Transcript 1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
SINH HOẠT CHUYÊN MÔN CỤM 1 BỘ MÔN HÓA HỮU CƠ CHUYÊN ĐỀ
HÓA LẬP THỂ ĐỘNG
Lê Quý Đôn, ngày 29/11/2012
Hóa lập thể động chuyên nghiên cứu về các quá trình chuyển hóa, những đặc tính không gian có liên quan đến tốc độ phản ứng.
Trong quá trình nghiên cứu hóa lập thể động, các kết quả cho thấy một số phản ứng hữu cơ rất đặc thù lập thể, hoặc có chọn lọc lập thể.
Đây là những phản ứng đóng vai trò rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ để tìm kiếm những sản phẩm hữu cơ có hoạt tính sinh học lý thú nhằm đáp ứng cho các lĩnh vực y học, dược phẩm,....
Mọi năm trong đề thi học sinh giỏi lớp 12 cấp tỉnh và quốc gia, phần Hóa hữu cơ luôn đề cập đến hóa lập thể, trong đó có hóa lập thể động.
Từ những lí do như đã nêu trên cho thấy việc nghiên cứu về vấn đề
hóa lập thể động
là rất cần thiết.
Trong khuôn khổ chuyên đề nhằm phục vụ cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi, chúng tôi xin trình bày hóa lập thể của một số phản ứng thường gặp trong Hóa hữu cơ có tính chọn lọc và đặc thù về lập thể. Nội dung của chuyên đề bao gồm:
1. Hoá lập thể của phản ứng tách 2. Hoá lập thể của phản ứng cộng electrophin 3. Hoá lập thể của phản ứng thế nucleophin
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
1.1. Phản ứng tách lưỡng phân tử (E2)
Các phản ứng E2 đi theo hướng rất đặc thù về mặt lập thể, thể hiện ở các phản ứng: + Hệ quang hoạt +Hợp chất vòng trong đó những nhóm thế riêng biệt khác nhau về phân bố không gian.
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
1.1.1. Đối với hệ quang hoạt
-
Cơ sở lý thuyết:
Theo qui tắc của Ingold:
nằm trong một mặt phẳng và các nhóm thế được tách ra ở dạng trans hay anti đối với nhau.
4 trung tâm phản ứng - Sơ đồ tách trans hay anti:
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
- Giải thích:
Quy tắc của Ingold được giải thích bởi 2 lý do: + Do hiệu ứng điện tử không gian: Nếu tách
cis
sẽ khó khăn hơn do xuất hiện sự đẩy nhau giữa các điện tử của X và tác nhân nucleophin. Trong khi đó, tách
trans
không có hiện tượng đó.
+ Khi các nhóm bị tách sắp xếp ở vị trí
anti
thì các obitan hình thành liên kết với chúng cũng đang có vị trí thuận lợi cho việc hình thành liên kết π của anken.
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
Sơ đồ:
Ở trạng thái chuyển tiếp các obitan sp như hoàn toàn chuyển thành obitan p, đồng thời cấu tạo tứ diện của cacbon chuyển về cấu tạo phẳng.
3 này gần
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
Ví dụ 1:
Phản ứng tách bằng ancolat kiềm đối với 2-brom-1 đơtero-1,2-diphenyl etan:
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
Quy tắc này cũng có thể áp dụng vào những hợp chất không no, ở đây do sự có mặt của nối đôi nên các nhóm thế nằm ở những vị trí nhất định.
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
1.1.2. Đối với hệ vòng no:
- Cơ sở lý thuyết:
Quy tắc Barton- Hassel: “
Phản ứng tách E2 ở vòng no xảy ra thuận lợi khi các nhóm thế được tách ra ở vị trí diaxial- trans” Ví dụ 1:
Xét phản ứng tách đối với 2-clo-1-isopropyl-4-metyl xiclohexan (hay neomentyl clorua):
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
Ảnh hưởng của cấu dạng và cấu hình vào phản ứng tách, đặc biệt quan trọng ở các hợp chất vòng.
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
1.2. Hoá lập thể của phản ứng tách đơn phân tử (E1)
-
Cơ sở lý thuyết:
Phản ứng E1 không có tính đặc thù về mặt lập thể như phản ứng E2 vì ph ản ứng E1 đi qua giai đoạn tạo cacbocation có cấu trúc phẳng. Do vậy, phản ứng E1 có thể tách
cis
hoặc
trans
, tuy nhiên đa phần tách
trans
vẫn ưu thế hơn.
1. Hóa lập thể của phản ứng tách
Ví dụ 1:
CH 3 -CH 2 -CHBr-CH 3 CH 3 CH 2 -CH + -CH 3 CH 3 -CH=CH-CH 3 cacbocation
trans
>
cis
Sản phẩm tách
trans
chiếm ưu thế hơn là do phức
cis
hình thành có sức căng phụ trong phức hoạt hoá b tác đẩy của các nhóm metyl, nghĩa là năng lượng phức hoạt hoá của
cis
cao hơn
trans
.
ởi tương
1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)
Ví dụ 2:
Tách nước từ hợp chất 3-metylbutan-2-ol với xúc tác H + CH 3 _ CH _ CH _ CH 3 CH 3 OH +H + CH 3 _ CH _ CH _ CH 3 CH 3 + OH 2 - H 2 O CH 3 _ CH _ + CH _ CH 3 CH 3 chuyÓn vÞ hi®rua CH 3 _ CH _ + CH _ CH 3 CH 3 CH 3 _ + C _ CH 2 _ CH 3 CH 3 (bÒn h¬n) CH 3 _ CH _ CH=CH 2 CH 3 CH 3 _ C = CH _ CH 3 CH 3 s¶n phÈm chÝnh CH 2 = C _ CH _ CH 3 CH 3 s¶n phÈm chuyÓn vÞ
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E )
2.1. Hoá lập thể của phản ứng cộng halogen
- Cơ sở lý thuyết:
Phản ứng cộng dung dịch Cl 2 vào các anken luôn luôn xảy ra theo cơ chế cộng , Br 2
trans
.
, I 2
- Giải thích:
Cation trung gian tạo thành ở giai đoạn 1 là một cation oni có cấu trúc vòng, trong đó sự quay tự do xung quanh liên kết cacbon-cacbon bị cản trở và do đó anion X chỉ có thể cộng hợp
trans
.
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E )
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E )
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E )
-
Nhận xét:
+ Nếu anken có cấu hình phẩm có cấu hình
threo cis
+ halogen => sản , ta được 1 cặp đối quang.
+ Nếu anken có cấu hình
trans
+ halogen => sản phẩm có cấu hình
erythro
, nếu R 1 thì ta chỉ thu được 1 đồng phân trùng với R
meso
.
2
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E ) 2.2. Hoá lập thể của phản ứng cộng hiđro halogenua
-
Cơ sở lý thuyết:
Sản phẩm tạo ra theo hướng cộng yếu. Ngoài ra, còn có sản phẩm cộng
cis.
trans
là chủ
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E )
Ví dụ 1:
Cho
Z-
và
E
-2-metyl but-2-enoic cộng với axit HI
2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (A E )
Sản phẩm sinh ra trong hai phản ứng trên trái với quy tắc cộng Maccopnhicop, do ảnh hưởng –C, -I của nhóm cacboxyl (–COOH).
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N ) 3.1. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử (S N 2)
- Cơ sở lý thuyết:
Phản ứng S N 2 làm quay cấu hình của phân tử.
- Giải thích:
Phản ứng thế theo cơ chế S N 2 đi qua trạng thái chuyển tiếp. Mô hình có lợi nhất cho trạng thái chuyển tiếp là nhóm thế (tác nhân Y ) và nhóm bị thế (X ) sắp xếp trên một đường thẳng ở hai phía của trung tâm bất đối.
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Sơ đồ:
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Ví dụ 1: Cho R-2-brombutan tác dụng với dung dịch NaOH Ví dụ 2: Xét phản ứng của (S)-3-clo-2,2-đimetylpentan với dd KOH
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
3.2. Hoá lập thể của phản ứng thế đơn phân tử (S N 1):
- Cơ sở lý thuyết:
Phản ứng S N 1 xảy ra với kết quả có thể tạo hỗn hợp raxemic (cặp đối quang có nồng độ bằng nhau) hoặc kèm theo quay cấu hình một phần tuỳ thuộc vào thời gian tồn tại của cacbocation.
- Giải thích:
Vì cacbocation tạo ra ở giai đoạn 1 có cấu trúc phẳng, do đó ở giai đoạn 2 của phản ứng, tác nhân nucleophin có thể tấn công từ 2 phía của mặt phẳng với xác suất như nhau vì vậy kết quả thường tạo hỗn hợp raxemic.
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Thực tế, sự raxemic hoá xảy ra không hoàn toàn vì tỉ lệ sản phẩm quay cấu hình và giữ nguyên cấu hình thường lớn hơn 1, vì khi cacbocation kém bền, X chưa kịp ra xa nên che chắn đường tấn công của Y đi vào cacbocation, buộc Y tấn công vào phía đối diện không có X (hướng làm quay cấu hình).
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Ví dụ 1: Khi thuỷ phân R-2-brom octan bằng ancol - nước thu được ancol tương ứng trong đó 66% cấu dạng S và 34% biến thể raxemic:
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Ví dụ 2:
Thuỷ phân trong điều kiện tương tự với R-1-clo-1 phenyl etan thì kết quả thu được 95% biến thể raxemic và 5% cấu dạng S:
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Độ bền của cacbocation càng tăng lên thì tỉ lệ sản phẩm raxemic hoá cũng tăng theo.
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
3.3. Hoá lập thể của phản ứng thế nucleophin có hiệu ứng của nhóm kề
-
Cơ sở lý thuyết:
Hoá lập thể của phản ứng thế nucleophin có hiệu ứng của nhóm kề là
cấu hình được bảo toàn
.
Nhóm ở kề nguyên tử xảy ra phản ứng thế nucleophin phải có chứa nguyên tử có cặp electron n như halogen, oxi, lưu huỳnh…nhờ cặp electron n này nên trong quá trình phản ứng đều có tạo sản phẩm vòng trung gian.
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Ví dụ : Xét phản ứng thế của 3-brom butan-2-ol với HBr, thực nghiệm cho biết: nếu ancol bắt đầu từ dạng raxemic
threo
thì sản phẩm thu được là dạng raxemic tương ứng, nếu ancol đi từ dạng raxemic
erythro
thì sản phẩm thu được là dạng
meso
.
- Giải thích:
Nhờ nguyên tử Br ở kề có cặp electron n nên tạo được sản phẩm vòng trung gian. Trong sản phẩm vòng trung gian, điện tích dương phân bố đều nhau giữa hai nguyên tử cacbon.
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
Cơ chế: CH 3 _ CH _ CH _ CH 3 Br OH + H + CH 3 _ CH _ CH _ CH 3 Br + OH 2
3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (S N )
KẾT LUẬN
Chuyên đề này đã giải quyết được một số vấn đề về hoá lập thể động như sau: 1.Phản ứng tách (E): + Phản ứng E2: tách
trans
(
anti
) với 4 trung tâm tách cùng nằm trong 1 mặt phẳng, còn đối với hợp chất vòng no thì các nhóm tách phải ở vị trí
diaxial-trans
.
+ Phản ứng E1: không có tính đặc thù lập thể bằng E2, tuy nhiên vẫn chủ yếu là tách
trans
(
anti
).
KẾT LUẬN
2. Phản ứng cộng electrophin (A E ): Phản ứng cộng X 2 (X là hologen) có tính đặc thù lập thể hơn cộng HX, chủ yếu cộng
trans
. Ngoài ra phản ứng cộng HX cũng có thể cộng
cis
(rất ít).
3. Phản ứng thế nucleophin (S N ): + Phản ứng S N 2: sản phẩm có sự quay cấu hình.
+ Phản ứng S N 1: sản phẩm tạo thành biến thể raxemic kèm với quay cấu hình 1 phần.
+ Phản ứng có hiệu ứng của nhóm kề: bảo toàn cấu hình.
BIÊN SOẠN ĐINH GIA THIỆN