PHẢN ỨNG CỘNG VÀO LIÊN KẾT ĐÔI C=C
2. PHẢN ỨNG CỘNG ELECTROPHILE VÀO LIÊN KẾT ĐÔI C=C
2.2. Phản ứng cộng tác nhân không đối xứng
Các HX (HI, HBr, HCl và HF) có thể cộng vào liên kết đôi của alkene:
Phản ứng được thực hiện khi hòa tan HX vào các dung môi như acid acetic hay CH2Cl2 hoặc sục khí HX trực tiếp vào trong alkene và sử dụng alkene như là dung môi. HF được chuẩn bị từ polyhydrogenfluorine trong pyridine.
Độ phản ứng: HI > HBr > HCl > HF. Ngoại trừ các alkene có nhiều nhóm thế, HCl phản ứng rất chậm và ít được dùng. HBr cho phản ứng nhanh hơn nhiều.
Phản ứng có thể xảy ra dễ dàng hơn với sự hiện diện của silica hay alumina (các chất hấp phụ). Ngoài HX ở thể khí, nguồn chất lỏng của HX như SOCl2, (COCl)2, (CH3)3SiCl, (CH3)3SiI, PI3 có thể được dùng, HX được sinh ra từ phản ứng với H2O hay/và nhóm –OH có trong chất hút bám.
Năng lượng liên kết C-C: 368 kJ/mol, C=C: 243 kJ/mol. Xét phản ứng cộng HBr vào ethylene, năng lượng Ho tổng cộng là -84 kJ/mol.
-227-
Cơ chế phản ứng có thể được mô tả như sau:
- Bước 1: quan trọng vì là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng. Giai đoạn này thu nhiệt cao và có năng lượng hoạt hóa cao. Do đó, nó xảy ra khá chậm.
- Bước 2: xảy ra nhanh, carbocation có độ phản ứng cao sẽ kết hợp với ion halide. Giai đoạn này tỏa nhiệt và có năng lượng hoạt hóa thấp.
Giản đồ năng lượng cho phản ứng:
Sự đồng phân hóa: sự chuyển đổi giữa hai phân tử alkene E và Z dưới điều kiện phản ứng cho phép sản phẩm theo nhiệt động học chiếm ưu đãi.
-228- 2.2.1.2. Quy tắc Markovnikov
Phản ứng cộng tác nhân E-Nu vào alkene không đối xứng có thể cho ra hai sản phẩm khác nhau, trong đó có thể có một sản phẩm chiếm ưu đãi hơn.
Ví dụ:
Nhà hóa học người Nga Vladimir Markovnikov vào năm 1870 đã đưa ra quy tắc Markovnikov: trong phản ứng cộng HX vào alkene, nguyên tử hydrogen gắn vào nguyên tử carbon của liên kết đôi có sẵn các nguyên tử hydrogen nhiều hơn.
Những phản ứng tuân theo quy tắc Markovnikov còn được gọi là phản ứng cộng Markovnikov.
-229- a/ Giải thích quy tắc Markovnikov
Nếu phản ứng cộng HX vào alkene không đối xứng như propene, bước 1 có thể cho ra hai carbocation khác nhau:
Cả hai carbocation trên có độ bền không giống nhau, carbocation bậc 2 thì bền hơn, vì vậy phản ứng đưa đến sự ưu đãi tạo thành carbocation bậc 2 có năng lượng hoạt hóa thấp hơn theo đúng dự đoán của quy tắc Markovnikov.
-230-
Giản đồ năng lượng tự do của phản ứng cộng HBr vào propene:
b/ Quan điểm mới của quy tắc Markovnikov
Phản ứng cộng hợp chất kiểu ion của tác chất không đối xứng vào liên kết đôi, phần điện tích dương của tác nhân cộng vào carbon của liên kết đôi mà nó tạo ra trung gian carbocation bền hơn.
2.2.1.3. Hóa học lập thể
Hóa học lập thể của phản ứng cộng HX vào alkene phụ thuộc vào một vài yếu tố và đôi khi không rõ ràng. Phản ứng có thể là cộng syn hay cộng anti hay cả hai.
Nếu phản ứng ưu đãi syn hay anti, phản ứng có tính chọn lọc lập thể; nếu phản ứng xảy ra theo cả hai hướng syn và anti, phản ứng không có tính chọn lọc lập thể.
-231-
Hóa học lập thể của phản ứng cộng HX vào alkene không liên hợp ưu đãi sự cộng anti. Ví dụ phản ứng cộng HBr vào Z và E-2-butene, cyclopentene, 1,2- dimethylcyclopentene, 3-hexene, cyclohexene, 1,2-dimethylcyclohexene. Phản ứng cộng anti cũng ưu đãi cho sự cộng HCl vào 1,2-dimethylcyclohexene và 1- methylcyclopentene.
Chú ý rằng, nhiệt độ và dung môi cũng ảnh hưởng tới hóa học lập thể. Ví dụ, phản ứng cộng HCl vào 1,2-dimethylcyclohexene là anti trong dung môi diethyl ether, tại 0 oC nhưng trở nên ưu đãi syn trong dung môi CH2Cl2 tại -78 oC.
Hóa học lập thể anti có thể được giải thích bởi cơ chế trong đó alkene tương tác đồng thời với HX cho proton và với nguồn ion halide, hoặc từ hai phân tử HX hoặc từ nguồn ion halide tự do. Hóa học lập thể syn phù hợp với mong đợi sự tác kích của ion halide sẽ đến ở phía mặt đối diện của liên kết từ nơi nhận proton.
Sự thay đổi đáng kể được quan sát trong hóa học lập thể khi liên kết đôi có sự cộng hưởng với nhóm có khả năng làm bền trung gian carbocation, hầu hết là chứa nhóm aryl. Hóa học lập thể là cộng syn. Ví dụ như Z- và E-1-phenylpropene, Z- và E--t-butylstyren, 1-phenyl-4-t-butylcyclohexene, indene.
Có thể giải thích kết quả cộng syn qua cơ chế cặp ion: do độ bền cao của carbocation benzylic được hình thành, do đó làm giảm hiệu quả của sự hình thành phức, sự tấn công phối hợp bởi ion halide (cơ chế tam phân tử AdE3) không cần thiết. Nếu cặp ion hình thành bởi sự proton hóa alkene bị phá vỡ đưa đến sản phẩm nhanh hơn sự định hướng lại, sự cộng syn xảy ra vì ban đầu proton và ion halide nằm cùng một bên mặt phẳng phân tử.
-232- 2.2.1.4. Động học của phản ứng
Quá trình cộng HCl vào 2-methyl-1-butene, 2-methyl-2-butene, 1- methylcyclopentene, cyclohexene; cộng HBr vào cyclopentene tuân theo động học bậc 3. Kết quả phù hợp với cơ chế AdE3, phản ứng xảy ra qua sự tạo thành phức.
v = k[alkene].[HX]2
Nghiên cứu động học của phản ứng cộng HCl vào styrene đưa đến kết luận cơ chế có sự hình thành cặp ion. Phản ứng có bậc 1 theo HCl, chứng tỏ chỉ có một phân tử HCl tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ.
Chú ý rằng, nếu phản ứng được thực hiện trong dung môi có tính nucleophile, sẽ có phản ứng phụ xảy ra.
Việc thêm vào các muối halide làm gia tăng khả năng bắt giữ carbocation bởi ion halide. Khi thêm muối tetramethylammonium chloride sẽ làm tăng tốc độ phản ứng cộng HCl vào cyclohexene. Tương tự, thêm LiBr làm tăng tốc độ phản ứng cộng HBr vào cyclopentene.
-233- 2.2.1.5. Sự chuyển vị
Xem thêm phần 3.3.1.1 và 3.3.1.2 chương phản ứng thế.
Sự chuyển vị có thể xảy ra nếu tạo ra carbocation bền hơn.
Mặc dù sự chuyển vị đề nghị phải tạo ra carbocation trung gian, các phản ứng này cho thấy động học phù hợp với sự hiện diện ít nhất hai phân tử HCl trong trạng thái chuyển tiếp. Cơ chế tam phân tử AdE3 trong đó phân tử HCl thứ hai trợ giúp cho sự ion hóa electrophile đã được đề nghị cho sự quan sát này.
Chuyển vị cation norbonyl:
-234-
2.2.1.6. Phản ứng cộng HX vào liên kết đôi liên hợp C=C-C=C Phản ứng xảy ra theo kiểu cộng 1,2 hoặc 1,4.
Do tính bền vượt trội của cation allyl được hình thành bởi sự chuyển proton vào diene làm cho cơ chế cặp ion ưu đãi hơn. Tuy nhiên, môi trường phản ứng cũng ảnh hưởng. Ví dụ, 1,3-pentadiene, phản ứng với DCl cho ra sản phẩm ưu đãi cộng 1,2 với tỉ lệ từ 1.5:1 đến 3.4:1 tùy thuộc vào nhiệt độ và dung môi.
