CHUYÊN đề PHẢN ỨNG CHUYỂN vị TRONG hóa hữu cơ ôn THI HSG

NỘI DUNG Phản ứng chuyển vị là sự chuyển dịch nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí này sang vị trí khác của hợp chất hữu cơ.. Sự chuyển vị 1,2: Những quá trình chuyển vị trong đó nguy

NỘI DUNG

Phản ứng chuyển vị là sự chuyển dịch nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí

này sang vị trí khác của hợp chất hữu cơ

Dựa vào bản chất từng loại chuyển vị, ta chia 3 dạng chuyển vị chủ yếu:

• Chuyển vị 1,2: Là loại chuyển vị từ vị trí 1 đến vị trí 2 trong phân tử hợp chất hữu cơ thuộc dãy no

• Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm trong dãy thơm

• Chuyển vị 1,3 Là loại chuyển vị từ vị trí 1 đến vị trí 3 trong phân tử hợp chất hữu cơ thuộc dãy chưa no

I Sự chuyển vị 1,2:

Những quá trình chuyển vị trong đó nguyên tử hay nhóm nguyên tử mang theo cặp electron liên kết (hoặc ở dạng electrophin không mang theo cặp electron liên kết) chuyển dịch tới một trung tâm khác đang thiếu hụt electron (hoặc đến trung tâm vẫn còn chứa cặp electron liên kết)

I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử cacbon:

I.1 1 Chuyển vị Vanhe- Mecvai:

Trong các phản ứng thế và tách nucleophin đơn phân tử cũng như trong các phản ứng cộng electrophin vào liên kết bội cacbon- cacbon đều sinh ra cacbocation Những cacbocation

có thể chuyển vị, làm cho nguyên tử hidro hoặc nhóm ankyl hay aryl ở vị trí α đối với C+chuyển dịch đến C+ đó để tạo ra một cacbocation mới làm thay đổi bộ khung C Hiện tượng đó

gọi là sự chuyển vị Vanhe- Mecvai

Ví dụ : Viết công thức cấu tạo của các sản phẩm khi cho 3-iot-2,2-đimetylbutan phản

ứng với AgNO3 trong etanol Sản phẩm nào được tạo thành nhiều nhất?

CH3 CH3

CH3

HOC2H5 CH3

CH3

CH3

CH3C

C

+

C H

Me

OAc

Me

C6H5H Me

OAc H

H

C 6 H 5 Me

OAc

C6H5

-I.1.2 Chuyển vị Vônfơ

Chuyển vị Vônfơ là quá trình các α - điazoxeton dưới tác dụng của Ag2O tạo cacben sau

đó chuyển vị thành xêten là chất có khả năng phản ứng rất cao và dễ dàng tác dụng với nước (hoặc ancol) tạo sản phẩm

Khả năng chuyển vị của các nhóm theo thứ tự:

H2O

I.1.3 Chuyển vị pinacol- pinacolon

Sơ đố cơ chế :

- Trong các pinacol không đối xứng, hướng chuyển vị thường được quyết định bởi độ ổn định tương đối của cacbocation trung gian

Ví dụ:

Khử hóa axeton bằng Mg thu được hợp chất A, trong môi trường axit

A sẽ chuyển thành B Hợp chất B khi có mặt và môi trường kiềm sẽ chuyển thành axit C5H10O2

và iođofom Hidro hóa B được C, hợp chất này khi có mặt axit sẽ loại nước thành D Xử lí D với KMnO4 loãng thì nhận lại A Hãy xác định công thức của A, B, C, D Viết cơ chế chuyển hóa A thành B

Vậy B phải có 6 C dạng metyl xeton ( RCOCH3) Loại nước A được B nên A có 6C

- Khử hóa axeton bằng Mg thu được hợp chất A nên A là α - điol

- Đề hidrat hóa và chuyển vị α - điol sẽ nhận được xeton B

Nếu 1,2 – diol ban đầu không đối xứng sẽ thu được một hỗn hợp sản phẩm, tuỳ theo ion H+ tấn

Ví dụ:

Sản phẩm ưu tiên có thể dự đoán được dựa vào cấu tạo của các gốc hydrocarbon ở 2 bên Nhóm thế đẩy e càng mạnh càng dễ bị chuyển vị

- Phản ứng có thể xảy ra theo hướng chuyển vị mở rộng vòng:

I.1.4 Chuyển vị benzilic:

Chuyển vị benzilic là phản ứng chuyển hóa α -đixeton thơm trong môi trường bazơ thành α - hidroxyaxit theo sơ đồ sau:

(A)

Sơ đồ cơ chế:

OH C

Sự chuyển vị Hôpman có thể áp dụng cho amit thơm cũng như amit béo

NH2

OO

OH

OO

I.2.2 Sự chuyển vị Cuatiut:

- Sự chuyển vị Cuatiut xảy ra khi phân tích bằng nhiệt azit của axit cacboxylic, tạo ra izoxyanat sau đó izoxyanat lại chuyển hóa tiếp thành sản phẩm bền

R +

II Sự chuyển vị từ nhóm thế vào vòng thơm:

II.1 Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm:

II.1.1 Chuyển vị Frai:

Chuyển vị Frai là sự chuyển vị của nhóm axyl trong este của pheenol chuyển dịch vào các vị trí octo và para của vòng khi có tác dụng của axit Liuyt : AlCl3, ZnCl2, FeCl3

Hướng dẫn:

II.1.2 Sự chuyển vị Claizen:

Khi đun nóng các alyl aryl ete sẽ chuyển thành octo alylphenol theo một phản ứng gọi là

chuyển vị Claizen

Trong trường hợp vị trí octo đã bị chiếm nhóm alyl của ete sẽ chuyển dịch đến vị trí para

Nếu tất cả các vị trí octo và para đã bị chiếm thì khi đun nóng các alyl aryl ete sẽ không

xảy ra sự chuyển vị nào cả

O

H

1 2 3 4 5

OH

- alylphenol

o

• Nếu vị trí orto bị chiếm, nhóm alyl sẽ xảy ra 2 lần chuyển vị cuối cùng chuyển vị về vị trí para

O

CH2

CH

CH2chuyen vi

O 1 2 3 4 5

1

2

3

O EtO

Liên kết xich ma này bị đứt ra

Phản ứng trên thuộc loại chuyển vị Claizen

Cho biết A có liên kết hidro nội phân tử Viết sơ đồ các phản ứng trên Trình bày cơ chế của phản ứng từ E tạo ra F

CH3

COCH3

II.2 Sự chuyển vị từ nguyên tử nitơ vào vòng thơm:

II.2.1.Chuyển vị nguyên tử halogen:

Sự chuyển vị nguyên tử halogen từ nguyên tử nitơ vào vòng benzen gọi là sự chuyển vị Octơn

II.2.2 Chuyển vị nhóm arylazo:

Chuyển vị nhóm arylazo là phản ứng chuyển hóa điazoaminobenzen thành p-

khoảng 70%) còn lại tạo ra một số sản phảm khác

Hiện nay cơ chế chuyển vị benziđin vẫn còn là vấn đề phức tạp Tuy nhiên người ta đưa

ra một cơ chế như sau:

+

H H

- 2 H+

NH2

NH2

III Chuyển vị 1,3 :

III.1 Chuyển vị xeto- enol (đồng phân hóa tautome xeto- enol):

Hiện tượng chuyển hóa tương hỗ giữa 2 dạng cacbonyl và enol của hợp chất cacbonyl chứa nguyên tử hiđro α linh động gọi là hiện tượng Chuyển vị xeto- enol hay đồng phân hóa tautome xeto- enol

+ H

H+-

O

CH3-C CH COOEt H

b.Cơ chế phản ứng enol hóa xúc tác bazơ:

Dưới tác dụng của chất xúc tác bazơ, hợp chất cacbonyl bị tách nguyên tử H α linh động tạo cacbanion liên hợp hay anion enolat, sau đó anion enolat sẽ nhận proton từ axit hay dung môi tạo thành enol

− δ

− δ

CH3

H

III.2 Sự chuyển vị alylic:

Trong các phản ứng thế nucleophin, hoặc phản ứng thế electrophin của dẫn xuất alylic thường xảy ra sự chuyển dịch vị trí của nối đôi gọi là sự chuyển vị alylic Khi đó các dẫn xuất alylic cho ta hai sản phẩm thế, một sản phẩm bình thường và một sản phẩm chuyển vị

Sơ đồ :

XR-CH=CH-CH2+ chuyên vi alylic R-CH-CH=CH

-2 +

2 Y

+ δ

Hoặc với phản ứng thế electrophin có thể tạo ra sản phẩm chuyển vị như sau:

2 Y

Bài tập về chuyển vị Wagner-Meerwein (tạo cacbocation bền hơn)

