27
Phản ứng thế SN2 Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét những gì xảy ra một cách chi tiết. Phản ứng này chỉ xảy ra trong một bước. Để cho phản ứng xảy ra thì tác nhân nucleophin phải tiến đến đủ gần chất phản ứng để có sự hình thành liên kết, nhưng bên cạnh đó thì liên kết cacbon - halogen cũng sẽ bị bẻ gãy. Cả hai qúa trình này đều cần có sự cung cấp năng lượng. Cơ chế của phản ứng và giản đồ năng lượng được mô tả như sau. Phản ứng tiếp diễn, năng lượng tiếp tục tăng lên cho đến khi hình thành liên kết giữa cacbon và tác nhân nucleophin. Năng lượng giải phóng ra đủ để bù lại mức năng lượng cần thiết để bẻ gãy liên kết cacbon - halogen. Ở thời điểm hình thành trạng thái chuyển tiếp thì năng lượng đạt cực đại, đó là thời điểm mà 1/2 liên kết cacbon - halogen bị bẻ gãy và 1/2 liên kết cacbon - nucleophin được hình thành. Lúc này sẽ có hai con đường làm giảm năng lượng của hệ là trở lại chất phản ứng hoặc hình thành sản phẩm. Bức tranh về trạng thái chuyển tiếp chính là chìa khóa để hiểu rõ tính chất của phản ứng này. Mức năng lượng cần thiết để đưa chất phản ứng và tác nhân nucleophin đến trạng thái chuyển tiếp (transition state) được gọi là năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Phản ứng xảy ra càng nhanh khi năng lượng hoạt hóa càng nhỏ. Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc của trạng thái chuyển tiếp:

co che phan ung

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: co che phan ung

Phản ứng thế SN2

Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét những gì xảy ra một cách chi tiết. Phản ứng này chỉ xảy ra trong một bước. Để cho phản ứng xảy ra thì tác nhân nucleophin phải tiến đến đủ gần chất phản ứng để có sự hình thành liên kết, nhưng bên cạnh đó thì liên kết cacbon - halogen cũng sẽ bị bẻ gãy. Cả hai qúa trình này đều cần có sự cung cấp năng lượng. Cơ chế của phản ứng và giản đồ năng lượng được mô tả như sau.

Phản ứng tiếp diễn, năng lượng tiếp tục tăng lên cho đến khi hình thành liên kết giữa cacbon và tác nhân nucleophin. Năng lượng giải phóng ra đủ để bù lại mức năng lượng cần thiết để bẻ gãy liên kết cacbon - halogen. Ở thời điểm hình thành trạng thái chuyển tiếp thì năng lượng đạt cực đại, đó là thời điểm mà 1/2 liên kết cacbon - halogen bị bẻ gãy và 1/2 liên kết cacbon - nucleophin được hình thành. Lúc này sẽ có hai con đường làm giảm năng lượng của hệ là trở lại chất phản ứng hoặc hình thành sản phẩm. Bức tranh về trạng thái chuyển tiếp chính là chìa khóa để hiểu rõ tính chất của phản ứng này.Mức năng lượng cần thiết để đưa chất phản ứng và tác nhân nucleophin đến trạng thái chuyển tiếp (transition state) được gọi là năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Phản ứng xảy ra càng nhanh khi năng lượng hoạt hóa càng nhỏ.Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu trúc của trạng thái chuyển tiếp:

Khi hai nhóm thế chính gắn vào cacbon bị ảnh hưởng bởi nguyên tử hydro thì lực tương tác giữa nguyên tử hydro và nhóm thế nhỏ và không cần phải tốn nhiều năng lượng để thắng lực này---> năng lượng hoạt hóa thấp. Khi thay H bằng một nhóm -CH3 chẳng hạn thì năng lượng hoạt hóa sẽ tăng lên, phản ứng xảy ra chậm hơn. Chính vì vậy thứ tự tham gia phản ứng SN2 như sau: metyl > dẫn xuất bậc 1 > dẫn xuất bậc 2 > dẫn xuất bậc 3.

Page 2: co che phan ung

Nghiên cứu về trạng thái chuyển tiếp của phản ứng SN2 sẽ cho ta thấy một tính chất khác của phản ứng này. Hãy lưu ý rằng là tác nhân nucleophin tấn công từ phía sau so với hướng mà nhóm halogen đi ra. Điều này có thể hiểu được khi cả hai nhóm đều giàu electron nên chúng phải tấn công như vậy để tránh sự tương tác.Kết qủa của qúa trình này là sự đổi quay. Nếu chúng ta vẽ công thức 3D thì sẽ dễ dàng thấy được tính chất này. Ví dụ:

