Tài liệu học sinh giỏi Hóa học hữu cơ ii

his publication contains the competition problems (Volume 2) from the 21st – 40th International Chemistry Olympiads (ICHO) organized in the years 1989 – 2008 and is a continuation of the publication that appeared last year as Volume 1 and contained competition problems from the first twenty ICHOs. The whole review of the competition tasks set in the ICHO in its fourtyyear history is a contribution of the ICHO International Information Centre in Bratislava (Slovakia) to the development of this world known international competition. This Volume 2 contains 154 theoretical and 46 practical competition problems from the mentioned years. The review as a whole presents altogether 279 theoretical and 96 practical problems. In the elaboration of this collection the editor had to face certain difficulties because the aim was not only to make use of past recordings but also to give them such a form that they may be used in practice and further chemical education. Consequently, it was necessary to make some corrections in order to unify the form of the problems. However, they did not concern the contents and language of the problems. Unfortunately, the authors of the particular competition problems are not known and due to the procedure of the creation of the ICHO competition problems, it is impossible to assign any authors name to a particular problem. As the editor I would appreciate many times some discussion with the authors about any critical places that occurred in the text. On the other hand, any additional amendments to the text would be not correct from the historical point of view. Therefore, responsibility for the scientific content and language of the problems lies exclusively with the organizers of the particular International Chemistry Olympiads.

Chương 20: Giới thiệu về hóa học các hợp chất carbonyl, hợp chất cơ kim loại; phản ứng oxi hóa và phản ứng khử

Phản ứng khử

[1] Phản ứng khử aldehyde và ketone thành alcohol bậc 1 o và bậc 2 o (20.4)

[2] Phản ứng aldehyde và ketone α,β không no (20.4C)

• reduction of the C=O only (chỉ khử liên kết C=O)

• reduction of the C=C only (chỉ khử liên kết C=C)

• reduction of both π bonds (khử cả hai liên kết π)

[3] Phản ứng khử chọn lọc đối quang của ketone (20.6)

• A single enantiomer is formed (Chỉ một đồng phân đối quang được tạo thành)

[4] Phản ứng khử của acid chlorides (20.7A)

• LiAlH 4 , a strong reducing agent,reduces an acid chloride to a 1° alcohol (LiAlH 4, một chất khử mạnh, khử một acid chloride thành một alcohol bậc 1°)

• With LiAlH[OC(CH 3 ) 3 ] 3 , a milder reducing agent, reduction stops at the aldehyde stage (Với LiAlH[OC(CH 3 ) 3 ] 3 , một chất khử trung bình, phản ứng khử dừng tại bước tạo

aldehyde)

[5] Phản ứng khử của esters (20.7A)

• LiAlH4, a strong reducing agent, reduces an ester to a 1° alcohol (LiAlH 4, một chất khử mạnh, khử một ester thành một alcohol bậc 1°)

• With DIBAL-H, a milder reducing agent, reduction stops at the aldehyde stage (Với DIBAL-H, một chất khử trung bình, phản ứng khử dừng tại bước tạo aldehyde)

[6] Reduction of carboxylic acids to 1° alcohols – Phản ứng khử acid carboxylic tạo alcohol bậc

1 o (20.7B)

[7] Reduction of amides to amines – Phản ứng khử amide thành amine (20.7B)

Oxidation Reactions

Oxidation of aldehydes to carboxylic acids – Oxi hóa aldehyde thành acid carboxylic (20.8)

• All Cr 6+ reagents except PCC oxidize RCHO to RCOOH (Toàn bộ các chất phản ứng Cr 6+

trừ PCC oxi hóa RCHO thành RCOOH)

• Tollens reagent (Ag 2 O + NH 4 OH) oxidizes RCHO only Primary (1°) and 2° alcohols do not react with Tollens reagent (Cơ chất Tollens (Ag 2 O + NH 4 OH) chỉ oxi hóa RCHO Alcohol bậc 1 o và bậc 2 o không phản ứng với cơ chất Tollens)

Preparation of Organometallic Reagents – Điều chế hợp chất cơ kim loại (20.9)

[1] Hợp chất cơ Lithi:

[2] Hợp chất cơ Grinard:

[3] Hợp chất cơ đồng cuprate:

[4] Lithium and sodium acetylides (Lithi và natri acetylides):

Reactions with Organometallic Reagents (Phản ứng với hợp chất cơ kim loại)

[1] Reaction as a base – Phản ứng như một bazơ (20.9C)

• This acid–base reaction occurs with H 2 O, ROH, RNH 2 , R 2 NH, RSH, RCOOH, RCONH 2 , and RCONHR (Phản ứng acid-base xảy ra với H 2 O, ROH, RNH 2 , R 2 NH, RSH, RCOOH, RCONH 2 , and RCONHR)

[2] Reaction with aldehydes and ketones to form 1°, 2°, and 3° alcohols – Phản với aldehyde và ketone tạo alcohol bậc 1°, 2°, và 3° (20.10)

[3] Reaction with esters to form 3° alcohols – Phản ứng với ester tạo alcohol bậc 3 o (20.13A)

[4] Reaction with acid chlorides – Phản ứng với acid chloride (20.13B)

• Thuốc thử cơ kim hoạt động hơn — R''Li và R''MgX — thêm hai đương lượng của R '' vào một clorua axit để tạo thành rượu 3 ° có hai nhóm R '' giống nhau

• Thuốc thử cơ kim ít hoạt động hơn - R' 2 CuLi - chỉ thêm một đương lượng của R 'vào clorua axit để tạo xeton

[5] Reaction with carbon dioxide—Carboxylation _ Phản ứng với carbon dioxide tạo – Sự

carboxyl hóa (20.14A)

[6] Reaction with epoxides – Phản ứng với epoxides (20.14B)

[7] Reaction with α,β-unsaturated aldehydes and ketones – Phản ứng với aldehydes và ketones α,β không no (20.15B)

• Hợp chất cơ kim hoạt động mạnh hơn-R’Li và R’MgX phản ứng với aldehydes và ketones α,β không no bằng cách cộng hợp 1,2.

• Hợp chất cơ kim hoạt động yếu hơn-R’ 2 CuLi và R’MgX phản ứng với aldehydes và

ketones α,β không no bằng cách cộng hợp 1,2.

Protecting Groups – Bảo vệ nhóm chức (20.12)

[1] Protecting an alcohol as a tert-butyldimethylsilyl ether (Bảo vệ một alcohol bằng cách

chuyển hóa nó thành một tert-butyldimethylsilyl ether)

[2] Deprotecting a tert-butyldimethylsilyl ether to re-form an alcohol (Phá bảo vệ nhóm chức tái tạo nhóm chức alcohol)

Chapter 21 Aldehydes and Ketones—

carbonyl lai hóa sp2 và hình học phân tử là tam giác phẳng

• Aldehydes are identified by the suffix -al, whereas ketones are

identified by the suffix -one (21.2) - Aldehydes được định danh bởi hậu tố -al, trong khi ketones được định danh bởi hậu tố -one

• Aldehydes and ketones are polar compounds that exhibit dipole dipole interactions (21.3) – Aldehydes và ketones là những hợp chất phân cực, tồn tại tương tác lưỡng cực – lưỡng cực giữa chúng

-Summary of Spectroscopic Absorptions of RCHO and

(21.4)

IR absorptions – Phổ hồng ngoại IR

+ C=O:

• ~1715 cm–1 for ketones (increasing frequency with decreasing ring size) - ~1715 cm–1 đối với ketones (tần số tăng khi giảm kích thước vòng)

• ~1730 cm–1 for aldehydes - ~1730 cm–1 với aldehydes

• For both RCHO and R2CO, the frequency decreases with conjugation – Cả RCHO và R2CO, tần số giảm khi xuất hiện liên hợp

+ Csp2–H of CHO (Csp2–H của CHO): ~2700–2830 cm–1 (one or two peaks – một hoặc hai đỉnh hấp thụ)

1 H NMR absorptions – Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1 H NMR

+ CHO: 9–10 ppm (highly deshielded proton)

+ C – Hα to C=O: 2–2.5 ppm (somewhat deshielded Csp3 – H)

13 C NMR absorption – Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13 C NMR

C=O: 190–215 ppm

Nucleophilic Addition Reactions – Phản ứng cộng

nuclephiles

[1] Addition of hydride (H–) – Cộng hiđrua (H-) (21.8)

• The mechanism has two steps – Cơ chế 2 bước

• H:– adds to the planar C=O from both sides – H:- cộng vào mặt phẳng liên kết C=O theo cả hai phía

[2] Addition of organometallic reagents (R–) – Cộng hợp chất cơ kim (21.8)

• The mechanism has two steps – Cơ chế 2 bước

• (R”):– adds to the planar C=O from both sides – (R”):- cộng vào mặt phẳng liên kết C=O theo cả hai phía

[3] Addition of cyanide (–CN) – Cộng cyanide (21.9)

• The mechanism has two steps – Cơ chế 2 bước

• :CN– adds to the planar C=O from both sides – :CN- cộng vào mặt phẳng liên kết C=O theo cả hai phía

[4] Wittig reaction – Phản ứng Wittig (21.10)

• The reaction forms a new C – C σ bond and a new C – C π bond – Phản ứng hình thành một liên kết σ C – C mới và một liên kết π C-C mới

• Ph3P=O is formed as by-product - Ph3P=O là sản phẩm đi kèm [5] Addition of 1° amines – Cộng amine bậc 1o (21.11)

• The reaction is fastest at pH 4–5 (Phản ứng xảy ra nhanh nhất tại pH 4-5)

• The intermediate carbinolamine is unstable, and loses H2O to form the C=N (Trạng thái trung gian carbinolamine không bền, mất nước tạo liên kết C=N

[6] Addition of 2° amines – Cộng amine bậc 2o (21.12)

• The reaction is fastest at pH 4–5 (Phản ứng xảy ra nhanh nhất tại pH 4-5)

• The intermediate carbinolamine is unstable, and loses H2O to form the C=C (Trạng thái trung gian carbinolamine không bền, mất nước tạo liên kết C=C)

[7] Addition of H2O—Hydration – Cộng nước – Hydrat hóa (21.13)

• The reaction is reversible Equilibrium favors the product only with less stable carbonyl compounds (e.g., H2CO and Cl3CCHO) – Phản ứng này là một cân bằng thuận nghịch Cân bằng chuyển dịch về chiều tạo ra sản phẩm khi hợp chất carbonyl không bên (ví dụ, H2CO and Cl3CCHO)

• The reaction is catalyzed by either H+ or –OH (Phản ứng được xúc bởi

H+ or –OH)

[8] Addition of alcohols – Cộng alcohols (21.14)

• The reaction is reversible (Phản ứng này là một cân bằng thuận

nghịch)

• The reaction is catalyzed by acid (Phản ứng này xúc tác bởi acid)

• Removal of H2O drives the equilibrium to favor the products (Loại nước cân bằng sẽ thuận lợi cho việc tạo sản phẩm)

Other Reactions – Các phản ứng khác

[1] Synthesis of Wittig reagents – Tổng hợp chất phản ứng Wittig (21.10A)

• Step [1] is best with CH3X and RCH2X because the reaction follows an

SN2 mechanism – Bước [1] tốt nhất với CH3X và RCH2X vì phản ứng này theo cơ chế SN2

• A strong base is needed for proton removal in Step [2] – Một base cần được sử dụng trong bước 2 để loại proton

[2] Conversion of cyanohydrins to aldehydes and ketones – Chuyển hóa cyanohydrins thành aldehydes và ketones (21.9)

• This reaction is the reverse of cyanohydrin formation – Đây là phản ứng nghịch đảo của phản ứng tạo cyanohydrin

[3] Hydrolysis of nitriles – Phản ứng thủy phân nitriles (21.9)

[4] Hydrolysis of imines and enamines – Phản ứng thủy phân imines và enamines (21.12)

[5] Hydrolysis of acetals – Phản ứng thủy phân acetals (21.14)

• The reaction is acid catalyzed and is the reverse of acetal synthesis – Phản ứng là một phản ứng xúc tác acid và là phản ứng nghịch đảo của phản ứng tổng hợp acetal

• A large excess of H2O drives the equilibrium to favor the products – Thêm dư nước cân bằng sẽ thuận lợi chiều tạo sản phẩm

22 Carboxylic Acids and Their

IR absorptions – Phổ hấp thụ hồng ngoại (IR)

• All RCOZ compounds have a C=O absorption in the region 1600–

1850 cm–1 - Toàn bộ các hợp chất RCOZ có liên kết C=O hấp phụ trong vùng 1600–1850 cm–1

• Decreasing the ring size of a cyclic lactone, lactam, or anhydride increases the frequency of the C = O absorption – Giảm kích thước vòng lactone, lactam, anhydride thì tần số của hấp thụ C = O tăng

• Conjugation shifts the C = O to lower wavenumber – Liên hợp thay đổi hấp thụ C = O thành số sóng thấp

Increasing basicity of the leaving group (22.2) – Tăng tính base của nhóm tách loại

Increasing resonance stabilization (22.2) – Tăng bề hóa của cộng

hưởng

Increasing leaving group ability (22.7B) – Tăng khả năng tách loại

Increasing reactivity (22.7B) – Tăng khả năng phản ứng

Increasing frequency of the C–O absorption in the IR (22.5) – Tăng tần

số của hấp phụ C-O

General Features of Nucleophilic Acyl Substitution

• The characteristic reaction of compounds having the general

structure RCOZ is nucleophilic acyl substitution (22.1) – Đặc trưng của phản ứng của các phản ứng có cấu trúc chung là RCOZ là phản ứng thế acyl nucleophiles

• The mechanism consists of two steps (22.7A) – Cơ chế gồm 2 bước: [1] Addition of a nucleophile to form a tetrahedral intermediate – Nucleophile được cộng vào để tạo trạng thái trung gian tứ diện

[2] Elimination of a leaving group – Tách nhóm đi ra

• More reactive acyl compounds can be used to prepare less reactive acyl compounds The reverse is not necessarily true (22.7B) – Các hợp chất acyl phản ứng có thể được sử dụng để điều chế các hợp chất acyl ít phản ứng Điều ngược lại không phải lúc nào cũng đúng

Nucleophilic Acyl Substitution Reactions

[1] Reactions that produce acid chlorides (RCOCl) – Phản ứng tổng hợp acid chlorides

From RCOOH (22.10A) – Từ RCOOH:

[2] Reactions that produce anhydrides [(RCO)2O] – Phản ứng tổng hợp

anhydride

a From RCOCl (22.8) – Từ RCOCl:

b From dicarboxylic acids (22.10B) – Từ acid dicarboxylic:

[3] Reactions that produce carboxylic acids (RCOOH) – Phản ứng tổng hợp acid carboxylic

a From RCOCl (22.8) – Từ RCOCl:

b From (RCO)2O (22.9):

[4] Reactions that produce esters (RCOOR') – Phản ứng tổng hợp esters (RCOOR’)

[5] Reactions that produce amides (RCONH2) [The reactions are written with

NH3 as nucleophile to form RCONH2 Similar reactions occur with R'NH2 to form RCONHR', and with R'2NH to form RCONR'2.] – Phản ứng tổng hợp amides (RCONH2) [Các phản ứng được viết với NH3 là nucleophile để tạo thành RCONH2 Các phản ứng tương tự vơi s R’NH2 tạo RCONHR’, và vơi R’2NH tạo RCOR’2]

Nitrile Synthesis (22.18)

Nitriles are prepared by SN2 substitution using unhindered alkyl halides as starting materials – Nitrile được điều chế bằng phản ứng thế SN2 với alkyl halogen không bị án ngũ không gian như là chất đầu phản ứng

Reactions of Nitriles – Phản ứng nitriles

[1] Hydrolysis (22.18A) – Thủy phân

[2] Reduction (22.18B) – Phản ứng khử

[3] Reaction with organometallic reagents (22.18C) – Phản ứng với hợp chất

cơ kim

23 Substitution Reactions of Carbonyl

Compounds at the α Carbon

23 Phản ứng thế của hợp chất carbonyl tại

α Carbon

Kinetic Versus Thermodynamic Enolates (23.4) – So sánh giữa enolates động học với enolates nhiệt động học

