hóa hữu cơ nâng cao chương 1

Chúng ta có thề phân biệt các phản ứng pericyclic làm 3 loại: - Cộng đóng vòng: hai phân tử riêng biệt hoặc các phần tạo một hệ thống vòng mới, và toàn bộ quá trình này 2 liên kết Π biến

1.1 Phản ứng Pericyclic: các loại và các tính chất.

Trong quá trình phản ứng không gốc tự do (có năng lượng cao), các cacbocation trung gian hoặc cacbanion được tạo thành Trong nhiều trường hợp, năng lượng hoạt hóa sẽ thấp hơn nhiều như là một hệ quả tất yếu Nhìn chung, ảnh hưởng của dung môi là không quan trọng trong việc xem xét trong các phản ứng đó bởi vì toàn bộ phản ứng không thay đồi (lớn) sự phân cực

- Trang thái chuyển tiếp vòng cho thấy cấp độ tổ chức cao của chất thử, vì vậy entropi phảnứng sẽ âm

- Phản ứng pericyclic trong nhiều trường hợp dẫn tới lập thể và sự tạo thành các sản phẩm

có tính chọn lọc mặc dù nhiều đồng phân sẽ có thể tạo thành

- Các phản ứng được hoạt hoá bởi nhiệt (nhiệt động) hoặc kích thích bởi UV hoặc ánh sángnhìn thấy (quang hóa)

Chúng ta có thề phân biệt các phản ứng pericyclic làm 3 loại:

- Cộng đóng vòng: hai phân tử riêng biệt hoặc các phần tạo một hệ thống vòng mới, và toàn bộ quá trình này 2 liên kết Π biến mất và 2 liên kết σ được tạo thành Một ví dụ là phản ứng quang hóa [2+2] các anken thế tạo thành cyclobutan hoặc phản ứng cộng đóng vòng bằng

nhiệt [4+2] Diels-Alder Các phản ứng Cheletropic và quá trình ngược lại, các phản ứng extrusion, tạo thành một trường hợp đặc biệt trong đó 2 liên kết σ tạo thành (được chia ra riêng biệt) tại cùng nguyên tử Các quá trình đó [n+1] sẽ ví dụ cho quá trình cộng cacben vào anken (xem sau) và tạo thành buadien và SO2 từ sunfolen.

- Phản ứng electrocyclic: đơn giản là, hệ thống chuỗi liên hợp mở với các liên kết Π được chuyển thành một hệ thống vòng với (n-1) liên kết Π và một liên kết σ mới được tạo thành Vai trò của các trường hợp phản ứng, ngược với phản ứng (mở vòng) có thể xảy ra Phản ứng xảy ra nhiệt hoặc quang hóa

- Chuyển vị sigmatropic: trong tiến trình phản ứng, một nhóm R dịch chuyển trên một

hệ thống Π liên hợp, các liên kết này dịch chuyển trong suốt quá trình phản ứng Do đó, tổng

số các liên kết σ hoặc Π không thay đổi trong các phản ứng đó Một ví dụ là chuyển vị Claisen,trong trường hợp này một nhóm anlyl dịch chuyển trên một hệ thống enolat, kết quả tạo thành một hợp chất cacbonyl không bão hòa Đây là một ví dụ của một chuyển vị sigmatropic [3,3]

1.2 Phản ứng pericyclic: các nguyên tắc chung

Sự xen phủ bên của 2 obitan p tạo nên obitan liên kết π và phản liên kết π* Cả 2 obitan này đều phản đối xứng đối với trục liên kết nhưng đối với mặt phẳng nút thì obitan π đối xứng và obitan π* phản đối xứng đối với trục C2 thì ngược lại.

