hÓa lẬp thỂ ĐỘng

HÓA LẬP THỂ ĐỘNGHÓA LẬP THỂ ĐỘNG

SINH HOẠT CHUYÊN MÔN CỤM 1

BỘ MÔN HÓA HỮU CƠ

Lê Quý Đôn, ngày 29/11/2012

CHUYÊN ĐỀ

Hóa lập thể động chuyên nghiên cứu về các quá trình chuyển hóa, những đặc tính không gian có liên quan đến tốc độ phản ứng. Trong quá trình nghiên cứu hóa lập thể động, các kết quả cho thấy một số phản ứng hữu cơ rất đặc thù lập thể, hoặc có chọn lọc lập thể. Đây là những phản ứng đóng vai trò rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ để tìm kiếm những sản phẩm hữu cơ có hoạt tính sinh học lý thú nhằm đáp ứng cho các lĩnh vực y học, dược phẩm,.... Mọi năm trong đề thi học sinh giỏi lớp 12 cấp tỉnh và quốc gia, phần Hóa hữu cơ luôn đề cập đến hóa lập thể, trong đó có hóa lập thể động.

Từ những lí do như đã nêu trên cho thấy việc nghiên cứu về vấn đề hóa lập thể động là rất cần thiết.

1. Hoá lập thể của phản ứng tách

2. Hoá lập thể của phản ứng cộng electrophin

3. Hoá lập thể của phản ứng thế nucleophin

Trong khuôn khổ chuyên đề nhằm phục vụ cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi, chúng tôi xin trình bày hóa lập thể của một số phản ứng thường gặp trong Hóa hữu cơ có tính chọn lọc và đặc thù về lập thể. Nội dung của chuyên đề bao gồm:

1.1. Phản ứng tách lưỡng phân tử (E2) Các phản ứng E2 đi theo hướng rất đặc thù về mặt lập thể, thể hiện ở các phản ứng:+ Hệ quang hoạt +Hợp chất vòng trong đó những nhóm thế riêng biệt khác nhau về phân bố không gian.

1. Hóa lập thể của phản ứng tách (E)

1.1.1. Đối với hệ quang hoạt

-Cơ sở lý thuyết:

Theo qui tắc của Ingold: 4 trung tâm phản ứng nằm trong một mặt phẳng và các nhóm thế được tách ra ở dạng trans hay anti đối với nhau.

- Sơ đồ tách trans hay anti:

H

X

-HX hay

H

X

-HX

D¹ng xen kÏ D¹ng xen kÏ


- Giải thích:

Quy tắc của Ingold được giải thích bởi 2 lý do:

+ Do hiệu ứng điện tử không gian: Nếu tách cis sẽ khó khăn hơn do xuất hiện sự đẩy nhau giữa các điện tử của X và tác nhân nucleophin. Trong khi đó, tách trans không có hiện tượng đó.

+ Khi các nhóm bị tách sắp xếp ở vị trí anti thì các obitan hình thành liên kết với chúng cũng đang có vị trí thuận lợi cho việc hình thành liên kết π của anken.


Ở trạng thái chuyển tiếp các obitan sp3 này gần như hoàn toàn chuyển thành obitan p, đồng thời cấu tạo tứ diện của cacbon chuyển về cấu tạo phẳng.

Sơ đồ:


sp3

sp2sp3

sp2

Tr¹ng th i chuyÓn tiÕp

Ví dụ 1:

Phản ứng tách bằng ancolat kiềm đối với 2-brom-1-đơtero-1,2-diphenyl etan:

C6H5

C6H5

D

Br

H

H

BrH

C6H5D

H

C6H5+RO-

Br

H

C6H5D

H

C6H5

R-O-

C

CH

H C6H5

C6H5

+ROD + Br-

I (erythro) Ia II III-trans-stinben (mÊt 91%D)


Quy tắc này cũng có thể áp dụng vào những hợp chất không no, ở đây do sự có mặt của nối đôi nên các nhóm thế nằm ở những vị trí nhất định.

C6H5

C6H5

Br

D

H

BrD

C6H5H

H

C6H5+RO-

Br

D

C6H5H

H

C6H5

R-O-

C

C

H C6H5

C6H5

+ROH + Br-HD

I (threo) Ia II III-trans-stinben (còn 87%D)


1.1.2. Đối với hệ vòng no: - Cơ sở lý thuyết: Quy tắc Barton- Hassel: “Phản ứng tách E2 ở vòng no xảy ra thuận lợi khi các nhóm thế được tách ra ở vị trí diaxial- trans”Ví dụ 1: Xét phản ứng tách đối với 2-clo-1-isopropyl-4-metyl xiclohexan (hay neomentyl clorua):

CH3

Cl

CH(CH3)2

H

Cl

HRO- RO-

C2H5O-+

75%(theo Zaixep) 25%

CH3


Ảnh hưởng của cấu dạng và cấu hình vào phản ứng tách, đặc biệt quan trọng ở các hợp chất vòng.