Đây là loại chuyển vị rất hay gặp ở ancol, hidrocacbon không no, dẫn xuất halogen của hidrocacbon trong quá trình thế, tách nucleophin đơn phân tử cũng như quá trình cộng electrophin vào liên kết bội cacbon-cacbon Do vậy, số lượng bài tập về loại chuyển vị này chúng tôi tổng hợp nhiều hơn loại khác

Bài 2 a) Viết phản ứng cộng hợp HBr vào 3,3-đimetyl-1-buten Giải thích sự hình thành sản

cation bậc 2 cation bậc 3

b) Phản ứng thuỷ phân clorua isopentyl khó xảy ra theo SN2 mà theo SN1 đi qua cacbocation

bậc 1 dể chuyển vị theo kiểu Wagner-Meerwein gọi là chuyển vị

cation bậc 1 cation bậc 3

Bài 3 Trình bày cơ chế và xác định sản phẩm của phản ứng tách nước của ancol:

a)

Giải

Lưu ý: Có sự chuyển vị cạnh để tăng độ lớn của vòng

Bài 4 Trình bày cơ chế tạo thành các sản phẩm của phản ứng sau:

a)

Giải

Bài 8 Cho hợp chất A (CH3CH2CCCH2CH3) phản ứng với một lượng dư HCl thu được hợp chất X là sản phẩm chính Hãy viết phương trình phản ứng và cho biết cơ chế của phản ứng tạo thành sản phẩm trung gian và sản phẩm chính X

Giải

cacbocation

đồng phân cis-trans

Bài tập về chuyển vị pinacol – pincolon

Bài 9 Dự đoán các sản phẩm sinh ra trong các quá trình chuyển vị:

a) (C6H5)2CH(OH)C(OH)CH3C6H5

Giải

Đây là hợp chất bất đối xứng phụ thuộc vào khả năng tách nhóm OH, tức độ ổn định tương đối của cacbocation trung gian Vì vậy sản phẩm chính theo cơ chế sau:

C6H5 C

OH

C OH

C6H5 CH3

C6H5OH

Vì nhóm chuyển vị mang theo cả cặp electron liên kết, cho nên khi có 2 nhóm thế, nhóm

dễ bị chuyển vị là nhóm có tính đẩy e mạnh hơn

Bài tập về sự chuyển vị 1,2 nucleophin đến nguyên tử nitơ

Bài 10 Viết sơ đồ cơ chế các phản ứng và gọi tên quá trình chuyển vị trong mỗi sơ đồ đó

c)Benzamit BrO

Benzylamin

N Br

d)Oxim của axetophenon

H2O -H2O

Phản ứng có giai đoạn chuyển vị Beckmann là giai đoạn SN2 phân tử

Bài tập tổng hợp và nâng cao

Bài 11 Viết cấu hình sản phẩm khi đun sôi trans- và cis-1,2-dimetyl-1,2-xiclohexadiol trong

Đối với trans có OH là e,e hay a,a Cấu dạng e,e tạo cacbocation có C vòng ở vị trí anti nên chuyển vị và rút vòng thành xiclopentan

OHOH

CH3

H+-H2O

CH3OH

Cấu dạng a,a tạo cacbocation có nhóm OH ở vị trí anti nên chuyển vị cho hợp chất peoxy có nhóm thế che khuất nên không thuận lợi về năng lượng dể thuỷ phân trong điều kiện thực nghiệm đó cho trans-a,a-1,2-diol như là chất ban đầu:

CHCH3 3

HO

CH3OH

OH

CH3

H2O -H+

Có thể rút ra:

- Phản ứng chuyển vị không rút vòng khi nhóm đi và nhóm chuyển vị đều định hướng a

- Phản ứng chuyển vị có rút vòng xảy ra khi nhóm bị tách ra là e

Bài 12 Phản ứng chuyển vị kiểu Claisen là một công cụ thuận lợi cho các nhà hóa học trong

tổng hợp chất hữu cơ Tuy nhiên, với học sinh thì phản ứng này thường khó nhận biết và đòi hỏi suy nghĩ Một ví dụ điển hình của phản ứng được ghi dưới đây:

Phản ứng chuyển vị kiểu Claisen là một công cụ thuận lợi cho các nhà hóa học trong tổng hợp chất hữu cơ Tuy nhiên với học sinh thì phản ứng này thường khó nhận biết và đòi hỏi suy nghĩ Một ví dụ điển hình của phản ứng được ghi dưới đây:

Năm 1977 một sesquiterpen furan (K) được tách từ một loại san hô mềm ở Australia là Sinularia gonatodes Hợp chất này có khả năng vô hiệu hóa nọc độc của ong và sự kiện một chất đơn giản như thế lại phản ứng được như một tác nhân chống viêm gây chú ý đáng kể đến các nhà hóa học tổng hợp Một quá trình tổng hợp như thế được mô tả dưới đây

Axit (A) được este hóa với 2(-trimetylsilyl)etanol [Me3SiH2CH2OH] và xeto-este sinh ra được khử một cách chọn lọc tại nhóm cacbonyl của xeton với NaBH4/CeCl3 để tạo ra một hợp chất B (C14H22O4Si)

Xử lý B với 1,1,1-trimetoxyetan với sự có mặt của một vết (lượng rất nhỏ) axit khan

Khử C với liti bo hydrua tạo thành rượu bậc nhất D (C16H26O4Si) có thể bị oxy hóa với pyridin clocromat chuyển thành F Phản ứng của F với tác nhân Wittig G tạo thành hai đồng phân H và

c) Nêu các cấu tạo để hoàn chỉnh sơ đồ của quá trình tổng hợp

(30 th IchO – Melboune, Australia, 1998) Giải

• Không cần quá quan tâm đến cơ chế phản ứng do câu hỏi đã có gợi ý khá cụ thể

• Sự oxi hóa với pyridine clocromat đáng chú ý ở chỗ trong điều kiện khan nước rượu bậc

1 chỉ bị oxi hóa thành andehit chứ không tạo thành axit cacboxylic

• Sự chuyển đổi C thành D phải gồm có sự khử este metyl do D vẫn còn chứa silic Nếu như este trimetylsilyletyl bị khử sẽ không còn silic

• Cuối cùng cũng cần lưu ý rằng bài này sử dụng cách kí hiệu cho tác nhân Wittig, nghĩa

là cấu tạo với một liên kết đôi hình thức thay vì cấu tạo lưỡng cực thường dùng cho ylid Mặt khác tác nhân G cũng cho phép làm tăng mạch cacbon của một andehit

Các phản ứng xảy ra như sau:

Các sản phẩm và quá trình trung gian

Chất trung gian cho phản ứng chuyển vị kiểu Claisen

Bài 12:

a.Hãy cho biết ở điều kiện thích hợp phản ứng có thể xảy ra theo cơ chế gốc, cơ chế AE được không? Tại sao?

b.Sau phản ứng trên người ta thu được hỗ hợp các sản phẩm, trong đó có chất X và chất

Y Hãy giải thích quá trình tạo thành X, Y? Biết tên gọi của X, Y là:

Trong số hỗn hợp các sản phẩm đibom tạo ra người ta thấy có xuất hiện các chất:

A: 3-brom-3-(bromometyl)pentan B: (3S)-2,3-đibrom-2-metylpentan Hãy giải thích quá trình tạo ra 3 chất A, B

Hướng dẫn giải:

Lý thuyết:

Xét phản ứng:

Cách xét tương tự trường hợp HBr và ra bài tập cũng tương tự

a Phản ứng xảy ra theo cơ chế AE, hướng cộng theo Maccopnhicop (nếu dừng ở sản

phẩm cấu tạo thì không cần nói đên Maccopnhicop)

b Hướng mở vòng thứ 3 ưu tiên hơn (dựa vào yếu tố nhiệt động học và động học)

c Nếu mở vòng theo hướng thứ 3, không xảy ra sự chuyển vị Sản phẩm thu được là 4 đồng phân quang học Vì sản phẩm trung gian là:

d Nếu mở vòng theo hướng thứ 2

Sản phẩm trung gian (I) và (IV) đều cho 2 sản phẩm đibrom Sản phẩm trung gian (II) và (III) cho 1 sản phẩm đibrom Vậy hướng mở vòng theo hướng thứ 2 cho 6 sản phẩm là đồng phân cấu tạo và đồng phân cấu hình

e Nếu mở vòng theo hướng thứ 1

Các sản phẩm trung gian có thể tạo ra:

Vậy phản ứng đang xét cho tất cả 16 sản phẩm

Giải

a.Nếu mở vòng theo hướng thứ 1

Các sản phẩm trung gian có thể tạo ra:

Sản phẩm trung gian thứ (III) cho hợp chất B

b.Nếu mở vòng theo hướng thứ 2

Các sản phẩm trung gian có thể tạo ra:

A: 3-brom-3-metylpentan B: 2-brom-2-metylpentan

D: (R)-2-bromhexan

a.Xác định cấu trúc và tên gọi của X theo IUPAC?

b.Giải thích quá trình chuyển X thành A, B, D, D`?

c.Biểu diễn cấu trúc các đồng phân quang hoạt còn lại có trong hỗn hợp Y?