Với 1-phenyl-1,3-butadiene, phản ứng cộng HCl độc quyền tại vị trí liên kết đôi 3,4. Điều này phản ánh tính bền cao của sản phẩm, vẫn duy trì sự cộng hưởng kiểu styrene. Sự proton hóa ban đầu tại C4 được ưu đãi do sự làm bền carbocation từ hệ allylic và benzylic.
Động học của phản ứng là bậc 2, như mong đợi là sự hình thành carbocation bền theo cơ chế AdE2.
Xét trường hợp của 2-methyl-buta-1,3-diene phản ứng với HBr, trong cả hai trường hợp sau, carbocation hình thành đều là allyl:
-235-
Trường hợp đầu, carbocation tạo thành kém bền hơn do điện tích dương không được an định bởi hai nhóm methyl đẩy điện tử như trường hợp sau. Giai đoạn tấn công của ion Br- sẽ ưu tiên vào vị trí ít chướng ngại lập thể hơn.
2.1.1.7. Phản ứng trái quy tắc Markovnikov
Vấn đề này đã được nghiên cứu bởi M. S. Kharash và F. R. Mayo (trường đại học Chicago): khi cho alkene phản ứng với HBr, có sự hiện diện của peroxide hay hydroperoxide, phản ứng cộng phản quy tắc Markovnikov xảy ra.
Phản ứng này xảy ra theo cơ chế gốc tự do. Trong nội dung chương này, chỉ đưa ra cơ chế của phản ứng gốc tự do (các vấn đề chi tiết sẽ xét trong chương phản ứng gốc tự do).
-236-
Ở bước 1 là sự phân cắt đồng ly liên kết yếu O-O, phản ứng xảy ra nhanh chóng (Ho +150 kJ mol-1). Bước 2 là tỏa nhiệt và có năng lượng hoạt hóa thấp.
Phản ứng phản quy tắc Markovnikov chỉ xảy ra cho HBr, các HX khác vẫn tuân theo quy tắc Markovnikov. Điều này được giải thích qua tính toán năng lượng nhiệt động lực học (sẽ xét trong chương phản ứng gốc tự do).
2.1.1.8. Phản ứng cộng HX vào alkyne
Alkyne phản ứng với một đương lượng mol HCl hay HBr tạo thành haloalkene và với hai đương lượng mol để tạo ra gem-dihalide.
Phản ứng có tính chọn lọc vùng và tuân theo quy tắc Markovnikov.
Phản ứng cộng HBr vào alkyne có thể dễ dàng hơn nếu dùng acetyl bromide (CH3COBr) và alumina thay vì dung dịch HBr. Acetyl bromide phản ứng với alumina để tạo thành HBr.
-237-
Khi có mặt peroxide, phản ứng cộng HX vào alkyne là anti-Markovnikov.
2.2.2. Phản ứng cộng acid sulfuric
Khi alkene được xử lý với H2SO4 đậm đặc, lạnh sẽ hòa tan sẽ có phản ứng cộng electrophilic để tạo ra alkyl hydrogen sulfate.
Cơ chế phản ứng tương tự như cộng HX. Ở bước đầu, alkene đóng góp đôi điện tử của mình vào proton của acid sulfuric để tạo ra carbocation; ở bước sau, carbocation phản ứng với ion hydrogen sulfate để tạo ra alkyl hydrogen sulfate.
Sự cộng acid sulfuric cũng có tính chọn lọc vùng và nó tuân theo quy tắc Markovnikov. Ví dụ:
Alkyl hydrogen sulfate có thể dễ dàng bị thủy phân thành alcohol khi đun nóng với nước. Kết quả chung của phản ứng cộng acid sulfuric vào alkene theo sau sự thủy phân là sự cộng Markovnikov của H- và -OH.
-238- 2.2.3. Phản ứng cộng nước-xúc tác acid
Sự cộng xúc tác acid của nước vào liên kết đôi của alkene (sự hydrate hóa) là phương pháp điều chế các alcohol có trọng lượng phân tử thấp. Phản ứng này rất hữu dụng trong quy trình công nghiệp có quy mô lớn.
Các acid thường dùng nhất để xúc tác cho sự hydrate hóa alkene là dung dịch loãng trong nước của acid sulfuric và acid phosphoric. Phản ứng thực hiện với dung dịch 50% nước/acid sulfuric. Phản ứng có tính chọn lọc vùng: tuân theo quy tắc Markovnikov.
