bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học thpt chuyên đề HƯỚNG KHÔNG GIAN của một số PHẢN ỨNG hữu cơ

1 A phần mở đầu I lý chọn đề tài Hóa lập thể động vấn đề vô hấp dẫn lý thú Cho đến ngời ta cha hoàn toàn giải thích đợc hai đồng phân quang học có tính chất vật lý hóa học không khác biệt nhng lại có tính chất sinh học khác hẳn Chúng ta thử tởng tợng trình tổng hợp loại biệt dợc chữa bệnh virus X, chọn phơng án tổng hợp thứ hiệu suất phản ứng cao, nhng sản phẩm tạo lại hỗn hợp hai đồng phân quang học mà tách riêng, hai đồng phân có tác dụng đến loại virus X, đồng phân tác dụng Trong phơng án thứ tạo sản phẩm có độ tinh khiết quang học cao nhng lại có hiệu suất thấp Việc lựa chọn phơng án hiển nhiên làm tăng giá thành sản phẩm lên nhiều, điều làm hãng dợc phẩm phải cân nhắc đa toán sản xuất thực tế Loại thuốc dành cho ngời nghèo sử dụng phơng án 1, ngời có thu nhập thấp phải chấp nhận đa thêm vào thể lợng biệt dợc tác dụng với virus X, chí có có hại cho thể.Tuy nhiên việc sản xuất vừa đáp ứng đợc nhu cầu ngời mua, vừa giải đợc công ăn, việc làm Ta thấy rõ ràng hớng không gian ( số) phản ứng hóa học rút có ảnh hởng sâu sắc đến vấn đề xã hội: công ăn việc làm ngời dân, khả đợc chữa bệnh ngời nghèo ngời giàu, lợi nhuận doanh nghiệp Nh việc nghiên cứu hớng không gian phản ứng cần thiết, lý vấn đề đợc a thích đề thi học sinh giỏi Hóa Học hàng năm Đây lý lựa chọn nghiên cứu đề tài hớng không gian số phản ứng hữu để đa đến hội thảo khoa học trờng chuyên khu vực Duyên Hải Bắc năm học 2013-2014 II mục đích đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu hớng không gian ( hóa lập thể) số phản ứng hữu thông dụng chơng trình thi học sinh giỏi môn Hóa học Do khuôn khổ đề tài nên lựa chọn ba phản ứng hay gặp nhất, phản ứng lại đợc đề cập đến vào dịp khác Trong phần nghiên cứu raxemic hóa, hớng không gian phản ứng hữu cơ: phản ứng nucleophin, phản ứng Diels-Alder, phản ứng cộng nucleophin , ảnh hởng cấu tạo không gian đến khả phản ứng phản ứng nêu B Phần Nội dung I Sự raxemic hóa Sự raxemic hóa biến đổi đối quang tinh khiết thành biến thể raxemic Sự raxemic hóa xảy dới tác dụng yếu tố khác nhau: thời gian, nhiệt, tác nhân khác Sự raxemic hóa xảy cách đơn giản bảo quản chất hoạt động quang học thời gian Quá trình đợc gọi tự raxemic hóa Sự tự raxemic hóa xảy chất trạng thái rắn, lỏng dung dịch Ví dụ cho tự raxemic hóa chất rắn trờng hợp axit (+)phenylbromaxetic Khi giữ thời gian khoảng ba năm axit hoàn toàn tính hoạt động quang học Song thực tế thờng raxemic hóa không tự xảy mà đợc kích thích yếu tố lý hóa Các xúc tác đợc dùng cho raxemic hóa nh tác nhân kiềm, axit Thí dụ chất 1,3,4-triphenylbutanon-2 (I) quay phải dễ dàng bị raxemic hóa có mặt axit sunfuric nhiệt độ phòng Xúc tác cho trình raxemic hóa axit halagen vị trí este ion halogen Có nhiều trình raxemic hóa trớc đợc gọi tự raxemic hóa thực tế có có tham gia vết xúc tác Chẳng hạn "tự raxemic hóa" este axit bromsuccinic ngừng lại có mặt có bạc kim loại để tơng tác với vết ion brom Hoặc nh lợng kiềm không đáng kể (ở dụng cụ thuỷ tinh khử kiềm) xúc tác đợc cho trình raxemic hóa Ví dụ axit (+)mononitrophenic (II) xyclohexanon bị raxemic hóa bình cầu thuỷ tinh khoảng 60 lần nhanh chứa chúng bình thạch anh Từ rút kết luận có ý nghĩa thực tế quan trọng làm việc với chất hoạt động quang học cần phải tránh môi trờng kiềm H OOC H OOC Cl C HO HOH C HO Cl CH CH COO COO A g2O, OOC C CH + Cl COO L-(+ )-malat H 2O H H C COO CH L-(-)-succinat O H C Cl Ag O C C CH OOC COO O O H O C C CH OH O lacton OOC H C H + H CH COO L-(-)-malat cất Sự raxemic hóa xảy dới tác dụng nhiệt chí