Nếu như chất phản ứng có cấu hình R thì sản phẩm sẽ có cấu hình S và ngược lại. Tức là nếu như chúng ta hiểu được cấu hình của chất đầu thì chúng ta sẽ dễ dàng suy ra được cấu hình của sản phẩm và ngược lại nếu trong một phản ứng thế mà có sự đổi quay thì đó là phản ứng SN2.Nguyên tử cacbon ở chất phản ứng có trạng thái lai hóa sp3 và điều này cũng được giữ nguyên ở sản phẩm. Ở trạng thái chuyển tiếp thì ba nhóm thế đính với C không tham gia phản ứng hầu như là phẳng, điều này là do nguyên tử cacbon lúc này ở trạng thái lai hóa sp2. Chính vì vậy ta có thể kết luận rằng phản ứng thế SN2 chỉ có thể xảy ra ở nguyên tử cacbon lai hóa sp3 mà thôi.Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của chất ban đầu và sản phẩm theo biểu thức: v = k[Nu][dẫn xuất Halogen]Ở trạng thái chuyển tiếp thì liên kết cacbon - halogen bị đứt ra cho nên nếu liên kết này càng dễ đứt thì phản ứng càng dễ. Vậy thứ tự tham gia phản ứng SN2 giảm theo thứ tự: RI > RBr > RCl > RFLiên kết C - F thì rất bền nên khó bị bẻ gãy, còn dẫn xuất iot thì rất hoạt động nên khó có thể bảo quản nó. Chính vì vậy sự lựa chọn tốt nhất là dẫn xuất brom hay clo.

Phản ứng thế SN1

SN1 là cơ chế phản ứng thế đơn phân tử, có tốc độ phản ứng được biểu diễn bởi biểu thức v = k[R-X]Đây là một cơ chế nhiều giai đoạn với những tính chất chính như sau.Bước 1: Giai đoạn chậm, sẽ xảy ra sự phân cắt dị li để tạo thành cacbocation. Bước này quyết định tốc độ phản ứng.Bước 2: Tác nhân nucleophin tấn công nhanh vào cacbocation để hình thành nên liên kết sigma mới.

Page 3: co che phan ung

Giản đồ trạng thái chuyển tiếp của phản ứng có dạng:

Như ta đã biết, cacbocation hình thành có cấu trúc phẳng nên tác nhân nucleophin có thể tấn công từ phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng cacbocation với xác suất như nhau nên nếu chất đầu là một chất quang hoạt thì sản phẩm hình thành sẽ là biến thể raxemic

Chính vì trong tiến trình phản ứng có sự tạo thành cacbocation nên sẽ xảy ra khả năng chuyển vị thành cacbocation bền hơn.

Phản ứng E2

E2: Phản ứng tách lưỡng phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[R-LG] (LG: leaving group: nhóm đi ra)Cơ chế của phản ứng được biểu diễn như sau:

Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản ứng

1) Ảnh hưởng của nhóm RTrong phản ứng E2 thì có sự chuyển đổi về dạng lai hóa của nguyên tử C, từ Csp3 về Csp2. Chính vì vậy phản ứng tách E2 xảy ra dễ dàng nếu như cacbon bị tách có

Page 4: co che phan ung

bậc càng cao. Điều này thì giống với E1.2) Ảnh hưởng của nhóm đi raLiên kết C - LG bị bẻ gãy trong tiến trình phản ứng, chính vì vậy nhóm đi ra càng tốt thì tốc độ phản ứng càng tăng. Tuy nhiên nếu nhóm thế qúa dễ dàng đi ra thì phản ứng sẽ xảy ra theo cơ chế E1.3) Ảnh hưởng của bazơDo trong biểu thức tốc độ phản ứng có sự xuất hiện nồng độ bazơ nên độ mạnh của bazơ là rất quan trọng trong phản ứng E2. Rất nhiều các bazơ mạnh tham gia phản ứng E2.4) Hóa lập thểPhản ứng E2 xảy ra dễ dàng khi nguyên tử H và nhóm đi ra là ở vị trí đối anti trong cấu dạng Newman. Điều này sẽ làm cho liên kết đơn bị đứt ra hết sức dễ dàng để hình thành nên liên kết pi

Phản ứng E2 xảy ra khi- Nồng độ bazơ mạnh lớn- Nhóm đi ra khó- Sự cắt đứt liên kết R - LG không dẫn đến sự hình thành cacbocation bền (E1)Phản ứng E1

E2: Phản ứng tách đơn phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[R-LG] (LG: leaving group: nhóm đi ra)Cơ chế của phản ứng được biểu diễn như sau:

Sau đây ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các yếu tố đến phản ứng và hóa lập thể của phản ứng

1) Ảnh hưởng của nhóm RTrong phản ứng E1 thì tốc độ phản ứng được quyết định ở giai đoạn 1, đó chính là giai đoạn loại bỏ nhóm đi ra để hình thành cacbocation. Chính vì vậy cacbocation càng bền thì tốc độ phản ứng càng lớn.Do có sự hình thành cacbocation ở trạng thái chuyển tiếp cho nên trong phản ứng luôn kèm theo sự chuyển vị (ví dụ: chuyển vị 1,2 - hydrua hay 1,2 - ankyl) để hình thành nên cacbocation bền vững hơn2) Ảnh hưởng của nhóm đi raTrong phản ứng E1 thì việc tách nhóm đi ra là ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, cho nên