Kinetic enolate – enolate động học

• The less substituted enolate – Enolate ít nhóm thế hơn

• Favored by strong base, polar aprotic solvent, low temperature: LDA, THF, –78 °C – Thuận lợi bởi base mạnh, dung môi phân cực không cho proton, nhiệt độ thấp: LDA, THF, –78 °C

Thermodynamic enolate – Enolate nhiệt động học

• The more substituted enolate – Enolate nhiều nhóm thế hơn

• Favored by strong base, protic solvent, higher temperature: NaOCH2CH3,

CH3CH2OH, room temperature - Thuận lợi bởi base mạnh, dung môi cho proton, nhiệt độ cao hơn: NaOCH2CH3, CH3CH2OH, nhiệt độ phòng

Halogenation at the α Carbon – Halogen hóa tại Carbon α

[1] Halogenation in acid (23.7A) – Halogen hóa trong môi trường acid

• The reaction occurs via enol intermediates – Phản ứng xảy ra thông qua enol trung gian

• Monosubstitution of X for H occurs on the α carbon – Thế đơn (thế

mono) của X thay H xảy ra tại carbon α

[2] Halogenation in base (23.7B) – Halogen hóa trong môi trường base

• The reaction occurs via enolate intermediates – Phản ứng xảy ra thông qua enolate trung gian

• Polysubstitution of X for H occurs on the α carbon – Thế poly của X thay

H xảy ra trên α carbon

[3] Halogenation of methyl ketones in base—The haloform reaction (23.7B) – Phản ứng halogen hóa của methyl ketone trong môi trường base – Phản ứng haloform

• The reaction occurs with methyl ketones and results in cleavage of a carbon–carbon σ bond – Phản ứng xảy ra với methyl ketones và kết quả là cắt một liên kết σ carbon–carbon

Reactions of α - Halo Carbonyl Compounds (23.7C) –

Phản ứng của các hợp chất α – Halo carbonyl

[1] Elimination to form α,β-unsaturated carbonyl compounds – Phản ứng tách để hình thành các hợp chất α,β-carbonyl không no

• Elimination of the elements of Br and H forms a new π bond, giving an α,β-unsaturated carbonyl compound – Phản ứng tách các nguyên tố H và

Br hình thành liên kết π mới, cho hợp chất α,β-carbonyl không no

[2] Nucleophilic substitution – Phản ứng thế nucleophile

• The reaction follows an SN2 mechanism, generating an α-substituted carbonyl compound – Phản ứng chạy cơ chế SN2, tạo ra hợp chất carbonyl thế α

Alkylation Reactions at the α Carbon – Alkyl hóa tại carbon

α

[1] Direct alkylation at the α carbon (23.8) – Akyl hóa trực tiếp tại carbon α

• The reaction forms a new C–C bond to the α carbon – Phản ứng hình thành liên kết C-C mới tại carbon α

• LDA is a common base used to form an intermediate enolate – LDA là base thường được sử dụng để hình thành enolate trung gian

• The alkylation in Step [2] follows an SN2 mechanism – Alkyl hóa trong bước [2] theo cơ chế SN2

[2] Malonic ester synthesis (23.9) – Tổng hợp malonic ester

• The reaction is used to prepare carboxylic acids with one or two alkyl groups on the α carbon – Phản ứng này được sử dụng để điều chế acids carboxylic với một hoặc hai nhóm alkyl trên nguyên tử carbon α

• The alkylation in Step [2] follows an SN2 mechanism – Alkyl hóa trong bước [2] theo cơ chế SN2

[3] Acetoacetic ester synthesis (23.10) – Tổng hợp acetoacetic ester

• The reaction is used to prepare ketones with one or two alkyl groups on the α carbon – Phản ứng được sử dụng để điều chế ketones với một hoặc hai nhóm alkyl trên α carbon

• The alkylation in Step [2] follows an SN2 mechanism – Phản ứng alkyl hóa trong bước [2] theo cơ chế SN2

24 Carbonyl Condensation Reactions

[1] Aldol reaction (24.1) – Phản ứng aldol

[2] Claisen reaction (24.5) – Phản ứng Claisen

[3] Michael reaction (24.8) – Phản ứng Michael

[4] Robinson annulation (24.9) – Phản ứng Robinson