TỔNG hợp hữu cơ tập 1 NGUYỄN THANH BÌNH

Do vậy, các nhà khoa học luôn phát mình ra những phản ứng hóa học mới, các tác nhân và những chất xúc tác giúp cho phản ứng đại được hiệu suất cũng như tính chọn lọc cao trong đó có ch

Nguyễn Thanh Bình, Đặng Thanh Tuấn, Triệu Quý Hùng Trần Quang Hưng, Đặng Thanh Tùng, Trần Thị Phương Thảo

Chủ biên: Nguyễn Thanh Bình, Đặng Thanh Tuấn

Nguyễn Thanh Bình, Đặng Thanh Tuan, Triệu Quý Hùng

Trần Quang Hưng, Đặng Thanh Tùng, Trần Thị Phương Thảo

Chủ biên: Nguyễn Thanh Bình, Đặng Thanh Tuấn

Chịu trách nhiệm xuất bản: ` ĐỒNG KHẮC SỦNG

Trình bày bìa : NGOC TUAN

NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT

70 Trần Hưng Đạo, Hà Nội

——————

XI n

In 300 bản khổ 19 x 27cm, tại Xí nghiệp lh'NXB Văn hóa Dân tộc

Số đăng ký kế hoạch XB: 235 — 2012/CXB/405.1 - 13/KHKT, ngày 06/3/2012 Quyết định XB số: 42/QĐXB — NXBKHKCF/ký ngày 16/6/2012,

In xong và nộp lưu chiểu Quý II! năm 2012, -: - t2 Ÿ

L ỜI NÓI ĐẦU

Trong ngành Hóa học thì tổng hop hitu co la một lĩnh vực quan trọng Tổng hợp hữu cơ luôn đồng một vai trò thiết yếu trong việc phát triển các dược phẩm, hóa

chất bảo vệ và kích thích sinh trưởng thực vật, vật liệu mới Do vậy, các nhà

khoa học luôn phát mình ra những phản ứng hóa học mới, các tác nhân và những

chất xúc tác giúp cho phản ứng đại được hiệu suất cũng như tính chọn lọc cao

trong đó có chọn lọc về mặt lập thể Đây là điều có ý nghĩa sống còn đặc biệt với các chất có hoại tính sinh học quý, các chất dùng để sản xuất thuốc và là những sản phẩm có thể thương mại hóa

Ở Việt Nam lĩnh vực tổng hợp hữu cơ nói chung và tổng hợp hóa dược nói riêng còn ở mức phát triển thấp Song, để có thể phái triển mạnh mẽ ngành công nghiệp được, công nghiệp hóa dầu trong những năm tới thì chắc chắn chúng ta phải đẩy mạnh công lác đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ Tuy nhiên,

các tài liệu về lĩnh vực tổng hợp hữu cơ tiếng Việt nước ta hiện nay không nhiều,

nhìn chưng chưa đáp ứng được như cầu về đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực nay Cudn sách ``Tổng hợp hữu cơ, tập I“” của nhóm tác giả trẻ, đây nhiệt huyết Đặng Thanh Tuấn, Nguyễn Thanh Bình, Triệu Quý Hùng, Đặng Thanh Tùng, Tran Thị Phương Thảo, Trần Quang Hung sẽ giới thiệu cho chúng ta một số phản ứng quan trọng trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ hiện đại, Đây là mội tập thể các tác giả

hấu hết đã có nhiều năm học tập và nghiên cứu chuyên sâu sau Tiến Sỹ tại nước

ngoài trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ

Tập 1 của cuốn sách gầm có Š chương như sau:

Chương I: Hóa học lập thể và hiệu ứng cấu trúc

Đo NCS Triệu Quý Hùng viết

Chương II: Tác nhân cơ lithi và cơ magie trong tổng hợp hữu cơ

Do TS Đặng Thanh Tuần, TS Đặng Thanh Tùng, TS Trần Thị Phương Thảo, NCS Trần Quang Hung viết

Chuong II:

Cac phan itng tao lién kết C-C sử dụng hóa học Enolat

Do TS Dang Thanh Tuần, TS Dang Thanh Ting, TS Trén Thi Phuong Théo,

NCS Tran Quang Hưng viết

Chương IV: Phản ứng Diels-Alder và ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ

Do TS Nguyễn Thanh Bình viết

Chương V: Phản ứng cộng vòng lưỡng cực của Nitron

Đo TS Nguyễn Thanh Bình viết

Với cách trình bày đẹp, văn phong sáng sửa, mạch lạc, nội dụng phong phú với các kiến thức được cập nhật tôi tin rằng cuốn sách sẽ đóng góp một phân nào đó vào công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học của chúng ta trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ

Xin trân trọng giới thiệu với bạn đọc cuồỗn sách này

Hà Nội ngày 28 thẳng 8 năm 2010

GS TSKH Trần Văn Sung

Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Khoa học Tổng hợp Hữu cơ luôn dựa vào sự phát minh và phát triển các phương

pháp tổng hợp mới cũng như các tác nhân, các chất xúc tác hiệu quả Tổng hợp hữu

cơ đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các loại dược phẩm mới Từ khi phát hiện ra penicillin, một lượng lớn các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học đã được phân lập và xác định cấu trúc Cho đến nay, rất

nhiều hợp chất thiên nhiên đã trở thành các thuốc quan trọng như atorvastatin®, vancomycin®, erythromycin®, mitomycin®, paclitaxel® (Taxol®), Tuy nhiên, các dược phẩm có nguồn gốc thiên nhiên thường không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng của con người về số lượng cũng như tính phong phú về cầu trúc, cho nên các nhà khoa học luôn phải nghiên cứu và cải tiến những con đường tổng hợp các hợp chất thuốc này để có thể sản xuất với lượng lớn, có cấu trúc đa dạng như ý muốn nhằm tăng hoạt tính chữa bệnh đồng thời giảm tác dụng phụ không mong muốn Bên cạnh những ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm, tổng hợp hữu cơ đóng vai trò quan trọng không kém trong các lĩnh vực khoa học khác như tổng hợp các loại vật

liệu mới, đác chất phụ gia thực phẩm, hóa chất bảo vệ mùa màng, các chất điều hòa

sinh trưởng động thực vật

Nhằm cung cấp thêm thông tin cập nhật và đáp ứng nhu cầu phát triển ngành tổng hợp hữu cơ cũng như công nghiệp được phẩm trong nước, chúng tôi biên soạn cuốn sách '“Tổng hợp Hữu cơ (tập I)” Cuốn sách được viết dưới dạng các chương, trong đó mỗi chương sẽ hệ thống hóa những kiến thức từ cơ bản đến chuyên sâu của từng vấn đề chuyên biệt và những ứng dụng cụ thể của từng loại phản ứng trong tổng hợp dược phẩm cũng như tổng hợp toàn phần các hợp chất thiên nhiên có hoạt tính sinh học quan trọng Cuốn sách dược viết khả chuyên sâu

và cập nhật về các lĩnh vực hiện đang được thế giới tập trung nghiên cứu như các phương pháp tổng hợp chọn lọc lập thể, chọn lọc vị trí, các phản ứng có sự tham gia của chất xúc tác, các phản ứng tạo hợp chất mạch vòng, các phản ứng nhiều bước liên hoàn (đomino, tandem, cascade) Trong đó, các yếu tố ảnh hưởng đến

phản ứng như tác nhân, dung môi, chất xúc tác, nhiệt độ, được thảo luận chi tiết

Các ví dụ điển bình được trích dẫn từ các công trình nghiên cứu được công bố trên

các tạp chí khoa học có uy tín, trong đó có một số nghiên cứu mới nhất của thế giới

cập nhật đến tháng 8/2010 Vì trong khuôn khổ giới hạn của cuốn sách, các tác giả không thể mô tả chỉ tiết các thao tác thực hiện từng phản ứng, nếu bạn đọc quan

tâm xin vui lòng t tìm đọc các tài liệu gốc được trích dẫn trong phần tai liệu tham

khảo bên dưới mỗi trang sách Các vấn để về cơ chế phản ứng và danh pháp các hợp chất hữu cơ, các bạn đọc có thể tham khảo trong các cuốn sách chuyên khảo

về hóa học hữu cơ cơ bản.