Page 5: co che phan ung

nhóm đi ra càng tốt thì phản ứng xảy ra theo cơ chế E1 càng dễ dàng.3) Ảnh hưởng của bazơBazơ không đóng một vai trò quan trọng trong phản ứng E1 do nó không hề tham gia vào biểu thức tốc độ phản ứng. Tuy nhiên nếu bazơ càng mạnh thì phản ứng xảy ra theo E2 càng dễ.4) Hóa lập thểPhản ứng E1 xảy ra theo hướng ưu tiên tạo thành anken bền hơn, đó chính là anken nhiều lần thế hơn và đồng phân trans được ưu tiên tạo thành hơn đồng phân cis.

Phản ứng E1 xảy ra khi- Bazơ được sử dụng là bazơ yếu- Nhóm đi ra dễ- Cacbocation hình thành phải bền vững

Phản ứng Andol hóa

Như chúng ta đã biết thì andehit và xeton nằm cân bằng với dạng enol của nó trong dung dịch. Nhưng nếu nồng độ hợp chất cabonyl trong dung dịch là khác lớn thì enol có thể đóng vai trò như là tác nhân nucleophin tấn công AN vào nhóm C = O của hợp chất cacbonyl bất kỳ trong dung dịch (kể cả chính nó). Kết qủa là hình thành một liên kết giữa nguyên tử cacbon alpha của một hợp chất cacbonyl và nguyên tử C của nhóm C = O trong hợp chất cacbonyl khác. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng andol hóa. Xét ví dụ axetandehit:

Phản ứng này cũng có thể xảy ra với cả xeton. Nói chung phản ứng andol hóa xảy ra được khi có nguyên tử hydro ở bên cạnh cacbon anpha. Nếu không có thì sẽ xảy ra phản ứng Canizzaro (chuyển vị hydrua để hình thành anion cacboxylat và ancol).Hợp chất beta - hydroxicacbonyl bền vững trong môi trường bazơ nhưng không bền trong môi trường axit. Trong môi trường này thì xảy ra sự tách nước để tạo thành hợp chất cacbonyl không no:

Page 6: co che phan ung

Phản ứng andol hóa có rất nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, nó rất có gía trị trong việc hình thành nối đôi C = C, để tạo thành hợp chất cacbonyl liên hợp dạng C = C - C = O có nhiều ứng dụng. Sau đây là sơ đồ tổng hợp 2 - etylhex-2-en-1-al.

Tất nhiên ta cũng có khả năng ngưng tụ hai loại hợp chất cacbonyl khác nhau, trong trường hợp này thì sẽ có đến 4 sản phẩm ngưng tụ (tự mà xác định lấy ). Để tránh hiện tượng đó thì thường người ta cho một chất trong số hai chất phản ứng là không có nguyên tử hydro anpha. Một ví dụ là tổng hợp 4 - phenylbut - 3 - en - 2 - on như dẫn ra ở dưới

Phản ứng ngưng tụ Claisen

Page 7: co che phan ung

Este cũng như andehit và xeton cũng đều có khả năng chuyển thành dạng enol, nhưng khi nồng độ este trong dung dịch qúa cao thì sẽ dẫn đến việc enolat mới sinh ra tấn công vào nhóm C = O của este theo một cơ chế tương tự như andol hóa để tạo thành một trạng thái chuyển tiếp tứ diện, sau đó dẫn đến sự tách loại anion etoxit để hình thành sản phẩm ngưng tụ. Phản ứng như vậy được gọi là ngưng tụ Claisen

Cũng tương tự như andol hóa, việc ngưng tụ hai este khác nhau cũng cho một loạt 4 sản phẩm, để tránh tình trạng đó thì người ta sử dụng một este không có hydro anpha. Xét ví dụ về sự ngưng tụ giữa etylaxetat và etyl benzoat sẽ thấy rõ vấn đề:

Các beta - xetoeste sinh ra từ phản ứng Claisen thường không bền và dễ tách loại nhóm cacboxyl để thành xeton tương ứng. Phản ứng decacboxyl hóa đi theo các bước là thuỷ phân để trở về nhóm -COOH. Phản ứng decacboxyl hóa xảy ra theo cơ chế tạo thành trạng thái chuyển tiếp vòng, trong đó beta - xetoaxit sẽ chuyển thành dạng enol.

Page 8: co che phan ung

Nếu như ta bằt đầu phản ứng với cùng một este thì ta sẽ thu được một xeton đối xứng. Như vậy đây là một phương pháp hết sức hữu hiệu để tổng hợp xeton đối xứng. Nếu hai este khác nhau thì sẽ xảy ra sự ngưng tụ hỗn tạp và xeton nhận được ko còn đối xứng nữa.Một ví dụ về phản ứng ngưng tụ Claisen trong tổng hợp hữu cơ là sự tổng hợp 2,6 - dimetyl-4-heptanon như được dẫn ra dưới đây:

Phản ứng ngưng tụ Dieckmann là một trường hợp riêng của phản ứng Claisen khi hai nhóm chức este đều ở trên cùng một phân tử. Phản ứng này chỉ xảy ra khi hai nhóm este ở vị trí 1, 6 và 1,7. Do sản phẩm sinh ra là vòng 5 và 6 cạnh là bền vững.