Vì phản ứng tuân theo quy tắc Markovnikov, do đó sự hydrate hóa alkene xúc tác acid không tạo thành alcohol bậc 1 ngoại trừ ethene. Một khó khăn đi liền với sự
hydrate hóa alkene đó là xảy ra sự chuyển vị, vì phản ứng có sự hình thành carbocation ở giai đoạn đầu, carbocation có thể chuyển vị để tạo thành dạng bền hơn.
Tính toán nhiệt động học:
Hằng số cân bằng K = 9.
-239-
Cơ chế sự hydrate hóa alcohol đơn giản chỉ là sự nghịch đảo cơ chế dehydrate hóa alcohol. Có thể mô tả cơ chế như sau:
Phản ứng qua đó alkene được đun nóng hoặc alcohol bị dehydrate hóa là những phản ứng ở đó sản phẩm cuối cùng có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện cân bằng. Vì vậy, sự dehydrate hóa alcohol tốt nhất khi dùng acid đậm đặc (khi đó nồng độ nước nhỏ, có thể bị loại bỏ nhờ đun nóng). Sự hydrate hóa alkene tốt nhất khi dùng nồng độ acid loãng (khi đó nồng độ nước cao, phản ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp).
Độ phản ứng của các alkene: alkene mang càng nhiều nhóm thế alkyl, tốc độ phản ứng càng tăng do các nhóm alkyl làm gia tăng mật độ điện tử tại liên kết đôi và làm bền trung gian carbocation. Các alkene có sức căng lớn cho phản ứng hydrate hóa nhanh, ví dụ trans-cyclooctene phản ứng nhanh gấp 2500 lần đồng phần cis, qua đó phản ánh năng lượng ở trạng thái ban đầu của các alkene có sức căng.
-240- 2.2.4. Phản ứng khử oxy thủy ngân hóa 2.2.4.1. Giới thiệu
Một quy trình được dùng trong phòng thí nghiệm để tổng hợp các alcohol từ alkene nhằm mục đích ngăn ngừa sự chuyển vị là phương pháp hai giai đoạn, được gọi là khử oxy thủy ngân hóa.
Alkene phản ứng với thủy ngân acetate trong hỗn hợp tetrahydrofurane (THF) và nước để tạo thành hợp chất (hydroxyalkyl)thủy ngân, hợp chất này bị khử thành alcohol với natri borohydride.
Có thể tóm tắt cơ chế phản ứng như sau:
- Ở bước 1, oxy thủy ngân hóa, nước và Hg(OCOCH3)2 cộng vào liên kết đôi.
Ở bước 2, tách loại thủy ngân, NaBH4 khử nhóm acetoxy-thủy ngân và thay nó bằng hydrogen.
Cả hai giai đoạn này được thực hiện trong cùng một bình phản ứng. Phản ứng xảy ra nhanh chóng tại nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn. Bước đầu oxy thủy ngân hóa thường hoàn thành không quá khoảng thời gian từ 20 giây đến 10 phút. Bước hai tách thủy ngân thường đòi hỏi ít hơn 1 giờ. Nói chung, phản ứng tạo thành alcohol với hiệu suất cao, thường trên 90%.
-241- 2.2.4.2. Tính chọn lọc vùng
Phản ứng khử oxy thủy ngân hóa có tính chọn lọc vùng cao. Phản ứng này tuân theo quy tắc Markovnikov: có thể xem phản ứng xảy ra sự cộng H- và OH- với H- gắn vào nguyên tử carbon của liên kết đôi có nhiều hydrogen hơn.
Một số ví dụ:
Sự chuyển vị không xảy ra trong phản ứng khử oxy thủy ngân hóa. Ví dụ, phản ứng khử oxy thủy ngân hóa của 3,3-dimethyl-1-butene tạo thành 3,3-dimethyl- 2-butanol là sản phẩm duy nhất, đã được xác nhận bằng phân tích sắc ký khí. Trong khi đó, cũng chất nền này, sự hydrate hóa xúc tác acid tạo ra 2,3-dimethyl-2-butanol là sản phẩm chính.
2.2.4.3. Cơ chế oxy thủy ngân hóa
Bước 1: Phá vỡ liên kết (sự phân ly) tạo ra ion có tính electrophile là AcOHg+.
