Thuyết MO phản ứng pericylic

THUYẾT FMO VÀ PHẢN ỨNG PERICYCLIC THUYẾT FMO 1.1 Một số thuật ngữ quy ước - FMO = Frontier Molecular Orbital (orbital phân tử biên) - HOMO = Highest Occupied Molecular Orbital (orbital có cặp electron mức lượng cao nhất) - LUMO = Lowest Unoccupied Molecular Orbital (orbital không chứa cặp electron mức lượng thấp nhất) - SOMO = Singly Occupied Molecular Orbital (orbital chứa electron độc thân) - ϕ hay φ (phi): kí hiệu hàm sóng electron orbital ngun tử (AO) - Ψ hay ψ (psi): kí hiệu hàm sóng electron orbital phân tử (MO) 1.2 Nội dung phương pháp Cũng giống tìm hiểu tính chất hóa học nguyên tố, người ta phân tích cấu hình eletron lớp vỏ hóa trị để dự đoán khả phản ứng nguyên tố Việc tìm hiểu phản ứng hóa học phân tử hữu vậy, electron mức lượng cao (electron cùng) orbital trống có mức lượng thấp nơi thể khả cho nhận electron phân tử, khảo sát cấu tạo chúng đưa lý giải dự đoán cho tượng hóa học Lý thuyết nghiên cứu dựa tảng orbital biên gọi thuyết orbital (vân đạo) biên (Frontier Orbital theory) – Giải Nobel lĩnh vực Hóa học năm 1981 (Kenichi Fukui) Trong phần này, khảo sát góc nhỏ thuyết FMO, nơi mà dùng để áp dụng cho việc giải thích cho phản ứng pericyclic, phản ứng có liên quan đến hệ liên kết π liên hợp Trước hết, tìm hiểu cách xây dựng giản đồ lượng hệ liên hợp theo quy tắc Huckel Theo quy tắc Huckel áp dụng hệ liên hợp, orbital phân tử toàn hệ tổ hợp tuyến tính orbital p nguyên tử cấu thành (thuyết LCAO MO) Phương pháp có đặc tính sau: • • Chỉ giới hạn cho hệ liên hợp Bao nhiêu orbital p nguyên tử tham gia tổ hợp tuyết tính tạo thành hệ liên hợp có nhiêu orbital π phân tử tạo thành (n AO → n MO) • Chỉ bao gồm orbital π phân tử phương pháp loại bỏ đặc tính electron σ cho chúng khơng có vai trị việc xây dựng orbital biên Vì lý này, phương pháp Huckel áp dụng cho hệ phẳng • Phương pháp xây dựng tảng thuyết MO LCAO, phương trình Schrodinger nguyên tắc tảng đối xứng orbital • Phương pháp dự đốn có mức lượng tồn phân tử, mức suy biến (nhiều trạng thái tồn mức lượng) biểu thị lượng orbital phân tử đại lượng α (đại diện cho lượng nội electron orbital nguyên tử) β (đại diện cho lượng tương tác electron nguyên tử) 1.3 Orbital phân tử Ethylene Theo thuyết MO, orbital p nguyên tử tổ hợp tuyến tính tạo thành orbital phân tử - MO liên kết (lk - bonding) MO phản liên kết (plk - antibonding) MO phản liên kết chứa nút dọc (vertical node) biểu thị cho không tương tác orbital p Theo đó, MO phản liên kết có lượng cao MO liên kết Theo hình vẽ, MOlk, ta thấy mật độ electron phân bố nhiều vùng trung tâm nguyên tử carbon, thùy màu (cùng dấu hàm sóng orbital nguyên tử) xen phủ với tạo liên kết Trong MOplk, xuất nút dọc (nơi xác suất tìm thấy electron 0), electron (nếu có) buộc phải phân bố nguyên tử riêng rẽ thùy khác màu (do trái dấu hàm sóng AO) nên không tương tác xen phủ với Ứng với orbital phân tử hàm số biểu thị phân bố electron trạng thái phân tử Như vậy, dấu thùy thấy rõ nằm đại lượng C – hệ số orbital phân tử, đại lượng ứng với nguyên tử liên kết mức lượng khảo sát Đại lượng biểu thị mức độ đóng góp nguyên tử lên phân bố electron