Hàm sóng ψ1 = c1ϕ1 + c2ϕ2 đối với các obitan liên kết σ và π và hàm sóng ψ2 = c1ϕ1 - c2ϕ2 đối với obitan phản liên kết σ* và π* Các số c1 và c2 là các hệ số obitan Các hệ số này được đưa ra dựa trên các múi obitan Đối với các hợp chất đối xứng như eten thì c1 = c2, trong các trường hợp khác (như CH2=O) thì 2 hệ số này khác nhau

Eten có các obitan σ, σ*, π và π* Năng lượng của obitan π và π* lần lượt là σ+β và σ-β, trong

đó σlà năng lượng cúa AO Cả σvà β đều có giá trị âm Obitan π là MO bị chiếm có năng lượng cao nhất (HOMO) và obitan π* là MO không bị chiếm có năng lượng thấp nhất

(LUMO) Chúng được gọi là các obitan biên

Đối với hệ liên hợp có nhiều hơn 2 obitan p trở lên thì sẽ xen phủ bên cùng lúc với nhau Các electron của những obitan phân tử này giải tỏa đều trên tất cả các nguyên tử tham gia xen phủ Điều kiện tiên quyết là hệ liên hợp không bị án ngữ bởi nguyên tử lai hóa sp3 Cácobitan nguyên tử mà thẳng đứng (như alen hay cumulen) không thể xen phủ và không liên hợp.

ví dụ hệ liên hợp đơn giản là butadiene (n=4) va anlyl (n=3) (cation, gốc hay anion) pentadien có 2 liên kết đôi riêng rẽ vì vậy mà nó không liên hợp

1,4-Có n hàm sóng khác nhau đối với hệ n nguyên tử được mô tả theo thuyết LCAO cho obitan thứ

j là:

Hệ số đối với hệ polien có n nguyên tử có thể tính toán về mặt lý thuyết (được gọi là sự gần đúng Huckel) qua đó xác định được hệ số crj của obitan nguyên tử thứ r trong obitan phân tử thứ j được cho bỡi công thức:

Ví dụ: hệ số cho obitan nguyên tử thứ 3 trong hàm sóng thứ 4 của hệ 4 nguyên tử là 0,6 và năng lượng của obitan phân tử thứ j được cho bởi công thức chung:

E = α + mβ, với m = 2cos(jπ/n+1) n+1) Nếu m=0 là obitan không liên kết

Sự gần đúng này sẽ cung cấp những thông tin về mối quan hệ đóng góp của các obitan nguyên

tử vào các obitan phân tử (kính thước của thùy = hệ số obitan) và nó còn chỉ ra tương tác này

là liên kết, phản liên kết hoặc không liên kết Cũng như số lượng các điểm nút (mật độ electron

ở đó bằng không), và vị trí của chúng trong phân tử có thể được xác định

Phần lớn các cấu hình bền của butadien (n=4) là cấu trúc zich-zắc Với 4 obitan phân tử LCAO

có thể được hình thành, ở đó 4 electron π được cung cấp vì thế, HOMO là obitan Φ2 (một nút)

và LUMO là obitan Φ3 (hai nút) Khoảng cách năng lượng HOMO và LUMO trong phân tử butadien (n=4) là 1,236β, khoảng cách này ngắn hơn khoảng HOMO-LUMO ở cation allyl (n=3, 1,414β) hoặc etilen (n=2, 2β) Vì thế hệ liên hợp càng dài thì khoảng cách HOMO-LUMO càng ngắn lại

Tính toán theo Huckel dự đoán được hai hệ số obitan 0,6 và 0,371 Trong hai obitan biên thì hệ

số obitan thứ 2, ở bên ngoài thì lớn hơn so với ở trung tâm Sự khác nhau của các obitan phân

tử của các điểm nút trong phân tử butadien là vị trí giữa các nguyên tử cacbon, và nó phổ biến đối với hệ liên hợp tuyến tính nhiều nguyên tử cacbon

Hơn nữa, 2 obital phân tử bị chiếm Ψ1 và Ψ2 cho thấy có một tương tác liên kết và phản liên kết giữa trung tâm các obital nguyên tử ở C-2 và C-3 Hệ số tương quan của Ψ1 lớn hơn làm cho tương tác liên kết hơn Do đó, có thể nói rằng liên kết C2-C3 trong butadien mang một phần tính chất của lên kết đôi

Chúng ta có thể đề cập tới đại lượng đơn giản của các MO trong hệ liên hợp thường gặp có hệ

số tương quan của tất cả các obital là như nhau Cần lưu ý rằng điều này không hoàn toàn đúngtrong thực tế

Hình ảnh dưới đây sẽ biểu diễn các đại lượng đơn giản (obital, năng lượng, tính đối xứng) của cachệ tương tự với n=5 (pentadienyl) và n=6 (1,3,5-hexatrien) theo suy luận tương tự Khoảng cách giữa HOMO và LUMO tiếp tục giảm, ứng với n=5 là 0,890β

Các hệ liên hợp vòng có những quy tắc khác Thuyết obital Huckel mô tả năng lượng của các polime vòng phẳng (CH)n([n]anulen) là E= α +2βcos(2πr/n+1) n) với n=số nguyên tử C, r= 0, 1, 2,

…, n-1

Về mặt kỹ thuật, người ta có thể có các mức năng lượng đại diện cho phân tử một đa giác đều được mô tả bởi đường tròn có đường kính 4β Nguyên tử thấp nhất (ứng với r=0) nằm ở góc của vòng và mức năng lượng thấp nhất tương ứng là α +2β Có một điều khác với các polime thằng là các MO cùng năng lượng (các hệ suy biến) có thể xảy ra Trong hình dưới đây, các mức năng lượng Huckel được đưa ra cho các hệ liên hợp vòng, phẳng có n=3 tới n=8

Việc tính toán đối với vòng sáu như benzencho thấy 6 xuất hiện với r=0,1,2,3,4,5 Các mức năng lượng Huckel tương ứng là α +2β, α + β, α - β, α -2β, α –β và α +β.

1.2.2 Tính thơm

Quy tắc Huckel: những hệ liên hợp vòng, phẳng với số eπ=4n+2 có các obital đã được điền và

do đó, rất bền vững những hệ này là các hợp chất thơm Những hệ tương tự với 4n eπ thì phảnthơm (n trong cả 2 trường hợp là số nguyên)

Hệ thơm bền vững hơn đáng kể so với các chất tương tự tuyến tính và có một vòng nghịch từ

Hệ phản thơm kém bền hơn so với các hệ thẳng tương tự và hệ sẽ giả một cấu trúc không thơmbất cứ khi nào có thể, ví dụ bằng cách mất phẳng như cyclooctatetraen

Quy tắc này có thể được giải thích thêm sau khi xem xét các mức năng lượng trong các con số

ở trên và sau khi so sánh các mức năng lượng ổn định của các orbital lấp đầy của hệ vòng và không vòng

Chúng ta có thể xác định một hệ thống Huckel cho các polyene vòng trong đó có obital cơ sở, nói cách khác mức π thấp nhất có thùy p chồng chéo trong các pha

Nói cách khác, trong hệ thơm Mobius hay còn gọi là phản thơm Huckel có chuỗi xoắn 1800(hay nπ), nên chúng ta có một pha phân chia Những định nghĩa này có thể được mở rộng bằngcách nói rằng một hệ thống với một số lượng mới của giai đoạn phân chia là một hệ thống Huckel, và một hệ thống với một số lượng cũ của giai đoạn phân chia là một hệ thống Mobius

Một vòng gọi là vòng Mobius có thể được chuẩn bị bằng cách xoắn một dải giấy ở một đầu hơn 180 ° và sau đó nối lại với phần cuối cùng Lưu ý rằng một vòng Mobius chỉ có một bên

Rõ ràng, các hợp chất xoắn như có khuynh hướng rộng, làm cho chúng không ổn định Do đó,

Hệ thống Mobius chưa bao giờ bị cô lập, nhưng khá được quan tâm về mặt lý thuyết để mô tả

chuyển đổi trạng thái của phản ứng pericyclic.

Hệ Huckel như trên là thơm với 4n+ 2 eπ, các hệ Mobius thơm khi có 4n eπ

1.2.3 Nguyên tắc tính thơm trong việc mô tả các phản ứng pericyclic

Phương pháp này lần đầu tiên được sử dụng bởi Zimmerman và Dewar vào các trạng thái chuyển tiếp vòng trong phản ứng pericyclic Những trạng thái chuyển tiếp có thể được xem như thơm (thuận lợi ) hoặc phản thơm (không thuận lợi) Quy tắc derivated là sau đây :

Phản ứng xảy ra Pericyclic nhiệt ( được phép ) khi có thể hình thành một trạng thái chuyển tiếpthơm Trạng thái chuyển tiếp thơm này là đạt được một hệ thống Huckel với 4n+2 eπ hoặc một hệ thống Mobius với 4n eπ Cho quá trình quang xảy ra thông qua trạng thái kích thích thấp nhất, quy tắc này được đảo ngược: các quá trình cho phép các hệ thống Huckel với 4n eπ hoặc hệ thống Mobius với 4n + 2 eπ

Một vài gợi ý khi áp dụng quy tắc tính thơm này :

- Trong trạng thái chuyển tiếp các obital cơ bản được sử dụng ( obital nền của hệ phản ứng, σ -, p- của obital π ) với những dấu hiệu giai đoạn tương ứng (Không sử dụng các quỹ đạo biên! )

- Số điện tử và số giai đoạn phân đoạn được xác định

- Từ những dữ liệu này có thể được xác định nếu phản ứng được cho phép hay không

1.2.4 Biên tiếp cận obital

Trong phản ứng hóa học, và đặc biệt là phản ứng pericyclic, quá trình chồng chéo giữa các obital lấp đầy một chất nền và các orbital trống của một thuốc thử (và ngược lại) xác định quá trình của các phản ứng

Kết quả của sự tương tác giữa hai obital đầy là ghê gớm vì sự kết hợp dẫn đến một obital liên kết và phản liên kết đều bị chiếm đóng Năng lượng kết quả gây ảnh hưởng không thuận lợi

Sự bất ổn của obital phản liên kết là lớn hơn sự ổn định do quỹ đạo việc kết vì lực đẩy Cu-lôngcủa hai nguyên tử obitlal trống của hai thuốc thử đã ảnh hưởng không ổn định vì chúng không chứa các electron

Sự tương tác giữa obital đầy và trống sẽ mạnh hơn (dẫn đến ổn định hơn, giảm năng lượng) nếu các obital gần gũi với nhau trong năng lượng Vì vậy, nó là chủ yếu các obital biên

(HOMO và LUMO) sẽ có ảnh hưởng tới các phản ứng hóa học

Chất phản ứng nghèo electron có LUMO tương đối thấp và đặc biệt sẽ sử dụng obital biên này trong các phản ứng của họ Sản phẩm giàu electron có một HOMO tương đối cao, cho tương tác mạnh nhất

Các obital biên đạt đến trạng thái HOMO và LUMO nên so sánh về tính đối xứng, nhữngobital khác bị đóng về mặt năng lượng Tính đối xứng của hai obital biên này được xem như làhai sự kết hợp cuối cùng trong tương tác liên kết (cùng dấu)

1.2.5 Quy tắc Woodward- Hoffmann:

Fukui và Hoffmann được giải thưởng Nobel vào năm 1981 cho các ứng dụng lý thuyếtcủa họ về tính đối xứng obital đối với các phản ứng pericyclic Woodward, người đồng pháttriển phương pháp này, đã qua đời năm 1979 nhưng giải thưởng Nobel năm 1965 là cả một sựnghiệp tổng hợp của ông Công trình này được tóm tắt bằng quy tắc Woodward-Hoffmann:Trong một phản ứng nhiệt pericyclic tổng số (4q +2)s và hợp phần (4r)a là một số lẻ

Nội dung này cần được giải thích thêm Các hợp phần được đề cập là lien kết hoặc obitaltham gia vào phản ứng pericyclic như một đơn vị riêng biệt Các 4q + 2 và 4r đề cập đến sốlượng electron tham gia phản ứng, q là số nguyên r, trong nhiều trường hợp 0, 1 hoặc (đôi khi)

2 Các hậu tố "s" và "a" được xem là một suprafacial, tương ứng một thành phần antarafacial.Đối với hợp phần suprafacial, liên kết mới được hình thành cùng phía với hợp phần, còn đốivới hợp phần antarafacial liên kết mới được hình thành khác phía với hợp phần

1.3 Phản ứng cộng vòng

1.3.1 Phản ứng Diels-Alder

Phản ứng cộng vòng phổ biến nhất là phản ứng Diels-Alder Đây là phản ứng cộng vòng [4+2], trong đó 4 và 2 là số lượng các electron π tham gia phản ứng Phản ứng này được chophép sử dụng nhiệt Ví dụ, phản ứng của butadien với anđehit maleic Xét về mặt lập thể, sảnphẩm hai vòng bicyclic được hình thành, có thể được chuyển thành các loại thuốc diệt nấmCaπptan, được sử dụng trong nông nghiệp

Rõ ràng, trạng thái chuyển tiếp có 6 electron π, và không có giai đoạn bất ổn Theonguyên tắc tính thơm, điều này thực sự là một quá trình được cho phép sử dụng nhiệt, thựcnghiệm đã cho thấy điều đó

Cách thứ hai sử dụng phương pháp obital biên Đối với phản ứng của butadien với etenngười ta có kèm theo cả tương tác HOMO (butadien) /n+1) LUMO (eten) hoặc tương tác HOMO(eten) /n+1) LUMO (butadien) Cả hai tương tác này đều thuận lợi, nói cách khác các obital biên cótính đối xứng tương thích Người ta nói rằng các phản ứng đối xứng được cho phép.

Cuối cùng, theo các quy tắc Woodward -Hoffmann , phản ứng Diels-Alder là một quátrình suprasupra π4 s + π 2 s và do đó được cho phép Supra-supra nghĩa là liên kết bị phá vỡ hayhình thành là cùng phía, điều này giải thích cho cis- stereospecificity

Trong nhiều trường hợp nó có thể hình thành hai đồng phân là kết quả của phản ứngDiels-Alder, cụ thể là đồng phân exo- và một đồng phân endo- Trong nhiều trường hợp, các

đồng phân thứ hai là chủ yếu, đặc biệt được hình thành, thậm chí đây là các đồng phân mà bịcản trở về mặt không gian.Tên endo và exo là chỉ các mối quan hệ về mặt không gian giữa cácnhóm dienophin các liên kết được hình thành trên dien Khi các nhóm này ở cùng một bên ,đây là sản phẩm cộng endo, nếu không cùng phía thì đây là sản phẩm cộng exo Ví dụ chúng ta

có thể xem xét phản ứng giữa cyclopentadiene và anhydride maleic, đặc biệt dẫn đến sản phẩmendo Mặt khác, phản ứng Diels-Alder của furan với anđehit maleic, sản phẩm chủ yếu là exo.Đây là một ví dụ điển hình được kiểm soát nhiệt động lực học

Sản phẩm đặc biệt Endo đối với phản ứng không thuận nghịch có thể được giải thíchbằng lý thuyết obital biên Ví dụ, trong sự hình thành sản phẩm endo từ phản ứngcyclopentadiene, chúng ta có thể xem xét bên cạnh sự tương tác thuận lợi dự kiến giữa cácobital biên, sự tương tác thứ hai xảy ra mà có liên kết đặc trưng Rõ ràng, tương tác thứ haikhông dẫn đến sự hình thành liên kết nhưng nó sẽ làm giảm năng lượng của trạng thái chuyểntiếp (và do đó kích hoạt năng lượng) Những phản ứng thứ hai là không thể chứa thông tin về

sự hình thành sản phẩm cộng exo

Một cách khác để tạo thành các đồng phân như là sản phẩm của phản ứng Diels-Alderxảy ra nếu cả hai hợp phần dien và dienophile là không đối xứng thay thế Trong trường hợpnày có khả năng của hai regioisomers khác nhau về vị trí tương đối của các nhóm thế của sảnphẩm thu được Trong thực tế, thường regioselectivity được quan sát: một trong nhữngregioisomers được ưu tiên thành lập Đây là kết quả của sự bổ sung electron của thuốc thử.Trường hợp phổ biến nhất là hợp phần dien giàu electron được kết hợp với một dienophile giàuelectron Bởi vì các thuốc thử là không đối xứng, một trong số cácnobital có hệ số lớn hơnnhững obital khác Kích thước của các hệ số quỹ đạo có thể tính nhưng thường là logic có thểđược rút ra từ những cộng hưởng hoặc phản ứng hóa học Ví dụ chúng ta nhìn vào phản ứnggiữa methyl acrylate ( methyl propenoate ) và 4-methyl- 1,3- pentadiene Methyl acrylate làdienophilevà do đó sẽ phản ứng thông qua một LUMO (π*) với năng lượng thấp Các quỹ đạovới hệ số lớn nhất nằm trên nguyên tử β - carbon Điều này tương ứng với phản ứng mạnh nhất(lực điện tử mạnh nhất) 4-methylpentadiene nhiều điện tử hơn butadien bởi liên quan đến việchai nhóm metyl HOMO (ψ2) có hệ số lớn đáng kể trong kết quả không thay thế của dien Mộtlần nữa , đây là phản ứng mạnh nhất (nhiều electron nhất).

Khi cả hai hợp phần phản ứng là không đối xứng thì phản ứng riêng của mỗi hợp phầnthì sẽ mất tính đối xứng Phản ứng này vẫn quan tâm nhưng thông tin trạng thái chuyển tiếp vềliên kết giữa hệ số lớn của obital là quá chênh lệch trong việc so sánh với liên kết σ Đây là lờigiải thích không được mong đợi về tính regioselectivity, hình thành các sản phẩm 1,2-disubstituted với trở ngại chủ yếu về mặt không gian Hai trạng thái còn lại có thể được ổnđịnh, trạng thái chuyển tiếp từng phần được bổ sung điện tích mà không mất đi tính lập thể củasản phẩm cuối cùng (nếu phù hợp) Đây cũng được gọi là quá trình asynchronous: sự hìnhthành liên kết không xảy ra tại cùng một thời điểm mặc dù phản ứng vẫn phối hợp

Một khả năng khác là phản ứng của 2-methoxybutadiene với acrylonitrile(propenenitrile) Trong trường hợp này là nhóm thế ở vị trí 1,4 trong cyclohexene Đây là hệquả của các hệ số quỹ đạo Người ta nói rằng phản ứng Diels-Alder định hướng "ortho" và

tỉ lệ là 93:7

1.3.2 Phản ứng cộng vòng [2+2]

Sau chiếu tia tử ngoại vào các anken, các dẫn xuất cyclobutane có thể hình thành Đây làmột phản ứng pericyclic mà bình thường không xảy ra khi anken được nung nóng (các ankenthường trùng hợp khi đun nóng) Do đó, phản ứng quang hóa được phép xảy ra

Áp dụng nguyên tắc thơm cho thấy rằng một tương tác theo kiểu S – S dẫn đến một hệphản thơm Huckel, do đó phản ứng nhiệt bị cấm Ngược lại, nếu tương tác theo kiểu S – A thì

ở đây hai anken tương tác với nhau theo hướng vuông góc trong trạng thái chuyển tiếp, tạo ramột hệ thơm Mobius với 4 electron  (giai đoạn trung gian) nhưng điều này thật khó để tạonên bởi sức căng của vòng và sự cản trở không gian của các nhóm thế trên anken trong trạngthái chuyển tiếp

Dựa vào phương pháp obital biên có thể thấy rằng các phản ứng quang hóa thực sự chophép Sau khi chiếu xạ và hấp thụ photon một electron được chuyển từ obital  lên obital *

 (làHOMO) Nếu chúng ta tổ hợp phân tử kích thích này với một phân tử ở trạng thái cơ bản, cácorbital biên có sự đối xứng với nhau Đối với hai phân tử ở trạng thái cơ bản, các orbital biênkhông có sự đối xứng và phản ứng này bị cấm

Các xeten hay cumulene nghèo electron khác (như là izoxianat RN = C = O) sẽ thực hiệnphản ứng cộng vòng [2 + 2] dưới tác dụng của nhiệt với các anken giàu electron một cáchthuận lợi Sự tương tác vuông góc của các obital biên (LUMO của xeten, HOMO của alkene)

của hai tác nhân phản ứng được làm ổn định bởi obital p của carbon trung tâm, là một phần của

liên kết C = O Hơn nữa, nguyên tử cacbon trung tâm của xeten là lai hóa sp và không nhómthế, giảm thiểu tương tác sự bố trí các nguyên tử trong không gian trong nhà nước chuyển vàsản phẩm Trong ví dụ phản ứng cộng vòng của dicloxeten với cyclopentadiene thì thực tế làsản phẩm của phản ứng cộng vòng [2 + 2] chiếm ưu thế hơn phản ứng cộng vòng [2 + 4] !