Hướng dẫn giải:

a.Xác định cấu trúc và tên gọi của X theo IUPAC?

+ Hợp chất X không làm mất màu dung dịch KMnO4 loãng lạnh, hợp chất X có phản ứng cộng H2 ở điều kiện Ni, 800C, X tác dụng HBr cho D nên X có vòng 3 cạnh và cấu tạo sẽ là:

(Nếu học sinh dựa vào A hoạc B trước thì sẽ bế tắc)

+ X có nhiệt độ sôi thấp hơn các đồng phân hình học của nó nên X là đồng phân cis

+ Nếu phản ứng cộng HBr vào X cho D theo cơ chế dưới đây thì C số 1 cấu hình (R), C

số 2 có cấu hình (S)

Cấu trúc của X:

(1R, 2S)-1-etyl-2-metylxiclopropan

b Giải thích bằng cơ chế tương tự như trên

c Còn 6 đồng phân quang hoạt (biểu diễn bằng công thức Fisơ hoặc công thức phối cảnh)

Sản phẩm trung gian thứ (III) cho hợp chất A

E BÀI TẬP KẾT HỢP CƠ CHẾ PHẢN ỨNG VÀ KIẾN THỨC CHUYỂN VỊ

1 Xác định công thức cấu tạo của các chất A, B, C, D, E

2 Trình bày cơ chế phản ứng tạo ra chất A trong sơ đồ phản ứng trên

HD:

1

C

Cl (CH3)2

O C

CH 3

O H

b.Dưới tác dụng của HBr, threo-3-brombutan-2-ol biến đổi thành hỗn hợp raxemic

2,3-dibrombutan còn erythro-3-brombutan-2-ol biến đổi thành hỗn hợp meso 2,3-2,3-dibrombutan Hãy giải thích bằng cơ chế phản ứng?

HD:

a

-Phản ứng Diels-Alder là phản ứng cộng electrophin (AE) của dien liên hợp theo kiểu cộng 1,4 tạo vòng 6 cạnh, chịu nhiều ảnh hưởng của cấu trúc không gian Ở dạng cis phản ứng khó xảy ra hơn dạng trans vì bị án ngữ của nhóm CH3, vậy hiệu suất phản ứng thấp hơn

b.Phản ứng thế xảy ra theo cơ chế SN1 tạo ra ion vòng, vì vậy Br- phải tấn công vào hướng ngược với Br có sẵn ( hiệu ứng nguyên tử liền kề có cặp electron chưa liên kết)

Đồng phân threo ( có nhóm OH và Br cùng hướng trong công thức Fisher, ngược hướng

2 Hợp chất (A) chuyển hoá thành hợp chất (A') trong

môi trường kiềm theo sơ đồ bên Hãy dùng mũi tên

cong để chỉ rõ cơ chế của phản ứng

O Br

OH O

O

OH C

OH O

OH

O O

O O

CH3

N H p-TsOH

C6H5OH(phenol) + CH3COCH2COOCH3
( xt H+) E ( C10H8O2)

Viết cấu trúc E và giải thích sự tạo thành E?

N H

N O H

do chướng ngại lập thể của các nhóm cồng kềnh làm nó không thể xếp trên cùng mặt phẳng

O

O

CH3O

O H

O

H OMe

- H+

Me

O H

O OMe OH

H+

- H2O Me

O OMe OH

- MeOH

O O

(E)

Bài 6:

Trình bày cơ chế của phản ứng:

1 Hợp chất (CH2)4(COOEt)2 tác dụng với CH3ONa/ CH3OH sinh ra hợp chất B có CTPT C8H12O3

2 Hợp chất 2- cloro xyclohexanon tác dụng với dung dịch NaOH loãng cho axit xyclopentancacboxylic

Thành phần chính của dầu thông là α-pinen (2,6,6-trimetylbixiclo[3.1.1]hept-2-en)

Cho α-pinen tác dụng với axit HCl được hợp chất A, sau đó cho A tác dụng với KOH/ancol thu được hợp chất camphen (B) Viết cơ chế phản ứng chuyển hóa α-pinen thành A và A thành B Trong môi trường axit, B quang hoạt chuyển hóa thành B raxemic Giải thích hiện tượng này HD:

Sơ đồ phản ứng tổng hợp camphen (B) từ α-pinen: