Cơ chế phản ứng Hóa hữu cơ

[shindo]

Để tiện cho mọi người tìm kiếm thông tin, tại bài viết đầu tiên của topic sẽ có danh sách và link đến các bài viết có ích khác trong topic:
Một số vấn đề lý thuyết quan trọng trong topic:
Phản ứng Suzuki.
Phản ứng nhiệt và quang hóa.
Giới thiệu về phản ứng khử Corey - Bakishi - Shibata (còn gọi tắt là phản ứng khử CBS).
Cơ chế phản ứng S_N1, S_N2, E₁ và E_2.
Cơ chế phản ứng thế electrophin S_E
Hóa lập thể động trong các phản ứng thế.
Hóa lập thể động phản ứng tách.
Phản ứng cộng electrophin A_E.
Quy tắc Cram trong phản ứng cộng nucleophin A_N.
Mô hình Felkin - Anh hay Felkin - Nguyen trong phản ứng cộng nucleophin A_N vào andehit, xeton.
Phản ứng Andol hóa.
Phản ứng ngưng tụ Claisen.
Phản ứng cộng Michael.
Một số vấn đề về cacbocation.
Phản ứng Wittig.
Phản ứng Hydroformyl Alkenes.
Phản ứng của Hợp chất Grignard với hợp phần carbonyl >C=O.
Phản ứng Cannizzaro.
Phản ứng Tishchenko.
Phản ứng ghép đôi pinacol.
Phản ứng chuyển vị pinacol.
___________________________________________________________________________________________________________________________

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 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 ứng
Phản 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 nhau
c) Tách khử: Sản phẩm ghép tách ra khỏi phức và hoàn trả lại xúc tác
Axit 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>>Cl
Một 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:
1) Named Organic Reaction - T. Laue; A.Plagens - Wiley 2000
2) Introduction to Cross-Coupling Reaction - Kohei Tamao; Norio Miyaura - Springer (năm xuất bản: 2001)

[shindo]

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 - Hoffmann
1. Obitan phân tử trong hệ liên hợp pi
Dựa 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 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 electron
Cách 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:

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 vòng
Ở đây ta chỉ xét trường hợp phản ứng đóng vòng kiểu [4+2](hợp chất 4C + hợp chất 2C): phản ứng Diels-Alder
Phản 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:

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) 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 2002
Organic Chemistry - Prof John McMurry - Thomson Brookscole 2004
IChO 36th Theoretical problem 6 - Kiel 2004
Cycloaddition in Organic Chemistry-Wiley 2002

[shindo]

Giới thiệu về phản ứng khử Corey - Bakishi - Shibata (còn gọi tắt là phản ứng khử CBS).

Trước tiên nói sơ qua về bài tổng hợp đó, đó là 4/5 dãy chuyển hóa của bài 20, Bài tập chuẩn bị cho IChO 38th, Gyeongsan, Hàn Quốc.

1. Lược sử phản ứng:
Năm 1981, S. Itsuno và các cộng sự của ông là những người đầu tiên đã báo cáo thực hiện thành công thí nghiệm khử xeton tương ứng không có tính quang hoạt thành ancol bậc hai quang hoạt bằng cách sử dụng hỗn hợp đồi xứng của amino ancol và phức của BH₃ trong THF với một hiệu suất rất cao. Vài năm sau đó, E.J.Corey đã chỉ ra được rằng phản ứng giữa amino ancol và BH₃ trong THF dẫn tới sự tạo thành các oxazaborolidin. Chất này có tác dụng xúc tác chọn lọc lập thể và làm tăng nhanh tốc độ phản ứng trong sự có mặt của BH₃ trong THF. Phản ứng khử tổng hợp bất đối chọn lọc xeton này được gọi là phản ứng Corey - Bakishi - Shibata.

2. Giải thích cơ chế phản ứng:

Bước đầu tiên là sự phối trí của BH₃ (Axit Lewis) với nguyên tử Nitơ bậc ba (bazơ Lewis) của xúc tác CBS. Sự phối trí này làm tăng tính axit của nguyên tử Bo endo (endocyclics Boron) và hoạt hóa BH₃ thành một nhóm có tính nhận electron rất mạnh. Xúc tác CBS - phức bo sẽ gắn vào nhóm xeton ở vị trí dễ nhận với cặp e tự do của oxy nhất (cặp e tự do được coi là nhóm thế nhỏ nhất) bằng nguyên tử Bo endo. Lúc này thì vic - xeton - CBS - phức bo là ở vị trí cis so với các nhóm thế còn lại và khả năng chịu ảnh hưởng không gian giữa xeton và xúc tác CBS là bé nhất. Lúc này xảy ra bước chuyển hydrua giữa nguyên tử hydro gần nhất và trung tâm phản ứng thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu trung tâm. Sau đó sản phẩm trung gian này sẽ bị phân hủy theo hai con đường.