Phản ứng cộng Michael

Phản ứng xảy ra khi ion enolat phản ứng với hợp chất alpha, beta cacbonyl không no theo cơ chế như sau. Phản ứng như vậy được gọi là phản ứng cộng Michael:

Page 9: co che phan ung

Phản ứng cộng Michael có rất nhiều ứng dụng, như trong các sơ đồ sau:

Về phản ứng vòng hóa Robinson, thực chất gồm hai giai đoạn nối tiếp nhau, giai đoạn

Page 10: co che phan ung

đầu là ngưng tụ loại andol, sau đó là cộng Michael để thu được sản phẩm. Ví dụ:

Cacbocation[/size]

1. Giới thiệu về cacbocationCacbocation đã được xác định là một tiểu phân trung gian có đời sống ngắn được hình thành trong các phản ứng hữu cơ. Độ bền của cacbocation càng tăng khi số nhóm thế cho electron đính vào cacbocation càng lớn.Độ bền của cacbocation được xác định dễ dàng từ các phản ứng mà trong đó cacbocation được hình thành như là một sản phẩm trung gian. Đơn giản nhất là ta xét phản ứng thế SN1, tốc độ phản ứng SN1 tăng dần theo thứ tự sau: MeBr < EtBr < i-PrBr < t-BuBr. Điều này có nghĩa là độ bền của các cacbocation tương ứng sinh ra từ phản ứng phân cắt dị li các dẫn xuất halogen trên cũng tăng theo chiều đó. Ở hình dưới sẽ trình bày năng lượng liên kết của các phản ứng chuyển R-Br ----> R+ + Br-

Page 11: co che phan ung

2. Giải thích tính bền của cacbocation

Trong cacbocation metyl thì obitan p trống không liên kết nằm vuông góc với mặt phẳng của Csp2. Trong cation etyl thì có 1 trong 3 liên kết C - H có khả năng xen phủ với obitan p trống của C sp2 như hình vẽ (xen phủ xichma-pi). Điều này dẫn đên sự chuyển dịch electron sang phía trung tâm điện tích dương làm giảm năng lượng của hệ thống(hay nói cách khác là cacbocation lúc này bền hơn) do điện tích được giải toả đều trên hệ thống. Hiện tượng này được gọi là hiệu ưng siêu liên hơp. Và số liên kết C - H bên cạnh C sp2 càng nhiều thì điện tích càng được giải toả mạnh, cacbocation càng bền.

Tiếp theo ta sẽ xét sự thủy phân của các chất sau: n-PrCl; MeOCH2Cl; CH2=CH-CH2Cl. Tốc độ thuỷ phân theo SN1 tăng lên theo chiều đó. Đê giải thích điều này thì hãy xem hình sau:

Page 12: co che phan ung

Hình sau sẽ thể hiện dạng đơn giản hơn

Đây là giới thiệu về trạng thái chuyển tiếp tứ diện (tetrahedral Intermediate) thường gặp trong phản ứng của hợp chất cacbonyl.

Sản phẩm thu được sẽ được bền hóa theo các hướng.1) Cộng thêm tác nhân electrophin (cộng AN)2) Tách loại nhóm R hay R' (phản ứng ngưng tụ croton)Trong trường hợp trên phản ứng là theo An (phần anion này sẽ tham gia phản ứng kiểu SN2 với dẫn xuất halogen) tức là hướng 1. Nhưng thực tế điều này ko xảy ra, lý do thì như giả thiết của mình đã đặt ra, là có sự liên hợp với vòng thơm làm phá vỡ cấu trúc vòng thơm này.

Phản ứng Suzuki:

I. Lược sử:Năm 1979, Phản ứng ghép mạch sử dụng hợp chất cơ bo sử dụng chất xúc tác là muối paladi (II) halogenua diễn ra tốt khi có mặt dung dịch nước của bazơ mạnh. Đây là một phản ứng có tầm ứng dụng rộng rãi trong việc tạo thành liên kết C-C bên cạnh các phản ứng tương tự của các hợp chất cơ nguyên tố như cơ magie; kẽm, thiếc hay silic. Bây giờ thì hầu hết các hợp chất cơ nguyên tố đều tham gia phản ứng tăng mạch nhưng trong

Page 13: co che phan ung

những năm gần đây thì các nghiên cứu đều tập trung nghiên cứu vào các hợp chất cơ bo để có thể ứng dụng được phản ứng này trong công nghiệp cũng như PTN vì nó là những tác nhân thuận tiện, bền nhiệt và trơ với nước cũng như oxy nên ta có thể cầm trên tay mà không nhất thiết phải có phương pháp bảo hộ đặc biệt nào.II. Phản ứng Suzuki và cơ chế phản ứngPhản ưng Suzuki là phản ứng ghép mạch sử dụng hợp chất cơ bo có dạng:

Cơ chế của phản ứng Suzuki có thể diễn tả tốt nhất bằng một chu trình khép kín có dạng như sau:

a) Cộng oxy hóa: Phản ứng của hợp phần halogenua với phức paladi-(0) sinh ra phức paladi-(II)b) Chuyển vị nhóm thế xung quanh nguyên tử trung tâm: Chuyển nhóm R' từ bo đến trung tâm của phức là ion paladi, dẫn đến kết qủa là phức paladi-(II) chứa cả hai gốc R và R' đã được liên kết với nhauc) Tách khử: Sản phẩm ghép tách ra khỏi phức và hoàn trả lại xúc tácAxit boronic trước tiên chuyển thành hợp phần hoạt động có trạng thái chuyển tiếp tứ diện với tâm là nguyên tử bo sau khi cho nó phản ứng với một bazơ mạnh. Halogenua hay triflat (OTf = triflorometansunfonat) được sử dụng để đóng vai trò là tác nhân R-X của phản ứng. Tốc độ của phản ứng tăng cùng với sự tăng tính oxy hóa của anion X-. Phụ thuộc vào tốc độ của nhóm đi ra X thì tốc độ phản ứng giảm theo thứ tự: I>OTf>Br>>ClMột ý nghĩa rất quan trọng của phản ứng này là sự cho phép tổng hợp các biphenyl mà không hề bị cản trở không gian. Ví dụ:

Tài liệu tham khảo:

Page 14: co che phan ung

1) Named Organic Reaction - T. Laue; A.Plagens - Wiley 20002) Introduction to Cross-Coupling Reaction - Kohei Tamao; Norio Miyaura - Springer (năm xuất bản: 2001)Phản ứng nhiệt và quang hóa (có tên khoa học là pericyclic reaction)

I. Giới thiệu:Hầu hết các phản ứng hữu cơ xảy ra theo cơ chế phân cực theo kiểu một tác nhân nucleophin cho 2e với một tác nhân electrophin để hình thành liên kết mới. Phần khác lại phản ứng theo kiểu gốc tự do, mỗi chất phản ứng cho 1e để hình thành liên kết mới. Và hiện nay hầu hết các phản ứng theo hai kiểu này đã được hiểu biết một cách tường tận.Một loại thứ 3 nữa của phản ứng hữu cơ là phản ứng pericyclic (ta sẽ gọi là phản ứng peri hóa) là phản ứng không hề xảy ra theo hai hướng trên mà là một qúa trình đồng bộ xảy ra theo một trạng thái chuyển tiếp vòng (phản ứng một giai đoạn). Phản ứng này có 3 loại: phản ứng vòng hóa electron (đi không sâu lắm), phản ứng cộng vòng (nghiên cứu kỹ phản ứng Diels-Alder, những ai muốn tìm hiểu kỹ hơn vui lòng làm BT6 đề thi IChO 36 nhé) và phản ứng chuyển vị Sigma (cái này ta không xét).II. Quy tắc cơ bản của phản ứng peri hóa: Quy tắc Woodward - Hoffmann1. Obitan phân tử trong hệ liên hợp piDựa vào thuyết obitan phân tử (MO) thì các obitan p trong nguyên tử cacbon lai hóa sp2 trong một polien liên hợp tạo thành một hệ thống các obitan pi có năng lượng phụ thuộc vào số nút mà chúng có giữa các hạt nhân. Những hệ thống có obitan với số nút bé sẽ có mức năng lượng bé hơn gọi là các MO liên kết. Ngược lại là MO phản liên kết. Ta dễ dàng nhận thấy điều này trong thí dụ sau: (đường chấm chấm chỉ mặt phẳng nút). Xét 1,3 - butadien.

2. Quy tắc Woodward - Hoffmann:Phản ứng peri hóa chỉ có thể xảy ra khi obitan của chất các chất phản ứng có cùng sự đối xứng (trong hình vẽ là cùng màu). Nói một cách khác: Các thùy (phần mở rộng của obitan) phải có cùng tính chất đối xứng (cùng màu) thì mới có thể xen phủ tạo liên kết để hình thành sản phẩm. Nếu hai obitan có cùng tính đối xứng xen phủ với nhau thì điều đó gọi là được phép về

Page 15: co che phan ung

tính đối xứng (symmetry-allowed), ngược lại thì gọi là không được phép về tính đối xứng (symmetry-disallowed). Phản ứng peri hóa sẽ không bao giờ xảy ra nếu tính đối xứng bị vi phạm.Sự nghiên cứu của Giáo sư Kenichi Fukui giúp chúng ta không cần phải xem xét toàn bộ các obitan trong hệ liên hợp (mất rất nhiều thời gian) mà chỉ cần xem xét hai obitan là: obitan bị chiếm (liên kết) có mức năng lượng cao nhất (HOMO) và obitan phản liên kết có mức năng lượng thấp nhất (LUMO). Dựa vào hình vẽ thì có lẽ mọi người cũng đã nhận ra được obitan nào là LUMO và obitan nào là HOMO nhỉ?