mức lượng định phụ thuộc vào chênh lệch độ âm điện – cụ thể, MOlk, nguyên tố có độ âm điện lớn góp phần nhiều lên phân bố electron Về mặt lượng tử, Ψ2 đại lượng thể mật độ xác suất phân bố electron nguyên tử hay phân tử, lấy bình phương hàm số chung cho orbital phân tử, ta thu : Ψ2 = (C1ϕ1 + C2ϕ2)2 = (C1ϕ1)2 + (C2ϕ2)2 + 2C1ϕ1C2ϕ2 Ở trạng thái liên kết, C1 C2 dương âm hay nói cách khác thùy carbon lân cận dấu, mật độ electron nguyên tử tăng lên 2C1ϕ1C2ϕ2 > 0, đó, electron dùng chung giữ chặt hạt nhân nguyên tử Ngược lại, C1 C2 trái dấu (2C1ϕ1C2ϕ2 < 0), mật độ electron nguyên tử giảm (thường C1ϕ1 ~ C2ϕ2) kí hiệu nút dọc Như vậy, có electron điền vào MOplk, tượng giảm mật độ electron nguyên tử lúc biểu hiện, điều nghĩa lực đẩy nguyên tử mạnh MOlk ngun tử lúc khơng cịn tồn Về phương diện tốn học, ta có : mức lượng, tổng bình phương tất hệ số MO Như vậy, xét liên kết nguyên tử có độ âm điện (2 nguyên tử giống nhau), dễ dàng tính hệ số orbital MO nguyên tử 0,707 Năng lượng MO tính tốn đại lượng α β (đã giải thích phía trên) chất số thực ln âm lượng phụ thuộc vào đại lượng S, gọi tích phân xen phủ Giá trị tính tốn phức tạp, nhìn chung liên quan đến hàm sóng AO, bán kính ngun tử đại diện cho thể tích xen phủ nguyên tử Câu 1: Đối với liên kết C=O, cho giá trị hệ số orbital phân tử (C): +0,85; +0,53; -0,53; +0,85 Hãy gán giá trị phù hợp vào hình vẽ sau: (khơng cần giải thích) 1.4 Orbital phân tử Butadiene: Hệ diene liên hợp, 1,3-butadiene, bao gồm AO p xen phủ Theo thuyết MO, orbital p tổ hợp tuyến tính tạo thành orbital phân tử MO có mức lượng thấp (Ψ1) khơng có nút dọc MO có mức lượng có nút dọc, MO có mức lượng cao có thêm nút dọc MO thường vẽ hình (thực tế kích thước thùy có khác phụ thuộc vào hệ số MO nguyên tử) Mặc dù hình vẽ giống tập hợp orbital p, chúng thực miêu tả orbital phân tử orbital nguyên tử Thuyết MO giúp giải thích độ bền hệ diene liên hợp electron π hệ diene bão hòa mức lượng thấp (MO liên kết), tập trung vào MO MO có mức lượng thấp (Ψ1) thể đặc tính liên kết đơi C2-C3, MO thứ (Ψ2) lại điều Tất electron π bão hòa MO Ψ1 Ψ2 Vì thế, liên kết C2-C3 có phần đặc tính liên kết đơi lại vừa có phần đặc tính liên kết đơn Vì thế, thuyết MO giải phần ngắn bất thường liên kết C2-C3 Thêm vào đó, thuyết MO giải thích độ bền hệ diene liên hợp Như vậy, ta thấy: trạng thái, dấu hệ số MO nguyên tử carbon khác dẫn đến khả xen phủ tạo liên kết orbital p khác nhau, đó, mức lượng (ψ) hệ butadiene chứa trạng thái ứng với orbital phân tử Có thể khái quát rằng: theo thuyết MO-Huckel cho hệ liên hợp mạch hở, mức lượng (ψ) chứa orbital phân tử Về mặt lượng tử, orbital π hệ butadiene khơng có “kích thước” (hệ số MO) dù chúng có độ âm điện Trên thực tế, hệ số orbital MO (C) nguyên tử mạch carbon liên hợp, hở tính theo cơng thức lý thuyết sau: 𝑖𝑗𝜋 𝐶𝑗𝑟 = √𝑛+1 sin⁡(𝑛+1) Với: (1) C: hệ số MO n: số lượng nguyên tử hệ liên hợp i: mức lượng khảo sát j: thứ tự nguyên tử carbon khảo sát (1, 2, 3, 4,…) Theo đó, sơ đồ orbital phân tử ứng với butadiene có dạng thực tế sau: Câu 2: Trên giản đồ lượng butadiene, có mức lượng mà thùy phân bố cách đối xứng (có trục đối xứng) mặt dấu