[TraiTimVietNam]

Bài viết của shindo về các Cơ chế phản ứng cơ bản :

Cơ chế 1 : Phản ứng S_N².
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.

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. .
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 > RF
Liên 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.

Cơ chế 2 : Phản ứng S_N¹.
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.

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. Điều này chúng ta sẽ xét sau.

Cơ chế 3 : Phản ứng E₂
E2: Phản ứng tách lưỡng phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[B^-][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 R
Trong 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 bậc càng cao. Điều này thì giống với E1.
2) Ảnh hưởng của nhóm đi ra
Liên 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 bazơ
Do 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 thể
Phản 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)

Cơ chế 4 : Phản ứng E₁
E1: 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 R
Trong 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 hơn
2) Ảnh hưởng của nhóm đi ra
Trong phản ứng E1 thì việc tách nhóm đi ra là ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, cho nên nhóm đi ra càng tốt thì phản ứng xảy ra theo cơ chế E1 càng dễ dàng.
3) Ảnh hưởng của bazơ
Bazơ 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 thể
Phản ứng E1 xảy ra theo hương 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.

[TraiTimVietNam]

Tiếp tục các bài viết của anh shindo.

Giờ ta đi sang một vấn đề khác của hóa lập thể, đó là hóa lập thể động. Ở đây ta sẽ xem xét lần lượt một số vấn đề về Hóa lập thể động.
1) Phản ứng SN2.
Ở đây như ta đã biết trong phản ứng SN2 luôn có sự tấn công sau của nhóm thế, tạo thành sản phẩm có cấu hình ngược với cấu hình chất ban đầu. Nếu chất đầu có cấu hình R thì ngược lại sản phẩm phải có cấu hình là S.


2) Phản ứng SN1
Như đã biết phản ứng này đi qua trung gian cacbocation phẳng nên tác nhân nucleophin có thể tấn công vào cả hai phía của nhóm thế tạo hỗn hợp raxemic, tuy nhiên điều đó không hẳn đúng. Trong rất nhiều trường hợp người ta thu đựơc các sản phẩm quay cấu hình trong SN1. Lý do vì trong quá trình tạo thành ion thì ion âm chưa đi ra xa hẳn cacbocation nên chắn mất một phía tấn công, vì thế sản phẩm trong nhiều trường hợp là quay cấu hình.


3) Phản ứng SNi
Trong phản ứng thế nucleophin loại này thì thường sản phẩm thu được là giữ nguyên cấu hình do sự tấn công cùng một phía với nhóm đi ra. Hiện cơ chế chuyển vòng đã bị bác bỏ bởi nhiều lý do khác nhau, cơ chế được chấp nhận rộng rãi hiện nay là cơ chế đi theo sự tạo thành cacbocation như hình dưới

Tuy nhiên nếu trong hệ phản ứng có một tác nhân bazơ như pyridin thì sẽ lại cho sản phẩm nghịch chuyển cấu hình như SN2

4) Phản ứng SE :
Thường phản ứng SE hay gặp trong các hệ thơm và ít gây ra ảnh hưởng về sự thay đổi cấu hình nhưng nó lại làm thay đổi nhiều sự định hướng nhóm thế trong một số trường hợp vì kích thước nhóm thế quá lớn. Chẳng hạn như áp dụng phản ứng Friedel - Crafts vào tert-butylbenzen cho sản phẩm thế chủ yếu vào vị trí para

[TraiTimVietNam]

Sau khi kết thúc phần phản ứng thế thì bây giờ chúng ta sẽ chuyển qua phản ứng tách. Có ba cơ chế phản ứng tách là E1, E2 và E1cB. Trong đó chỉ có E2 là đáng chú ý về mặt lập thể.
Hóa lập thể của cơ chế tách E2.
Phản ứng tách E2 chỉ xảy ra khi các trung tâm phản ứng ở vị trí anti đối với nhau trong công thức chiếu Newman hay công thức chiếu phối cảnh, do ở trạng thái này thì sự xen phủ tạo liên kết pi là tốt nhất. Ví dụ:




Trong các hợp chất vòng xiclohexan thì sự tách E2 chỉ xảy ra khi các nhóm thế ở vị trí diaxial đối với nhau, vì điều này thỏa mãn điều kiện các trung tâm phản ứng ở vị trí anti:


Ngoài ra người ta cũng đã tìm đựơc một số phản ứng tách syn E2, nhưng ít được nghiên cứu do tính ít phổ biến của nó:




Đối với phản ứng tách E1 thì đi qua trung gian là cacbocation, và hầu hết các phản ứng tách theo E1 đều cho trans-anken bền hơn

Phản ứng E1cB thường xảy ra với các nhóm đi ra khó, và đi qua trung gian cacbanion ví dụ:

Lập thể của phản ứng này cũng tương tự E1

[TraiTimVietNam]

Với phản ứng cộng electrophin vào liên kết bội thì tuỳ từng tác nhân mà có thể quan sát được các mô hình lập thể khác nhau. Trường hợp hay gặp nhất là các phản ứng cộng trans khi cho anken tác dụng với halogen. Các phản ứng này đi qua một cation oni vòng trung gian (chỉ có clo và brom mới có được khả năng này). Các cation oni vòng này đã đựơc thực nghịêm xác nhận bằng NMR, điều đó chứng minh tính đúng đắn của cơ chế này

Sản phẩm của đồng phân trans là đồng phân meso, còn cis là một cặp đối quang

Khi tiến hành cộng hydro halogenua vào anken người ta cũng quan sát thấy hướng cộng trong đại đa số trường hợp là trans. Điều này dẫn tới một ý nghĩ là cơ chế sẽ đi qua một ion vòng cầu hidrogenoni trung gian gây cản trở lập thể. Thực tế điều này tuy được chấp nhận, nhưng số bằng chứng thực nghiệm hiện vẫn chưa nhiều:

Ngoài ra người ta cũng quan sát được phản ứng cộng cis vào anken, thuộc loại này là cơ chế oxy hóa anken bởi OsO4, bởi KMnO4 và phản ứng cộng B2H6 vào anken




Đặc biệt là cơ chế phản ứng cộng hydro vào anken là một quá trình cộng cis:
Đây là cơ chế cộng hydro vào anken với xúc tác Wilkinson


Đây là cơ chế cộng hydro và anken với xúc tác hấp phụ (Ni, Pt...)

[TraiTimVietNam]

Về phản ứng cộng AN sẽ giới thiệu đôi chút về quy tăc Cram, là phương pháp hay gặp trong chương trình phổ thông, sau đó sẽ mở ra một mô hình hiện đại hơn là mô hình Felkin - Anh

Quy tắc Cram cho phản ứng cộng nucleophin vào hợp chất cacbonyl có thể được minh họa như sau:


Và có thể được phát biểu dưới dạng: "Tác nhân nucleophin sẽ tấn công vào hướng ít bị chắn lập thể nhất để tạo sản phẩm chính" (hướng giữa nhóm thế lớn nhất và bé nhất, hay hướng Si trên hình vẽ)

Hiện quy luật này chỉ còn đúng với phản ứng cộng hợp chất cơ magie (RMgBr) vào hợp chất cacbonyl:

[TraiTimVietNam]

Bài viết của anh shindo - không thể bỏ qua với những bạn quan tâm đến Hoá học lập thể 

Mô hình Felkin - Anh (hay Felkin - Nguyen) về phản ứng cộng Nucleophin vào andehit và xeton

1. Lời mở đầu:
Về phản ứng cộng tác nhân nucleophin vào hợp chất cacbonyl thì hiện nay người ta sử dụng mô hình Felkin - Anh. Chúng ta không đề cập đến quy tắc Cram là do nó chỉ có tính chất kinh nghiệm, cho đến nay chúng ta đã hiểu một cách thấu đáo hơn bản chất của vấn đề, và quan trọng nhất là một số dự đoán theo quy tắc Cram cho kết quả sai lệch với thực tế, các thí nghiệm và suy nghĩ logic luôn chiếm một vị trí quan trọng ưu tiên hơn là các quy tắc chỉ mang tính kinh nghiệm. Sau đây anh sẽ giới thiệu kỹ mô hình này như là một bài đọc thêm mang tính chất tham khảo, để mọi người tiếp cận được hơn với hóa học hữu cơ hiện đại (Tạt qua VN một tí: Ở VN chưa hề đưa thứ này vào giảng dạy, mà chỉ toàn học quy tắc Cram, chán. Thế này thì đến lúc nào giáo dục Việt Nam mới bắt kịp thế giới ???)

