Phần 2: bài tập để giúp HS rèn luyện, củng số kiến thức lý thuyết

Qua sự đúc kết kinh nghiệm bản thân, tổng hợp kiến thức trong nhiều năm giảng dạy và BD HSG, Tôi hy vọng chuyên đề này sẽ là tài liệu hữu ích cho học sinh các lớp chuyên hóa trong quá trình học tập nâng cao kiến thức

II CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN

- Hóa học là môn khoa học thực nghiệm, sau rất nhiều công trình nghiên cứu của

các nhà khoa học trên thế giới trong lĩnh vực liên quan đến hóa hữu cơ thì hiện tượng chuyển vị là 1 trong những thành tựu nổi bật về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm Trong quá trình bồi dưỡng HSG chuyên sâu về hóa hữu cơ, từ những phản ứng đơn lẻ, chuổi phản ứng tích hợp, giải thích các quá trình hình thành sản phẩm

… liên quan rất nhiều đến quá trình chuyển vị

- Hiện nay, sách tham khảo dành cho học sinh, sinh viên chuyên hóa tương đối nhiều, nhưng chưa có tài tiệu nào tổng hợp đầy đủ về vấn đề này Chuyên đề Tôi soạn dựa trên các tài liệu khoa học có uy tín trên thế giới, các trang web chuyên về hóa học, các công trình đã dược công bố, các bài tập được chọn lọc để học sinh rèn luyện và đã có kết quả khả quan trong các kì thi Quốc gia trong những năm vừa qua

III TỔ CHỨC THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP

- Chuyên đề được thực hiện bắt đầu từ sự thu thập tài liệu liên quan, chắt lọc kiến thức, sắp xếp có hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Cơ chế của từng loại phản ứng tương đối đầy đủ, các ví dụ minh họa kèm theo để giúp người đọc tiếp thu dễ dàng

- Xây dựng hệ thống bài tập để Học sinh vận dụng kiến thức lý thuyết, rèn luyện tính tư duy, phán đoán, suy luận giải quyết vấn đề

- Đưa ra 1 số gợi ý, đáp án để HS kiểm chứng

BM03-TMSKKN

IV HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI

Chuyên đề đã được triển khai trong giảng dạy và BD ĐT Olympic khu vực

& HSGQG trong 4 năm gần đây đạt kết quả rất khả quan và sử dụng làm tài liệu học tập cho HS chuyên hóa tại trường

V ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG

Chuyên đề có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho HS và GV chuyên hóa học

VI DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 GSTS Trần Quốc Sơn (2010) Tài liệu chuyên hóa học 11- 12, tập 1 , NXBGD

4 Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren & Peter Wothers (2012)

Organic chemistry , Mc Graw-Hill

5 Jie Jack Li (2006) Name reactions, fifth Edition , Sringer

6 Alfred Hasser – C Stumer (2002) Organic syntheses based on name reactions,

Volume 22, Pergamon

7 V.K Ahluwalia & Rakesh K Parashar (2010) Organic reaction

mechanisms (Fourth Edition) , Narosa Publishing House

8 http://www.organic-chemistry.org/

9 Merck & Co., Inc., Whitehouse Station, NJ, USA, 2011.

10 CHEMISTRY EDUCATION: research and practice in europe 2002, Vol

3, No 1

NGƯỜI THỰC HIỆN

Nguyễn Minh Thư

LỜI MỞ ĐẦU

Hóa hữu cơ là 1 môn khoa học ứng dụng cao trong cuộc sống Các phương pháp tổng hợp, bán tổng hợp các chất sử dụng trong nhiều lĩnh vực : dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm, nông nghiệp… luôn được các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu

Phản ứng chuyển vị là 1 trong những phản ứng rất quan trọng trong tổng hợp hữu

cơ Sau nhiều năm giảng dạy, bồi dưỡng HSG chuyên hóa, Tôi nhận thấy viết 1 chuyên đề hoàn chỉnh về vấn đề này rất cần thiết

Chuyên đề này vừa là tài liệu để các bạn đồng nghiệp tham khảo, vừa được sử dụng như là giáo trình để học sinh chuyên hóa học tập

Với sự kết hợp kinh nghiệm bản thân, các tài liệu quý đang có và nguồn tài liệu, các trang web phong phú, tin cậy trên internet Tôi đã hoàn tất chuyên đề 1 cách tương đối