trình chng Khả raxemic hóa chất khác Những hợp chất dễ bị raxemic hóa nh axit lactic, alanin khó raxemic hóa nh rợu amylic, - phenyletylamin Este điisobutyltactrat khó bị raxemic hóa đun nóng nhiều ngày nhiệt độ 2000C, Những hiđrocacbon có nguyên tử cacbon bậc ba bất đối xứng, ví dụ: sec-butylbenzen thực tế không bị raxemic hóa Từ ví dụ đa cho thấy hợp chất hoạt động hóa học nói chung có khuynh hớng raxemic hóa Để giải thích trình raxemic hóa có nhiều giả thiết đợc nêu Các giả thuyết thống với chỗ raxemic hóa đợc thực cách đứt liên kết để tạo trạng thái trung gian có nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp trạng thái cacbon trung tâm có ba liên kết hóa trị nằm mặt phẳng b a c Nguyên tử nhóm nguyên tử bị tách sau công trạng thái trung gian vào hai phía mặt phẳng với xác suất nh nhau, dẫn tới tợng raxemic hóa Một giả thuyết đợc nêu kỷ vừa qua chế enol hóa Cơ sở thuyết dựa vào kiện thực nghiệm sau: raxemic hóa xảy đặc biệt dễ cạnh nguyên tử cacbon bất đối có nhóm cacbonyl Ví dụ enol hóa, meton hai trung tâm bất đối xứng, chuyển enol thành dạng xeton không cấu hình ban đầu đợc hình thành mà cấu hình antipot trung tâm bất đối xứng dới đợc hình thành H3C H H H 3C O CH(CH3)2 H3C H O OH CH(CH3)2 H (CH3)2CH H Sự biến hóa menton thành isomenton biểu diễn sơ đồ xảy đặc biệt dễ có mặt kiềm Ngời ta nhận thấy trờng hợp vừa nêu, nh nhiều trờng hợp khác tác nhân làm xúc tác cho raxemic hóa đồng thời xúc tác cho enol hóa - ion hiđroxil proton Một vài chục năm trớc chế enol hóa đợc thừa nhận chế chung cho raxemic hóa, song ngời ta thấy chế chế Nhiều ví dụ raxemic hóa trớc đợc coi kết enol hóa đợc giải thích theo chế ion Chẳng hạn có mặt nhóm cacboxil, cacbonyl, nitril nhiều nhóm khác làm tăng tính axit nguyên tử hiđro vị trí làm dễ dàng cho hình thành cacbonion dẫn đến raxemic hóa (dới tác dụng bazơ) Thuộc vào hợp chất dẫn axit hiđroxiphenylaxetic (III) đồng đẳng axetophenon (IV) xeton kiểu (V) C6H5 CH COOH C6H5 OH C CH O CH3 C2H5 C6H5 CO R R' (V) (IV) (III) CH Đặc biệt tốc độ raxemic hóa xeton kiểu (V) giảm gốc R có tính chất đẩy điện tử, gốc R làm giảm khả ion hóa nguyên tử hiđro trung tâm bất đối Sự raxemic hóa xảy qua giai đoạn hình thành cacbocation R'' X R R C R' C R' X R C R'' R'' R' X Xúc tác cho trình raxemic hóa theo chế tạo thành cacbocation dùng axit Liuyt CH3 CH3 C6H5 C + Cl C6H5 AlCl3 C + AlCl4 H H Quá trình raxemic hóa nhiệt xảy theo chế hình thành gốc tự Nhờ lợng nhiệt xảy đứt đồng cực liên kết nguyên tử bất nhóm Gốc tự sinh có cấu trúc phẳng, nên kết hợp lại với nhóm vừa đứt có khả hình thành raxemat Sự raxemic hóa ancol phản ứng oxi hóa khử với hình thành hợp chất cacboxyl trung gian R R' H oxihoá C OH khử R C khử O oxihoá R' R' R C OH H Ngoài raxemic hóa xảy phản ứng nhóm đa vào đồng với nhóm bị I + C I I C I I C II Hóa lập thể phản ứng nucleophin vào nguyên tử cacbon no Hớng không gian phản ứng nucleophin vào nguyên tử cacbon no đợc thiết lập Ingold: nucleophin theo chế SN2 có làm theo quay cấu hình, theo chế S N1 thờng xảy raxemic hóa quay cấu hình phần, có mặt hiệu ứng kề phân tử phản ứng xảy với bảo toàn cấu hình Phản ứng theo chế SN2 qua trạng thái chuyển tiếp, trạng thái tác nhân tơng tác với trung tâm bất đối mà liên kết trung tâm bất nhóm bị cha bị đứt hoàn toàn Mô hình có lợi cho trạng thái chuyển tiếp nhóm (tác nhân) nhóm bị xếp đờng thẳng hai phía trung tâm bất đối (xem hình XII-1 XII-2) X Y X Y + + R2 R3 X R1 R1 Y + Y C Y X C R2 R1 X Y C R2 + X R3 R3 Hình XII-1: Hớng không gian phản ứng S N2 + Y + + C X Y C Y X sp3 + C X sp3 trạng thái chuyển tiếp giả p Hình XII-2: Sự xen phủ obitan trạng thái chuyển tiếp phản ứng SN2 Sau trạng thái chuyển tiếp hình thành nhóm X tách liên kết R-C chuyển sang phía trớc có nhóm X Sản phẩm cuối lần trở thành cấu tạo tứ diện nhng tứ diện đối xứng gơng với tứ diện ban đầu Nh hoạt tính quang học sản phẩm còn, nhng cấu hình thay đổi ngợc lại Để chứng minh đắn hớng không gian phản ứng S N2 vừa nêu trên, ngời ta tiến hành nghiên cứu raxemic hóa cho dẫn xuất halogen quang hoạt tác dụng với muối có chứa halogen phóng xạ: X + C X X C + X Khi so sánh số tốc độ raxemic hóa (k rax) với số tốc độ trao đổi đồng vị (k t, d) thấy tốc độ raxemic hóa lớn gấp hai lần tốc độ trao đổi halogen phóng xạ (k rax = 2kt.đ) Tỷ lệ nh có lần trao đổi halogen phóng xạ xảy nghịch đảo cấu hình, raxemic hóa nhanh xảy hoàn toàn sau nửa tổng số phân tử đợc thay Nhiều công trình nghiên cứu chứng minh hớng không gian phản ứng SN2 vào nguyên tử cacbon bậc nhất, bậc hai, bậc ba hoàn toàn nh sau: để nghiên cứu lập thể phản ứng vào nguyên tử cacbon bậc cần phải điều chế hợp chất quang hoạt có nguyên tử cacbon bất đối "hiđro-đơteri hóa" Thí dụ thuỷ phân kiềm hợp chất ptoluensunfonat 1-đơteroetanol nhận thấy nghịch đảo cấu hình sản phẩm sinh Trong số trờng hợp hớng không gian phản ứng SN2 phụ thuộc vào tác nhân Valđen nghiên cứu phản ứng thuỷ phân axit (S) -closuccinic (anion axit closuccinat) nhận thấy dùng KOH thu đợc axit (R)-malic (quay cấu hình) dùng Ag2O lại thu đợc axit (S)-malic (giữ nguyên cấu hình) Hiện tợng đợc giải thích nh sau: OOC H H OOC Cl C HO HOH C HO Cl CH CH2 COO COO H COO C + Cl CH COO L-(+)-malat L-(-)-succinat Ag2O, H 2O OOC O H H O C C CH Cl Ag O C C CH OOC COO O H O C C CH OH O lacton OOC H C H + H CH2 COO L-(-)-malat Khi tác dụng KOH xảy clo tác nhân nucleophin mạnh OH- đồng thời kèm theo thay đổi cấu hình (nghịch đảo Valđen) Trái lại tác dụng oxit bạc xảy hai lần quay cấy hình (hai lần nghịch đảo Valđen), lần nghịch đảo thứ xảy tạo thành lacton axit L-malic (sự clo anion cacboxil môi trờng kiềm yếu có khả tạo thành phức clo ion bạc) Trong môi trờng kiềm axit yếu -lacton bị thuỷ phân cách đứt liên kết (b), nghĩa xảy nguyên tử cacbon bất đối (nghịch đảo lần thứ hai) Kết anion axit L(-) malic đợc tạo thành Phản ứng nucleophin theo chế SN1 xẩy với raxemic hóa quay cấu hình phần Các khả vừa nêu hoàn toàn phụ thuộc vào thời gian tồn cacbocation Nh biết, cacbocation có cấu trúc phẳng giai đoạn thứ phản ứng tác nhân nucleophin công vào hai phía mặt phẳng với xác suất nh (xem hình XII-3) Kết phản ứng hình thành hỗn hợp ramêmic Thực tế đa số trờng hợp song song với raxemic hóa đa quan sát thấy quay cấu hình Điều đợc giải thích anion X- chắn (che lấp) đờng công tác nhân nucleophin vào cacbocation phẳng, Y- buộc phải u tiên công vào phía đối diện giống nh hớng theo chế SN2 Y Quay cấu hình Y Raxemic hóa (+) Bảo toàn cấu hình Y Hình XII-3: Hớng không gian Y phản ứng SN1 Nh ta thấy thời gian tồn cacbocation ít, cacbocation mau chóng phản ứng với tác nhân nucleophin, nghĩa khả chắn anion X- lớn anion cha kịp xa khỏi cacbon trung tâm, phần trăm quay cấu hình lớn Ngợc lại thời gian tồn cacbocation lớn xác suất công tác nhân nucleophin vào hai phía cao, khả raxemic hóa nhiều Thời gian tồn cacbocation lại phụ thuộc vào số yếu tố: cấu tạo cacbocation, chất tác nhân nucleophin (hoạt động hóa học), nồng độ tác nhân chất dung môi Những đặc thù hóa lập thể xuất phản ứng điều chế dẫn xuất halogen từ rợu cách cho tác dụng với halogenuaphotpho, thionylclorua photgen Tất phản ứng qua giai đoạn hình thành sản phẩm ngng tụ rợu tác nhân (trong số trờng hợp tách đợc sản phẩm ngng tụ), sau tham gia vào phản ứng nuelophin thực thụ Chúng ta xem xét phản ứng rợu thionylclorua tạo dẫn xuất halogenua ankyl có hai khả năng: C SOCl2 + OH C O SOCl + HCl (Tách đợc) Cl + C O S Cl SN2 Cl O O C S O Cl + C SO2 + Cl (1) quay cấu hình SN C Cl + SO2 (2) giữ nguyên cấu hình Khả thứ xảy dùng halogenuaphotpho, thionylclorua có mặt piriđin amin bậc ba Khả thứ hai xảy phân tử closunfit có "thế nội phân tử" (phản ứng SNi) Phản ứng nucleophin xảy với giữ nguyên cấu hình gặp phân tử có hiệu ứng kề * Phn ng SNi Trong phn ng th nucleophin loi ny thỡ thng sn phm thu c l gi nguyờn cu hỡnh s tn cụng cựng mt phớa vi nhúm i Hin c ch chuyn vũng ó b bỏc b bi nhiu lý khỏc nhau, c ch c chp nhn rng rói hin l c ch i theo s to thnh cacbocation nh hỡnh di Tuy nhiờn nu h phn ng cú mt tỏc nhõn baz nh pyridin thỡ s li cho sn phm nghch chuyn cu hỡnh nh SN2 Các halogenuahiđro dung môi không phân cực (trong điều kiện halogenuahiđro trạng thái không phân ly) tác dụng với rợu bậc nhiệt độ thấp cho halogenuaankyl u tiên giữ nguyên cấu hình Trong nớc nhiệt độ cao axit halogenhiđric tác dụng với rợu thờng tạo sản phẩm không mặt lập thể, có đồng phân vị trí sản phẩm chuyển vị khung cacbon II Hóa lập thể phản ứng Diels Alder (Phản ứng Đinxơ - Anđe) Phn ng cng úng vũng Diels - Alder l mt phn ng peri húa xy gia mt dien (4 electron pi) v mt dienophin (2 electron pi) to sn phm l vũng xiclohexen Hng ngn thớ d v phn ng Diels-Alder ó c bit n v chỳng xy mt cỏch d dng nhit phũng (hoc un núng nh) Mt vớ d n gin l phn ng gia butadien v dimetyl maleat (cis) v dietyl fumarat (trans) c dn di õy: + Dien Dienophin sản phẩm cộng Đien đienophin hợp chất mạch vòng mạch hở Ví dụ phản ứng buta-1,3-đien (đien) với anhiđrit maleic (đienophin): CO + CO O O CO CO phn ng cng xy d dng hn thỡ hai thu i xng ca hai cht phn ng phi cú tớnh i xng v cú v trớ thun li nht cú th hỡnh thnh liờn kt iu ny cú th c thc hin bi hai cỏch: Tn cụng supra (suprafacial) v antara (antarafacial) S tn cụng supra xy cỏc thu cú tớnh i xng nh nm i din cũn tn cụng antara xy mt thu ca cht phn ng nm trờn cựng mt mt phng cũn thựy ca cht cũn li nm di mt phng Xem hỡnh: i vi phn ng cng úng vũng [4+2] ny thỡ chỳng ta s xột LUMO ca dien v HOMO ca anken (Cú th chn HOMO ca dien v LUMO ca anken) S i xng ca hai trng thỏi ny thỡ dn n s tn cụng supra (xem hỡnh) S tn cụng supra lm bo ton cu hỡnh ca anken ban u cng nh dng s-cis (hai liờn kt ụi nm v mt phớa ca liờn kt n) ca dien (ch cú dng s-cis ca dien mi tham gia phn ng m thụi) cũn s tn cụng antara lm thay i cu hỡnh ca sn phm (do mt s cỏc cht ban u phi quay) Trong phn ng DielsAlder thỡ cú s bo ton cu hỡnh (do cú s tn cụng supra) Phản ứng cộng Đinxơ-Ande đợc tuân theo quy luật lập thể nh sau: 10 a Cấu tử đien phản ứng theo kiểu cộng 1,4 có cấu dạng S- cis chúng tham gia phản ứng b Quy tắc cộng cis: Đien cộng vào đienophin theo sơ đồ cộng cis (xem hình XI-6) cấu hình đien nh đienophin đợc giữ nguyên sản phẩm cộng C C C C Hình XII-6: Sơ đồ cộng cis Quy tắc cộng cis với bảo toàn cấu hình chất tham gia phản ứng minh hoạ ví dụ sau: CH3 NC C C NC NC NC H H CH3 H H H NC CN C C H H NC CN H CH3 CH3 Hiệu suất: 94% Tnc: 298 - 300oC CH3 CH3 Hiệu suất: 100% Tnc: 239 - 241oC Từ ví dụ cho thấy xếp nhóm cis- trans- đienophin đợc giữ nguyên sản phẩm Cấu hình cấu tử dien đợc giữ nguyên sản phẩm Chẳng hạn cho transtrans-1,4-điaxetoxibutadien phản ứng với vinyl cacbonat sau thuỷ phân tiếp thu đợc xyclohexentetraol; tất nhóm sản phẩm xếp vị trí cis: 12 Phản ứng cộng nucleophin vào liên kết đôi C = O tính chất đặc biệt mặt lập thể, dù cộng theo kiểu cis hay trans cuối hình thành sản phẩm nh quay tự xung quanh liên kết đơn C-O: X R C X R' R