hệ số MO, có mức lượng mà dấu thùy phân bố khơng có trục đối xứng Bằng việc kí hiệu chữ S (đối xứng) hay chữ A (bất đối xứng) vào cạnh mức lượng, mức lượng mà thùy phân bố đối xứng không đối xứng phân tử butadiene Câu 3: Từ phương trình lý thuyết dùng để tính tốn hệ số MO ngun tử carbon hệ liên hợp mạch hở (phương trình 1), xây dựng giảng đồ MO theo thuyết MO-Huckel với giá trị hệ số MO phù hợp cho ion sau: 1) 2) 3) 4) 1.5 Orbital phân tử Hexatriene: Ở hệ liên hợp triene, 1,3,5-hexatriene, bao gồm orbital p xen phủ Theo thuyết MO, orbital p tổ hợp tuyến tính cho orbital (π) phân tử Trong trường hợp này, electron π bão hịa MO có mức lượng thấp (các MOlk) Trong hệ liên hợp nào, HOMO LUMO điều quan trọng đáng lưu ý, chúng gọi orbital biên (frontier orbitals) HOMO chứa electron π có mức lượng cao nhất, chúng sẵn sàng cho cặp electron để tham gia phản ứng hóa học; LUMO MO có mức lượng thấp nhất, có khả nhận cặp electron Các hệ π liên hợp có khả bị kích thích ánh sáng Khi gặp điều kiện thích hợp, electron π từ HOMO nhận photon ánh sáng với lượng phù hợp, bị kích thích lên LUMO Như vậy, lấy ví dụ hexatriene, trạng thái kích thích, HOMO ψ4 Sự kích thích làm thay đổi vai trị mức lượng orbital biên Sự ảnh hưởng ánh sáng lên tính chất orbital biên quan trọng phản ứng quang hóa (photochemical reactions) 1.6 Ảnh hưởng nhóm lên lượng orbital phân tử C=C Các nhóm gây hiệu ứng liên hợp lên C=C nhìn chung có khả làm bền hệ phân tử, nhiên với nội liên kết C=C, có ảnh hưởng đặc biệt đến: lượng electron π, khoảng cách lượng HOMO-LUMO hệ số orbital phân tử nguyên tử carbon Cụ thể: - - - Nhóm loại 1a: gây hiệu ứng liên hợp kiểu π-σ-π khơng hút điện tử (kí hiệu C, VD: -C=C) làm giảm khoảng cách lượng HOMO-LUMO cách tăng lượng HOMO, giảm lượng LUMO Nhóm loại 1b: gây hiệu ứng liên hợp kiểu π-σ-π hút điện tử (kí hiệu Z, VD: -C=O) làm giảm khoảng cách lượng HOMO-LUMO đồng thời làm giảm lượng HOMO LUMO xuống Nhóm loại 2: gây hiệu ứng liên hợp kiểu π-σ-p đẩy điện tử (kí hiệu X:, VD: -OR) làm tăng lượng HOMO LUMO lên Để minh họa cho tượng thấy rõ thay đổi kích thước tương đối hệ số MO, quan sát bảng bên 1.7 FMO phản ứng hóa hữu Chúng ta dự đốn tốc độ phản ứng ban đầu phân tử khác phương trình SalemKlopman Phương trình giúp ta tính lượng (ΔE) nhận tỏa orbital xen phủ lẫn Nếu giá trị âm (quá trình xen phủ tỏa nhiệt), tốc độ ban đầu phản ứng diễn nhanh; ngược lại, tốc độ đầu phản ứng chậm giá trị lớn Như vậy, phương trình Salem-Klopman giúp dự đoán động lực học phản ứng Hay ta viết gọn lại sau: ΔE = ΔE1 + ΔE2 + ΔE3 • Đại lượng thứ 1: Đại diện cho tương tác đẩy electron orbital bão hòa phân tử (a) với phân tử (b) Đại lượng ln có giá trị lớn • Đại lượng thứ 2: Đại diện cho lực hút tĩnh điện (lực hút Coulomb) nguyên tử mang điện tích trái dấu Khi hạt mang điện tích trái dấu (Qk Ql trái dấu) khoảng cách gần (Rkl nhỏ), đại lượng mang giá trị âm ngược lại Đây tương tác quan trọng việc dự đoán tốc độ phản ứng theo kiểu lực hút tĩnh điện Các hạt mang chất ion trái dấu, lực tương tác mạnh • Đại lượng thứ 3: Đại diện cho tương tác xen phủ orbital biên (HOMO LUMO) Đại lượng mang giá trị âm Khi lượng HOMO (Er) LUMO (Es) chất gần nhau, giá trị ΔE3 âm Khi xen phủ xảy vị trí mà nguyên tử sở hữu hệ số MO lớn (Cra Csb lớn), giá trị âm Đây tương tác quan trọng việc dự đoán tốc độ phản ứng theo kiểu xen phủ đôi điện tử orbital trống đồng Các phân tử khơng mang điện tích khơng có chất ion tương tác hút với nhờ lực Tóm lại, phân tử va chạm, có lực tương tác khởi động cho phản ứng: i ii iii Các orbital bão hòa phân tử tương tác đẩy với orbital bão hòa phân tử Tương tác tĩnh điện điện tích dương phân tử với điện tích âm phân tử (đẩy hạt dấu) Sự xen phủ orbital mang đôi điện tử (HOMO) phân tử với orbital trống (LUMO) phân tử tạo nên lực hút phân tử Câu 4: Từ phương trình Salem-Klopman, người ta đưa khái niệm nucleophile cứng (hard nucleophiles) nucleophile mềm (soft nucleophiles) sau: - Các nucleophile cứng có lượng HOMO thấp thường mang điện tích âm Các nucleophile mềm lượng HOMO cao không cần thiết phải có điện tích âm Các electrophile cứng có lượng LUMO cao thường mang điện tích dương Các electrophile mềm lượng LUMO thấp không cần thiết phải có điện tích dương Từ ý trên, trả lời số câu hỏi sau: 1) Phản ứng nucleophile cứng electrophile cứng xảy nhanh lí gì? 2) Phản ứng nucleophile mềm electrophile mềm xảy nhanh lí gì? 3) Hệ số MO nguyên tử nơi tâm phản ứng lớn, tác nhân có tính (cứng hay mềm)? Vì sao? PHẢN ỨNG PERICYCLIC Phản ứng pericyclic có tên chúng diễn đồng thời (concerted) với dịch chuyển electron bất định trạng thái chuyển tiếp vòng (cyclic transition state) Nhờ tượng đồng thời với trạng thái chuyển tiếp vịng, phản ứng mang tính chọn lọc lập thể cao, quan trọng tổng hợp hữu Các phản ứng pericyclic chia thành nhóm chính: phản ứng cộng vịng (cycloaddition reaction), phản ứng điện vòng (electrocyclic reaction), chuyển vị sigmatropic (sigmatropic rearrangement) phản ứng cheletropic (cheletropic reaction) 2.1 Phản ứng cộng vòng: 2.1.1 Phản ứng Diels-Alder (4+2) (6 electron): Phản ứng Diels-Alder bao gồm diene tác dụng với dienophile để tạo thành vịng thơng qua trạng thái chuyển tiếp Về mặt lập thể: cis-alkene phản ứng với diene tạo thành vịng có nhóm vị trí cis, trans-alkene tạo thành vịng có nhóm vị trí trans Lưu ý: Diene phản ứng dạng s-cis Hiện tượng ưu Endo: Trong phản ứng cộng đóng vịng, nhóm hút điện tử tương tác với liên kết π (hiệu ứng xen phủ orbital thứ cấp), nên thuận lợi cho việc tạo thành sản phẩm endo Tuy nhiên, tương tác yếu, số trường hợp, dienophile mang nhiều nhóm cồng kềnh, dạng cis diene mang nhóm cồng kềnh vị trí C2 C3 làm giảm tượng ưu endo điều xảy VD8: Phản ứng retro-“ene” – nhiệt phân (pyrolyse) selenoxide : 2.1.4 Phản ứng cộng lưỡng cực (2+3) : Đây phản ứng cộng vịng thuộc nhóm [4+2] (4 electron π + electron π) hợp phần : hợp phần nguyên tử hợp phần nguyên tử Hợp phần nguyên tử thường gồm electron π hợp chất 1,3-lưỡng cực (ví dụ bên dưới) Hợp phần nguyên tử gồm electron π, thường nằm chất chứa liên kết π thông thường (alkene, alkyne, ), giống dienophile phản ứng DielsAlder, chúng gọi chất lưỡng cực (dipolarophile) Các chất 1,3-lưỡng cực phân tử đẳng điện (mang điện tích trái dấu) - Ozone dẫn chất giống ozone : - Các oxide nitrogen dẫn chất : - Osmium tetroxide : Phản ứng (2+3) ln có cộng syn (bảo tồn lập thể alkene ban đầu), nhiên, tính chọn lọc endo/exo phản ứng xác định rõ ràng phản ứng Diels-Alder Tính chọn lọc vị trí chọn lọc lập thể phản ứng phụ thuộc mạnh vào hiệu ứng không gian VD1: Phản ứng chọn lọc đặc thù theo kiểu cộng syn VD2: Câu 8: Cho benzaldehyde tác dụng với methylamine thu A Mặt khác, cho benzaldehyde tác dụng với hydroxylamine thu B Trộn B với nước Javen CH2Cl2 thời gian sau cho triethylamine vào thu trung gian [C] bền Ngay sau [C] tạo thành, cho A vào bình phản ứng với [C] thời gian thu D có cơng thức phân tử C15H14N2O Xác định chất từ A đến D viết chế cho trình từ B tạo thành D 2.2 Phản ứng điện vòng: Các phản ứng điện vòng phản ứng hệ liên kết π liên hợp trình thuận nghịch Các electron hệ liên hợp di chuyển để tạo thành liên kết σ mới, liên kết π cũ thay đổi vị trí, cuối đóng lại thành vịng Về mặt lập thể: lập thể sản phẩm tùy thuộc vào lập thể chất ban đầu điều kiện phản ứng (nhiệt độ ánh sáng) 2.2.1 Lập thể phản ứng nhiệt điện vòng: Điểm đặc biệt phản ứng điện vòng electron π HOMO tự di chuyển gây tạo thành liên kết mới, tập trung vào HOMO hệ liên hợp với liên kết π Có thể thấy, HOMO triene có nút dọc (ψ3) phân bố cách đối xứng (S) Chính phân bố đối xứng, tập trung lên dấu thùy (lobes) phía ngồi (được biểu diễn màu xanh đỏ), thùy nơi tạo thành liên kết σ Có thể thấy, thùy ngồi có đối xứng, để tạo thành liên kết, thùy dấu phải quay vào tương tác với Điều khiến thùy phải quay hình bên Kiểu quay gọi đối quay (disrotatory) có thùy quay theo chiều kim đồng hồ thùy quay theo chiều ngược lại Kiểu quay thùy cho cấu hình lập thể tương ứng (cis) Hãy quan sát phản ứng nhiệt điện vòng hệ π chứa electron π Một lần nữa, lập thể sản phẩm phụ thuộc vào lập thể chất ban đầu Để giải thích điều này, ta lại xét thùy HOMO Ở hệ 4n electron π, HOMO ln phân bố bất đối xứng, ta thu cách bố trí thùy phía ngồi hình bên Để tạo liên kết mới, thùy phải quay cho thùy dấu xen phủ với Kiểu quay trường hợp gọi đồng quay (conrotatory) thùy quay hướng với Lúc này, lập thể sản phẩm dạng trans Tuy nhiên, trường hợp carbon, phản ứng có xu hướng mở vịng đóng vịng độ bền sản phẩm Như vậy, phản ứng nhiệt điện vòng, để xác định lập thể sản phẩm, ta có “mẹo” để nhẩm nhanh sau: Bước 1: Xác định chiều quay thùy Để xác định chuyện này, ta nhẩm để xác nhận tính đối xứng HOMO theo bước nhỏ sau: 1) Vị trí HOMO số lượng liên kết đơi hệ liên hợp mạch hở VD: hệ liên kết đơi mạch hở có HOMO mức lượng ψ3 2) Trong giản đồ MO, mức lượng chứa thùy phân bố đối xứng (S), sau bất đối xứng (A), sau lại đối xứng (S)… Do ta nhanh chóng nhẩm tính đối xứng cho HOMO hệ VD: hệ có HOMO ψ3 có tính đối xứng là: S – A – S, đối xứng 3) Như vậy, ta dễ dàng tưởng tượng rằng: - Nếu thùy phân bố đối xứng, phản ứng diễn theo cách đối quay - Nếu thùy phân bố bất đối xứng, phản ứng diễn theo cách đồng quay Bước 2: Xác định vị trí nhóm vị trí carbon ngồi hệ liên hợp, ta có mẹo sau: - Sắp xếp vị trí liên kết σ nối đôi cho chúng dạng s-cis - Các nhóm (X) phân bố kiểu ta quy ước đồng phía - Các nhóm (X) phân bố