Cuỗn sách “Tổng hợp Hữu cơ (tập 1) ˆ của chúng tôi gồm 5 chuong: `

Chương 1: Hóa học lập thể và hiệu ứng cẫu trúc

Chương này cung cấp các kiến thức cơ sở về cấu trúc phân tử các hợp chất hữu cơ

Các vấn đề về cấu hình, cấu dạng và hiệu ứng cấu trúc của các hợp chất hữu cơ được mô tả chỉ tiết: các công thức mô tả cấu trúc không gian ba chiều của các hợp chất hữu cơ dạng mạch hở, mạch vòng và cấu dạng của chúng; cách xác định cấu

hình E/Z, R/S, Tác giả cũng giới thiệu một số khái niệm khá mới mẻ ở Việt Nam

về phân ứng chọn lọc lập thể (chọn lọc enantiome và diastereome) và các phương

pháp xác định độ tinh khiết quang học của sản phẩm

Chương 2: Tác nhân cơ lithi và magie trong tổng hợp hữu cơ

Trong chương này chúng tôi giới thiệu về các phương pháp điều chế, các phản ứng

và ứng dụng tông hợp của các tác nhân cơ lithi và co magie (tác nhân Grignard)

Sự tương đồng và khác biệt về khía cạnh phân ứng giữa các tác nhân cơ lithi và cơ

magie được thảo luận cụ thể, Đặc biệt, chúng tôi giới thiệu một số phản ứng và mô

hình chọn lọc lập thể có sự tham gia của tác nhân cơ lithi và magie

Chương 3: Các phân ứng tạo liên kết C-C sứ dung hóa học enolat

Chương này tập trung chủ yếu vào các đặc tính và các phản ứng hóa học của các

enolat và các carbon nucleophil liên quan như silyl cnol ete, cnamin Một số

phương pháp chuẩn bị các enolat với sự kiểm soát cấu hình E & Z được mô tả Một

số phản ứng quan trọng trong việc tạo liên kết C-C như alkyl hóa, aldol, Mannich, axyl hóa và Michael được giới thiệu chỉ tiết Những phản ứng này đem lại những giải pháp hữu hiệu trong tổng hợp các được phẩm và hợp chất thiên nhiên có hoạt tinh sinh học quý Các phương pháp chọn lọc lập thể như việc sử dụng các nhóm

chiral phy trg, cdc tác nhân chiral và các chất xúc tác chiral được xem xét Đặc biệt, chúng tôi đã thảo luận khá chỉ tiết vai trò của các trạng thái chuyển tiếp dạng vòng, trạng thái chuyển tiếp cấu trúc mở và trạng thái chuyển tiếp có sự tham gia

của liên kết phối trí với các tâm kim loại trong việc giải thích sự chọn lọc lập thể của sản phẩm

Chương 4: Phân ứng Diels-Alder và ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ

Phân ứng Diels-Alđer của đien và dienophil dan đến sự tạo vòng.6 cạnh với độ

chọn lọc lập thế và vị trí có thể được kiểm soát Các quy luật để dự đoán các sản

phẩm chính được hệ thống hóa chỉ tiết Đối với các dien và đienophil phi đối xứng,

sự định hướng pseudo-ortho và para trong sự hình thành các sản phẩm thường được ưu tiên so với sự dịnh hướng meta Một số lý thuyết và quy luật khá mới mẻ

ở Việt Nam như lý thuyết orbital phân tử biên, quy luật chọn lọc lập thể endo/exo của sản phẩm được giới thiệu cụ thể trong chương này Bên cạnh đó, tác giả giới thiệu thêm phân ứng hetero Diels-Alder, đây là một công cụ thực sự hữu ích trong tổng hợp các hợp chất dị vòng cũng như các hợp chất mạch hở có chứa các dị tố Vai trò của các chất xúc tác phức kim loại trong phản ứng Diels-Alder được thảo luận

Chương 5: Phân ứng cổng vòng lưỡng cực [3+2J của nữron

Đây là một phản ứng thực sự khá mới mẻ ở Việt Nam hiện nay Tác giá đã hệ thống hóa một cách chỉ tiết các vẫn để quan trọng nhất của phản ứng này như lý

thuyết orbital phân tử biên, quy luật chọn lọc vị trí của sản phẩm, vai trò của chất xúc tác trong việc kiểm soát hóa học lập thể của sản phẩm Các phương pháp diều

chế các nitron, các kiểu phản ứng cộng vòng của niron kèm theo các ví dụ cụ thể

về ứng dụng của phản ứng này trong tổng hợp toàn phan các hợp chất thiên nhiên

có cấu trúc phức tạp được giới thiệu

Cuốn sách là một phần trong bộ sách Tổng hợp Hữu cơ (dự kiến gồm 4 tập) sẽ

giới thiệu với độc giả các lĩnh vực quan trọng nhất trong tống hợp hữu cơ hiện đại

Bộ sách tổng hợp hữu cơ này có thể dùng làm giáo trình cũng như là tài liệu tham khảo hữu ích cho các sinh viên năm cuối, các học viên cao học, nghiên cứu sinh,

cán bộ giảng dạy, cán bộ nghiên cứu chuyên ngành hóa học hữu cơ và các nganh khác liên quan

Chúng tôi xin bay 16 long biết ơn đến toàn thể các nhà khoa học là tác giả của các công trình nghiên cứu vô giá được trích đẫn trong mỗi chương của bộ sách, Chúng

tôi cũng xin chân thành cam on GS, TSKH Hoang Trong Yém, GS, TS Peter

Langer va GS, TSKH Trần Văn Sung đã đọc bản thảo, góp ý và ủng hộ cho sự ra

Do lần đầu xuất bàn, dù được biên soạn với thái độ nghiêm túc cao nhất, cuốn sách

không tránh khỏi những thiểu sót, đặc biệt các lỗi không mong muốn về đánh máy,

in ấn và hình vẽ Chúng tôi mong nhận được những góp ý, những phản hồi xây

dựng của độc giả, để lần tái bản tiếp theo cuốn sách sẽ hoàn thiện hơn

Mạọi ý kiến đóng góp xin gửi tới chúng tôi.

==—

Dr Nguyen Thanh Binh Dr Dang Thanh Tuan

Institut de Chimie des Substances Department Chemie

Naturelles - Centre national de la Technische Universitat Munchen (TUM)

recherche scientifique (ICSN-CNRS)

1 avenue de la Terrasse

91198 Gif-sur-Yvette, France

Abteilung fiir Organische Chemie Lichtenbergstr 4, D-85747 Garching Germany

Email: bính.chemistrv@gmail coi

maÏ: bính.oheraisi BiLg90 ` Email: thanhtuandang@hotmail.com

Xin chân thành cảm ơn!

Tập thể các tác giá (Nguyễn Thanh Bình, Đặng Thanh Tuần, Triệu Quỷ Hùng,

Trân Quang Hưng, Trân Thị Phương Thảo, Đặng Thanh Tùng)

ce avoxe Ï

HOA HOC LAP THE VA HIEU UNG CAU TRUC

1 Cấu trúc không gian và công thức mô ta cấu trúc không gian

Trong phân tử chất hữu cơ các liên kết của nguyên tử C có thể định hướng trong không gian theo các dạng sau:

Liên kết đơn (liên kết ø) với sự xen phủ trục của các orbiual tạo liên kết nên hai

nguyên tử có thế xoay xung quanh trục liên kết mà không làm mất đi sự xen phủ của các orbital, đây chính là nguyên nhân xuất hiện cấu dạng của hợp chất hữu cơ

Liên kết đôi, liên kết ba với sự xen phủ bên của các orbital tạo liên kết z nên làm triệt tiêu sự quay tự do xung quanh trục nếi hai hạt nhân nguyên tử tạo liên kết Các liên

kết C=C, C=N, N=N (hoặc vòng no) được gọi là bộ phận “cứng nhắc” và đây chính

là nguyên nhân xuất hiện đồng phân hình học

1.1 Công thức phối cảnh

Mô tả phân tử trong không gian 3 chiều, các liên kết được mô tả như sau:

Nét pạch bình thường — biểu diễn liên kết cộng hoá trị nằm trên mặt phẳng giấy, nét gạch gián đoạn ð+ „ biểu diễn liên kết hướng về phía sau tờ giấy Các liên kết hướng

về người quan sát được biểu diễn bằng các nét gạch đậm —=

Ngoài ra, với các phân tử có liên kết C—C trung tâm, phân tử được quan sát từ C bên trái, nơi gần người quan sát, nguyên tử C được hình dung ở giao điểm của các liên kết, còn chính liên kết CC được mô tá bằng một đường chéo từ trái sang phái và xa dần người quan sát

1.2 Céng thite Newman

Phân tử được nhìn dọc theo trục liên kết giữa hai nguyên tứ C trung tâm, dùng một vòng tròn để biểu thị các nguyên tử đó đang che khuất nhau Nguyên tử C thứ nhất ở gần người quan sát có 3 liên kết g gặp nhau ở tâm của vòng tròn và tạo nên những góc 120° Nguyên tử C thứ hai bị che khuất nên 3 liên kết xuất phát từ tâm vòng tròn chỉ

Các nhóm nguyên tử, nguyên tử xung quanh nguyên tử Cừ ; được đặt trên hai đoạn

thẳng vuông góc với nhau Đoạn thẳng đứng chỉ mạch chính với nguyên tử C dầu mạch nào có số oxi hoá cáo hơn (thường là C vị trí 1) đặt ở trên Hai nguyên tử, nhóm nguyên tử trên đường nằm ngang trên công thức Fischer tương ứng với trên công thức phối cảnh ở gần người quan sát, hai nguyên tử, nhỏm nguyên tử còn lại

trên đường thắng đứng ở xa người quan sát,

ho

CHo

—— nor

CH;OH D-(+)-Glyxerandehit

OH

Lưu ý:

" _ Chỉ được quay công thức chiếu Fischer trong mặt phẳng I góc 180”; nêu quay

90° sẽ trở thành công thức của dối quang (Phẩn đồng phân quang học xem mục 2.3)

“Trong công thức chiếu Fischer, nếu đối chỗ hai nhóm thế cho nhau thì nó trở thành công thức đối quang

2 Đằng phân hình học

Đồng phân hình học là loại đồng phân không gian (hay déng phân lập thể) gây nên bởi sự phân bổ khác nhau của các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ở hai bên bộ phận

xe"

"cứng nhắc” của phân tử như nối đôi, vòng no,

2.1 Đằng phân hình học của hợp chất có liên kết C=C

Với kiểu chất abC=Cac, nếu hai nhóm thé piống nhau được phân bố về cùng một

phía déi với mặt phang liên kết đôi hoặc vòng no thì gọi 14 cis nếu khác phía thủ gọi

dụng danh pháp Z2 (uễng Dette, Zusammen nghia ta “cing”, con Entgegen c6 nghia

là “déi”)

Phân tử dạng abC = Ccd, về độ hơn cấp, nếu a > b và c > d thì ta có:

Độ hơn cấp của nhóm thể theo Cahn-Ingold-Prelog duge căn cứ vào số thứ tự (số điện tích hạt nhân) của nguyên tử gắn trực tiếp vào nỗi đôi

(1: C(CIH,H) > C(H,H,H) > H (2): C(O,C „1 > C(O, HH) >H

Do C(CI,11,11) > C(O,C,HI) nên (1) > (2) Hợp chất có cầu hình (2)

'Theo quy ước của Cahn-lngold—Prelog; cặp electron không phân chỉa (cap electron

không liên kếU có dộ hơn cấp nhỏ nhất (nhỏ hơn H), nên cấu hình của các hợp chất azo, imin, oxim, như sau”:

(2)-anion vinyl (2)-imin (Z)-oxim (Z)-azo

1 „ Đặng Như Tai Cơ sở hoá học lập thể Nhà xuất bản Giáo duc, 1998, 17.68

? Carey, F A.; Sunberg, R J Advanced Organic Chemistry Fifth edition Part A: Structure and

Mechanisms Springer Science+Business Media, LLC 2007 pp /2/

12

Lưu ý rằng danh pháp cis⁄ans, Z/B với những qui ước khác nhau nên dạng Z cũng

có thé là cis hoặc (rans

Ngoài ra, với các hợp chất có nối đôi C=N hoặc N=N còn sử dụng danh pháp

syn/anti

V6i cac andoxim RCH=NOH lai cin cứ vào vị trí không gian của H và OH để gọi cấu hình là syn hay amii

Khi trong phân tử có nhiều liên kết đôi, số đồng phân hình học sẽ tăng lên Phân tử

hepta—2,4-dien với 2 liên kết đôi sẽ có 4 đồng phân hình học:

Tuy nhiên khi phân từ có yếu tố đối xứng thì số đồng phân hình học sẽ giảm di Phân

tử hexa-2,4-đien chỉ còn 3 đồng phân hình học

Với hợp chất cumulen có số nối đôi lẻ sẽ xuất hiện đồng phân hình học Vì khi đó 4 nhóm thế a, b, c, d đồng phẳng

2.2 Đẳng phân hình học của hợp chất mạch vòng

Tương tự với hợp chất có liên kết đôi, đồng phân hình học cũng xuất hiện ở hợp chất

mạch vòng khi trong vòng có ÍL nhất hai nguyên tử C liên kết với hai nhóm nguyên tử khác nhau Nếu hai nhóm nguyên tử giống nhau của hai nguyên từ C được sắp xếp

13

về cùng phía của mặt phẳng vòng ta có dông phân cis, về hai phía ta có đồng phân

trans

cis-1,2-Dimethylxiclopentan trans-1,2-Dimethylxiclopentan Khi trong vòng có nhiều nhóm thế, vị trí tương đối của các nhóm được so sánh với nhóm

chính của phân tử để xác định dang cis, rans Vi dụ đồng phân hình học của 2,3- Dimcthylxiclohexanol như sau:

Dimethylxiclohexanol Dimethylxiclohexanol Dimethyixiclohexanol Dimethylxiciohexanol

Đồng phân hình học cũng xuất hiện ở hệ vòng giáp cạnh Vị trí tương đối của các nhóm thế trên cạnh chung của hai vòng xác định dạng củs, trang

Với hệ polyxiclic như pehydrophenantren, các vong A va B, B va C có thể nối với

nhau như cis- và /rans-decalin; còn H ở Cy va Cy cing phía ta có sụn, khác phía gọi

la anti?, Đây là cấu trúc quan trọng của các steroit-trong tự nhiên

eS

” Đặng Như Tại Cơ sở hoá học fap thé Nha xuit bin Gido duc, 1998, tr.154-155

14

Tuy nhiên với hệ vòng giáp cạnh, nếu vòng quá nhỏ (3,4 cạnh) hấu như chỉ có dồng

phân cix Với bixiclo[2.2.0|hexan (1) chỉ tồn tại dồng phân cis” Một vài trường hợp riêng như bixiclo[3.2.0|heptan (2), hay hệ bixiclo{4 1.0] (bixiclo[4 1.0]heptan-2-on)

(3)° da tim thấy đồng phân /rans

Với hệ vòng chung cầu nối (hai vòng chung hơn hai nguyên tử) cũng thường gặp

déng phân c¡s Ví dụ campho (4) (hệ bixiclo[2.2.1]) chỉ cho đồng phân với các nhóm methyl, H ở hai đầu cầu nối ở vị tri cis, riêng hệ bixiclo[4.3.1] (bixiclo[4.3.1]decan- 10-on) (5) đã tồn tại đồng phân trans’

3.1 Ảnh sáng phân cực và tính quang hogt

Ảnh sáng phân cực là ánh sáng chỉ dao động trên một mặt phẳng nhất định, nó khác với ánh sáng thường có đao động trên mọi mặt phẳng vuông góc với phương truyền

* Smith, M B.: March, J March's Advanced of Chemistry: Reaction, Mechanisms, and Structure Sixth edition 2007 p188

* Meinwald, J; Tufarictlo, J J.; Hurst, J J Org, Chem 1964, 29, 2914

° Paulkstelis, J.V.; Kao, J Am Chem Soc 1972, 94, 4783

7 Winkler, J.D.; Hey, J P; Williard, P.G Tetrahedron Lett 1998, 29, 469t

Có thể tạo ánh sáng phân cực bằng cách chiếu một nguồn sáng thường (1) qua kính

lọc Nicol (2), lăng kính Nicol có đặc điểm là chỉ cho ánh sáng phân cực (3) truyền qua

kM

Hình 1: Sơ đồ dao động của ánh sáng thường và ánh sáng phân cực

(1)- ảnh sáng thường (2)- lăng kính Nicol (3)-ánh sáng phân cực (4)- mau chat (chất nguyên chất hoặc dung dịch)

Khi chiếu nguồn sáng phân cực qua một dung dịch có chứa chất quang hoạt (4) thì nguồn sáng di qua mẫu chất bị quay khỏi mặt phẳng ánh sáng phân cực (3) ban đầu một góc œ Những chất mà có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực một

góc œ nào đó được gọi là các chất quang hoạt và tính chất đó được gọi là tính quang

với _ œ- góc đọc được trên máy đo (độ, °);

t-nhiệt độ tại thời điểm khảo sát;

Ä-độ dài sóng (thường dùng sóng D của Na, 589nm);

£ - chiều đài ống đựng chất (dm);

c-nồng độ của dung dịch (số gam chất khảo sát trong 100ml dung dịch)

Với chất lỏng tỉnh khiết, độ quay cực riêng được xác định bằng công thức:

ho

[a] =

d- ti khối của chất khảo sát

Góc quay cực riêng của một chất quang hoạt phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng, phân cực, nhiệt độ, bản chất dung môi, nồng độ dung dịch

Ví dụŠ:

* Smith, M B.; March, J March's Advanced of Chemistry: Reaction, Mechanisms, and Structure Sixth edition 2007 Pp, 139

16

Trong các điều kiện xác định thì [al là một hằng số, đặc trưng cho các hợp chất

quang hoạt, lên cạnh giá trị lal còn có độ quay cực moi: [M} = bh M (M- khối lugng m@l phan tt)

Thực tế SRỔ (Máy những Hợp chất hữu cơ có một neuyen: tir © bat déi (nguyén tir C liên kết với 4 nguyên tử, nhóm nguyên tử khác nhau- “Cabcd) ¢6 hai đồng phân

quang ho@ @nantiome (hai chất đối quang)

Vi du, glyxerandehit ¢6 hai đồng phân quang học đổi quang đổi Xíng với nhau như

vat va anh qua guong Mot đồng phân làm quay mật phẳng ánh Sấng phân cực sang

phai (+o) Va mot đồng phân lâm quay mặt phẳng ánh sáng phân Sự sang trái (—œ)

(c) Hai ban tay khong chông khít lên nhau

Hai dòng phân quang học này giống nhau vẻ tính chất hoá học asi với môi trường,

phan tng đối xứng), độ dài các liên kết, nhiệt độ nóng chảy; chi khác nhau là làm

quay mặt phẳng ánh sáng phân cực theo các góc dối nhau và khi xn tác với trung tam bat doi

3.2 Cấu hình trơng dấi: Danh pháp D⁄L

Glyxerandehit HOCI I›-CHOH-CHO có hai đồng phân quang học đối quang:

17

còn (—)~glyxerandehit được gọi là L-glyxerandehit (tr tiéng Latinh /aevus la “trai’”)

Danh phap D/L duge ding véi các phan tir dang R-*CHX-R? (X la nhom dij tố như

OH, Cl, NHp, } dya trén co sé công thức chiếu Fischer và so sánh với cấu hình của

Axit D-(—)-lactic Axit £-(+)-lactic D-(-)-Alanin

L-(+)-Alanin D-(+)-Serin £-(-)-Serin

Luu ÿ:

» Danh pháp D/E nói lên cấu hình tương đối, chi có ý nghĩa so sánh

* Dấu (+) hay (—) là chỉ sự tác dụng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải hay sang trái và được xác định bằng thực nghiệm, không phụ thuộc

kí hiệu Ð hay L :

Với gluxit, nguyên tử bất đối bên cạnh nhóm hydroxy bậc I quyết định cầu hình

CHO H-G-OH

HO H H€ on H-C-OH CH;OH Đ-(+)-Glucozơ hoặc (2R, 3⁄5, 4R,5R)-2,3,4,5,6-Pentahydroxihexanal

3.3 Cấu hình tuyệt dỗi: Danh pháp R/S

Hé danh phap R/S do Cahn, Ingold và Prelog để nghị đựa trên cơ sở cấu trúc không

gian của phân tử chất hữu cơ: Có phân tử *Cabcd với độ hơn cấpa>b>c> d Đặt phân tử sao cho đ ở xa người quan sát, khi đó thứ tự giảm dần độ hơn cấp của ba

nhóm thế còn lại theo chiều kim đồng hồ ta có cấu hình # (Recfus, tiếng Latinh có nghĩa là bên phải); ngược chiều kim đồng hồ là 6 (Simisfer - nghĩa là bên trái)

Để thuận tiện Epling” đưa ra cách gọi tén theo R/S dua vao công thức Fischer mà

không cần chuyển về công thức không gian 3 chiều:

— Nếu nhóm thế nhỏ nhất nằm trên đường nằm ngang thì thứ tự giảm dẫn độ hơn

cấp của các nhóm thế còn lại theo chiều kìm đồng hồ là cấu hình 5, ngược chiều kim đồng hồ là câu hình #

~ Nếu nhóm thế nhỏ nhất trên đường thẳng đứng thì ngược lại, theo chiều kim đồng hồ là R, ngược chiều kim đồng hỗ là S

độ hơn cấp nhỏ nhất) ở phía xa người quan sát (phía dudi) và xác định vị trí các

nhóm thế còn lại

——————————

* Đặng Như Tại Cơ sở hoá học lập thế Nhà xuất bản Giáo dục, 1998 tr.87

19

Nguyên tử C¡:

Do dộ hơn cấp OH > Ca(O,C,H) > Ca(C,H,H) nên C¡ có cầu hình /8)

Một số hợp Chất có cầu trúc da vòng phức tạp như các hợp chất thiên nhiên (+)- valencenol, @ fubifolidine!! và (+)-altholactone!? cũng có thể xác định cấu hình các

nguyên tử * theo each tuong tự

3.4 Ding phan Quang hoc 6 những hợp chất có nhiều nguyên tử *Œ

Những hợp hat hiru eo có 2 nguyên tử *C trong phân tử sẽ cho 4 đồng phân quang học Thông thường, hợp chất có n nguyên tử * sẽ có 2" déng phan đáng học

3.3.4-Trihydroxybutanal HOCH;-*CHOH-*CHOH-CHO có 4 dony phan quang

học:

HOH | Ho-EH HH”! lqo-—u

HOH | Ho-—H HO-I—H i ote

trong đó (7)-crythrose, L-erythrose); (D-threose, L-threose) là các cặp đồng phân

quang học đối quang (enantiome) Một số cặp chất còn lại như Ð-erythrose va D-

"” Revial, G et al Tetrahedron: Asymm, 2001, 12, 1683

"' Shibashaki, M ef al J Org Chem 1998, 63, 7547

" Tsubuki, M.; Kanai, K.; Nagase, H.; Honda T Teirahedron 1999, 55, 2493

20

threose là cặp dồng phân quang học không đối quang (đồng phân lập thể không dối quang - đồng phan diastereome)

Đồng phân diastereome'? là đồng phân lập thể có từ 2 nguyên tử C trở lên trong phân

tử nhưng không phải là đối quang của nhau Có hai loại đồng phân điastereome là ø-

diastereome va x-diastereome, trong đó đồng phân n-diastereome 1a loai déng phân

lập thể có chứa liên kết đôi trong phân tử (đồng phân hình học)

Déng phan diastereome (a-diastereome)"* xuat hién khi:

* Phan tired hon 1 trung tam bat déi

=_ Các động phan diastereome 1A ede dong phan lập the nhump không phải là ảnh qua gương của nhau

“ Khắc với các déng phân dối quang có ảnh qua gương của nhau Các đồng phân điawtereome phải có cấu hình dối nghịch ở ít nhất một ne tâm lap thé, nhựng cùng cấu hình ở các trung tâm lập thể khác l

Một ví dụ Khaey threonin có 4 đồng phân lập thẻ, mỗi quan hệ eit etc đồng phân đó

"Solomons, G.; ‘a su hod hoe lap thẻ Nhà

ryhle, C.; Organic Chemistry

Axit tactric HOOC-"CHOH-"CHOH-COOH cé mét ding phan meso va mét déi déi

quang:

H-7~OH =| HOH HEOH HỌOTTH —_

AxitD (+)-tactric AxiL (-)-tactric Axitm esotactric

Một trường hợp khác là penlan-2,3,4-triol CHạ~-'CHOH-`CHOH~`CHOH-CH; với

3 nguyên tử C bất đối nhưng chỉ có 3 đồng phân quang học là một đôi đối quang và hai hợp chat meso’

Khi nguyên tử C¿ và Cạ dều có cấu hình (2) hoặc (S) thi nguyén tir C3 tro nén dối xứng Nếu một trong hai nguyên tử C2, Cy nhận cấu hình (R), con nguyên tử kia nhận

cấu hình (%) thì nguyên tử C¿ trở nên bất đối Trong trường hợp này nguyên tử Cạ

được gọi là nguyên từ bất dối xứng tương đối (“bất đối xứng giả”)

COOH

(+)-Glyxerandehit có một nguyên tử ˆC bất đối và phân tử glyxerandchit là một phân

tử bất đối (không còn yếu tố đối xứng nào cả) Trong khi dé phan tir axit (-)-tactric trên có một yếu tố đối xứng là trục đối xứng bậc 2 đi qua tâm phân tử Như vậy dễ xuất hiện đồng phân quang học thì sự bất đối xứng phân tử là điều kiện đủ, song không phải là cần; mà điều kiện cần và đủ là phân tử có yếu tố không trùng vật - ảnh (chirality)

Yếu tố không trùng vật — ảnh của các hợp chất thường gặp như sau:

(1) Trung tâm không trùng vật - anh (chiral)’*:

Nguyên tử ”C như trong phân tir (+)-Glyxerandehit 1a trường hợp điển hình Ngoài

ra trung tâm không trùng vật - ảnh còn gặp ở những nguyên tử khác như N, §, P,

Amin bậc 2,3 Sulfoxit Photphin

Biểu đáng nói ở đây là không thể tách riêng các đối quang của amin bậc 2, 3 ở điều kiện thường vì các déi quang này chuyển rất nhanh từ dạng này sang dang khác

1% Carey, F, A.„; Sunberg, R J Advanced Organic Chemistry Fifth edition Part A: Structure and

Mechanisms Springer Science+Business Media, LLC 2007 pp /29

23

+ Déng phan atrop (déng phân cản quay):

Trong phân tử biphenyl hai vòng benzen có thể quay xung quanh liên kết trung tâm:

“CC

Tuy nhiên kHÍ ở vị trí ør(hø có các nhóm thế có kích thước lớn, có firong tac diy nhau, dẫn déi tiệt tiêu sự quay xung quanh liên kết trung tâm và hai Vong benzen sé

không dòng phẳng, khi ấy xuất hiện dồng phân quang học

!

‘Tinh quang heat eting xuat hi¢n G mt sé din xuat etia naphtalen alr BINOL va BINAP là nhÑÑÐ BHối tir khong tring vat= anh duge sir dung trong phan img aldol va hydro hoá chợn lọe lập thể và một só phản ứng khác

+ Đồng phân spiran:

'Tương tự sự phân bố của các nguyên tử trong allen, hai vòng ở spiran tạo nên một hệ

thống cứng nhắc như hai nổi đôi của allen Các nhóm thế ở hai dầu cũng gây nên yếu

I '

I ' '

3.6 Độ tình khiết quang lọc (độ trội của một chat hay dục lượng đổi quang) và khái

Một hỗn hợp gồm hai đối phân (đồng phân quang học đối quảng (RJ và (5) với ti lệ mol 1:1 sẽ €ð độ quay Cực Onin hop = 0 (hỗn hop raxemic) Khi Gin hon # 0, một trong hai dòng phân (#) hoặc (5) sẽ có số lượng nhiều hơn và độ Hội €iịa một chất dói

quang (¢.c] = enantiomeric excess) được tính theo công, thức'Š:

ve = % déiquang €6 lugng nhieu —% đối quang có lượng íL

Mặt khác độ tỉnh khiết quang học của hon hợp (.p = optical purity) due xic dịnh bing ti sé [pitta dO quay eực của hỗn hợp ({olo(hh)) va d6 quay cực của một chất đối quang tỉnh khiết ([œo(tk)))

op = bcm)

[a], (tk)

'? Dặng Như Tại Cơ sở hoá học láp thẻ Nhà xuất bản Giáo dục 1998 tr.58

"8 Carey, F, A Sunberg, R J Advanced Organic Chemistry Fifth edition Part A: Structure and

Mechanisms Springer Science+Business Media, LLC 2007 pp /24

25

Ý nghĩa của độ tỉnh khiết quang học ee ở chỗ khi biết độ quay cực của một chất đối

quang tỉnh khiết và độ quay cực của hỗn hợp hai đồng phân quang học đối quang sẽ

xác định được thành phần của hỗn hợp

Ví dụ, một đồng phân quang học đối quang (R) có độ quay cực riêng +80°, Hỗn hợp hai đồng phân (Ẩ) và (S) có độ quay cực riêng được xác định là +48°

Khi ấy, độ tỉnh khiết quang học ee = 48/80 = 60% = độ trội của đồng phân (R)

Vậy hỗn hợp gồm 80% (R) và 20% (S) hay hỗn hợp gồm 60% (R) và 20% biến thể

raxemic Điểm bất lợi của phương pháp đo độ quay cực là phải có một enartiome

tinh khiết về mặt quang học để so sánh Nhiều chất rất khó khăn khi tỉnh chế đễ phân

tách riêng một enarriome tình khiết quang học khỏi hỗn hợp hai enamtiome Thực tế,

trong tổng hợp chọn lọc lập thể, để xác định giá trị ee của sản phẩm (gồm 2

enantiome) người ta thường sử dụng sắc kí lỏng cao ấp cột chiral (chiral HPLC) Giá

tri ee được tính dựa trên điện tích 2 pic cha 2 enantiome tương ứng xuất hiện trên sắc

kí đô

Nói chung, trong một phản ứng chọn lọc lập thể, nếu sử dụng một yếu tố chiral (ví dụ:

chất tham gia phản ứng, tác nhân, dung môi hoặc chất xúc tác) có thể mang lại sự

26

chọn lọc hóa học lập thể của sản phim.'? Do dac trưng của hệ thống phản ứng mang

lại các trạng thái chuyên tiếp có thể, từ đó dẫn tới sự tạo thành ưu tiên một đồng phân

điastereome (hoặc enaniiome) của sản phẩm Các trạng thái chuyển tiếp cho việc

hình thành các đồng phân có thể của sản phẩm không cùng mức năng lượng và một

đồng phân có thể được tạo thành nhanh hơn

Phan img chon loc diastereome (diastereoselectivity)!°

Khi xử lý amit 6 với LDA sẽ mang lại trung gian enolat 7 Phản ứng alkyl hoa bat đối của 7 với benzyl bromua sẽ mang lại hai sản phẩm 8 và 9 là các đẳng phân

đìastereome của nhau TÌ lệ của 8:9 là 99:1, Từ tí lệ này có thể tính được dư lượng

của một đồng phân điastereome với đồng phân còn lại được viết tất là đe (diastereoisomeric excess) (Nguyên tắc của phản ting chon lọc lập thể của enolal sẽ được mô tả trong chương hóa học các enola0,

" Procter G Asymmetric Synthesis, Oxford Universitry Press, 1994

de = % của đồng phân điastereome có lượng lớn - % đồng phân đias(ereome có lượng nhỏ

Trong ví dụ bên dưới thì đe = % 8 - %9=98%

e Phản ứng chọn lọc đối quang (enantioselectivity)”

Noyori và cộng sự đã tổng hợp chọn lọc lập thể tác nhân kháng viêm (Š)-naproxen

12 sử dụng phản ứng hydrogen hóa bất đối xứng của alken 2.10 với xúc tác phức chiral [Ru] 11 mang lại sản phẩm đối quang 12 và 13 với tỉ lệ 98,5:1,5 (Phản ứng hydrogen héa bắt đối sẽ được mô tả trong chương các phản ứng khử, Tập 2)

Do vậy, dư lượng đối quang (dư lượng enamtiome hay độ tình khiết quang học) của

Điều kiện để xuất hiện cấu dạng là phải có 4 nguyên tử liên kết liên tiếp với nhau

bằng liên kết ø: A ~B-C-D Để xét cấu dạng người ta thường nhìn dọc theo trục liên kết đơn

—————————

™ Noyori et af J Am Chem Soc., 1987, 52, 3174

27

Minh 3 Góc nhị diện và giản đồ thế năng của ethan `

Tương tự cullẾẾ Hội số câu dạng của butan khi nhìn doe theo liên kết “›-C:: CH;

Cấu dạng œi (đối) Cầu dang syn (gauche) (Iéch) Dạng che khuất Dạng nửa khuất

ed Organic Chemistry Fifth edition, Part A: Structure and

cr Science+Business Media, LLC 2007 pp 142

28

Do tương tác không gian của các nhóm thế nên ở điều kiện thường butan có hai đồng

rong đó ưu thế thuộc vé dang anti Tuy nhiên

e đồng phân cấu dang rất nhỏ nên thực tế phân cấu dạng bên là Santi’

hàng rào thế của sự chuyên hoá giữa

không thể tách riêng các đồng phân cầu dạng này được

Bên cạnh yếu tố không gian, độ bền tương đối của các đồng phân cấu dang còn phụ

thuộc vào tương tác khác của các nhóm thế, trong đó tương tác tĩnh điện có ảnh

hướng lớn, đặc biệt khi có liên kết hydro, dạng, syz lại chiếm ưu thế hơn

Với các hợp chất có liên kết x như ethanal propen thì cau dang Wu tién lai 14 sy che

khuất của các liên kết C=O (hay C=CH;) và lién két C-H (ctia nhém methyl)

này được giải thích dựa trên quan điểm về liên kết đôi là liên kết kiều “quả

Dạng che khuất của liên kết C=O, C=CH1; và liên kết C+11 dược coi như dang anti eta ethan; cu dang con lai (dạng đối của nhóm C=Ø, C=CII; và liên kết C-11) lại được coi như đạng che khuất của ethan””

Tuy nhiên với trường hợp của propanal và but~~en thì cấu dang tu tién lai la nhóm

methyl chit khéng phai II ở vị trí khuất dối với liên kết đối, rong khi dó 3.3-

dimethylbutanal thi cau dang wu tiên lại là I1 ở vị trí khuất đôi với liên kết đôi” °

: Sunberg, R J Advanced Organic Chemistry Fifth edition Part A: Structure and

pringer Science+Business Medi: Lị p 50

¡ Cơ xở hoá học lập thẻ Nhà xuất bản giáo dục 1998 tr.58

?? Carey, F

Mechanisms

29

Với các xeton, cầu đạng ưu tiên là gốc alkyl ở vị trí che khuất đối với liên kết đôi

s-trans (chiếm ưu thế) s-cis

“ns tự với hợp chất carbonyl œ,B không no, am s-trans la chiếm ưu ine

CH;

Tuy nhiên khi géc hydrocarbon lién két voi nhóm carbonyl có án ngữ không gian lớn thì cau dang s-cis lai chiém im thé,

® 0) linh 4: Cấu dạng ghế (E) và dang thuyền (ID) của xiclohexan

Ở mỗi nguyên từ C có hai liên kết C—H, trong đó một liên kết hướng song song với trục đối xứng bậc 3 gọi là liên kết axial (a, liên kết trục), một liên kết gần như nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục đổi xứng gọi là liên két equatorial (e, lién két biên)

Vòng xiclohexan được coi như tổ hợp của sáu hệ n-butan, trong đó dạng ghế cả sáu

hệ đều ở cấu đạng lệch, còn dạng thuyển chỉ có bốn hệ ở cấu dạng lệch và hai hệ ở

cấu dạng khuất; nên trong thực tế cầu dạng ghế chiếm ưu thế

Với các dẫn xuất một lần thế của xiclohexan, cấu đạng ưu tiên là dạng ghế với nhóm

thế ở liên kết equatorial Điều này được giải thích là khi nhóm thế ở vị trí axial sẽ

chịu lực Van der Waals với các nguyên tử H,ở vị trí 3, 5 (tương tác 1,3-diaxial)

Ví dụ, phân tử methylcyclohexan chủ yếu ở cầu dang trong đó nhóm CHỊ: ở vị trí equatorial,

95%

4 Carey, E A.; Sunberg, R J Advanced Organic Chemistry Fifth edition Part A: Structure and

Mechanisms Springer Science+Business Media, LLC 2007 pp 154

31

Dẫn xưất hai lần thế của xiclohexan như dimethylxiclohexan ở các vị trí 1,2; 1,3

hoặc 1,4 kèm theo đồng phân hình học và các cầu dạng với nhóm methyl & vj tri

equatorial thì thường bền hơn

Tương tự /rans~1.2-dibromxiclohexan lại bền vững trong các cầu dạng ghế điaxial do thể tích lớn của hai nhóm thế gần nhau sẽ đây nhau nếu 6 vi tri equatorial

Br

Xe ng speedos

5 Hiệu ứng cấu trúc

5.1 Hiệu ứng cảm ứng (kí hiệu I - Indudive Effect)

Thực tế cho thấy là lién két C-C trong phan tir etan khéng phan eye, trong khi đó

liên kết C—C trong phân tử ethyl clorua phân cực về phía CƠ) đo nguyên tử Cl có độ

âm điện lớn, làm phân cực liên kết CÚ)~CI về phía CI

a a Š"

CHạ—>CH¿—” CI a? a)

Bản chất của hiệu ứng cảm ứng là sự phân cực các liên kết, lan truyền theo mạch các

liên kết ø do sự khác nhau về độ âm điện

Y là nhóm đẩy eleetron gây nên hiệu ứng cảm ứng dương (+I) như các nhóm mang

điện tích âm (~O-, .), các gộc alkyl CnHạa+ t~ ›. ‹

X là nhóm hút electron gây nên hiệu ứng cảm ứng âm (-I) như các nhóm mang điện tích dương: ~NÏRaạ; các nguyên tử có độ âm điện lớn như: -F, -Cl, -OR, -SR,

—NR; , các gốc hydrocacbon không no: CH;=CH-, CạH;-,

Nguyên tử H coi như không có sự hút hay day electron

Đặc điểm của hiệu ứng cảm ứng là giảm sút rất nhanh khi kéo dài mạch truyền ảnh hưởng

Thí dụ, tính axit của axit clobutanoic và axit butanoic giảm theo chiều sau:

CH:CHạCHCICOOH (pK, = 2,84) > CH;CHCICH;COOH “(Ka = 4,06) > CICH;CH;CH;COOH (pK¿ = 4,52) > CH;CH;CH;COOH (7K; = 4.82)

Lưu ý

Nhóm alkyl luôn có hiệu ứng +I va hiệu ứng +I của nhóm alkyl tăng dần theo bậc

của nhóm: —C(CH3)3 > -CH(CH;); >~CHạCHạCH;

33

Các nguyên tử hay nhóm nguyên tử càng ở phía trái của chu kì hoặc càng ở phía dưới của phân nhóm chính sẽ có hiệu ứng +l càng mạnh; các nguyên tử hay nhóm nguyên tử càng ở phía trên của phân nhóm chính hoặc ở phía bên phải của chu kì có

hiệu ứng —Ï cảng mạnh

Hiệu ứng —I của nguyên tử C tăng theo chiều sau: Cop > Cor > Cos

Bên cạnh hiệu ứng cảm ứng còn có hiệu ứng trường F (Field effect) la loai hiệu ứng truyền lực tĩnh điện qua khoảng không gian giữa các nhóm nguyên tử ở gần kể nhau

mà không có liên kết hoá học trực tiếp So sánh hai axit 14 và 15 cho thấy tính axit khác nhau mặc dù hiệu ứng cảm ứng như nháu vì (rong phân tử axit 14 có các nguyên tử Cl ở gần không gian nhóm COOH hơn trong phân tử axit 15%

5.2 Higu ứng liên bợp (kí hiệu C - Conjugate Effect) ;

Hiệu ứng liên hợp là hiệu ứng electron truyền trên hệ liên hợp, gây nên sự phân cực

hệ electron œ liên hợp đó

Hệ liên hợp là hệ gồm các liên kết x (liên kết đôi, liên kết ba) xen kẽ các liên kết (liên kết đơn) hoặc nguyên tử còn cặp electron không phân chia liên kết với nguyên

tử ở liên kết đôi hoặc liên kết ba

Các nhóm có cặp electron khéng liên kết gây nên hiệu ứng liên hợp dương +C: -OH,

~OR, —X (halogen), —NR;,

S Zo NA

>

CH (Lién bpp p-?®

Lưu ý là hầu hết các nhóm +C đồng thời có cả hiệu ứng -], nên thể hiện một hiệu ứng tổng quát bao gồm cả hai loại hiệu ứng đó Thí dụ CHO là nhóm day electron nói chung (+C mạnh hơn -—]), nhưng CI lại là nhóm hút electron nói chung (+C yếu hơn ~])

?6 Grubbs, E.J.; Fitzgerald, R.; Phillips, R.E.; Petty, R Tetrahedron 1971, 27, 935,

34

Os Ae CH Clo chuyển electron n của mình sang liên két Cl - C gay nén sy dich chuyén electron + của Cy — C; sang Cạ Vì ~l của Cl lớn hơn +C nên các nguyên tử này đều mang điện tích dương, nhưng C; nhỏ hơn C¡

Các nhóm không no như —NO¿, -C = N, ~CHO, -COOH, ~CONH;, thể hiện hiệu

Đặc điểm của hiệu ứng liên hợp là thay đổi rất ít khi kéo đài mạch liên hợp

Hiệu ứng liên hợp chỉ có hiệu lực mạnh trên hệ liên hợp phẳng:

kì có độ âm điện lớn hơn sẽ có hiệu ứng ~C mạnh hơn,

$.3 Hiệu ứng siêu liên hợp (kỉ hiệu tà H - hyperconjugative effect)

e Hiệu ứng siêu liên hợp đương

35

Khi cho các p - alkylbenzy! bromua tác dụng với piriđin trong môi trường axeton nhận thấy:

p-R-C¿HxCHạBr + NCsHs > p-R-CgHaCH2-"NCsHB,

V6i R 1a céc géc alkyl khác nhau thì tốc độ phản ứng:

~CH; > —CH2CH3 > ~CH(CH3)2 > —C(CH3)3 , (Ngược với thứ tự hiệu ứng cảm ứng)

Hiệu ứng đây electron ở đây là do tương tác giữa các electron của các liên kết C-H

va electron m cia néi đôi hay vòng benzen Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Becker -Nahtan hay hiệu ứng siêu liên hợp dương, kí hiệu +H

Hạ

Hiệu ứng +H tang khi số liên kết C—H tăng

se Hiệu ứng siêu liên hợp âm l

Nhóm C ~ Hai liên kết với hệ liên kết x có thể gây nên hiệu ứng siêu liên hợp hút

electron goi là hiệu ứng siêu liên hợp âm(~-H)

E

—

E

$4 Hiệu ứng không giản

Loại hiệu ứng do kích thước của các nhóm nguyên tử gây nên được gọi là hiệu ứng

không gian, kí hiệu là S (rừ đắng Anh Steric Effect)

s Hiệu ứng không gian loại 1 (S¡) là hiệu ứng của những nhóm thế có kích thước

tương đối lớn, chiếm những khoảng không gian đáng kể cán trở (hay hạn chế) không

cho một nhóm chức (vị trí) nào đó của phân tử tương tác với phân tử hay ion khác Trường hợp đầu tiên được thấy là ở phân tử O-O'-dimethy]-N-dimethylanilin không tạo muối amoni bậc 4 khi tác dung véi methyl iodua (A Hofmann, 1872)” hoặc trường hợp 2,6-dimethyl-1,4-quinon chỉ tạo thành monooxim ở một nhóm cacbonyl:

HạCS CHạ

? Đặng Như Tại Cơ sở hoá học lập thể, Nhà xuất bản giáo duc, 1998 tr.190

36

S2

"Trường hợp khác tương ty 1a neopenty! clorua hdu nhu khéng cho phan img Sy2 (chỉ

cé phan img Sy1 kém theo chuyén vi ni phan ti)

Higu img khéng gian loại 2 (S;) là hiệu ứng của những nhóm thể có kích thước lớn

đã vị phạm tinh song song của trục các đám mây electron 7t, n trong, hệ liên hợp Trọng phận tử 3,5-dimethyl-4-nitrophenol (xem mục 2.5.2) do ảnh hưởng của hai nhóm methyl làm cho nhóm NO; xoay đi, do đó sự xen phủ giữa các obitan m bị vi phạm và hiệu ứng -C giảm nên tính axit giảm (pKa = 8,25) so với 4-nitrophenol (pKa

= 7,16)

Trường hợp khác la N-dimethylanilin phản ứng ghép đôi với muối diazoni ở vị trí para do hiệu ứng +C của nhóm NCH: trong khi đó dẫn xuất 2,6-dimethyl của amin này lại không tham gia phản img”*

TAC NHAN CO LITHI VA MAGIE TRONG TONG HOP HUU CO

1 Giới thiệu

Việc sử dụng các tác nhân cơ kim trong tổng hợp hữu cơ đã bắt đầu từ những năm

1900 khi Victor Grignard phát hiện ra các dẫn xuất halogen của alkyl và aryl có thể

phan tng vi magic kim loại mang lại các dung dịch đồng thể chứa các hợp chất cơ

magie (được biết đến với tên gọi tác nhân Grignard).2° Tác nhân Grignard là những

hợp chất carbon nucleophil hoạt tính cao và có ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu

cơ Với phát hiện to lớn của mình, Grignard đã nhận được giải Nóobel hóa học năm

1912 Tác nhân cơ lithi cũng được phát hiện sau đó và cũng đã đóng vai rò quan trọng không kém trong tổng hợp hữu cơ hiện đại

Các tác nhân cơ lithi thường được viết tắt dưới dạng RLi (chính xác hơn là dạng oligome (RLi), ) Còn tác nhân magie (tác nhân Grigiarđ) được viết tắt đưới đạng RMgX, trong đó X là một nguyên tổ halogen Các dẫn xuất cơ kim của các kim loại nhóm I và II là các tác nhân carbon nucleophil khá mạnh Hoạt tính của chúng tăng theo quy luật Li > Na > K và MgX >.CaX Trong số dó, các tác nhân cơ lithi và magie được sử dụng khá rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ: Xét về mặt phản ứng thì có

nhiều điểm tương đồng giữa các tác nhân cơ lithi và cơ magie Các tác nhân cơ lithi

và cơ magie dều tham gia phải ứng với các liên kết đôi phân cực, đặc biệt là các

nhóm carbonyl, và có thể'mang lại sản phẩm là các ancol Với các tác nhân

electrophil khác như axyl halogenua, nitril, và CO›, có thể mang lại các con đường hữu ích cho tổng hợp các xeton và các axit carboxylic Ngoài ra, các tác nhân cơ lithi

và magie đều tham gia phản ứng với các alkyl halogenua và phản ứng mở vòng

€poxy, nhưng nói chung các tác nhân cơ lithi thường dễ dàng phản ứng hơn va phản" ứng có thể xảy ra trong điều kiện êm dịu và không cần chất xúc tác Trong chương này chúng tôi chỉ giới thiệu về các phương pháp điều chế, các phản ứng và ứng dụng tổng hợp của các tác nhân cơ lithi và cơ magie (tác nhân Grignard)

? Smith, B M.; March, 1 Advanced Organic Chemistry Wiley, 6" Ed, 2007:

38

2 Tác nhân cơ lithi trong tang hợp hữu cơ

3.1 Điều chế và các tính chất của các hợp chất cơ lithi

Các tác nhân lithi là những hợp chất cơ kim được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp

hữu cơ hiện đại với tính chất như các tác nhân nucleophil hoặc như các bazơ mạnh

Các tác nhân cơ lithi được viết dưới dạng RLi, nhưng thực chất chúng tổn tại trong

dung địch đưới dạng oligome kếttụ (RLi)n bởi bản chất liên kết cộng hóa trị giữa C-

Li Các tác nhân alkyl lithi đơn giản thường tồn tại đưới dạng tetrame hoặc hexame trong các dung môi hydrocarbon (hình 3)2 Vi ban chất tạo oligome này của các hợp chất cơ lithi, nên hoạt tính và độ tan của chúng giảm

Hình 1: Mô hình cấu trúc của các hợp chất cơ lithi tồn tại ở đạng tetrame và hexame

oO

⁄ \ ⁄ `

MeN \Ñ_ NMœ Cx Me *NMe; “NEt, N ñ |

Hình 2: Các bazơ Lewis thường được sử dụng trong tạo phối trí với các hợp chất cơ lithi Khi phá sự kết tụ của các hợp chất cơ lithi bằng cách thêm các bazơ Lewis sẽ làm

tăng độ tan và hoạt tính của chúng Các bazơ như vậy có thể là các dung môi phối trí như THF, EtzO hoặc là các bazơ hữu cơ (hình 2) chứa nguyên tế N như TMEDA (N,N,N N’- tetramethylethylendiamin), (-)-spartein."° Rất nhiều các tác nhân cơ lithi

đã được các công ty hóa chất (Aldrich, Fluka, Acros ) thương mại hóa và thường được dự trữ trong các dung môi không phân cực như hexan Các phản ứng với sự

* Gessner, V H.; Däschlein, C.; Strohmann, € Chem Euz J 2009, /5, 3320

39