CH3

OTs

RO-

E2

CH3 CH3+

trans-2-metyl-xiclohexyl 3-metyl xiclohexen 1-metyl xiclohexen tosylat 100% 0%

Nh×n theo C1-C2 kh«ng x¶y ra

HOTs

CH3

HC3

C6

OTs

HC6

CH3

C3 H

T¸ch 1,2 (syn)

(không tách anti) (không tách anti)

Nh×n theo C1-C6 T¸ch anti

H

C5

HH

OTsOTs

C2HH

H C5

T¸ch 1,6

C2 CH3

(không tách anti)

H

H

H

CH3OTs

1

234

6

CH3

OTs

HH

1

2

345

65H

Ia (e,e) Ib (a,a)

1.2. Hoá lập thể của phản ứng tách đơn phân tử (E1)-Cơ sở lý thuyết:

Phản ứng E1 không có tính đặc thù về mặt lập thể như phản ứng E2 vì phản ứng E1 đi qua giai đoạn tạo cacbocation có cấu trúc phẳng. Do vậy, phản ứng E1 có thể tách cis hoặc trans, tuy nhiên đa phần tách trans vẫn ưu thế hơn.


C

R1R2

R3

+

cacbocation(cÊu tróc ph¼ng)

Ví dụ 1:CH3-CH2-CHBr-CH3CH3CH2-CH+-CH3CH3-CH=CH-CH3

cacbocation trans > cisSản phẩm tách trans chiếm ưu thế hơn là do phức cis

hình thành có sức căng phụ trong phức hoạt hoá bởi tương tác đẩy của các nhóm metyl, nghĩa là năng lượng phức hoạt hoá của cis cao hơn trans.

1. Hóa lập thể của phản ứng tách

H

CH3

CH3HH

H

CH3

HCH3

H

++

cis trans

phøc cisphøc trans

- H+- H+

Ví dụ 2:

Tách nước từ hợp chất 3-metylbutan-2-ol với xúc tác H+

CH3_ CH_ CH _CH3

CH3 OH

+H+CH3

_ CH_ CH _CH3

CH3 OH2+

- H2OCH3

_ CH_ CH _CH3

CH3

+

CH3_ CH_ CH _CH3

CH3

+CH3

_ C_ CH2 _CH3

CH3

+

CH3_ C = CH _CH3

CH3

CH3_ CH_ CH=CH2

CH3

CH2= C _ CH _CH3

CH3

s¶n phÈm chÝnh

chuyÓn vÞ hi®rua

s¶n phÈm chuyÓn vÞ

(bÒn h¬n)


2.1. Hoá lập thể của phản ứng cộng halogen - Cơ sở lý thuyết: Phản ứng cộng dung dịch Cl2 , Br2 , I2 vào các anken luôn luôn xảy ra theo cơ chế cộng trans.

- Giải thích:Cation trung gian tạo thành ở giai đoạn 1 là một

cation oni có cấu trúc vòng, trong đó sự quay tự do xung quanh liên kết cacbon-cacbon bị cản trở và do đó anion X- chỉ có thể cộng hợp trans.

2. Hóa lập thể của phản ứng cộng electrophin (AE)

C C

Br

+

Br-

cation bromoni

C CHH

HOOC COOH

Br-Br C CHH

HOOC COOH

Br

-Br-+

C CHH

HOOC COOH

Br

Br

+Br-

(cis)

+ C CHH

HOOC COOH

Br

Br

Axit maleic


COOH

COOH

BrH

HBr

threo (CT Fis¬) COOH

COOH

HBr

BrH

Axit (2R,3R)-2,3-dibrom sucxinic Axit (2S,3S)-2,3-dibrom sucxinic

C CCOOHH

HOOC H

Br-Br C CCOOHH

HOOC H

Br

-Br-+

C CCOOHH

HOOC H

Br

Br

+Br-

(trans)

+ C CCOOHH

HOOC H

Br

Br

Axit fumaric


COOH

COOH

BrH

BrH

erythro (CT Fis¬) COOH

COOH

HBr

HBr

Axit meso-2,3-dibrom sucxinic

- Nhận xét:

+ Nếu anken có cấu hình cis + halogen => sản phẩm có cấu hình threo, ta được 1 cặp đối quang.

+ Nếu anken có cấu hình trans + halogen => sản phẩm có cấu hình erythro, nếu R1 trùng với R2 thì ta chỉ thu được 1 đồng phân meso.


2.2. Hoá lập thể của phản ứng cộng hiđro halogenua

-Cơ sở lý thuyết:

Sản phẩm tạo ra theo hướng cộng trans là chủ yếu. Ngoài ra, còn có sản phẩm cộng cis.


C=C + H+ C CH

C C

H X

+ C C

H

X+ X-

Ví dụ 1:

Cho Z- và E-2-metyl but-2-enoic cộng với axit HI


+ HIC CCOOHH

C CCOOHH

H

I

H

(E)

H3C CH3

H3C H3C

H3C

CH3

CH3

CH3COOH

I

H

H3CH

H

COOHI

H3C

H

HCOOH

I D¹ng erythro

Sản phẩm sinh ra trong hai phản ứng trên trái với quy tắc cộng Maccopnhicop, do ảnh hưởng –C, -I của nhóm cacboxyl (–COOH).

+ HIC CCOOH

H

C CCOOH

HH

I

H

(Z)H3C

CH3

H3C

H3C

CH3

CH3

CH3COOH

I

H

HH

COOHI

H

H

COOH

I D¹ng threo

CH3

CH3 CH3


3.1. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin lưỡng phân tử (SN2)

- Cơ sở lý thuyết:Phản ứng SN2 làm quay cấu hình của phân tử.

- Giải thích:Phản ứng thế theo cơ chế SN2 đi qua trạng

thái chuyển tiếp. Mô hình có lợi nhất cho trạng thái chuyển tiếp là nhóm thế (tác nhân Y-) và nhóm bị thế (X-) sắp xếp trên một đường thẳng ở hai phía của trung tâm bất đối.

3. Hóa lập thể của phản ứng thế nucleophin vào nguyên tử cacbon no (SN)

CY XC XY- + CY + X-chËm

Sơ đồ:


C X Y-

C XY

CX

Y

TTCT(bÒn h¬n)

TTCT(kÐm bÒn)

CY

C Y

quay cÊu h×nh

gi÷ nguyªn cÊu h×nh

- X-

- X-

C BrHO- +

H3C

H

CH3CH2

CHO Br

CH3

CH2CH3

HCHO

CH3

H

CH2CH3

chËm

R-2-brombutan TTCT S-butan-2-ol(quay cÊu h×nh)

- Br-

Ví dụ 1: Cho R-2-brombutan tác dụng với dung dịch NaOH

Ví dụ 2: Xét phản ứng của (S)-3-clo-2,2-đimetylpentan với dd KOH


+

CHO ClH

chËm

TTCT

CCl

H

OH- CHO

H

(S)-3-clo-2,2-dimetylpentan (R)-2,2-dimetyl-pentan-3-ol

(H3C)3C

CH2CH3 CH2CH3 CH2CH3

(H3C)3C C(CH3)3

- Cl-

3.2. Hoá lập thể của phản ứng thế đơn phân tử (SN1):- Cơ sở lý thuyết:

Phản ứng SN1 xảy ra với kết quả có thể tạo hỗn hợp raxemic (cặp đối quang có nồng độ bằng nhau) hoặc kèm theo quay cấu hình một phần tuỳ thuộc vào thời gian tồn tại của cacbocation.- Giải thích:

Vì cacbocation tạo ra ở giai đoạn 1 có cấu trúc phẳng, do đó ở giai đoạn 2 của phản ứng, tác nhân nucleophin có thể tấn công từ 2 phía của mặt phẳng với xác suất như nhau vì vậy kết quả thường tạo hỗn hợp raxemic.


Thực tế, sự raxemic hoá xảy ra không hoàn toàn vì tỉ lệ sản phẩm quay cấu hình và giữ nguyên cấu hình thường lớn hơn 1, vì khi cacbocation kém bền, X- chưa kịp ra xa nên che chắn đường tấn công của Y- đi vào cacbocation, buộc Y- tấn công vào phía đối diện không có X- (hướng làm quay cấu hình).


CY-C X -X-

CY

chËm + Y-

C Y

quay cÊu h×nh

gi÷ nguyªn cÊu h×nh

(50%)

(50%)

Ví dụ 1: Khi thuỷ phân R-2-brom octan bằng ancol - nước thu được ancol tương ứng trong đó 66% cấu dạng S và 34% biến thể raxemic:


C

C Br

-Br-

CHO

+

(83%)

(17%)

H3CH

n-C6H13

ROH-H2O

CH3

n-C6H13H

+ H2O

CH3H

n-C6H13

C OH

H3CH

n-C6H13

(R)-2-brom octan

(R)-octan-2-ol

(S)-octan-2-ol

cacbocation (I)

C+

CH3

n-C6H13H

Br-

cÆp ion

+ H2O

- H+

- H+

Ví dụ 2: Thuỷ phân trong điều kiện tương tự với R-1-clo-1-phenyl etan thì kết quả thu được 95% biến thể raxemic và 5% cấu dạng S:


-Cl-

ROH-H2O

+ H2O

Cl-

cÆp ion

+ H2OC

C Cl

CHO

+

(52,5%)

(47,5%)

H3CH

CH3

H

CH3H

C OH

H3CH

(R)-2-clo-2-phenyletan

(R)-1-phenyl etanol

(S)-1-phenyl etanol

C6H5

C6H5C6H5

C6H5

C+

CH3

H C6H5

cacbocation (II)

- H+

- H+


C+

CH3

n-C6H13H

cacbocation (I)

C+

CH3

H

cacbocation (II)

kÐm bÒn bÒn h¬n

saûn phaåm raxemic hoùa: 34% saûn phaåm raxemic hoùa: 95%

Độ bền của cacbocation càng tăng lên thì tỉ lệ sản phẩm raxemic hoá cũng tăng theo.

3.3. Hoá lập thể của phản ứng thế nucleophin có hiệu ứng của nhóm kề-Cơ sở lý thuyết:

Hoá lập thể của phản ứng thế nucleophin có hiệu ứng của nhóm kề là cấu hình được bảo toàn.

Nhóm ở kề nguyên tử xảy ra phản ứng thế nucleophin phải có chứa nguyên tử có cặp electron n như halogen, oxi, lưu huỳnh…nhờ cặp electron n này nên trong quá trình phản ứng đều có tạo sản phẩm vòng trung gian.


Ví dụ : Xét phản ứng thế của 3-brom butan-2-ol với

HBr, thực nghiệm cho biết: nếu ancol bắt đầu từ dạng raxemic threo thì sản phẩm thu được là dạng raxemic tương ứng, nếu ancol đi từ dạng raxemic erythro thì sản phẩm thu được là dạng meso.

- Giải thích:Nhờ nguyên tử Br ở kề có cặp electron n nên

tạo được sản phẩm vòng trung gian. Trong sản phẩm vòng trung gian, điện tích dương phân bố đều nhau giữa hai nguyên tử cacbon.


CH3 _ CH_ CH _ CH3

OHBrCH3

_ CH _ CH _ CH3

OH2Br

+ H+

+

Cơ chế:

C C

Br

CH3

H

OH2+

C C

Br

CH3

H+

HCH3

CH3

H+ Br-

threo (quang ho¹t) ion mesobromoni CC

Br

CH3

H

H

C C

Br

CH3

H

HCH3

Br

Br

H3C

d¹ng threo

- H2O


C C

Br

CH3

H

OH2+

C C

Br

CH3

H+H

CH3

CH3H

+ Br-

erythro (quang ho¹t) bromoni quang ho¹t CC

Br

CH3

H

H

C C

Br

CH3

HH

CH3

Br

Br

H3C

d¹ng erythro (meso)

- H2O


Chuyên đề này đã giải quyết được một số vấn đề về hoá lập thể động như sau:

1.Phản ứng tách (E):

+ Phản ứng E2: tách trans (anti) với 4 trung tâm tách cùng nằm trong 1 mặt phẳng, còn đối với hợp chất vòng no thì các nhóm tách phải ở vị trí diaxial-trans.

+ Phản ứng E1: không có tính đặc thù lập thể bằng E2, tuy nhiên vẫn chủ yếu là tách trans (anti).

2. Phản ứng cộng electrophin (AE):

Phản ứng cộng X2 (X là hologen) có tính đặc thù lập thể hơn cộng HX, chủ yếu cộng trans. Ngoài ra phản ứng cộng HX cũng có thể cộng cis (rất ít).

3. Phản ứng thế nucleophin (SN):

+ Phản ứng SN2: sản phẩm có sự quay cấu hình.

+ Phản ứng SN1: sản phẩm tạo thành biến thể raxemic kèm với quay cấu hình 1 phần.

+ Phản ứng có hiệu ứng của nhóm kề: bảo toàn cấu hình.

BIÊN SOẠN ĐINH GIA THIỆN

hÓa lẬp thỂ ĐỘng

Documents