kiểu ta quy ước đối phía Bước 3: Giống quy tắc “chẵn – lẻ” phép cộng hay nhân, ta có “câu thần chú” sau: - Đồng + đồng = đồng (cis) Đối + đối = đồng (cis) Đồng + đối = trái (trans) Nào, quay lại ví dụ phản ứng nêu áp dụng thử Sau đó, trả lời câu hỏi bên Câu 9: Viết cấu trúc sản phẩm phản ứng sau với lập thể phù hợp: 2.2.2 Lập thể phản ứng quang điện vòng: Tương tự giải thích lập thể cho phản ứng nhiệt điện vòng vừa nêu, lập thể phản ứng quang điện vịng giải thích bảo tồn tính đối xứng orbital Cụ thể, ta phải tập trung vào đối xứng HOMO tham gia phản ứng, lưu ý rằng, trạng thái kích thích, mức lượng HOMO có thay đổi Nhìn vào thùy HOMO, ta thấy phản ứng quang đóng vịng hệ liên hợp electron π phải diễn theo kiểu đồng quay, ngược lại so với xảy điều kiện nhiệt độ Sự đồng quay giải thích cho kết lập thể sản phẩm thu Lời giải thích tương tự cho hệ liên hợp gồm electron π Nhìn vào thùy ngồi HOMO, ta thấy phản ứng quang đóng vịng hệ liên hợp electron π phải diễn theo kiểu đối quay, ngược lại so với xảy điều kiện nhiệt độ Tuy nhiên, trường hợp carbon, phản ứng có xu hướng mở vịng đóng vịng độ bền sản phẩm Bảng sau tóm tắt quy tắc Woodward-Hoffmann cho phản ứng điện vòng Như vậy, phản ứng quang điện vòng, để xác định lập thể sản phẩm, ta có “mẹo” để nhẩm nhanh y bước phần nhiệt điện vòng, khác bước sau: Bước 1: Xác định chiều quay thùy Để xác định chuyện này, ta nhẩm để xác nhận tính đối xứng HOMO theo bước nhỏ sau: 1) Vị trí HOMO số lượng liên kết đôi hệ liên hợp mạch hở Tuy nhiên kích thích ánh sáng, số phải cộng VD: hệ liên kết đơi mạch hở có HOMO mức lượng ψ4(3 + 1) 2) Trong giản đồ MO, mức lượng chứa thùy phân bố đối xứng (S), sau bất đối xứng (A), sau lại đối xứng (S)… Do ta nhanh chóng nhẩm tính đối xứng cho HOMO hệ VD: hệ có HOMO ψ4 có tính đối xứng là: S – A – S – A, bất đối xứng 3) Như vậy, ta dễ dàng tưởng tượng rằng: - Nếu thùy phân bố đối xứng, phản ứng diễn theo cách đối quay - Nếu thùy phân bố bất đối xứng, phản ứng diễn theo cách đồng quay Bước Bước thực giống “mẹo” phần Nào, quay lại ví dụ phản ứng nêu áp dụng thử Sau đó, trả lời câu hỏi bên Câu 10: Viết cấu trúc sản phẩm phản ứng sau với lập thể phù hợp: Câu 11: 1) E J Corey, giáo sư Đại học Havard người nhận danh hiệu giải Nobel Hóa năm 1990, thực phản ứng Diels-Alder chuỗi tổng hợp prostaglandin, tổng hợp đánh dấu mốc nghiệp ông Vẽ sản phẩm cho phản ứng sau đặt dấu (*) cạnh tâm bất đối 2) Dưới phần chuỗi tổng hợp pseudotabersonine, xác định D, E đề xuất chế bước: 3) Triazene có khả tạo thành vịng thơm thơng qua phản ứng Diels-Alder Hãy đề nghị chế cho phản ứng bên vẽ sản phẩm phụ lại phản ứng 4) Diene Danishefsky, đặt tên theo nhà khoa học Samuel Danishefsky trường ĐH Columbia, chứa nhóm chức dễ cách chọn lọc sau thực phản ứng Diels-Alder Hãy hoàn thành chuỗi tổng hợp Disodium prephenate Danishefsky Câu 12: Đối với phản ứng điện vịng, quy tắc Woodward-Hoffmann tóm tắt sau: 1) Một số hợp chất tự nhiên endiandric acid tổng hợp phản ứng điện vòng Diels-Alder Hoàn thành chuỗi phản ứng sau: 2) Đánh dấu X viết vào ô miêu tả đặc điểm phản ứng từ (i) đến (v) bảng sau: Phản ứng Diels–Alder? Điện