Bước 2: Carbocation trung gian cầu thủy ngân tạo thành tương tự như ion cầu bromonium. Tuy nhiên, trong trung gian này, có hai điện tử của liên kết đôi C=C tạo ra vòng chứa 3 nguyên tử liên kết bởi hai điện tử. Cấu trúc cation hở với điện tích
-242-
dương nằm trên carbon 2o là sự đóng góp nhỏ, không đáng kể vào sự cộng hưởng.
Còn một cấu trúc cộng hưởng nữa với điện tích dương nằm trên carbon 1o còn đóng góp ít hơn nữa. Thực tế cho thấy ở bước 2, không có carbocation thực sự tạo thành vì phản ứng không có chuyển vị.
Bước 3: Tạo liên kết mới giữa nucleophile và electrophile. Sự tác kích anti của nước (hay nucleophile) vào trung gian ion cầu thủy ngân xảy ra tại carbon mang nhiều nhóm thế hơn (sự mở vòng 3).
Bước 4:
-243-
Các tính toán cho thấy carbocation cầu thủy ngân được hình thành trong phản ứng vẫn giữ phần nhiều điện tích dương nằm trên nguyên tử thủy ngân, có một phần nhỏ điện tích dương cư trú trên carbon nhiều nhóm thế hơn. Điện tích này đủ lớn để có thể quan sát sự cộng Markovnikov nhưng lại quá nhỏ để cho sự chuyển vị xảy ra.
Mặc dù sự tấn công của nước vào ion cầu thủy ngân đưa đến sự cộng anti của các nhóm hydroxyl và thủy ngân nhưng phản ứng thay thế thủy ngân bằng hydrogen (giai đoạn sau) thì không kiểm soát được lập thể (xảy ra phù hợp với cơ chế gốc tự do). Do đó, kết quả của phản ứng khử oxy thủy ngân hóa là hỗn hợp của sự cộng syn và anti –H và –OH vào alkene.
Khi alkene được xử lý với thủy ngân trifluoroacetate Hg(O2CCF3)2 trong THF có chứa alcohol, ROH, sản phẩm là (alkoxyalkyl)thủy ngân, khi xử lý sản phẩm với NaBH4/OH- sẽ tạo thành ether. Khi phân tử dung môi hoạt động như nucleophile trong giai đoạn oxy thủy ngân hóa, phản ứng được gọi là solvo thủy ngân hóa-tách thủy ngân.
Một vài alkene như 4-t-butylcyclohexene và 4-t-butyl-1-methylcyclohexene tạo thành độc quyền sản phẩm cộng anti.
-244- 2.2.5. Phản ứng hydrobor hóa-oxi hóa 2.2.5.1. Giới thiệu
Đây là phản ứng hydrate hóa syn phản quy tắc Markovnikov.
Hydrate hóa liên kết đôi anti-Markovnikov có thể thu được bằng cách sử dụng diborane (B2H6) hoặc dung dịch của borane trong tetrahydrofurane (BH3/THF).
Trước tiên là sự cộng nguyên tử boron và hydrogen vào liên kết đôi, gọi là sự hydrobor hóa, thứ nhì là oxi hóa và thủy phân alkylborane trung gian để tạo alcohol và acid boric. Ví dụ phản ứng của propen:
Hydrobor hóa-oxi hóa xảy ra với hóa học lập thể syn cũng như chọn lọc vùng anti-Markovnikov.
-245- 2.2.5.2. Sự hydrobor hóa: tổng hợp alkylborane
Sự hydrobor hóa đã được khám phá bởi Herbert C.Brown (đại học Purdue):
Sự hydrobor hóa có thể được hoàn tất với diborane (B2H6), là dạng hơi dimer của borane (BH3) hoặc thuận tiện hơn với sự hòa tan diborane trong THF. Khi diborane được đưa vào THF, nó phản ứng tạo ra dạng phức acid-base Lewis của borane (acid Lewis) và THF. Phức này được viết dưới dạng BH3.THF.
Phản ứng hydrobor hóa thường được thực hiện trong ether: diethyl ether, (C2H5)2º hoặc một vài ether có phân tử lượng cao hơn như “diglyme”
[(CH3OCH2CH2)2º, diethylene glycol dimethyl ether]. Chú ý phải cẩn thận khi xử lý và chuyên chở diborane và alkylborane vì chúng dễ tự bốc cháy trong không khí (với ngọn lửa màu xanh). Dung dịch BH3:THF nên được dùng trong khí quyển trơ (argon, nitrogen).
a/ Cơ chế sự hydrobor hóa
Boron hydride cộng vào ba phân tử để hình thành trialkylborane: