Tiểu luận Phản ứng cộng AN vào cacbonyl PDF

Preview

Summary

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINHNguyễn Xuân ĐạtPPHHPHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILE (AN)LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BM HOÁ HỌCNGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS. NGUYỄN TIẾN CÔNGThành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2021BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINHPHẢN Ứ...

Description

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

Nguyễn Xuân Đạt PPHH831074

PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILE (AN)

LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BM HOÁ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS. NGUYỄN TIẾN CÔNG

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2021

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH

PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILE (AN)

LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BM HOÁ HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2021

LỜI CAM KẾT Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu trong tiểu luận này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện tiểu luận đều đã được cảm ơn và các nội dung trích dẫn trong tiểu luận đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2021 Học viên thực hiện

Nguyễn Xuân Đạt

1

MỤC LỤC I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ...........................................................................2 1. Sơ lược về phản ứng cộng AN...................................................................................2 1.1. Cấu trúc của nhóm carbonyl.............................................................................2 1.2. Khả năng phản ứng cộng nucleophile..............................................................3 1.3. Cơ chế chung của phản ứng cộng nucleophile.................................................4 1.4. Các nucleophile thường gặp..............................................................................5 2. Một số phản ứng AN tiêu biểu...................................................................................6 2.1. Cộng nước........................................................................................................... 6 2.2. Cộng alcohol....................................................................................................... 6 2.3. Cộng HCN..........................................................................................................8 2.4. Cộng ion acetylide..............................................................................................9 2.5. Phản ứng với tác nhân Grignard....................................................................10 2.6. Cộng hydride.................................................................................................... 10 2.7. Cộng ammonia hoặc amine.............................................................................11 2.8. Phản ứng Wittig............................................................................................... 14 2.9. Phản ứng Baeyer – Villiger..............................................................................17 3. Lập thể của phản ứng AN........................................................................................18 3.1. Quy tắc Cram................................................................................................... 18 3.2. Mô hình Felkin-Anh.........................................................................................19 II. CÁC VÍ DỤ MINH HOẠ.......................................................................................... 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................40

2

I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ 1. Sơ lược về phản ứng cộng AN

1.1. Cấu trúc của nhóm carbonyl Nhóm carbonyl gồm một nguyên tử carbon liên kết với nguyên tử oxygen bằng một liên kết đôi C=O. Ngoài ra, carbon còn hai liên kết với hydrogen hoặc các nhóm thế khác. Carbon trong nhóm carbonyl lai hoá sp2 (cấu trúc tam giác phẳng) do đó góc liên kết giữa chúng vào khoảng 1200. Liên kết p giữa chúng được hình thành nhờ sự xen phủ bên của hai orbital p của hai nguyên tử.

Trong các hợp chất đơn chức carbonyl với gốc hydrocarbon gọi là các aldehyde (có nhóm -CH=O) hoặc các ketone (có nhóm >C=O). Nhóm carbonyl có tính phân cực mạnh về phía oxygen. Trong các công thức cộng hưởng của nhóm carbonyl, có một công thức thể hiện điện tích dương nằm trên nguyên tử carbon, điện tích âm nằm trên nguyên tử oxygen. Điều chứng tỏ nguyên tử carbon trong nhóm C=O mang một phần điện tích dương (d+).

Sự phân bố mật độ electron như trên làm cho nguyên tử carbon mang tính electrophile và chịu sự tác kích của của các nucleophile, thuận lợi cho phản ứng cộng nucleophile xảy ra.

3

1.2. Khả năng phản ứng cộng nucleophile Các nhóm thế có khả năng ảnh hưởng đến khả năng cộng nucleophile của nhóm carbonyl (C=O). Cụ thể là các nhóm đẩy electron làm tăng mật độ electron ở carbon, tính electrophile giảm, dẫn đến phản ứng cộng nucleophile giảm.

Ngược lại, các nhóm rút electron làm giảm mật độ electron trên nguyên tử carbon, carbon trở nên dương điện hơn nên tính electrophile tăng, khả năng cộng nucleophile theo đó cũng tăng.

Các nhóm thế như phenyl, allyl có khả năng liên hợp với nhóm carbonyl làm giải toả điện tích, dẫn đến khả năng phản ứng cộng nucleophile cũng giảm.

Mặt khác, phản ứng cộng nucleophile cũng bị ảnh hưởng bởi lập thể của nhóm thế, trong đó các nhóm thế càng cồng kềnh có khuynh hướng án ngữ không gian cản trở sự tác kích của nucleophile vào tâm phản ứng là carbon của nhóm C=O, theo lẽ đó khả năng phản ứng sẽ giảm.

Ngoài ra, môi trường cũng ảnh hưởng đến khả năng phản ứng cộng nucleophile. Cụ thể là, môi trường acid phản ứng cộng nucleophile dễ xảy ra hơn.

4

1.3. Cơ chế chung của phản ứng cộng nucleophile 1.3.1. Phản ứng AN AN là viết tắt của Addition of nucleophile nghĩa là cộng nucleophile, do đó khi đề cập đến phản ứng cộng nucleophile, có thể viết tắt là phản ứng A N. Trong phản ứng A N đối với hợp chất carbonyl, carbon chuyển từ lai hoá sp2 sang lai hoá sp3.

1.3.2. Phản ứng AN trong môi trường base

1.3.3. Phản ứng AN trong môi trường axit

Trong môi trường acid, tính electrophile của hợp chất carbonyl tăng mạnh do sự proton hoá oxygen làm tăng mật độ điện tích dương.

1.3.4. Phản ứng AN liên hợp

Một carbonyl liên hợp, vì có sự tồn tại của công thức cộng hưởng, ta thấy có hai trung tâm tích điện (+) ứng với hai trung tâm phản ứng.

5

5

Vì vậy khi cộng nucleophile vào một ketone liên hợp thì có hai vị trí nucleophile có thể tác kích: trực tiếp tại nhóm C=O như thông thường ( cộng 1,2) hoặc tại vị trí của nhóm liên hợp với nó (hay gọi là cộng liên hợp; cộng a, b; hoặc cộng 1,4) .

Trong đó, ta có đặc điểm của từng sản phẩm như sau: + Sản phẩm cộng 1,2 là sản phẩm bền động học nên ưu tiên khi tác nhân nucleophile rất mạnh (như tác nhân cơ magnesium, LiAlH 4, BuLi …) và carbonyl hoạt động. + Sản phẩm cộng 1,4 là sản phẩm bền nhiệt động ưu tiên khi tác nhân nucleophile yếu hơn (như tác nhân cơ đồng R 2CuLi, cyanide R-CN, amine …); carbonyl kém hoạt động. Điều này được giải thích như sau: Các nucleophile mạnh và hợp chất carbonyl hoạt động hơn thì phản ứng nhanh, thuận lợi về mặt động học nên cho sản phẩm cộng 1,2; Đối với các nucleophile yếu hơn hoặc carbonyl kém hoạt động phản ứng xảy ra chậm, phản ứng xảy ra theo hướng ưu tiên tạo thành sản phẩm bền về mặt nhiệt động, tức là cộng 1,4. 1.4. Các nucleophile thường gặp Sau đây là các nucleophile tiêu biểu có thể tham gia phản ứng A N với hợp chất carbonyl.

6

2. Một số phản ứng AN tiêu biểu Đề tài này chỉ trình bày phản ứng A N của một số tác nhân nucleophile tiêu biểu như H2O, alcohol, HCl, HCN, acetylide, tác nhân Grignard, hydride, amine hoặc ammonia,

ylide, peroxyacid... Một phản ứng ngưng tụ cũng có mang bản chất của phản ứng cộng AN, nhưng vì thuộc lĩnh vực rộng hơn nên sẽ không được đề cập trong đề tài này. 2.1. Cộng nước Các hợp chất carbonyl có thể cộng nước để hình thành hydrate.

Aldehyde hoặc ketone trong dung môi nước luôn tồn tại một cân bằng giữa nó và hydrate của nó. Tỉ lệ các dạng tồn tại tuỳ thuộc vào bản thân aldehyde hoặc ketone. Ví dụ, formaldehyde trong nước chiếm hơn 99% ở dạng hydrate, còn acetone chỉ có 0.1% tồn tại ở dạng hydrate trong dung môi nước. Phản ứng cộng nước diễn ra kể cả trong môi trường base hay môi trường acid. * Trong môi trường base:

* Trong môi trường acid:

7

2.2. Cộng alcohol 2.2.1. Cơ chế phản ứng cộng alcohol Khi có xúc tác acid, hợp chất carbonyl có thể cộng alcohol để tạo thành acetal. Trong đó, hợp chất carbonyl cộng alcohol lần thứ nhất để hình thành hemiacetal (có nhóm -OH và nhóm -OR gắn trên cùng một carbon), sau đó phản ứng cộng tiếp tục diễn ra lần thứ hai để hình thành acetal (có hai nhóm -OR gắn trên cùng một carbon).

Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là các hemiacetal mạch hở kém bền, khó để cô lập. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp hemiacetal rất bền vững, điển hình là các hemiacetal vòng 5 hoặc 6 cạnh. Ví dụ như trường hợp của glucose, nó tồn tại chủ yếu ở dạng vòng 6 cạnh cũng nhờ vào sự hình thành hemiacetal bền vững.

2.2.2. Phản ứng cộng diol trong bảo vệ nhóm chức carbonyl Một số diol (tức là hợp chất có chứa hai nhóm -OH) có thể hình thành các acetal vòng với các hợp chất carbonyl.

8

Chiều nghịch của phản ứng này cũng có thể được tiến hành khi cho acetal tác dụng với dung dịch acid. Vì vậy để phản ứng trên thuận lợi, diol thường được dùng một lượng dư.

Acetal kém bền và dễ bị thuỷ giải trong môi trường acid nhưng lại bền trong môi trường base. Không phản ứng

Đặc điểm này được sử dụng trong việc bảo vệ nhóm chức carbonyl thông qua việc tạo thành một acetal bền bằng diol. Cụ thể là, nhóm C=O được acetal hoá bằng diol nhằm bảo vệ khỏi những phản ứng không mong muốn trong môi trường base. Sau cùng, để mở khoá bảo vệ, acetal được thuỷ giải trong môi trường acid, thu được nhóm C=O ban đầu. Ví dụ, để chuyển hoá hợp chất A thành hợp chất B, cần sử dụng một tác nhân khử, chả hạn LiAlH4 để khử nhóm ester về alcohol. Tuy nhiên, nhóm chức ketone dễ bị khử hơn nhóm chức ester, do đó sẽ không thu được hợp chất B nếu không bảo vệ nhóm ketone trước.

Để đạt được mục tiêu trên, trước hết cần bảo vệ nhóm ketone bằng việc hình thành một acetal. Tiếp theo là tiến hành khử nhóm chức ester và cuối cùng là thuỷ giải acetal để thu được hợp chất B cần điều chế.

9

2.3. Cộng HCN Hợp chất carbonyl tác dụng được với HCN tạo thành cyanohydrin.

Vì HCN là acid yếu (pK a ~ 9) nên nồng độ ion cyanide thấp, tốc độ phản ứng xảy ra chậm, vì vậy thường có một lượng base liên hợp (chả hạn KCN) được bổ sung vào nhằm tăng tốc độ phản ứng hình thành cyanohydrin theo cơ chế sau:

Cyanohydrin là một chất có vai trò quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, vì có thể chuyển nó thành các nhóm chức khác nhau. Nếu thuỷ phân cyanohydrin trong môi trường acid, tuỳ điều kiện khác nhau mà có thể điều chế được a-hydroxy acid hay carboxylic acid chứa một nối đôi liên hợp. Nếu khử cyanohydrin bằng tác nhân khử như LiAlH 4 là hướng để điều chế b-aminoalcohol.

18

2.9. Phản ứng Baeyer – Villiger Phản ứng Baeyer-Villiger, được Adolf von Baeyer và Victor Villiger khám phá ra vào năm 1899, là phản ứng oxi hoá chuyển hợp chất carbonyl thành ester hoặc acid tương ứng.

Tác nhân được sử dụng là peroxyacid (chả hạn m-CPBA). Cơ chế của phản ứng này như sau:

Đây cũng là một phương pháp cũng là cách điều chế ester vòng hoặc lactone từ ketone vòng.

Aldehyde hoặc ketone tham gia phản ứng Baeyer-Villiger có thể diễn ra theo hai hướng:

Phản ứng xảy ra theo hướng nào tuỳ thuộc vào tốc độ dịch chuyển của nhóm đó đến nguyên tử O. Tốc độ di chuyển càng nhanh thì phản ứng oxi hoá theo hướng đó càng ưu thế tạo thành sản phẩm chính. Tốc độ đó được tóm tắt lại như sau: H > 30 > 20, Ph > 10 > methyl Ví dụ:

19

3. Lập thể của phản ứng A N Nhóm carbonyl cùng hai nhóm thế được phân bố trong một mặt phẳng, theo lẽ đó sự tác kích của nucleophile từ hai phía đến carbon của nhóm C=O là như nhau, theo đó tỉ lệ sản phẩm sẽ là 50:50.

Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy, khi cho một hợp chất carbonyl có carbon a bất đối thì có sự hình thành của sản phẩm chính và sản phẩm phụ. Để giải thích điều này và dự đoán được sản phẩm nào ưu thế trong phản ứng A N, hai lí thuyết về quy tắc Cram và mô hình Felkin-Anh là một giải pháp cụ thể. 3.1. Quy tắc Cram Quy tắc Cram được đưa ra vào năm 1952 bởi Donald J. Cram. Theo quy tắc này, để xác định sản phẩm chính của phản ứng ta dựng một công thức Newmann của hợp chất carbonyl với carbon a bất đối có ba nhóm thế được xếp theo thứ tự: Lớn (L), Trung bình (M) và Nhỏ (S) sao cho nhóm L che khuất nhóm R.

Theo quy tắc này, nucleophile tác kích theo hướng vuông góc với nhóm C=O theo hướng của nhóm S, tức nhóm thế nhỏ nhất.

20

Tuy nhiên quy tắc Cram chưa thể hiện chính xác đặc điểm của phản ứng AN: Thứ nhất, cấu trúc mà Cram đưa ra khi nhóm L nằm che khuất nhóm R là cấu dạng không bền. Thứ hai, Theo một số tính toán cho thấy, dựa trên sự xen phủ orbital khi xảy ra sự tác kích của nucleophile thì góc tác kích là góc Dunitz vào khoảng 107 0, không phải 900 theo quy tắc Cram.

Để khắc phục điều này, mô hình Felkin và mô hình Felkin-Anh tiếp tục được phát triển nhằm giải thích thoả đáng đặc điểm của phản ứng. 3.2. Mô hình Felkin-Anh Mô hình Felkin-Anh được phát triển từ mô hình Felkin của Hugh Felkin bởi Nguyễn Trọng Anh nhằm khắc phục hai điểm yếu quan trọng của mô hình Felkin. Mô hình này có thể được mô tả đơn giản như sau: Nhóm lớn nhất phải cách xa đồng thời O và nhóm R nhất, tức vuông góc với nhóm C=O trong hình chiếu Newmann. Khi đó nucleophile tác kích sao cho thoả mãn các yếu tố sau: + Nucleophile tác kích phải theo góc Dunitz 1070. + Nucleophile tác kích từ phía ngược lại với nhóm thế lớn nhất. Khi đó, nếu Nucleophile tác kích từ phía có nhóm thế nhỏ nhất thì cho sản phẩm chính. Ngược lại sẽ định hướng tạo thành sản phẩm phụ. Ví dụ đối với hợp chất (S)-C 6H5-CH(CH3)-CH=O. Ta có thể xác định được hai cấu dạng (I) và (II) thoả mãn nhóm lớn nằm xa nhất so với O và R. Khi đó, nucleophile tác

21

kích vào cấu dạng (I) sẽ đi qua nhóm thế nhỏ nhất, do đó cho sản phẩm chính. Như vậy, hướng tác kích còn lại sẽ cho sản phẩm phụ.

Trong một số trường hợp, phản ứng xảy ra ngược với theo quy tắc Cram hay mô hình Felkin-Anh, đặc biệt là khi các tác nhân nucleophile có chứa nguyên tố có khả năng tạo phức.

22

Trường hợp trái mô hình Felkin-Anh cũng xảy ra khi carbon a bất đối có chứa một nhóm rút electron. Khi ấy, nhóm rút electron nằm ở vị trí anti so với nucleophile tác kích, thay vì là nhóm lớn nhất như mô hình Felkin, vì vậy sản phẩm trái với quy tắc thông thường.

23

II. CÁC VÍ DỤ MINH HOẠ  Câu 1. Xác định sản phẩm chính của các phản ứng sau:

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

k)

l)

m)

24

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN Câu

a

Sản phẩm

Giải thích CH3MgBr cung cấp nucleophile dưới dạng CH3-. Bước thứ (2) nhằm chuyển -O - thành -OH. Vì CH3OH dùng lượng dư nên aldehyde

b

chuyển thành sản phẩm là acetal. NaBH4 là tác nhân khử, cung cấp nucleophile

c

là H-. Bước thứ (2) nhằm chuyển -O- thành -OH. Phản ứng tạo acetal vòng bền trong môi trường

d

base. Phản ứng cộng nucleophile CN - có mặt H +

e

nhằm proton hoá tạo nhóm – OH. Phản ứng (1) tạo imine. Tác nhân NaBH 3CN

f

có vai trò khử nối đôi của imine, cho sản phẩm cuối cùng là amine. Phản ứng giữa ketone và amine bậc II tạo

g

enamine. Phản ứng (1) hình thành cyanohydrin. Trong

h

môi trường acid, nhóm cyanide -CN chuyển thành nhóm -COOH. Phản ứng Worff – Kishner cho sản phẩm là

i k

alkane. Phản ứng Wittig cho sản phẩm là alkene.

25

Phản ứng khử bằng LiAlH 4 (là tác nhân cung l

m

cấp H -). Bước thứ (2) nhằm chuyển -O - thành -OH. Phản ứng Baeyer – Villiger. Vì tốc độ di chuyển của 20 > CH3 nên sản phẩm chính ưu tiên ở phía bên phải.

26

 Câu 2. Viết sơ đồ phản ứng hoàn thành các mục tiêu điều chế sau:

a) b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN Câu a

Sơ đồ

27

b

c

d

e

f

28

g

h

 Câu 3. Viết cơ chế của các phản ứng sau:

a)

b)

29

c)

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN Câu

a

b

Cơ chế

30

c

h

 Câu 4. Xác định cấu trúc của các chất A-I trong sơ đồ sau:

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN

31

 Câu 5. Một aldehyde A quang hoạt có công thức phân tử C 5H10O cho tác dụng với MeMgI rồi tiếp theo là H3O+ thu được hai sản phẩm B và C. B chiếm tỷ lệ nhiều hơn C. Cho B và C tác dụng với HBr thu được hai dẫn xuất bromide tương ứng D và E có cùng công thức phân tử là C 6H13Br. Các dẫn xuất bromide D và E lần lượt tác dụng với KOH đặc trong ethanol ở nhiệt độ cao, cho hai alken đồng phân F và G có CTPT C 6H12. Sự ozone giải F cho butanone và acetaldehyde. Dùng công thức chiếu Newmann để biểu diễn cấu trúc các hợp chất A, B, C, D, E, F và G. Giải thích sự hình thành các sản phẩm.

32

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Định hướng công thức cấu tạo của các hợp chất: -

Vì A là aldehyde quang hoạt có công thức C 5H10O nên A có công thức cấu tạo như sau:

-

Từ aldehyde A

 1.MeMgI    2.H O  3

alcohol B, C, nên B, C là đồng phân quang học có cùng

công thức cấu tạo:

-

HBr  Từ alcohol B, C   dẫn xuất bromide D, E nên D, E là đồng phân quang học

có cùng công thức cấu tạo:

-

Khi ozone giải F, thu được butanone và acetaldehyde. Suy ra F là alkene có công thức như sau:

h

-

Khi đó, G là đồng phân hình học (đồng phân E-Z) của F.

 Xác định công thức Newmann của A, B, C, D, E: Để xác định B và C, ta dùng mô hình Felkin – Anh

33

 Câu 6. Hằng số cân bằng cho sự hình thành hydrate của acetone, acetophenone, 3 7 7 benzophenone lần lượt là 1.410 , 6.610 và 1.610 .

-

Hãy giải thích tại sao hằng số cân bằng đối với acetone lớn hơn acetophenone và acetophenone lớn hơn benzophenone.

-

Khi so sánh với acetone thì hằng số cân bằng của acetophenone nhỏ hơn khoảng 104 lần, nhưng hằng số cân bằng của benzophenone chỉ nhỏ hơn acetophenone rất ít (khoảng 4 lần), hãy giải thích tại sao nhóm phenyl thứ hai trong cấu trúc của benzophenone có ảnh hưởng rất ít đến hằng số cân bằng.

34

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN  Từ bài ra, ta thu được các cân bằng như sau:

 Ta thấy K1 > K 2 > K3, điều đó được giải thích vào khả năng tham gia phản ứng A N của các ketone. Trong đó, nhóm phenyl có khả năng cộng hưởng với nhóm C=O làm giải toả điện tích (+) trên carbon, do đó khả năng cộng nucleophile giảm. Nhóm -CH 3 cũng gây hiệu ứng +I nhưng ít đáng kể hơn nhóm -C6H5. Vì vậy khả năng phản ứng AN của acetone > acetonphenone > benzophenone, suy ra hằng số cân bằng của phản ứng hydrate hoá K 1 > K2 > K3.  Ta còn thấy, K1 >> K 2 nhưng K2 > K3 không nhiều. Điều đó được giải thích dựa vào yếu tố lập thể khi hai nhóm phenyl trong benzophenone có tương tác đẩy lẫn nhau, dẫn đến cả hai không đồng thời nằm trong mặt phẳng liên hợp với nhóm C=O, khả năng giải toả điện tích (+) của nhóm phenyl thứ hai giảm. Vậy nhóm phenyl thứ hai không gây ảnh hưởng nhiều đến khả năng tham gia phản ứng A N.

35

 Câu 7....