vòng? Số electron  con- or dis-rotatory? (Đồng hay đối quay) i ii iii iv v 2.3 Phản ứng chuyển vị Sigmatropic Chuyển vị sigmatropic phản ứng pericyclic, liên kết σ hình thành nhờ liên kết σ khác Trong trình này, liên kết π di chuyển vị trí chúng Trong tiếng Hi Lạp, tropos nghĩa “sự thay đổi” Liên kết σ thay đổi từ vị trí sang vị trí khác 2.3.1 Các phản ứng chuyển vị [1,j]: Sự chuyển vị [1,2] cationic tượng chuyển vị Wagner-Meerwein, phổ biến chuyển vị hydride hay nhóm methylide để tạo thành carbocation bậc cao bền vững Sự chuyển vị [1,2] anionic la phản ứng chuyển vị Stevens, Wittig hay Meisenheimer VD1: Phản ứng chuyển vị Stevens số chế khả thi đề nghị VD2: Phản ứng chuyển vị Wittig VD3: Phản ứng chuyển vị Meisenheimer Phản ứng chuyển vị [1,5] sigmatropic ví dụ điển hình cho loại phản ứng này, đơi cịn gọi tên dịch chuyển hydro [1,5] Trong trạng thái chuyển tiếp, vị trí liên kết cũ vị trí liên kết tạo thành chia cấu trúc thành phần: phần chứa nguyên tử carbon, phần chứa nguyên tử hydro Câu 13: 1) Đề nghị chế cho phản ứng bên cho biết động lực phản ứng Chú ý cấu hình carbon bất đối khơng bị thay đổi 2) 2.3.2 Đề nghị chế cho trình sinh tổng hợp vitamin D2 thể động vật Biết q trình có chuyển vị hydro [1,7] Các phản ứng chuyển vị [i,j] Đối với chuyển vị [3,3] sigmatropic, trạng thái chuyển tiếp vòng, vị trí liên kết cũ vị trí liên kết tạo thành chia cấu trúc thành mảnh với bên nguyên tử carbon electron Một số tên gọi chuyển vị sigmatropic [3,3]: Ở trạng thái chuyển tiếp, cấu trúc chất phản ứng dạng ghế thuyền, nhiên dạng ghế chiếm ưu Từ ta dự đốn sản phẩm phản ứng dựa cấu dạng ghế trạng thái chuyển tiếp Câu 14: Xét phản ứng bên dưới: 1) 2) 3) 4) Xác định lập thể nối đôi chất tham gia phản ứng Xác định cấu dạng (trục hay biên) nhóm methyl trạng thái chuyển tiếp Xác định cấu hình tuyệt đối chất sản phẩm Xác định sản phẩm phản ứng (threo hay erythro) Giải thích Ở trạng thái chuyển tiếp, liên kết có xu hướng dạng biên (equatorial) dạng trục (axial) Hãy áp dụng điều cho tập bên Câu 15: Xác định sản phẩm phản ứng bên với lập thể phù hợp Giải thích cấu dạng trạng thái chuyển tiếp Câu 16: Cho chuỗi chuyển hóa sau, chất chuyển hóa qua chất trung gian nhanh chóng chuyển thành chất cách chọn lọc lập thể đặc thù Hãy tìm chất 2, vẽ chế cho tồn q trình giải thích tính chọn lọc lập thể phản ứng Ngoài ra, chuyển vị [2,3] thường gặp phản ứng hữu cơ, ví dụ chuyển vị ylide hay oxi hóa vị trí allyl với SeO2 trình bày BÀI TẬP VẬN DỤNG TỔNG HỢP Câu 17: Vẽ chế cho phản ứng sau: Câu 18: Vẽ cấu trúc sản phẩm phản ứng đun nóng chất 70 oC Đây bước quan trọng tổng hợp toàn phần chất độc gelsemoxoine chiết từ ngón (Gelsemium elegans) Câu 19: Khi cho oligofuran sau tác dụng với maleimide, có sản phẩm cộng [4+2] tạo thành Hãy xác định sản phẩm giải thích khơng tạo sản phẩm cịn lại Câu 20: Khi cho chất A, dẫn suất vòng cyclooctyn phản ứng với benzyl azide, phản ứng cộng [3+2] xảy alkyn azide (gọi phản ứng click) để hình thành dị vịng cạnh 1) Hãy vẽ cấu trúc C, biết B C đồng phân 2) Khi thay A dẫn chất từ D – F bên dưới, khả phản ứng chúng thấp A Hãy giải thích cho thay đổi khả phản