bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học thpt chuyên đề cơ CHẾ CHUYỂN vị TRÍ của các NGUYÊN tử TRONG PHÂN tử

CHUYÊN ĐỀ: CƠ CHẾ CHUYỂN VỊ TRÍ CỦA CÁC NGUYÊN TỬ TRONG PHÂN TỬ A MỞ ĐẦU: Thông thường xét phản ứng hóa hữu cơ, đa phần phản ứng hóa học có nhóm chức thay đổi, phần gốc hiđrocacbon bảo toàn Nguyên tắc tỏ đắn việc xác định cấu trúc phân tử đường hóa học Tuy nhiên có trường hợp không tuân theo nguyên tắc đó, chẳng hạn có phản ứng, nhóm vào phân tử lại không vào chỗ vốn có nhóm trước đây, mà lại vào nguyên tử khác Hiện tượng gọi chuyển vị Như việc nghiên cứu đặc điểm, chế loại phản ứng chuyển vị có ý nghĩa quan trọng, giúp xác định cấu trúc sản phẩm, nhận dạng loại phản ứng chuyển vị cách nhanh chóng chuỗi trình phức tạp phản ứng Chính lựa chọn chuyên đề: Cơ chế chuyển vị trí nguyên tử phân tử hợp chất hữu Mục đích chuyên đề: * Giới thiệu chế loại phản ứng chuyển vị *Đề xuất số ví dụ để vận dụng cho dạng chuyển vị B NỘI DUNG: Phản ứng chuyển vị chuyển dịch nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí sang vị trí khác hợp chất hữu Dựa vào chất loại chuyển vị, ta chia dạng chuyển vị chủ yếu: • Chuyển vị 1,2: Là loại chuyển vị từ vị trí đến vị trí phân tử hợp chất hữu thuộc dãy no • Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm dãy thơm • Chuyển vị 1,3 Là loại chuyển vị từ vị trí đến vị trí phân tử hợp chất hữu thuộc dãy chưa no I Sự chuyển vị 1,2: Những trình chuyển vị nguyên tử hay nhóm nguyên tử mang theo cặp electron liên kết (hoặc dạng electrophin không mang theo cặp electron liên kết) chuyển dịch tới trung tâm khác thiếu hụt electron (hoặc đến trung tâm chứa cặp electron liên kết) I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử cacbon: I.1 Chuyển vị Vanhe- Mecvai: Trong phản ứng tách nucleophin đơn phân tử phản ứng cộng electrophin vào liên kết bội cacbon- cacbon sinh cacbocation Những cacbocation chuyển vị, làm cho nguyên tử hidro nhóm ankyl hay aryl vị trí α C+ chuyển dịch đến C+ để tạo cacbocation làm thay đổi khung C Hiện tượng gọi chuyển vị Vanhe- Mecvai Ví dụ : Viết công thức cấu tạo sản phẩm cho 3-iot-2,2đimetylbutan phản ứng với AgNO3 etanol Sản phẩm tạo thành nhiều nhất? Hướng dẫn: CH3 CH3 C CH3 Ag+ CHI CH3 CH3 C + CH CH3 CH3 + CH CH3 CH3 + CH CH3 chuyên vi CH CH3 H C CH3 HOC2H5 CH3 - CH3 CH3 C CH3 H + C C CH3 CH3 CH3 CH3 C C CH3 CH3 A CH3 CH HOC2H5 CH3 CH CH2 = C CH3 CH3 CH3 B CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 + CH C CH3 + CH CH HOC2H5 CH3 C CH = CH2 C CH3 Sự chuyển vị Vanhe- Mecvai có