bồi dưỡng học sinh giỏi hóa học thpt chuyên đề các cơ chế chuyển vị trí trong hóa hữu cơ

Nghiên cứu, tổng hợp lý thuyết theo sơ đồ: Chuyển vị trong hóa hữu cơChuyển vị 1,2 nucleophinChuyển vị 1,2 electrophin và chuyển vị 1,2 đồng ly Chuyển vị nhóm thế vào nhân thơm Cơ chế củ

Các cơ chế chuyển vị trí trong hóa hữu cơ

A MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Phản ứng hữu cơ thường được nghiên cứu trên cơ sở trung tâm của phản ứng

là các nhóm chức và chỉ có sự biến đổi về cấu tạo (cấu trúc) ở đó Tuy nhiên, có nhiều phản ứng trong đó không những có sự biến đổi ở vị trí nhóm chức mà còn có

sự tham gia của cả gốc hiđrocacbon Hiện tượng này được gọi là sự chuyển vị Để xác định chính xác sản phẩm của phản ứng chúng ta phải tìm hiểu rõ cơ chế chuyển vị

Phản ứng chuyển vị là hiện tượng tương đối phức tạp Đề thi học sinh giỏi các cấp có nhiều bài toán liên quan đến sự chuyển vị Trên thực tế, tư liệu về mảng kiến

thức khó này chưa nhiều Đó là lý do chúng tôi chọn đề tài “Các cơ chế chuyển vị trí trong hóa hữu cơ”để nghiên cứu

II Mục đích của đề tài

Tổng hợp lý thuyết về cơ chế của phản ứng chuyển vị trong hóa hữu cơ, xây dựng hệ thống bài tập để giúp học sinh có thể vận dụng, đào sâu và mở rộng mảng kiến thức này

Đề tài là tài liệu để các giáo viên có thể tham khảo trong quá trình dạy học sinh chuyên Hóa và bồi dưỡng học sinh giỏi

III Phương pháp tiến hành

Tập hợp các tài liệu tham khảo về hiện tượng chuyển vị và cơ chế

Nghiên cứu, tổng hợp lý thuyết theo sơ đồ:

Chuyển vị trong hóa hữu cơChuyển vị 1,2 nucleophinChuyển vị 1,2 electrophin và chuyển vị 1,2 đồng ly

Chuyển vị nhóm thế vào nhân thơm

Cơ chế của sự chuyển vị tríXác định sản phẩm của phản ứng chuyển vị

Cuối cùng, chọn lọc các bài tập phù hợp với mục tiêu đã đề ra.

B NỘI DUNG

Phản ứng chuyển vị là sự dời chuyển nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí này sang vị trí khác của mạch cacbon gây ra sự thay đổi mạch cacbon hay bảo toàn mạch cacbon

Phản ứng chuyển vị rất đa dạng phong phú, thường xảy ra trong các quá trình thế, tách hay cộng qua những chất trung gian như cacbocation hay cacbanion Có thể phân biệt 3 loại chuyển vị chủ yếu sau đây:

Chuyển vị 1,2 là chuyển vị từ vị trí 1 đến vị trí 2 trong phân tử hợp chất thuộc dãy no

Chuyển vị 1,3 là chuyển vị từ vị trí 1 đến vị trí 3 trong phân tử hợp chất thuộc dãy không no

Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm trong dãy thơm

Trong đó Y là nhóm chuyển vị, A là vị trí chuyển vị và B là vị trí chuyển đến

Hợp chất hữu cơ tham gia chuyển vị có thể là ion hay phân tử Thường vị trí chuyển vị (A) là nguyên tử C, còn vị trí chuyển đến (B) có thể là C, O, N

I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử C

I.1.1 Chuyển vị Wagner-Meerwein

Trong quá trình thế và tách nucleophin đơn phân tử cũng như quá trình cộng electronphin vào liên kết bội đều sinh ra cacbocation Những cacbocation đó có thể tham gia chuyển vị làm cho 1 nguyên tử H hay nhóm akyl hay aryl ở vị trí α đối với

R'H

C R R C

R'R

R

R'R

chuyen vi

C Cl

I.1.2 Chuyển vị pinacol - pincolon

Phản ứng xảy ra đối với hợp chất 1,2 – diol trong môi trường acid Hợp chất 1,2 – diol bị tách nước và chuyển vị, tạo thành hợp chất carbonyl

Cơ chế phản ứng như sau:

Vì nhóm bị chuyển vị mang theo cả cặp electron liên kết như một tác nhân nucleophin cho nên khi có 2 nhóm thế, nhóm dể bị chuyển dịch hơn là nhóm có tính đẩy electron mạnh hơn

(p-CH3OC6H4)2C-COH(C6H5)2(p-CH3OC6H4)2COH-C(C6H5)2

I.1.4 Chuyển vị benzilic

Là phản ứng chuyển hoá α-đixeton trong môi trường bazơ thành α-hiđroxiaxit

C C O

Ar O

Ar

Ngoài những xeton thơm, một số đixeton béo và xetoaxit cũng tham gia chuyển vị benzilic.

I.2 Sự chuyển vị đến nguyên tử nitơ

I.2.1 Chuyển vị Hoffmann

Một amit không có nhóm thế chịu tác dụng của hipobromit kiềm chuyển thành izoxyanat là chất có khả năng phản ứng cao, bị thủy phân ngay thành amin bậc I kém amit 1 nguyên tử cacbon

R C NH2

O

R C NH O

Br

BrO

-R C N O

O

R NH C

OR' O

R C NH OH O

R C N O

O N

OH

Là một biến dạng của chuyển vị Hofmann và Curtiut Đó là phản ứng giữa axit cacboxylic với axit hiđrazoic khi có mặt H2SO4 tạo ra azyđua axyl, sau đó azyđua axyl tham gia chuyển vị Cơ chế như sau:

R C OH

O

H+

R C O

HN3

R C N O

N N -N2 R C

O N

N R C

R C N R'

H2O -H+

R C N R' OH

R C NH R' O

R C N R'

H N N N -H+

R C N R' N

N N

R''OH -H+

R C N R' OR'' chuyen vi

Sản phẩm cộng azit với axit cacboxylic cũng qua phản ứng chuyển vị trên cho amin kém một cacbon so với axit

OH N

RNH3

I.2.5 Chuyển vị Beckmann

Chuyển vị Bekman là quá trinh chuyển hóa xetoxim hoặc các dẫn xuất O – axyl của chúng tạo thành amit thế:

Ta có thể mô tả cơ chế của sự chuyển vị Beckmann bằng sơ đồ sau:

OH2

R

-H2O C

N R'

R

H2O C

N R'

R

H2O

N R'

R HO

C NH R'

R

O -HCl

C N

OX

-OX

-X: R''CO, R''SO2 XCl

I.3 Sự chuyển vị đến nguyên tử oxi

I.3.1 Chuyển vị Bayer – Village

Trong phản ứng Bayer – Village xeton chịu tác dụng của peaxit chuyển thành este Sơ đồ tổng quát:

R C R

OH

O R' C OH

O -

R C OR OH -

R C OR O

I.3.2 Chuyển vị hiđropeoxit

Khi phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ peoxit khác nhau trong môi trường axit người ta thấy có hiện tượng chuyển vị tương tự chuyển vị Bayer – Villiger

R C O R

R

R

O ROH

II Sự chuyển vị 1, 2 electrophin và đồng ly

II.1 Sự chuyển vị 1,2 electrophin

Phản ứng chuyển vị electrophin là những quá trình xảy ra với nhóm chuyển vị thiếu electron hay mang điện tích dương tới trung tâm có mật độ electron lớn hay mang điện tích âm Phản ứng thường có tác dụng của bazơ và theo cơ chế electrophin

do tấn công của trung tâm electrophin vào trung tâm nucleophin Nhóm chuyển dịch

đó sẽ tạo liên kết mới bằng cách phối trí với cặp electron chưa sử dụng ở trung tâm chuyển đến (B) trong khi đó cặp electron ở lại trung tâm chuyển đi (A) sẽ kết hợp với proton, phản ứng thường có tác dụng của bazơ

Dưới đây là một số phản ứng chuyển vị electrophin quan trọng:

II.1.1 Chuyển vị Stevens

Sự chuyển vị nhóm ankyl hoặc aryl từ nguyên tử nitơ (hoặc lưu huỳnh) của nhóm amoni (hoặc sunfoni) sang nguyên tử C bên cạnh gọi là sự chuyển vị Stevens

HO-H2O C6H5C CH N(CH3)2

-CH2C6H5O

C6H5C CH N(CH3)2

O CH2C6H5

II.1.2 Chuyển vị Wittig

Sự chuyển vị ở một ete làm đứt liên kết C – O được gọi là chuyển vị Wittig

Để thực hiện quá trình này ta phải dùng những bazơ mạnh như phenyl liti, amiđua natri,

II 1.3 Chuyển vị Sommelet

Tác dụng của bazo mạnh như natri amidua hoặc phenyl litium trên các hợp chất benzyltriankyl ammonium đưa đến sự di chuyển nhóm triankyl ammonium vào nhân benzene tại vị trí ortho Phản ứng gọi là chuyển vị Sommelet với cơ chế như sau:

II 1.4 Chuyển vị Favorski

Xử lí α-halogen xeton với bazo mạnh tạo thành các sản phẩm chuyển vị Sự chuyển vị này gọi là phản ứng Favorski α-cloxiclohexanon sẽ chuyển vị thành metylxiclopentancacboxilat khi có mặt CH3ONa trong ete

II.1.5 Chuyển vị Neber

α-amino xeton có thể được tạo thành bằng tác dụng của một bazo như ion etoxit hay piriđin trên tosilat xetoxim có hiđro α Phản ứng này gọi là sự chuyển vị Neber.

II.2.1 Chuyển vị aryl 1,2

Loại chuyển vị gốc tự do tương đối phổ biến hơn cả là chuyển vị nhóm aryl từ

Ngoài các sản phẩm trên trong một số trường hợp còn thu được cả sản phẩm đime hóa gốc (A).

II.2.2 Chuyển vị halogen 1,2

Khi clo hóa bromua izopropyl bằng t – C4H9OCl ta được hỗn hợp sản phẩm gồm CH3CHClCH2Br và (CH3)2CClBr:

CH3 CH Br

CH3

CH3 C Br

Br

CH2-HCl Cl (t - C4H9Cl)

(beàn hôn) (keùm beàn hôn)

CH3 C CH3Br

Cl (t - C4H9Cl)

15%

III Sự chuyển vị từ nhóm thế vào vòng thơm

Phần lớn những phản ứng chuyển vị vào vòng thơm là những phản ứng chuyển dịch một nhóm X từ dị nguyên tử Z vào vị trí ortho hoặc para vủa vòng

Ở đây Z = O khi X = ankyl, aryl, …

Z = N khi X = ankyl, halogen, hiđroxy, nitro, nitrozo, azo, sunfo,…

Hầu hết các phản ứng chuyển vị trên được xúc tác bằng axit và sự tấn công của nhóm X vào vòng thơm có tính cách một phản ứng thế electrophin Ta gọi đó là phản ứng chuyển vị electrophin vào vòng thơm

Những phản ứng chuyển vị nucleophin vào vòng thơm (ví dụ chuyển vị nhóm

OH ở phenylhiđroxylamin) tương đối ít gặp

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

III.1.1 Chuyển vị Fries

Khi có tác dụng của axit Lewis (AlCl3, ZnCl2, FeCl3….) nhóm axyl trong este của phenol chuyển dịch vào vị trí ortho, para của vòng:

O C O

R

OH C O R

+

C

OH

R O 1.AlCl3

2.H3O+

R là ankyl hoặc alyl

Người ta cho rằng quá trình chuyển vị Fries tương tự quá trình axyl hóa theo Friden – Crap Dưới tác dụng của chất xúc tác, este tạo ra cation axyli RCO

+

, cation này sẽ tấn công vào các vị trí ortho, para của vòng thơm:

- HCl

H3O+ C R

O OH

Phản ứng Fries luôn tạo ra hỗn hợp hai sản phẩm đồng phân Nhiệt độ thấp thuận lợi cho sự tạo thành đồng phân para

III.1.2 Chuyển vị Claizen

Khi đun nóng các alylaryl ete sẽ chuyển thành o-alylphenol theo một phản

ứng gọi là chuyển vị Claizen

III.2 Sự chuyển vị nguyên tử nitơ vào vòng thơm

III.2.1 Chuyển vị nhóm ankyl

Khi đun nóng các muối halogenhiđrat của arylankylamin, nhóm ankyl sẽ

chuyển dịch đến vị trí ortho hoặc para của nhân thơm.

Có lẽ phản ứng bắt đầu bằng một quá trình thế nucleophin dể tách dẫn xuất halogen RHal ra khỏi muối halogenhydrat, sau đó RHal sẽ tác dụng với nhân thơm theo cơ chế thế electrophin.

III.2.2 Chuyển vị nguyên tử halogen

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

Khi đun nóng N-cloaxetanilit trong axit axetic hoặc nước có mặt hidro clorua

Cl C6H4 NH COCH3 + HCl

C6H5NH - COCH3 Cl2

III.2.3 Chuyển vị nhóm arylazo

Phản ứng tiêu biểu của chuyển vị nhóm arylazo là phản ứng chuyển hoá điazoaminobenzen thành p-aminoazobenzen

Khi có mặt của axit clohiđric, nhóm nitrozo của nitrozamin thơm chuyển dịch vào nhân thơm

O N C6 H4 NH CH3 + H+

C6H5N CH3

H + NO+

III.2.5 Chuyển vị benziđin

Khi cho axit mạnh tác dụng lên hyđrazobenzen sẽ xảy ra sự chuyển vị làm đứt liên kết N-N và hình thành liên kết C – C tạo ra benziđin

Phản ứng xảy ra theo cơ chế đề nghị như sau:

III 2.7 Chuyển vị Orton (Chuyển vị cloramin)

Với sự hiện diện của axit clohiđric hoặc axit bromhiđric, N-cloaxetanilid biến

đổi thành một hỗn hợp o- và p-cloaxetanilid.

Cơ chế của phản ứng như sau:

BÀI TẬP VẬN DỤNG

Bài tập đơn giản giúp học sinh hiểu rõ thế nào là phản ứng chuyển vị

Bài 1 Hãy xác định các phản ứng sau thuộc loại nào: cộng, tách, thế hay chuyển vị? a)

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

(CH3)3C-CH=CH2 + HBr  →

(CH3)2CH-CBr(CH3)2 (2) Phản ứng (1) hình thành theo phản ứng cộng hợp theo qui tắc Markovnikol, còn sản phẩm (2) hình thành do chuyển vị loại chuyển vị Wagner-Meerwein, chuyển

vị từ cacbocation bậc thấp thành bậc cao bền hơn

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

Giải

Giải

Cơ chế

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

b)

Bài 6 Trình bày cơ chế tạo thành sản phẩm của phản ứng

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

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

N Br

d) Oxim của axetophenon

CH3 -H+ -H+

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 axit sunfuric 20%

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

CH3

OHOH

CH3

H+-H2O

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 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)

xeto-Xử lý B với 1,1,1-trimetoxyetan với sự có mặt của một vết (lượng rất nhỏ) axit khan nước tạo một chất trung gian có thể chuyển vị kiểu Claisen khi nung nóng để tạo chất C Phân tích phổ của C cho thấy sự hiện diện của một nhóm este trimetylsilyletyl và một nhóm este metyl

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 I Sản phẩm chính H có hóa học lập thể E.

b) Nêu cấu tạo của các hợp chất D – I, cẩn thận để chỉ rõ hóa học lập thể chính xác của các đồng phân H và I

Phản ứng Wittig sau cùng với ylid chuyển hóa từ metyl triphenylphotphoni iodua tạo thành J Chất này sau khi cắt este trimetylsilyletyl với tetra-n-butyl amoniflorua tạo thành hợp chất mong muốn K

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

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.

C KẾT LUẬN

Nghiên cứu đề tài này, chúng tôi thu được một số kết quả:

• Tổng hợp lý thuyết về cơ chế sự chuyển vị trí trong hóa hữu cơ

• Chọn lọc được 12 bài tập Các bài tập chúng tôi phân dạng theo từng loại chuyển vị và bài tập tổng hợp từ dễ đến khó, từ đơn giản đến phức tạp để giúp học sinh dễ tiếp thu, khắc sâu Các thầy cô có thể tham khảo trong quá trình giảng dạy và bồi dưỡng học sinh giỏi

Chúng tôi rất mong các thầy cô đồng nghiệp góp ý kiến về đề tài này và cùng

nhau phát triển sang các chuyên đề khác về mảng Cơ chế của phản ứng hữu cơ để

học sinh chuyên hóa có nhiều tài liệu học tập một cách hệ thống, bổ ích