PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILE (a ) n lý LUẬN và PHƯƠNG PHÁP dạy học BM HOÁ học

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.. Sự phân bố mật độ electron

Trang 1

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

Nguyễn Xuân Đạt PPHH831074

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

download by : skknchat@gmail.com

Trang 2

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

Trang 3

PHẢN ỨNG CỘNG NUCLEOPHILE (A )N

LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP DẠY HỌC BM HOÁ HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2021

Trang 4

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

Trang 6

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 A tiêu biểuN 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

Trang 7

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA VẤN ĐỀ

1 Sơ lược về phản ứng cộng Adownload by : skknchat@gmail.comN

Trang 8

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 sp (cấu trúc tam giác phẳng) do đó góc liên2

kết giữa chúng vào khoảng 120 Liên kết giữa chúng được hình thành nhờ sự xen phủ0 p 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.

Trang 9

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.download by : skknchat@gmail.com

Trang 10

ệ , g p g ộ g p g g

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.

Trang 11

với hợp chất carbonyl, carbon chuyển từ lai hoá sp sang lai hoá sp 2 3

1.3.2 Phản ứng A trong môi trường baseN

1.3.3 Phản ứng A trong môi trường axitN

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 A liên hợpN

Trang 12

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

Trang 13

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 , BuLi …) và carbonyl hoạt4

1.4 Các nucleophile thường gặp

Sau đây là các nucleophile tiêu biểu có thể tham gia phản ứng A với hợp chấtN

carbonyl.

Trang 14

2 Một số phản ứng A tiêu biểuN

Đề tài này chỉ trình bày phản ứng A của một số tác nhân nucleophile tiêu biểu nhưN

H2O, alcohol, HCl, HCN, acetylide, tác nhân Grignard, hydride, amine hoặc ammonia,download by : skknchat@gmail.com

Trang 15

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:

Trang 16

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.

Trang 17

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.

Trang 18

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

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 LiAlH để khử nhóm ester về alcohol Tuy nhiên, nhóm chức ketone dễ bị khử4

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.

Không phản ứng

Trang 19

Trang 20

2.3 Cộng HCN

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

Vì HCN là acid yếu (pK ~ 9) nên nồng độ ion cyanide thấp, tốc độ phản ứng xảya

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 -hydroxy acid hay carboxylic acid chứa một nối đôi liên hợp Nếu khử a cyanohydrin bằng tác nhân khử như LiAlH là hướng để điều chế 4 b-aminoalcohol.

Trang 21

2.9 Phản ứng Baeyer – Villiger

Phản ứng Baeyer-Villiger, được Adolf von Baeyer và Victor Villiger khám phá ravào năm 1899, là phản ứng oxi hoá chuyển hợp chất carbonyl thành ester hoặc acid tươngứng

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

Đây cũng là một phương pháp cũng là cách điều chế ester vòng hoặc lactone từketone vòng

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

Phản ứng xảy ra theo hướng nào tuỳ thuộc vào tốc độ dịch chuyển của nhóm đóđến 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 > 3 > 2 , Ph > 1 > methyl0 0 0

Ví dụ:

Trang 22

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 bấtađối 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 , hai lí thuyết về N 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 chấtcarbonyl 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

Trang 23

Tuy nhiên quy tắc Cram chưa thể hiện chính xác đặc điểm của phản ứng A :N

Thứ nhất, cấu trúc mà Cram đưa ra khi nhóm L nằm che khuất nhóm R là cấu dạngkhông bền

Thứ hai, Theo một số tính toán cho thấy, dựa trên sự xen phủ orbital khi xảy ra sựtác kích của nucleophile thì góc tác kích là góc Dunitz vào khoảng 107 , không phải 900 0

theo quy tắc Cram

Để khắc phục điều này, mô hình Felkin và mô hình Felkin-Anh tiếp tục được pháttriển 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 bởiNguyễn Trọng Anh nhằm khắc phục hai điểm yếu quan trọng của mô hình Felkin Môhình này có thể được mô tả đơn giản như sau: Nhóm lớn nhất phải cách xa đồng thời O vànhóm R nhất, tức vuông góc với nhóm C=O trong hình chiếu Newmann Khi đónucleophile tác kích sao cho thoả mãn các yếu tố sau:

+ Nucleophile tác kích phải theo góc Dunitz 107 0

+ 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 phẩmchính Ngược lại sẽ định hướng tạo thành sản phẩm phụ

Ví dụ đối với hợp chất (S)-C6H5-CH(CH3)-CH=O Ta có thể xác định được hai cấudạng (I) và (II) thoả mãn nhóm lớn nằm xa nhất so với O và R Khi đó, nucleophile tác

Trang 24

Trang 25

Trường hợp trái mô hình Felkin-Anh cũng xảy ra khi carbon bất đối có chứa mộtanhóm 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 thôngthường

Trang 26

II CÁC VÍ DỤ MINH HOẠ

 Câu 1 Xác định sản phẩm chính của các phản ứng sau:

Trang 27

Phản ứng (1) tạo imine Tác nhân NaBH3CN

có vai trò khử nối đôi của imine, cho sản phẩmcuối cùng là amine

Trang 28

tiên ở phía bên phải

Trang 34

 Câu 5 Một aldehyde quang hoạt có công thức phân tử CA 5H10O cho tác dụng vớiMeMgI rồi tiếp theo là H3O+ thu được hai sản phẩm và chiếm tỷ lệ nhiều hơn B C B C

Cho và tác dụng với HBr thu được hai dẫn xuất bromide tương ứngB C D và có cùngE

công thức phân tử là C6H13Br Các dẫn xuất bromide và lần lượt tác dụng với KOHD E

đặc trong ethanol ở nhiệt độ cao, cho hai alken đồng phân và có CTPT C F G 6H12 Sựozone giải cho butanone và acetaldehyde.F

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.

Trang 35

PHÂN TÍCH – ĐÁP ÁN

 Định hướng công thức cấu tạo của các hợp chất:

- Vì là aldehyde quang hoạt có công thức CA 5H10O nên có công thức cấu tạo A

như sau:

- Từ aldehyde A 3

1.MeMgI 2.H O 

alcohol B, C, nên B, C là đồng phân quang học có cùngcông thức cấu tạo:

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

có cùng công thức cấu tạo:

- Khi ozone giải , thu được butanone và acetaldehyde Suy ra là alkene có công F F

thức như sau:

h

- Khi đó, là đồng phân hình học (đồng phân G 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

Trang 36

- 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 củabenzophenone có ảnh hưởng rất ít đến hằng số cân bằng

Trang 37

 Từ bài ra, ta thu được các cân bằng như sau:

 Ta thấy K > K > K , điều đó được giải thích vào khả năng tham gia phản ứng A1 2 3 N

của các ketone

Trong đó, nhóm phenyl có khả năng cộng hưởng với nhóm C=O làm giải toả điệntích (+) trên carbon, do đó khả năng cộng nucleophile giảm Nhóm -CH cũng gây3

hiệu ứng +I nhưng ít đáng kể hơn nhóm -C6H5

Vì vậy khả năng phản ứng A của acetone > acetonphenone > benzophenone, suyN

ra hằng số cân bằng của phản ứng hydrate hoá K > K > K 1 2 3

 Ta còn thấy, K >> K nhưng K > K không nhiều Điều đó được giải thích dựa1 2 2 3

vào yếu tố lập thể khi hai nhóm phenyl trong benzophenone có tương tác đẩy lẫnnhau, dẫn đến cả hai không đồng thời nằm trong mặt phẳng liên hợp với nhómC=O, khả năng giải toả điện tích (+) của nhóm phenyl thứ hai giảm Vậy nhómphenyl thứ hai không gây ảnh hưởng nhiều đến khả năng tham gia phản ứng A N

Trang 38

Trang 39

 Vì hợp chất không có mũi hấp thu mạnh trong vùng 1730 cm , chứng tỏ không-1

hợp chất thu được không có nhóm C=O Như vậy, tổng hợp không thành công

 Điều này có thể được giải thích nhờ vào phản ứng nội phân tử của hợp chất (III)tạo thành hemiacetal vòng bền vững

 Câu 9 Cho semicarbazide phản ứng với aldehyde hoặc ketone để tạo thànhsemicarbazone, chỉ có một nguyên tử N của semicarbazide đóng vai trò là nucleophile táckích vào nguyên tử carbon carbonyl

Hãy xác định sản phẩm chủ yếu tạo thành là (1) hay (2) Giải thích

 Hai nguyên tử N liên kết với nhóm C=O vì có yếu tố cộng hưởng với nhóm C=Onên chúng mất đi tính nucleophile rất đáng kể

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	1,21 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Lê Ngọc Thạch (2002), Hoá học hữu cơ (Các nhóm định chức chính), NXB Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh	Khác
[2] Đỗ Đình Rãng, Đặng Đình Bạch, Lê Thị Anh Đào, Nguyễn Mạnh Hà, Nguyễn Thị Thanh Phong, Hoá học hữu cơ 3, Nhà Xuất bản Giáo dục Việt Nam.TÀI LIỆU TIẾNG ANH	Khác
[3] D.Klein (2011), Organic Chemistry, Second Edition, Wiley	Khác
[4] L.G.Wade (2006), Organic Chemistry, Sixth Edition	Khác
[5] Jerry A.Jenkins (2010), Workbook for Organic Chemistry (Supplemental Problems and Solutions), W. H. Freeman and Company, New York	Khác
[6] T. W. Graham Solomons, Craig B. Fryhle (2011), Oragnic Chemistry, Tenth Edition, Wiley	Khác
[7] Clayden, Greeves, Warren and Wothers (2001), Organic Chemistry, Oxford	Khác
[8] Paula Yurkanis Bruice (2014), Organic Chemistry, Senventh Edition, Pearson	Khác