tính đặc thù lập thể rõ rệt Cụ thể cacbocation trung gian cacbocation tự mà cacbocation cầu nối Ví dụ: Khi cho tosylat 3- phenylbutanol-2 ( dạng erytro treo) tác dụng với axit axetic ta axetat tương ứng, với cấu hình lập thể khác nhau, tùy theo cấu hình tosylat ban đầu Me H C6H5 Me H C 6H H Me OTs H OAc + H OTs Me H AcOH Me C 6H -H+ Me H Tosylat êrytro Me Me H OAc Axetat erytro H H Me OAc C6H5 OTs H + - OTs Me Me C6H5 H AcOH H Me H Me C6H5 -H+ Me H Tosylat treo Me H Me OAc Axetat treo I.1.2 Chuyển vị Vônfơ Chuyển vị Vônfơ trình α - điazoxeton tác dụng Ag2O tạo cacben sau chuyển vị thành xêten chất có khả phản ứng cao dễ dàng tác dụng với nước (hoặc ancol) tạo sản phẩm Cơ chế: R C CH + N N Ag2O O R C CH O Cacben H 2O chuyên vi O = C = CH - R xêten HOOC - CH2 - R Trong chuyển vị Vônfơ nhóm R chuyển đến nguyên tử cacbon trung hòa với lớp vỏ electron chưa đủ cacben Ví dụ: Hãy giải thích cho axetophenon phản ứng với điazometan ta nhận benzyl metyl xeton? Hướng dẫn: Phản ứng xeton điazometan xảy theo chế : C6H5 C6H + N CH + CH3 C N + N CH C - CH O- O N - N2 C6H5 CH C CH3-C - CH2-C6H CH chuyên vi C6H5 O O Khả chuyển vị nhóm theo thứ tự: H > C6H5 > CH3 > iso – C3H7 Do sản phẩm nhận benzyl metyl xeton Ví dụ: Từ axit RCOOH viết sơ đồ tổng hợp axit đồng đẳng RCOOH R CH C SOCl2 + N RCOCl Ag2O N CH2N2 R O RCOCHN2 chuyên vi CH C O = C = CH - R O Cacben H 2O xêten HOOC - CH2 - R I.1.3 Chuyển vị pinacol- pinacolon Sơ đố chế : R1 R2 R3 C C OH Pinacol H+ R4 R1 OH chuyên dich R2 R2 R3 C C OH OH2+ - H2O R4 R2 R1 + C C OH R3 R2 R1 C + C OH R3 R4 R2 R4 H+ R1 C C O R3 R4 Pinacôlon - Trong sơ đồ chế trên, nhóm bị chuyển vị mang theo cặp electron liên kết tác nhân nucleophin, nên có hai nhóm thế, nhóm dễ bị dịch chuyển nhóm có tính đẩy electron mạnh - Trong pinacol không đối xứng, hướng chuyển vị thường định độ ổn định tương đối cacbocation trung gian Ví dụ: Khử hóa axeton Mg thu hợp chất A, môi trường axit A chuyển thành B Hợp chất B có mặt môi trường kiềm chuyển thành axit C5H10O2 iođofom Hidro hóa B C, hợp chất có mặt axit loại nước thành D Xử lí D với KMnO loãng nhận lại A Hãy xác định công thức A, B, C, D Viết chế chuyển hóa A thành B Hướng dẫn: C5H10O2 + CHI I 2, OHAxeton Mg , H+ A KMnO4 D H 2O + H+ H+ B + H2O C Vậy B phải có C dạng metyl xeton ( RCOCH 3) Loại nước A B nên A có 6C - Khử hóa axeton Mg thu hợp chất A nên A α - điol - Đề hidrat hóa chuyển vị α - điol nhận xeton B CH3 CH3 CH3 CH3 C C OH OH H+ CH3 CH3 C C O CH3 A H2 CH3 B CH3 CH3 CH CH C OH C CH3 + C CH3 CH3 CH3 - H+ H+ -H2O CH3 + CH (CH3)2C =C(CH3)2 CH3 CH3 * Cơ chế chuyển hóa A thành B: CH3 C CH3 CH3 KMnO4 CH3 CH3 CH3 C C OH OH CH3 A CH3 CH3 CH3 CH3 C C OH OH CH3 CH3 H+ CH3 -H2O CH3 C C OH OH2+ CH3 + C A CH3 CH3 CH3 CH3 C + C OH chuyên dich CH3 OH CH3 CH3 C H+ CH3 CH3 CH3 CH3 C C O CH3 B Sự chuyển vị xảy hợp chất có khả tạo cacbocation tương tự Ví dụ: CH3 CH3 CH3 C C CH3 OH Br CH3 CH3 Ag+ -AgBr CH3 CH3 CH3 CH + C + C OH OH CH3 C CH3 CH3 A H+ CH3 CH3 CH3 C C OH NH2 CH3 CH3 CH3 NaNO2,HCl CH3 C C O CH3 CH3 C C O CH3 CH3 CH3 Nếu 1,2 – diol ban đầu không đối xứng thu hỗn hợp sản phẩm, tuỳ theo ion H+ công vào nhóm OH Ví dụ: Sản phẩm ưu tiên dự đoán dựa vào cấu tạo gốc hydrocarbon bên Nhóm đẩy e mạnh dễ bị chuyển vị - Phản ứng xảy theo hướng chuyển vị mở rộng vòng: I.1.4 Chuyển vị benzilic: Chuyển vị benzilic phản ứng chuyển hóa α -đixeton thơm môi trường bazơ thành α - hidroxyaxit theo sơ đồ sau: OH- C6H5 - C - C - C6H5 C 6H C 6H O O C 6H C C O O- C6H5 C6H5 - C - C - O- C6H5 - C - C - OH O- O OH C6H5 H 3O + C6H5 - C - C - OH OH O OHO Ngoài α -đixeton thơm, số đixeton béo xêtoaxit tham gia chuyển vị benzilic Ví dụ: Hoàn thành phương trình phản ứng theo sơ đồ sau: NaCN A (C14H12O2) C6H5CHO HNO3, CH3COOH NaOH, t0 B H+ C Giải thích chế trình từ B tạo thành C? Hướng dẫn: OH NaCN C6H5CHO C6H5 C6H5 C6H5 C C O O CO CHOH (A) chuyên dich OH C6H5 C6H5 HNO C6H5 - C - C - C6H5 CH3COOH C6H5 C6H5 - C - C - OH O O (B) H+ O- O C6H5 C6H5 - C - C - OH (C) OH O I.2.Chuyển vị đến nguyên tử N I.2.1.Chuyển vị Hôpman: Một hợp chất amit nhóm tác dụng hypôbromit kiềm chuyển thành izoxyanat chất có khả phản ứng cao nên bị thủy phân thành amin bậc amit nguyên tử C Sơ đồ chế: R BrO- NH2 C C R Br NH OH - O O R N C O O C N R NH R C OH O Axit cacbamic izoxyanat O Br N C R RNH2 + CO2 Amin Giai đoạn định vận tốc phản ứng sơ đồ giai đoạn tách Br- khỏi anion bromamit Tuy nhiên chuyển dịch nhóm R xảy gần đồng thời với tách Br - tương tự phản ứng S N2 nội phân tử Như tốc độ phản ứng lớn R nhường e mạnh Sự chuyển vị Hôpman áp dụng cho amit thơm amit béo Ví dụ: Viết chế phản ứng sau: a O N Br KOH, H2O 40oC H2N-CH2-CH2-COOK O b CO-NH2 NH BrOBr Br - - O O O OH OH O OH Br N Br N N OH - Br Br - N= C=O O O O OH O O OH OH N= C O O N - OH O O C - NH O O- C O H NH O C O OH OH O O + O- O- K COOK H2 N H NH O C NH2 O b CO-NH2 CO-N-Br CO-NH-Br BrO- OH- Br Br Br NH CO-N OH O O Br C C N Br NH Br Br I.2.2 Sự chuyển vị Cuatiut: - Sự chuyển vị Cuatiut xảy phân tích nhiệt azit axit cacboxylic, tạo izoxyanat sau izoxyanat lại chuyển hóa tiếp thành sản phẩm bền Sơ đồ chế: N3 C R C R N2 O N N C O R H 2O RNH2 O Ví dụ: Hoàn thành phương trình phản ứng theo sơ đồ sau, viết chế phản ứng (1) (4): H 3C H+ du OCH3 C A H2O (1) NH H2N-NH2 B (2) HNO2 C (3) (4) D (amin bâc 1) Hướng dẫn: H+ du OCH3 C H 3C H2N-NH2 CH3COOCH3 CH3CONHNH2 NH HNO2 1.- N2 CH3CON3 CH3NH2 H2O * Cơ chế phản ứng (1): H 3C H+ du OCH3 C C H3 C OCH3 H 2O C NH2+ NH chuyên vi H+ OCH3 H3N+ CH3 CH3 CH3COOCH3 + NH3 OH+ OH OH2+ OCH3 C C CH3 OCH3 H 2N NH4+ + • Cơ chế phản ứng (4): Me C O N3 Me N2 C N H2O O C N Me MeNH2 O I.2.3Chuyển vị Becman: Chuyển vị Becman trình chuyển hóa xêtôxim dẫn xuất Oaxyl chúng tạo thành amit • Sơ đồ chế: 10 R, R C C N N R, + C H 2O N OH + OH OH2+ R, R, R H+ OH R R, O R, C C C N N NH R R R - Hóa lập thể phản ứng xác định có nhóm R vị trí anti nhóm OH bị chuyển dịch Ví dụ: Viết sơ đồ chế phản ứng sau gọi tên trình chuyển vị: 1.H2NOH caprolactam Xiclohexanon + 2.H Hướng dẫn: H2NOH H+ H 2O - H2O O N N OH2+ OH H 2O - H+ N N N + OH2+ OH 11 N O Ví dụ: Hoàn thành phản ứng sau: O NH2OH O ? H+ Trình bày chế phản ứng: O O N- OH2+ N- OH NH2OH O O OH2+ + C N H+ N O H 2O O OH C - H+ N C O O NH C O II Sự chuyển vị từ nhóm vào vòng thơm: II.1 Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm: II.1.1 Chuyển vị Frai: Chuyển vị Frai chuyển vị nhóm axyl este pheenol chuyển dịch vào vị trí octo para vòng có tác dụng axit Liuyt : AlCl3, ZnCl2, FeCl3 Sơ đồ phản ứng: 12 O OH C O R O OH AlCl3 C H3O+ R + C O R * Các kết thí nghiệm chéo cho thấy chuyển vị Frai có tính cách liên phân tử Tuy chế chuyển vị chưa xác định hoàn toàn đầy đủ Người ta cho trình chuyển vị Frai tương tự trình axyl hóa theo Friđen – Crap sau: O C O O - R +C Cl 3Al O O Cl3Al O C R R AlCl H3O+ - HCl OH O C H 3O + Cl3Al O R C O R OH H3O+ C O R Chuyển vị Frai có tính chất electrophin nên vòng có nhóm đẩy electron, phản ứng xảy dễ dàng Ví dụ: Viết sơ đồ chế trình sau: 13 O C O Me AlCl H3O+ Me Me Hướng dẫn: O C O O - Me C Cl 3Al O Me Me H3O+ - HCl Me OH Me Cl3Al O O C H 3O + Me + C Me AlCl Me O Cl3Al O Me Me Me Me C O Me OH H3O+ Me Me C O Me II.1.2 Sự chuyển vị Claizen: Khi đun nóng alyl aryl ete chuyển thành octo alylphenol theo phản ứng gọi chuyển vị Claizen Trong trường hợp vị trí octo bị chiếm nhóm alyl ete chuyển dịch đến vị trí para Nếu tất vị trí octo para bị chiếm đun nóng alyl aryl ete không xảy chuyển vị Sơ đồ chế: Ví dụ: 14 OCH2CH= CH2 OH 2000C CH2CH= CH2 90% Viết Cơ chế phản ứng sau: O CH 2 CH CH2 enol hoa chuyen vi OH O H o - alylphenol • Nếu vị trí orto bị chiếm, nhóm alyl xảy lần chuyển vị cuối chuyển vị vị trí para Ví dụ: Viết chế phản ứng sau: CH O CH Me Me CH2 O 2000C CH CH Me Me CH2 chuyen vi OH O Me enol hoa Me _ Ngoài gặp chuyển vị Claizen với ete khác alyl aryl ete Ví dụ: Viết sản phẩm phản ứng sau, cho biết loại chuyển vị: OEt O t0 [ 3,3] 15 3 OEt O EtO O Liên kết xich ma bị đứt Phản ứng thuộc loại chuyển vị Claizen Ví dụ : Thực dãy chuyển hóa sau: OH NaOH CH3COCl A + B 3.AlCl3 BF3 B C OH-.CH CCClMe2 DMF H2 2000C E D F Pd Linda OH Cho biết A có liên kết hidro nội phân tử Viết sơ đồ phản ứng Trình bày chế phản ứng từ E tạo F Hướng dẫn: ONa OH NaOH CH 3COCl AlCl3 OH OAlCl + + C-CH3 O - + Cl3Al-O-CH3OCH3 OCOCH3 SE OH O C CH + H 2O A COCH3 B 16 OH OH CH3 C OH2 CH3 + O BF3 COCH3 CH=CH CH -CH =C H - BF3 CH3 O- CH3 NaOH CH3 C COCH3 C C CH CH3 CH O-CMe2-C Cl DMF COCH3 COCH3 CH3 CH3 C O-CMe2-CH H2 CH2 CH 2000C Chuyên vi Claizen Pd Linda CH2 O H COCH3 E COCH3 OH COCH3 II.2 Sự chuyển vị từ nguyên tử nitơ vào vòng thơm: II.2.1.Chuyển vị nguyên tử halogen: Sự chuyển vị nguyên tử halogen từ nguyên tử nitơ vào vòng benzen gọi chuyển vị Octơn Ví dụ: Khi đun N-cloaxetanilit axit axetic nước có mặt hidroclorua ta o- p- cloaxetanilit.Viết sơ đồ chế phản ứng 17 HCl C6H5-N-COCH3 Cl-C6H4-NH-COCH3 Cl Cơ chế phản ứng: C6H5-N-COCH C6H 5NH-COCH + HCl + Cl Cl-C6H 4-NH-COCH3 Cl Trong sơ đồ trên, hiđroclorua tác dụng với N-cloaxetanilit tạo axetanilit clo, sau clo tác dụng với vòng thơm theo chế electrophin II.2.2 Chuyển vị nhóm arylazo: Chuyển vị nhóm arylazo phản ứng chuyển hóa điazoaminobenzen thành p- aminoazobenzen: C6H 5N=N-NHC6H HCl hoac C6H 5NH2 + HCl p - NH 2C6H 4N=NC6H5 Sơ đồ chế: C6H5N=N-NHC6H5 p- NH2C6H4N=NC6H5 C6H5N2+ + C6H5NH2 Dựa vào kiện thực nghiệm thấy chuyển vị nhóm arylazo xảy qua giai đoạn tạo thành ion arylđiazoni amin tự do, sau ion arylđiazoni tác dụng vào nhân thơm amin theo chế electrophin Trong trường hợp vị trí para bị chiếm, nhóm arylazo chuyển dịch đến vị trí orto Ví dụ: NH2 HCl N=N-C6H4CH3- p p - CH3C6H4N=N-NHC6H4-CH3- p CH3 Sơ đồ chế: HCl p - CH3C6H4N=N-NHC6H4-CH3- p p - CH3C6H4N2+ + NH2C6H -CH3- p NH N=N-C6H4CH3- p II.2.3.Chuyển vị benziđin: CH3 18 Dưới tác dụng axit mạnh, hiđrazobenzen xảy chuyển vị làm đứt liên kết nitơ-nitơ hình thành liên kết Cacbon- cacbon tạo benziđin (4,4’- điaminobiphenyl) ( khoảng 70%) lại tạo số sản phảm khác Hiện chế chuyển vị benziđin vấn đề phức tạp Tuy nhiên người ta đưa chế sau: H NH H NH H+ NH2 + H NH2 + + NH2 δ + δ + NH H2N H NH2 - H+ H H H H + NH2 NH2 III Chuyển vị 1,3 : III.1 Chuyển vị xeto- enol (đồng phân hóa tautome xeto- enol): Hiện tượng chuyển hóa tương hỗ dạng cacbonyl enol hợp chất cacbonyl chứa nguyên tử hiđro α linh động gọi tượng Chuyển vị xeto- enol hay đồng phân hóa tautome xeto- enol Sơ đồ tổng quát: C H C C O C C OH a.Cơ chế phản ứng enol hóa xúc tác axit: H+ C O C H C + - H+ C OH C OH H Bài tập: Khi có mặt axit, axetoaxetat etyl bị chuyển hóa sau: CH3-C O CH H COOEt H+ CH3-C CH COOEt OH Trình bày chế phản ứng Hướng dẫn: 19 CH3-C CH O COOEt H+ CH3-C CH - H+ COOEt CH3-C + H OHH H CH COOEt OH b.Cơ chế phản ứng enol hóa xúc tác bazơ: Dưới tác dụng chất xúc tác bazơ, hợp chất cacbonyl bị tách nguyên tử H α linh động tạo cacbanion liên hợp hay anion enolat, sau anion enolat nhận proton từ axit hay dung môi tạo thành enol Sơ đồ chế: C C O -BH + δ − C C δ − +BH + O C OH C H B Ví dụ: Khi có mặt bazơ, axetoaxetat etyl bị chuyển hóa sau: CH3-C CH O OH- COOEt CH3-C CH COOEt OH H Trình bày chế phản ứng Hướng dẫn: CH3-C O CH H COOEt - H2O OH- III.2 Sự chuyển vị alylic: CH3 C O δ − C COOET H2O CH3-C CH COOEt OH δ −H Trong phản ứng nucleophin, phản ứng electrophin dẫn xuất alylic thường xảy chuyển dịch vị trí nối đôi gọi chuyển vị alylic Khi dẫn xuất alylic cho ta hai sản phẩm thế, sản phẩm bình thường sản phẩm chuyển vị Sơ đồ : RCH=CHCH 2X X- R-CH=CH-CH2+ YR-CH=CH-CH2-Y chuyên vi alylic + R-CH-CH=CH2 YR-CH-CH=CH2 Y δ + 20 R δ + CH δ + CH CH2 R-CH=CH-CH2+ (I) + R-CH-CH=CH2 cacbocation trung gian (II) Hoặc với phản ứng electrophin tạo sản phẩm chuyển vị sau: RCH=CHCH2X + Y+ R-CH-CH=CH2 + R-CH=CH-CH2-Y Y C KẾT LUẬN Vậy, chuyên đề chuyển vị trình bày loại chuyển vị chủ yếu gồm: - Giới thiệu phản ứng chuyển vị - Trình bày sơ đồ chế phản ứng chuyển vị - Đề xuất số ví dụ minh họa cho loại chế có hướng dẫn giải chi tiết ví dụ Vì thời gian có giới hạn, nên chuyên đề không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp từ quí đồng nghiệp để chuyên đề tốt 21 ... 2000C Chuyên vi Claizen Pd Linda CH2 O H COCH3 E COCH3 OH COCH3 II.2 Sự chuyển vị từ nguyên tử nitơ vào vòng thơm: II.2.1 .Chuyển vị nguyên tử halogen: Sự chuyển vị nguyên tử halogen từ nguyên tử. .. C O R * Các kết thí nghiệm chéo cho thấy chuyển vị Frai có tính cách liên phân tử Tuy chế chuyển vị chưa xác định hoàn toàn đầy đủ Người ta cho trình chuyển vị Frai tương tự trình axyl hóa theo... II.1.2 Sự chuyển vị Claizen: Khi đun nóng alyl aryl ete chuyển thành octo alylphenol theo phản ứng gọi chuyển vị Claizen Trong trường hợp vị trí octo bị chiếm nhóm alyl ete chuyển dịch đến vị trí para