cộng trans O C R R' R' C cộng cis O O H H Nh phản ứng cộng tạo sản phẩm có nguyên tử cacbon bất đối (từ nguyên tử cacbon nhóm cacbonyl) sản phẩm hỗn hợp raxemic Song nh phân tử có sẵn nguyên tử cacbon bất đối liên kết với nhóm cacbonyl phản ứng cộng tạo hai đồng phân quang học không đối quang (đồng phân đia), có đồng phân đợc u tiên hình thành Tại Việt Nam, hầu hết tài liệu thống sử dụng quy tắc Cram để tiên đoán cấu hình sản phẩm Quy tắc Cram quy tắc kinh nghiệm, cho kết tốt nhiều trờng hợp thực nghiệm Nội dung quy tắc Cram gồm hai điểm sau: - Hợp chất cacbonyl phản ứng cấu dạng có nguyên tử oxi C=O nằm hai nhóm tích nhỏ (RN Rtb) nguyên tử cacbon bất đối nhóm R đính vào nhóm C=O nằm vị trí che khuất với nhóm tích lớn (R L) nguyên tử cacbon bất đối - Sản phẩm đợc u tiên hình thành sản phẩm tác nhân nucleophin công vào phía bị án ngữ không gian, tức phía nhóm RL RN RL RL RTb C RN RTb R OH R'MgX R H2O/H O hớng phụ RL R' C RN + RTb R' C RN C R OH hớng RL RL R H2O/H+ RTb O RN H 2O/H + R' R R'MgX R'MgX RTb OH RN cấu dạng phản ứng RL RL RTb RN R' OH R (sản phẩm phụ) (sản phẩm chính) RTb RN HO R' R 13 Thí dụ: 3-phenylbutan-2-on tác dụng với C6H5MgBr sau thủy phân tiếp cho 83% sản phẩm theo quy tắc Cram và17% sản phẩm trái quy tắc Tỷ lệ sản phẩm theo quy tắc Cram (A hay dạng erytro) trái quy tắc Cram (B hay dạng treo) phụ thuộc vào kích thớc không gian tác nhân nucleophin Khi kích thớc không gian tác nhân tăng tỉ lệ A/B (hay erytro/treo) tăng: CH CH3 C6H C6H5 C6H O R CH3 + H2O/H+ H CH3 R RMgX CH3 CH H OH H OH A (erytro) B(treo) R = CH3 R = C2H5 R = C6H5 cần ý cấu dạng tham gia phản ứng xeton cấu dạng bền Thực tế cấu dạng bền vững chúng cấu dạng có oxi C = O nằm vị trí che khuất Song theo quy tắc Curtin-Hammet cấu dạng trạng thái ý nghĩa định việc xác định thành phần sản phẩm phản ứng Trong trờng hợp xuất phát từ cấu dạng ban đầu bền (I) nhng lại hình thành trạng thái chuyển tiếp (II) bị cản trở không gian nhóm OMg(Br)R' cách xa nhóm RL : R RL R RL R'MgX R'MgX RTb O + H2O/H RN RTb RN O MgR' X Trạng thái chuyển tiếp (II) đợc hình thành trớc có công tác nhân nucleophin R'MgX giữ vai trò axit Liuyt, có khả công nguyên tử oxi C=O Ngoài mô hình phản ứng xem trên, Cram đề nghị mô hình khác cho xeton có nhóm hyđroxyl amin nguyên tử cacbon bất đối Trong trờng hợp trớc hết hợp chất kim tạo liên kết phối trí với hai nhóm chứa C=O OH (hoặc NH 2) Sau tác nhân nucêophin công nguyên tử cacbon (của C = O) từ phía hai nhóm có kích thớc không gian trung bình nhỏ theo sơ đồ sau: X OH H O R RL RN R'MgX + H2O/H O Mg O R RL RN R' OH HO RL R' R RN 14 Nếu nhóm OH NH2 có kích thớc trung bình hai mô hình phản ứng cho kết nh nhau, nhng chúng có kích thớc nhỏ dùng mô hình thứ dẫn đến kết luận không Ví dụ phản ứng dới hình thành chủ yếu dạng meso, raxemat OH H O C6H C6H CH 3Li O Li O CH OH HO CH + CH3 H 2O/H C6H5 C6H CH C6H C6H CH3 Cần lu ý quy tắc Cram dùng cho phản ứng xetôn với hợp chất kim hiđrua kim loại để tạo ancol Tuy nhiên qua phần trình bày thấy việc sử dụng quy tắc Cram gặp nhiều phức tạp, mt s d oỏn theo quy tc Cram cho kt qu sai lch vi thc t Chúng gặp khó khăn đọc quy tắc tài liệu khác nhau, đợc trình bày theo nhng quan điểm khác gây khó khăn cho giáo viên học sinh Trong chuyên đề giới thiệu thêm mô hình khác cho phép dự đoán cấu hình sản phẩm phản ứng AN vào nhóm cacbonyl: mụ hỡnh Felkin v phn ng cng Nucleophin vo andehit v xeton Trc tiờn, ta s xột mt vớ d: Tt nhiờn, gii thớch lý ti thỡ ta s phi s dng cụng thc chiu Newman xỏc nh hng tõn cụng ca cỏc Nucleophin õy l hai cu dng bn nht so vi tt c cỏc cu dng cú th cú ca hp cht ang xột Nhỡn vo mụ hỡnh bờn phi, ta thy rng cỏc tỏc nhõn nucelophin tn cụng mt gúc lch 15 30o so vi cỏc nhúm th, nh vy cú th cú kh nng xy tng tỏc khụng gian gia tỏc nhõn nucleophin vi cỏc nhúm th ny Nhỡn vo mụ hỡnh bờn trỏi thỡ tỏc nhõn nucleophin lỳc ny tn cụng hng gn vi H, tng tỏc khụng gian lỳc ny gn nh cú th b qua c Nh vy thỡ rừ rng sn phm chớnh s l sn phm nh hỡnh v bờn trỏi iu ny s dn n s to thnh cỏc ng phõn quang hc khụng i quang nh hỡnh v sau: Vi Nu l Et thỡ ta thu c kt qu phự hp Nhng iu quan trng hn l chỳng ta ó xy dng c mt mụ hỡnh, gi l mụ hỡnh Felkin , ó c xõy dng bng cỏch tớnh toỏn lý thuyt v kt qu thc nghim Trong mụ hỡnh ny thỡ vic xỏc nh cu dng no bn hn hon ton khụng cn thit na, bi vỡ cỏc kt qu thc nghim ó cho thy rng cho dự cu dng bờn trỏi (hỡnh 2) cú lng nhiu hay ớt hn hp cỏc cu dng thỡ sn phm chớnh c xy theo hng ú iu nht lu ý õy l hng tõn cụng ca tỏc nhõn nucleophin tn cụng vo nhúm C = O mt gúc l xp x 107o (cú ti liu l 109, nhng núi chung khong ú ) iu ny hai nh tinh th hc l Burgi v Dunitz tỡm c bng thc nghim vo nm 1970, gúc ny c gi l gúc Burgi - Dunitz.(ch khụng phi l 90 nh lõu ta ngh !) Cụng thc ỳng ca sn phm ca vớ d trờn c d oỏn theo mụ hỡnh Felkin nh sau: 16 Tip theo ta s xột n cỏc yu t liờn quan n mụ hỡnh v cỏch s dng tt mụ hỡnh * Nhng yu t nh hng n mụ hỡnh Felkin a) Yu t obitan Xột mt giai on quỏ trỡnh tng hp cht chng ung th Dolastatin ca Reetz: 17 Vỡ s chn lc lp th li tt n th m c hai nhúm th ca nguyờn t C alpha l NBn2 v CH(Me)Et cú kớch thc gn nh Lý õy l nh hng ca nhúm kộo electron NBn2 lờn MO ca nhúm C = O, lm cho nhúm C = O hot húa hn Nhỡn hỡnh v sau hiu rừ hn: 18 Hỡnh v trờn c gii thớch nh sau: S hin din ca nhúm C - X õm in ó lm gim nng lng ca LUMO nờn nhúm cacbonyl tr nờn hot ng hn Kh nng t hp cỏc MO ca C alpha v C (ca C = O) kh thi hn, tỏc nhõn nucleophin tn cụng vo d hn Lu ý: 1) X khụng phi l nhúm i d (vỡ nu d thỡ s xy phn ng th) 2) Cu dng n nh nht l cu dng m nhúm th cng knh vuụng gúc vi C = O, nhng cu dng phn ng mnh nht chớnh l cu dng m X vuụng gúc vi nhúm C = O (do lỳc ny nh hng ca nhúm th lờn C = O l mnh nht) b) Yu t to phc chelat (vũng cng) Thnh thong li xy phn ng kiu nh sau: 19 iu ny c gii thớch bng s to phc vũng cng gia Mg Thc nghim ó chng minh rng tớnh chn lc hng phn ng luụn tng lờn cú s to thnh trng thỏi chuyn tip vũng Chớnh vỡ vy khụng cú gỡ ngc nhiờn kt qu i ngc li vi mụ hỡnh Felkin ch ỏp dng khụng cú s to thnh trng thỏi chuyn tip vũng * Cỏch s dng mụ hỡnh Felkin 1) V cụng thc chiu Newman ca cht ban u cho cỏc nhúm th cú kớch thc ln nht hay nhúm th rỳt electron vuụng gúc vi C = O 2) Chn hng tn cụng phự hp ca tỏc nhõn nucleophin, lu ý gúc Burgi v Dunitz ( cũn tớnh ti tng tỏc khụng gian ) 3) V cụng thc chiu Newman ca sn phm theo hng tn cụng ó chn 4) Chuyn cụng thc Newman v cụng thc phng (nh mch chớnh nm trờn mt phng) Lu ý nhng iu sau lm ỳng bc 4: Nhỡn cụng thc Newman ca sn phm t trờn xung hay t di lờn, sau ú quay i mt vi liờn kt cú th thu c mch chớnh ca phõn t nm trờn mt phng) C Kết luận Điều cần nhấn mạnh với tất bạn đồng nghiệp độc giả chuyên đề toàn vấn đề lý thuyết đợc trình bày đợc trích từ tài liệu đợc xuất bản, điều đợc tác giả nghĩ phát ra! Bản thân tác giả chuyên đề dạng mọt sách, cha làm thực nghiệm phản ứng hữu đợc nêu chuyên đề Việc đa vấn đề chuyên đề đợc thực nhờ việc đọc, nghiền ngẫm tài liệu sử dụng chúng kết hợp với để nhằm mục đích đem lại cách t cách nhìn khác phản ứng hữu nói Trong thời gian gần đề thi Học sinh giỏi môn Hóa học Việt Nam phần hữu trọng nhiều đến vấn đề hóa lập thể phản ứng, điều thể xu hớng phù hợp với Quốc tế Càng ngày vấn đề đợc hỏi kỳ thi học sinh giỏi Hóa học tiệm cận đến vấn đề sống, mà thiết bỏ qua yếu tố lập thể phản ứng Vì lẽ đồng phân có tính chất lập thể khác có tác động khác biệt thể ngời động vật, vớ d nh ng phõn i quang R ca asparagin cú 20 v ngt, ng phõn S li ng Việc dự đoán đợc cấu trúc lập thể sản phẩm phản ứng ngày quan trọng hơn, có nhiều ứng dụng thực tiễn Chúng hy vọng chuyên đề giúp ích cho bạn đồng nghiệp việc giảng dạy, bồi dỡng học sinh giỏi D Bài tập minh họa Đề thi HSG QG VN- 2011 Vit cỏc ng phõn lp th ca metylxiclohexanon ng phõn no cú tớnh quang hot? Hóy gii thớch vỡ di tỏc dng ca baz, xeton quang hot b raxemic hoỏ? Hng dn giai: 4-Metylxiclohexanon: khụng quang hot CH3 H H 3-Metylxiclohexanon: quang hot CH3 O O 2-Metylxiclohexanon: quang hot CH3 CH3 O H CH3 H H * O H O * O CH3 Trong mụi trng baz tớnh quang hot ca 2-metylxiclohexanon s mt i s raxemic húa theo c ch sau õy: O CH3 H OH- OH- O O- - H2O H CH3 H-OH CH3 ICHO 44-USA-2012 Mt enzim nhõn to c thit k gn kt hai phõn t cht phn ng (diene v dienophile) di õy, v c dựng xỳc tỏc cho phn ng Diels-Alder gia hai cht ny a Cú tỏm sn phm cú th to thnh t phn ng Diels-Alder hai phõn t ny phn ng vi khụng cú enzyme tham gia i V cụng thc cu trỳc ca hai sn phm bt kỡ l cỏc phõn v trớ ca S dng ng m lin ( ) v ri ( ) th hin húa lp th ca mi sn phm cụng thc ca bn v S dng R v R nh di õy din cỏc nhúm th phõn t m khụng tham gia trc phn ng ny H N ng ng O cỏc biu N tip vo Me O O Me CO2- dienophile diene H OOC L ( - Cl C ) - CH2 COO c u s i c C O OC HO H OH a n C H Cl H HO C CH L O H Cl C H2 C CH CO O t Ag O, H OOC O O Ag O O C C H o t COO CO O ( ) + m - C O C l H C C H2 OH2 H C L H + t OOC O n OO C R l a COO CH2 c a l H CH2 COO ( m ) a + H t a l N O R' O CO2 O - Me N Me 21 ii V cụng thc cu trỳc ca hai sn phm bt k l cỏc ng phõn i quang ca S dng ng m lin ( ) v ng ri ( ) biu din húa lp th ca mi sn phm cỏc cụng thc ca bn v S dng R v R nh mc (i) iii V vo ụ di õy cụng thc cu trỳc ca hai sn phm bt k l cỏc ng phõn phi i quang (ng phõn dia) ca S dng ng m lin ( ) v ng ri ( ) th hin húa lp th ca mi sn phm cỏc cụng thc ca bn v S dng R v R nh mc (i) b Tc v s chn lc vựng (v trớ) ca phn ng Diels-Alder ph thuc vo mc bự tr electron gia hai cht tham gia phn ng Cu trỳc ca diene v dienophile ly t mc a c cho di õy i Trong cụng thc phõn t diene di õy, khoanh trũn nguyờn t carbon no c gia tng mt electron, v vy nú cú th tỏc dng nh l mt cht cho electron phn ng ny V vo ụ sau mt cu trỳc cng hng ca diene ny khng nh cõu tr li ca bn Vit tt c cỏc in tớch qui c cú giỏ tr khỏc khụng (zero) trờn cỏc nguyờn t cu trỳc cng hng ny ii Trong cụng thc phõn t dienophile di õy, khoanh trũn nguyờn t carbon no b gim mt electron, v vy nú cú th tỏc dng nh l mt cht nhn electron phn ng ny V vo ụ sau mt cu trỳc cng hng ca dienophile ny khng nh cõu tr li ca bn Vit tt c cỏc in tớch qui c cú giỏ tr khỏc khụng (zero) trờn cỏc nguyờn t cu trỳc cng hng ny O Me N Me iii Da vo kt qu v in tớch rỳt t cỏc mc (i) v (ii), hóy v cu trỳc th hin ỳng v v trớ cho mt sn phm chớnh ca phn ng Diels-Alder gia diene v dienophile ó cho khụng cú xỳc tỏc tham gia Trong hỡnh v, bn khụng cn biu din húa lp th ca sn phm c Hỡnh v di õy ch cỏc cht tham gia phn ng Diels-Alder chỳng liờn kt vi trc chỳng chuyn sang trng thỏi chuyn tip to sn phm vựng (tõm) hot ng ca enzim nhõn to Vựng mu xỏm biu din mt ct ngang enzyme Dienophile nm phớa di mt phng ct ngang, cũn diene nm phớa trờn mt phng ct ngang, hai phõn t ny gn kt vựng hot ng V cu trỳc ca sn phm ca phn ng xỳc tỏc enzyme Khi v cụng thc ny, hóy th hin húa lp th ca sn phm hỡnh v ca bn v s dng R v R nh cõu hi a 22 Hng dn giai: a) R' R i) R' R R' ii) R R' R 23 R' R' R iii) R b) - H N O H + O O O CO2- CO2- i) N + O O N N Me ii) Me R' R iii) c) R' R ICHO42-Japan-2010 Kh mt nhng nhúm cacbonyl ca hp cht A to thnh hp cht B cú hai ng phõn lp th B1 v B2 Sau tỏch cỏc ng phõn ny, thc hin phn ng kh liờn kt 24 cacbon-cacbon to thnh hp cht C, cng l hn hp ca hai loi ng phõn lp th tng ng t B1 v B2 Bng cỏch tỏch cỏc ng phõn, thu c bn loi sn phm Cij (i, j = 1, 2) Hn na, bn sn phm ny c kh mt nhúm cacbonyl khỏc thnh hp cht D, m li thu c hn hp hai loi ng phõn lp th mi phn ng Sau tỏch cỏc ng phõn lp th ca mi phn ng, thu c tỏm loi sn phm Dijk (i, j, k = 1, 2) H H O O H OH O O A H OH OH HO B C D a) Cú bao nhiờu hp cht ging tỏm loi sn phm Dijk (i, j, k = 1, 2)? Nu c, hóy v cu trỳc ca tt c cỏc hp cht ú b) Cú bao nhiờu hp cht cú s quay quang v nguyờn tc bng khụng s tỏm loi sn phm Dijk (i, j, k = 1, 2)? Nu c, hóy v cu trỳc ca tt c cỏc hp cht ú c) Cú bao nhiờu hp cht l cp ng phõn quang hc s tỏm loi sn phm Dijk (i, j, k = 1, 2)? Nu c, hóy v cu trỳc ca tt c cỏc hp cht ú Hng dn giai: a) H HO H OH or H HO OH H b) H HO H OH HO H OH H c) H HO H H OH and HO OH H ICHO42-Japan-2010 Axit Shikimic khụng nhng l cht trung gian quan trng i vi sinh tng hp, m cũn l cht phn ng bt i hu dng sn xut cỏc dc phm cú giỏ tr khỏc vỡ phõn t ca axit shikimic cha nhiu cacbon bt i Ngy nay, Tamiflu l mt dc phm c bit c ch s lan truyn virut cỳm v cú th c tng hp t axit shikimic cú ngun gc t qu anit hỡnh t nhiờn (Illicium verum) Mt phn ca s tng hp c cho di õy : 25 CO2H CO2C2H5 [a] [c] [b] OH HO OH HO OH OH O OH O C2H5 shikimic acid CO2C2H5 [e] [d] OH C2H5 C2H5 CO2C2H5 [f] O N3 O OH CO2C2H5 C2H5 C2H5 [A] O OSCH3 O O CO2C2H5 C2H5 C2H5 NH O O OSCH3 O C2H5 C2H5 C2H5 C2H5 O C2H5 CO2C2H5 Et3SiH/TiCl4 CO2C2H5 CO2C2H5 C2H5 N3 O C2H5 NH2 NH2 H3PO4 O NHCOCH3 TamifluTM a) Hóy cho bit nhng thuc th húa hc cn thit chuyn húa a, b, c, d, e, v f s chuyn húa trờn b) Hóy cho bit c ch phn ng cho chuyn húa b c) Hóy cho bit cu trỳc phõn t ca cht trung gian A d) Tamiflu cú th cú bao nhiờu ng phõn lp th ? Hng dn giai: a) a: EtOH / SOCl2 b: 3-pentanone / H+ c: MeSO2Cl / Et3N d: NaHCO3 e: NaN3 / NH4Cl f: NaN3 / NH4Cl b) C2H5 O O C C C HO C2H5 C2H5 O OH C2H5 c) CO2H C2H5 O OH CO2H CO2C2H5 C 2H O C 2H C2H5 O d) isomers ICHO38- KOREA: Tng hp aminoaxit C2H5 C C2H5 O OH O HO HO HO HO A: H H H H O CO2H CO2H 26 Cl Cl Cl OH- A Cl O N B O CCl3 OH OH- B CCl3 O (C8H6OCl2) BH O N3MeOH D C (C9H9N3O2) (C8H6N3OCl) i) H2O ii) H2, Pd/C E (C8H9NO2) V cu trỳc ca cỏc cht t A - E v ch rừ cu trỳc húa hc lp th tuyt i ca D v E (ghi rừ quy c R/S) Hng dn giai: A B C NH2 O E D configuration : OH CH3 O O Cl O O Cl Cl OH Cl N3 N3 O Cl S tài liệu tham khảo 1) Jonathan Clayden - Organic Chemistry - Oxford, 2000 2) Control in Organic Chemistry, lectures - 12 - Dr David Spring - Cambridge University 2003 3) C S Húa hc hu c - PSG TS Thỏi Doón Tnh - NXBKHKT 2002 4) Organic Chemistry - Prof John McMurry - Thomson Brookscole 2004 5) Cycloaddition in Organic Chemistry-Wiley 2002 6) Hóa học hữu - Gs TS Đặng Nh Tại, Ngô Thị Thuận NXBKHKT 2008 ... đề thi Học sinh giỏi môn Hóa học Việt Nam phần hữu trọng nhiều đến vấn đề hóa lập thể phản ứng, điều thể xu hớng phù hợp với Quốc tế Càng ngày vấn đề đợc hỏi kỳ thi học sinh giỏi Hóa học tiệm... nêu chuyên đề Việc đa vấn đề chuyên đề đợc thực nhờ việc đọc, nghiền ngẫm tài liệu sử dụng chúng kết hợp với để nhằm mục đích đem lại cách t cách nhìn khác phản ứng hữu nói Trong thời gian gần đề. .. R C OH H Ngoài raxemic hóa xảy phản ứng nhóm đa vào đồng với nhóm bị I + C I I C I I C II Hóa lập thể phản ứng nucleophin vào nguyên tử cacbon no Hớng không gian phản ứng nucleophin vào nguyên