ứng Câu 21: Hãy cho biết phản ứng domino sau xảy nhỏ vào giọt acid mạnh: Câu 22: Năm 1977 sesquiterpene furan (K) tách từ loại san hô mềm Australia Sinularia gonatodes Hợp chất có khả vơ hiệu hóa nọc độc ong kiện chất đơn giản lại phản ứng tác nhân chống viêm gây ý đáng kể đến nhà hóa tổng hợp Một q trình tổng hợp mơ tả Acid (A) ester hóa với 2-(trimetylsilyl)ethanol [Me3SiCH2CH2OH] keto-ester sinh khử cách chọn lọc nhóm carbonyl ketone với NaBH4/CeCl3 để tạo hợp chất B (C14H22O4Si) HO2C O O A Xử lí B với 1,1,1-trimethoxyethane với có mặt vết (lượng nhỏ) acid khan nước tạo chất trung gian chuyển vị kiểu Claisen nung nóng để tạo chất C Phân tích phổ C cho thấy diện nhóm este trimetylsilylethyl nhóm ester methyl 1) Suy luận cấu tạo hợp chất B C chất trung gian dẫn đến C Khử C với Lithium borohydride tạo thành rượu bậc D (C16H26O4Si) bị oxi hóa với pyridine chlocromate chuyển thành F Phản ứng F với tác nhân Wittig G tạo hai đồng phân H I Sản phẩm H có hóa học lập thể (E) CHO Ph3P G 2) Nêu cấu tạo hợp chất D – I, cẩn thận để rõ hóa học lập thể xác đồng phân H I Phản ứng Wittig sau với ylid chuyển hóa từ metyl triphenylphotphonium iodide tạo thành J, chất sau cắt ester trimetylsilylethyl ester với tetra-n-butyl amonium floride tạo hợp chất mong muốn K 3) Nêu cấu tạo để hoàn chỉnh toàn sơ đồ trình tổng hợp Câu 23: Quá trình tổng hợp polyketide tự nhiên này, SNF4435 C, đặc trưng phản ứng chuyển vị Claisen phản ứng điện vịng 1) 2) Hãy hồn thành chuỗi tổng hợp sau Chỉ có phản ứng điện vòng xuất bước V, bước có electron π tham gia phản ứng? Biết phản ứng thực điều kiện nhiệt độ Câu 24: Từ chất cần thiết, chuyển thành thông qua bước: Câu 25: Acid squaric nhóm dẫn chất cơng cụ có tổng hợp hữu Cơng thức cấu tạo cho hình bên Để trở thành nguyên liệu cho phản ứng hữu phức tạp, người ta xử lý acid squaric sau Đun hồi lưu acid squaric với methyl orthoformate HC(OCH3)3 methanol thu chất hữu X (C6H6O4) Xử lý X theo sơ đồ phản ứng sau thu chất chuỗi tổng hợp Triquinane, cơng trình nghiên cứu Moore, et al (J Org Chem 1998, 63, 6905.) 1) Xác định chất X, Y, Z, trung gian A trung gian B 2) Đề nghị chế chuyển T1 thành T2 Ngồi cơng dụng để tạo thành Triquinane, phản ứng domino pericyclic từ dẫn xuất acid squaric hữu ích tổng hợp nhiều chất khác, có chất H tổng hợp sau: 3) Xác định H đề nghị chế tạo thành H, biết H chứa vòng năm cạnh đỉnh chung chứa nhóm OH 4) Từ kiến thức biết phản ứng domino pericyclic từ dẫn chất acid squaric, dự đoán sản phẩm chế tạo thành sản phẩm cho phản ứng sau: ... biên, HOMO chất LUMO chất lại Khi cố gắng xen phủ chúng với MO lại khơng thể làm chúng vi phạm tính đối xứng (symmetry forbidden) (một MO đối xứng MO không đối xứng), phản ứng khơng xảy Phản ứng. .. (có LUMO thấp) VD1: Phản ứng enophile giàu điện tử alkene nghèo điện tử Câu 7: Viết sản phẩm cho phản ứng sau: 1) 2) VD2: Phản ứng enophile nhóm carbonyl VD3: Phản ứng oxy hóa SeO2 VD4: Phản ứng. .. Mơ hình FMO cho phản ứng cộng vịng: Hình bên diễn tả MO hệ diene liên hợp butadiene ethylene HOMO LUMO kí hiệu rõ ràng cho chất Theo thuyết orbital biên, phản ứng Diels-Alder xảy HOMO chất tương