III. Phản ứng vòng hoá electronCách tốt nhất để hiểu ảnh hưởng của sự đối xứng obitan quan trọng như thế nào đến phản ứng peri hóa thì ta sẽ điểm qua một vài ví dụ: Phản ứng vòng hóa electron (electrocyclic reaction) là một qúa trình peri hóa mà nó xúc tiến cho việc đóng vòng hoặc mở vòng các dien liên hợp. Xem ví dụ:

Điều thú vị nhất của phản ứng chính là hóa học lập thể của nó. Với tác dụng của hai tác nhân là ánh sáng và nhiệt độ thì phản ứng vòng hóa (2E, 4Z, 6E)-octatrien dẫn đến những kết qủa rất khác nhau:

Page 16: co che phan ung

Để giải thích kết qủa trên thì chúng ta sẽ xem xét 2MO có sự xen phủ để hình thành liên kết mới. Ở đây xảy ra hai khả năng. Các thuỳ cùng màu có thể ở cùng phía hay khác phía đối với mặt phẳng phân tử.

Để tạo thành liên kết thì các obitan pi này phải quay ra sao đó để cho các phần tạo thành liên kết (cùng màu) phải xen phủ với nhau. Nếu hai thuỳ cùng màu ở cùng phía so với mặt phẳng phân tử thì chúng phải quay ngược chiều nhau (disrorator) còn nếu ở trường hợp hai obitan cùng màu ở khác phía so với mặt phẳng phân tử thì chúng phải quay cùng chiều nhau (conrotator). Để dễ hình dung ta xem hình sau:

Lưu ý rằng: tuỳ thuộc vào sự đóng mở vòng do obitan quay cùng chiều và ngược chiều nhau thì ảnh hưởng đến mặt lập thể của phản ứng. Nay ta xét lại phản ứng đóng vòng (2E, 4Z, 6E)-octatrien khi có xúc tác là nhiệt độ và ánh sáng, các bạn tự lý giải thử xem trường hợp nào các obitan quay ngược chiều còn obitan nào thì quay cùng chiều nhé

IV. Phản ứng cộng vòngỞ đây ta chỉ xét trường hợp phản ứng đóng vòng kiểu [4+2](hợp chất 4C + hợp chất 2C): phản ứng Diels-AlderPhản ứng cộng đóng vòng Diels - Alder là một phản ứng peri hóa xảy ra giữa một dien (4 electron pi) và một dienophin (2 electron pi)để tạo ra sản phẩm là vòng xiclohexen. Hàng ngàn thí dụ về phản ứng Diels-Alder đã được biết đến và chúng xảy ra một cách dễ dàng ở nhiệt độ phòng (hoặc khi đun nóng nhẹ). Một ví dụ đơn giản là phản ứng giữa butadien và dimetyl maleat (cis) và dietyl fumarat (trans) được dẫn ra dưới đây:

Page 17: co che phan ung

Để phản ứng cộng xảy ra dễ dàng hơn thì hai thuỳ đối xứng của hai chất phản ứng phải có tính đối xứng và có vị trí thuận lợi nhất để có thể hình thành liên kết. Điều này có thể được thực hiện bởi hai cách: Tấn công supra (suprafacial) và antara (antarafacial). Sự tấn công supra xảy ra khi các thuỳ có tính đối xứng như nhau nằm đối diện nhau còn tấn công antara xảy ra khi một thuỳ của chất phản ứng nằm trên cùng một mặt phẳng còn thùy của chất còn lại nằm dưới mặt phẳng. Xem hình:

Đối với phản ứng cộng đóng vòng [4+2] này thì chúng ta sẽ xét LUMO của dien và HOMO của anken (Có thể chọn HOMO của dien và LUMO của anken). Sự đối xứng của hai trạng thái này thì dẫn đến sự tấn công supra (xem hình). Sự tấn công supra làm bảo toàn cấu hình của anken ban đầu cũng như dạng s-cis (hai liên kết đôi nằm về một phía của liên kết đơn) của dien (chỉ có dạng s-cis của dien mới tham gia phản ứng mà thôi)

Page 18: co che phan ung

còn sự tấn công antara làm thay đổi cấu hình của sản phẩm (do một trong số các chất ban đầu phải quay). Trong phản ứng Diels-Alder thì có sự bảo toàn cấu hình (do có sự tấn công supra)

Tài liệu tham khảo:Cơ Sở Hóa học hữu cơ - PSG. TS Thái Doãn Tĩnh - NXBKHKT 2002Organic Chemistry - Prof John McMurry - Thomson Brookscole 2004IChO 36th Theoretical problem 6 - Kiel 2004Cycloaddition in Organic Chemistry-Wiley 2002

Bây giờ chúng ta lại tiếp tục khảo sát một loại phản ứng khác: Phản ứng axyloin, một phương pháp hữu hiệu trong việc tổng hợp các hợp chất có vòng lớn.I. Sơ lược về phản ứng

Định nghĩa: Phản ứng ghép đôi hai phân tử este dưới tác dụng của kim loại Na và một dung môi trơ sẽ tạo thành một phân tử α-hydroxyketone được gọi là phản ứng axyloin. Phản ứng xảy ra càng tốt nếu gốc R là gốc ankyl và nếu như hai nhóm este đều ở trên cùng một phân tử có mạch ankyl dài thì sẽ xảy ra sự ngưng tụ đóng vòng nội phân tử tạo thành các hợp chất có vòng lớn với hiệu suất rất cao (70%). Ví dụ như phản ứng điều chế paraxiclophan như sau:

II. Cơ chế phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng:

Page 19: co che phan ung

Sản phẩm của phản ứng dime hóa ở giai đoạn đầu thì rất giống như trạng thái chuyển tiếp tứ diện trong phản ứng cộng nucleophin của các hợp chất cacbonyl, điều này sẽ dẫn đến sự tách nhóm -OMe là nhóm đi ra dễ để hình thành nên một dixeton. Dixeton sinh ra này rất dễ bị khử nên nó sẽ lấy 2e của hai nguyên tử Na để hình thành nên hai ion enolat (enodiolat). Giai đoạn cuối của qúa trình là sự proton hóa enodiolat này để hình thành nên sản phẩm. Điểm hạn chế của phản ứng này là khả năng phản ứng cao của enodiolat hình thành và nó sẽ đóng vai trò xúc tác trong phản ứng ngưng tụ Claisen giữa hai phân tử este này (về phản ứng Claisen đã được đề cập kỹ lưỡng trong các giáo trình Hữu cơ). Để giải quyết điểm yếu này thì người ta thêm trimetylsilyl clorua vào hỗn hợp phản ứng, vai trò của nó tất nhiên không có gì khác hơn là "khóa" anion enodiolat này và loại nhóm -SiMe3 một cách dễ dàng khi đun nóng với HCl/THF, điều này làm tăng hiệu suất của phản ứng lên 95%

Nó cực kỳ thuận tiện để điều chế các hợp chất vòng có chứa liên kết C-C bền và thường được dùng để điều chế hợp chất có vòng từ trung bình trở lên (7C --->)

1/HIỆU ỨNG CẢM ỨNG :Hiệu ứng cảm ứng (Inductive Effect) là hiệu ứng xảy ra trên một liên kết SIGMA (liên kết đơn) khi liên kết này bị « tác động » (induced) bởi sự phân cực của một liên kết đơn bên cạnh nó (adjacent bond).

Quy luật của Hiệu ứng cảm ứng :Các nhóm có điện tích dương gây hiệu ứng –I , các nhóm mang điện âm gây hứ +I, điện

Page 20: co che phan ung

tích càng lớn thì hứ I càng mạnh. VD:-NR3 (cộng) gây hứ -I mạnh, còn -O (trừ) gây hứ +I mạnh.Nếu giả sử các nguyên tử của các nguyên tố trong cùng một chu kì nhỏ hay trên cùng một phân nhóm chính đều có hứ -I thì hứ đó sẽ càng lớn khi nguyên tố càng ở bên phải ( trong chu kì nhỏ) và càng ở phía trên ( trong một phân nhóm ).F > Cl > Br > I ; OR > SR > SeR ; F > OR > NR2Tất cả đều được giải thích căn cứ vào độ âm điện.Các nhóm ankyl luôn có hứ +I , hứ đó tăng theo mức độ phân nhánh của nhóm.CH3 < CH3 – CH2 - < (CH3)2 CH - <(CH3)3CH –Trạng thái lai hóa của cacbon có ảnh hưởng đến hiệu ứng cảm ứng:Xét hiệu ứng –I : Csp3 < Csp2 < CspGiải thích: Ta có nhận xét như sau, ở ba trạng thái lai hóa của C thì thành phần tham gia của obitan s không giống nhau, nhiều nhất ở Csp , rồi đến Csp2 và cuối cùng là Csp3 . Do obitan s trong nguyên tử C có khả năng xâm nhập nhân lớn, làm cho điện tích hạt nhân tác dụng với lớp e ngòai cùng tăng, nên từ đó dẫn đến độ âm điện do hạt nhân gây ra tăng, và ta có thứ tự hứ -I như trên.

Đặc điểm của Hiệu ứng Cảm ứng :+ Hiệu ứng cảm ứng giảm mạnh khi mạch truyền kéo dài .+ Sự phân cực về hiệu ứng cảm ứng không bị chi phối bởi các yếu tố không gian .

2/HIỆU ỨNG LIÊN HỢP:(HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG)Hiệu ứng liên hợp là hiệu ứng đặc biệt của liên kết py sinh ra do có sự sai biệt độ âm điện của các nguyên tử hay các nhóm tạo nối.

ĐẶC ĐIỂM HIỆU ỨNG LIÊN HỢP+Hiệu ứng liên hợp chỉ thay đổi ít khi kéo dài mạch các liên kết liên hợp.

+Hiệu ứng liên hợp chỉ có hiệu lực mạnh trên hê liên hợp phẳng, nên hiệu ứng liên hợp bị chi phối rất nhiều bởi các yếu tố không gian.

+Hiệu ứng liên hợp có thể làm chuyển dịch trung tâm một phản ứng, vì vậy khi xét pứ của một chất có hiệu ứng liên hợp, ta cần phải cẩn thận tính tóan xem ở dạng nào sp trung gian bền nhất.

+Hiệu ứng liên hợp làm tăng tính bền của một phân tử hơn nhiều. Ta áp dụng đặc điểm này rất nhiều khi so sánh độ bền của các cacbôcation, cacbanion, cacbôradican, hay các liên kết pi…Hiệu ứng liên hợp phải được ưu tiên hàng đầu làm tiêu chí so sánh độ bền, sau đó đến hiệu ứng cảm, rồi hiệu ứng siêu liên hợp. Tuy nhiên nhiều khi thứ tự ưu tiên lại khác, đó là liên hợp > siêu liên hợp > cảm ứng , nói chung là tùy trường hợp.

ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM THẾ VỚI HIỆU ỨNG LIÊN HỢPthường các nhóm này còn đôi điện tử không liên kết hay cặp e chưa sử dụng. VD: -O (trừ) ; -S (trừ) ; -OH ; -SH ; -SR ; -NH2 ; -NR2 ; F ; Cl ; Br …Đáng chú ý là ở hầu hết các nhóm có hiệu ứng +C đều có hiệu ứng –I ở những mức độ khác nhau, vì vậy mỗi nhóm thế luôn thể hiện một hiệu ứng tổng quát bao gồm cả hai lọai

Page 21: co che phan ung

hiệu ứng đó. Vì vậy đối với một nhóm thế ta cần phân biệt tính đẩy e nói chung và tính đẩy e chỉ trong mạch liên hợp.VD: CH3O- là nhóm thế đẩy e nói chung và cả cả khi nói riêng về mặt liên hợp.Trong khi đó nhóm hal là nhóm hút e nói chung, chúng chỉ đẩy e khi ở trong hệ liên hợp.Qui luật: nguyên tử mang điện tích âm có hiệu ứng +C mạnh hơn nguyên tử tương tự không mang điện. VD: -O (trừ) > -ORNguyên tử của những nguyên tố thuộc cùng chu kì nhỏ, nguyên tố càng ở bên phải, lực +C của các nguyên tử càng nhỏ. VD: -NR2 > -OR > -FCó thể giải thích dễ dàng dựa vào độ âm điện.Đối với những nguyên tử của những nguyên tố thuộc trong cùng một phân nhóm chính thì càng xuống dưới lực +C càng giảm.VD: -F > -Cl > -Br > -I-OR > -SR > -SeRCó hai hướng giải thích được công nhận:+càng ở phía dưới phân nhóm chính, số lớp tăng làm cho bán kính nguyển tử tăng, khả năng xen phủ với obitan pi của hệ để tạo cộng hưởng yếu.+Cũng có thể giải thích theo hiệu ứng I pi: có nghĩa là dựa vào độ âm điện, hiệu ứng I pi cũng làm định hướng pứ electronphin của vòng vào các vị trí ortho- , -para . Khi xét với nhóm hal, ta thấy tuy hal định hướng vòng ở các vị trí ortho- ,para- nhưng mặt khác nó làm cho vòng kém họat hóa, hal là những nhóm thế được xếp vào nhóm thế phản họat hóa. Chính vì vậy ở đây nếu ta dùng độ âm điện với hiệu ứng I pi giải thích thì chính xác hơn. Tóm lại, tùy trường hợp mà ta có thể dùng hướng này hoặc hướng kia để giải thích, miễn sao cho hợp lí nhất với thực nghiệm, vì hóa học là môn khoa học thực nghiệm.Các nhóm –C: Đa số các nhóm –C đều chưa no.VD: -NO2 ; -CHO ; -COR ; …Thường các nhóm có hiệu ứng –C đều có thêm hiệu ứng –I nên tính chất hút e của chúng càng mạnh.Với các nhóm thế chưa no với cấu tạo chung –C=Z , Z càng về bên phải trong cùng một chu kì nhỏ thì hiệu ứng –C càng tăng.VD: -C=O > -C=NR > -C=CR2Trong hai nhóm tương tự nhau nhóm nào có điện tích dương lớn hơn thì lực +C cũng lớn hơn.-C=NR2 (cộng) > -C=NR