Do điều kiện về thời gian hạn hẹp, chuyên đề có thể còn sai sót, rất mong quý đồng nghiệp góp ý kiến để chuyên đề đạt chất lượng hơn

PHẦN 1 CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG TRONG TỔNG

HỢP HỮU CƠ

Chuyển vị là quá trình chuyển dịch nội phân tử một nguyên tử, 1 nhóm nguyên tử hay 1 liên kết từ 1 nguyên tử này (vị trí chuyển đi) sang 1 nguyên tử khác ( vị trí chuyển đến) để tạo thành sản phẩm đồng phân của sản phẩm bình thường

Một số loại phản ứng chuyển vị quan trọng:

+ Chuyển vị 1, 2: vị trí chuyển đi và vị trí chuyển đến ở cạnh nhau

+ Chuyển vị 1,3 (thuộc dãy không 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 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử chuyển đi mang theo cả cặp electron

I.1.1 Chuyển vị đến nguyên tử cacbon

a Chuyển vị Wagner-Meerwein:

Chuyển vị nguyên tử hidro, gốc ankyl, aryl đến vị trí C+

tạo cacbocation bền hơn Loại chuyển vị này thường gặp ở phản ứng tạo cacbocation trung gian : anken có xúc tác H+ , phản ứng tách hoặc thế của dẫn xuất halogen, ancol có xúc tác axit, amin/HNO2

CH3CH - CH2- CH3

H chuyeån vò H 1, 2

CH3

+ (beàn hôn)

CH3C - CH=CH2 + HCl

CH3

CH3C - CH- CH3

CH3+

CH3C - CH- CH3

chuyeån vò goác ankyl 1, 2

H2O

OH

Ví dụ 4:

* Nhóm chuyển vị đóng vai trò như 1 tác nhân nucleofin nên nhóm nào đẩy e

mạnh hơn sẽ ưu tiên chuyển dịch:

Phản ứng phân cắt liên kết C – OH xảy ra ưu tiên theo hướng tạo ra cacbocation

trung gian tương đối bền hơn

c Chuyển vị Wolff :Phản ứng chuyển hóa α-diazoxeton thành xeten, sau đó tác

dụng với H2O tạo ra axit hoặc tác dụng với ancol tạo este…

R2

C O OR

R2O

Ứng dụng tổng hợp Arndt-Eister: Clorua axit tác dụng với diazometan, phân hủy

sản phẩm bằng cách đun nóng với Ag2O tạo ra xeten, cho xeten tác dụng với nước

được axit có số nguyên tử cacbon tăng 1 so với clorua axit ban đầu:

R C

Cl

O

+ 2CH2N2-(CH3Cl, N2)

CHN2O + Ag2O

- N2

H2O

CH2 C OH

O R

I.1.2 Chuyển vị đến nguyên tử Nitơ

a Chuyển vị Beckmann : chuyển hóa hợp chất oxim thành amit N – thế

R1R2C=N-OH → R1CONHR2 hoặc R2CONHR1 ( xúc tác: H2SO4, CF3COOH, SOCl2, PCl5…)

Ví dụ:

Chuyển

vị nhóm R- 1,2

xiclohexanon Xiclohexan oxim ε-caprolactam

(95%)

Cơ chế chuyển vị Beckmann:

xứng (có đồng phân hình học) nhóm bị chuyển vị ở vị trí anti với nhóm -OH

Điều chế hợp chất azid từ clorua axit và Natri azua:

Cơ chế chuyển vị Curtius:

Amin

Ví dụ :

Bazơ liên hợp của amit

Chuyển vị gốc R sang nguyên tử N

Chuyển vị gốc R sang

nguyên tử N

d Chuyển vị Lossen

e Chuyển vị Schmidt: Phản ứng chuyển hóa axit cacboxylic thành amin qua chất

trung gian là isocyanat (có sự dịch chuyển gốc ankyl sang nguyên tử N hình thành

liên kết mới), và chuyển hóa hợp chất xeton thành amit

Xúc tác sử dụng là H2SO4 hoặc axit Lewis

Cơ chế chuyển vị Schmidt:

Cơ chế 2:

Ví dụ:

I.2 Chuyển vị 1, 2 electrofin, đồng li

Nhóm chuyển vị không mang theo cặp electron liên kết (đóng vai trò như tác nhân electrofin), tạo liên kết mới với cặp eletron của nguyên tử chuyển đến

a Chuyển vị Stevens: chuyển hóa muối amonium hoặc sunfonium thành hợp chất

amin hoặc thioete dưới tác dụng của bazơ mạnh

Chuyển vị gốc R đến N

Chuyển vị gốc R’ đến N Axit cacboxylic

Chuyển vị Wittig [2, 3]: tổng hợp ancol homoanlylic từ các anlyl ete

Ví dụ:

2 Tautome xeto - enol: Sự chuyển hóa giữa hợp chất enol và xeto

Enol và xeto (các tautome) là các hợp chất đồng phân cấu tạo, tồn tại trong 1 bân bằng được xác định bởi độ bền của các tautome dưới xúc tác H+

Axetylaxeton Có sự liên hợp và liên kết H nội phân tử Nếu dung môi là benzen : 6 % 94%

Nếu dung môi là nước : 89% 19%

III CHUYỂN VỊ VÀO VÒNG THƠM

Các nhóm 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 Claizen: Xảy ra khi đun nóng ete anlyl

Sơ đồ tổng quát

Cơ chế phản ứng:

* Với xúc tác axit:

- Chuyển hóa hợp chất xeto thành với enol xúc tác axit:

- Chuyển hóa hợp chất enol thành xeto với xúc tác axit:

* Với xúc tác bazơ: chuyển hóa xeto thành enol

Cơ chế phản ứng:

b Chuyển vị Fries: Chuyển vị nhóm axyl trong este của phenol vào vòng thơm

dưới xúc tác axit Lewis (AlCl3, FeCl3 )

Cơ chế phản ứng:

Ở nhiệt độ thấp, ưu tiên chuyển vị vào vị trí Para

và

Ví dụ:

Nếu vòng thơm có sẵn nhóm đẩy e (hoạt hóa vòng) thì chuyển vị Fries càng dễ

c Chuyển vị Hofmann-Martius: chuyển hóa hợp chất N- ankylanilin thành octo,

b Chuyển vị nhóm sunfo – SO 3 H của C 6 H 5 NHSO 3 H

Khi đun nóng anilin với H2SO4 đặc:

Axit sunfanilic

c Chuyển vị nhóm arylazo ArN=N- của C 6 H 5 NH – N = N – Ar

Đun nóng điazoaminobenzen C 6 H 5 NH – N = N – Ar với anilin dư và HCl sẽ xảy ra

sự chuyển vị nhóm ArN=N- vào vị trí para

d Chuyển vị Bamberger: Là phản ứng giữa hợp chất N-phenylhidroxylamin với

axit mạnh nguyên chất tạo hợp chất 4 - aminophenol

Cơ chế phản ứng:

e Chuyển vị Fischer-Hepp ( chuyển vị nitrosamin): Sự chuyển vị của nhóm

nitroso trong hợp chất Nitrosamin chứa nhân thơm đến vị trí para

Nitrosamin p- nitrosoarylamin

Cơ chế phản ứng:

f Chuyển vị Hayashi

Sự chuyển hóa hợp chất axit o-benzoylbenzoic với sự có mặt của axit sunfuric

hoặc P2O5:

IV MỘT SỐ PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG KHÁC

bazơ để hình thành 1,3-đixeton

Cơ chế phản ứng:

Ví dụ:

2 Chuyển vị Benzidine (chuyển vị Semidine) : Với xúc tác axit, hợpc chất

hydrazobenzen có sự chuyển vị thành hợp chất 4,4′-diaminobiphenyl

Cơ chế phản ứng:

bazơ

7 Chuyển vị Ladenburg: Thermal rearrangement of an alkyl- or

benzylpyridinium halide to an alkyl- or benzylpyridine:

Muối halogen của ankyl- hoặc benzylpyridin

8 Chuyển vị Perkin:

3-halocoumarin benzofuran

Ví dụ:

9 Chuyển vị Tiffeneau-Demjanov

t

2 Hãy cho biết sản phẩm chính khi tiến hành đehiđrat hoá đimetylxiclohexanol trong môi trường axit Dùng mũi tên cong để giải thích cơ chế phản ứng

2,2-3 Dùng mũi tên cong chỉ rõ cơ chế chuyển 7-dehydrocholesterol (I) thành vitamine D3 (II) và cho biết cấu dạng bền của nó Biết trong công thức dưới đây: R là: -CH(CH3)-(CH2)3-CH(CH3)2

4 Có một phản ứng chuyển hóa theo phương trình sau:

Giải thích cơ chế

5 Viết cơ chế của phản ứng phản

ứng:

H2N-CH2-CH2-COOK KOH, H2O

40 oC O

O

N Br

6 Viết cơ chế của phản ứng các phản ứng sau:

a

b

c

d

7 Khử xitral rồi chuyển hoá sản phẩm A theo sơ đồ:

Viết công thức cấu tạo của A, B, C và hoàn thành sơ đồ các phản ứng Giải thích quá trình chuyển hóa tạo thành C

8 Từ tinh dầu bạc hà người ta tách được (-)-menton

(trans-2-isopropyl-5-metylxiclohexanon) Khi chế hóa (-)-menton với axit hoặc kiềm, nó chuyển một phần thành xeton đồng phân (+)-isomenton Khi chế hóa (-)-menton với anhiđrit axetic trong dung dịch natri axetat thì thu được hai đồng phân A và B có công thức phân tử C12H20O2

- Vẽ các cấu trúc đồng phân lập thể của (-)-menton

- Dùng công thức cấu trúc, hãy giải thích sự tạo thành (+)-isomenton, A và B từ menton

(-)-9 Viết công thức cấu trúc các dạng enol của dietylmalonat (1), etylaxetoaxetat (2), penta – 2,4 - dion Trong các cấu trúc của (2), cho biết dạng nào bền nhất, dạng nào kém bền Giải thích?

như các hoạt tính sinh học: chông oxi hóa, kháng tế bào ung thư, kháng viêm, … Curcumin tồn tại ở 2 dạng : ceto và enol, nhưng cấu trúc dạng enol ổn định hơn về

Trình bày cấu trúc dạng enol, biết dạng ceto của Curcumin như sau:

dụng của xúc tác bazơ mạnh, hợp chất cacbonyl chuyển hoá thành ion enolat Viết công thức các sản phẩm enolat tạo thành từ 2-metylpentan-3-on (A) và so sánh độ bền của chúng (QG - 2013)

O O

O

So sánh khả năng enol hóa của các hợp chất trên Giải thích ngắn gọn

13 Cho các hợp chất cacbonyl sau:

O

H

A

Me Me

H Me

O

Ph Me H

Ph O

D

Me H

Nguyên tử hiđro trong nhóm OH enol phân li tạo anion enolat theo cân bằng sau:

So sánh (có giải thích) giá trị pKe của các hợp chất A, B, C và D đối với quá trình

enol hóa xảy ra với các nguyên tử hiđro được đánh dấu (*) (QG- 2014)

14 1 Hợp chất A (C10H18O) được phân lập từ một loại tinh dầu ở Việt Nam A

không làm mất màu nước brom và dung dịch thuốc tím loãng, cũng không tác dụng

với hydro có xúc tác Ni, nhưng lại tác dụng với HCl đậm đặc sinh ra 1–clo–4–(1–

clo–1–methylethyl)–1–methylxyclohexan Hãy đề xuất cấu trúc của A

Hợp chất B (C10H20O2 ) có trong một loại tinh dầu ở Nam Mỹ Từ B có thể tổng

hợp được A bằng cách đun nóng với axit

a Viết công thức cấu tạo và gọi tên B

b Dùng công thức cấu trúc, viết phương trình phản ứng và trình bày cơ chế đầy đủ

của phản ứng tổng hợp A

2 Hợp chất B thường được điều chế từ C (2,6,6–trimethylbixiclo[3.1.1] hept–2–

en) có trong dầu thông Dùng công thức cấu tạo, viết phương trình phản ứng và chỉ

rõ các liên kết của C bị đứt ra

3 Trong cây long não có hợp chất D tên là 1,7,7–trimetylbixiclo[2.2.1] heptan–2–

on Viết sơ đồ các phản ứng tổng hợp D từ C và cho biết cơ chế của giai đoạn đầu

15 Longifolen là một sesquitecpen có trong thành phần nhựa thông và tinh dầu

của một số cây lá kim, được dùng trong công nghiệp hương liệu, mĩ phẩm, Chất

Y được sử dụng để tổng hợp longifolen Từ xiclopentađien, chất Y được tổng hợp

theo sơ đồ sau:

h 

3 H 3 O+

- Xác định các chất I, K và M

- Xác định công thức cấu tạo của enamin X, biết X chứa vòng 6 cạnh

16 Viết công thức cấu tạo của các hợp chất hữu cơ A, B, C… để hoàn thành các

(C8H6O2)