2. Mô hình Felkin - Anh hay Felkin - Nguyen
Trước tiên, ta sẽ xét một ví dụ:

Tất nhiên, để giải thích lý do tại sao thì ta sẽ phải sử dụng công thức chiếu Newman để xác định hướng tân công của các Nucleophin.

Đây là hai cấu dạng bền nhất so với tất cả các cấu dạng có thể có của hợp chất đang xét
Nhìn vào mô hình bên phải, ta thấy rằng các tác nhân nucelophin tấn công một góc lệch 30^o so với các nhóm thế, như vậy có thể có khả năng xảy ra tương tác không gian giữa tác nhân nucleophin với các nhóm thế này. Nhìn vào mô hình bên trái thì tác nhân nucleophin lúc này tấn công ở hướng gần với H, tương tác không gian lúc này gần như có thể bỏ qua được. Như vậy thì rõ ràng sản phẩm chính sẽ là sản phẩm như hình vẽ bên trái. Điều này sẽ dẫn đến sự tạo thành các đồng phân quang học không đối quang như hình vẽ sau:

Với Nu là Et thì ta thu được kết quả phù hợp. Nhưng điều quan trọng hơn là chúng ta đã xấy dựng được một mô hình, gọi là mô hình Felkin - Anh, đã được xây dựng bằng cách tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Trong mô hình này thì việc xác định cấu dạng nào bền hơn hoàn toàn không cần thiết nữa, bởi vì các kết quả thực nghiệm đã cho thấy rằng cho dù cấu dạng bên trái (hình 2) có lượng nhiều hay ít trong hỗn hợp các cấu dạng thì sản phẩm chính vẫn cứ xảy ra theo hướng đó.
Điều duy nhất để lưu ý ở đây là hướng tân công của tác nhân nucleophin tấn công vào nhóm C = O ở một góc độ là xấp xỉ 107^o (có tài liệu là 109, nhưng nói chung trong khoảng đó ). Điều này do hai nhà tinh thể học là Burgi và Dunitz tìm ra được bằng thực nghiệm vào năm 1970, góc này được gọi là góc Burgi - Dunitz.(chứ không phải là 90 độ như lâu nay vẫn nghĩ đâu à)
Công thức đúng của sản phẩm của ví dụ trên được dự đoán theo mô hình Felkin - Anh như sau:

Tiếp theo ta sẽ xét đến các yếu tổ liên quan đến mô hình và cách sử dụng tốt mô hình

3. Những yếu tố ảnh hưởng đến mô hình Felkin - Anh

a) Yếu tố obitan
Xét một giai đoạn trong quá trình tổng hợp chất chống ung thư Dolastatin của Reetz:

Vì sao sự chọn lọc lập thể lại tốt đến thế khi mà cả hai nhóm thế của nguyên tử C alpha là NBn₂ và CH(Me)Et có kích thước gần như nhau
Lý do ở đây là ảnh hưởng của nhóm kéo electron NBn₂ lên MO của nhóm C = O, làm cho nhóm C = O hoạt hóa hơn. Nhìn hình vẽ sau để hiểu rõ hơn:


Hình vẽ trên được giải thích như sau: Sự hiện diện của nhóm C - X âm điện đã làm giảm năng lượng của LUMO nên nhóm cacbonyl trở nên hoạt động hơn. Khả năng tổ hợp các MO của C alpha và C (của C = O) khả thi hơn, tác nhân nucleophin tấn công vào dễ hơn.
Lưu ý:
1) X không phải là nhóm đi ra dễ (vì nếu dễ thì sẽ xảy ra phản ứng thế)
2) Cấu dạng ổn định nhất là cấu dạng mà nhóm thế cồng kềnh vuông góc với C = O, nhưng cấu dạng phản ứng mạnh nhất chính là cấu dạng mà X vuông góc với nhóm C = O (do lúc này ảnh hưởng của nhóm thế lên C = O là mạnh nhất).
b) Yếu tố tạo phức chelat (vòng càng)
Thỉnh thoảng lại xảy ra phản ứng kiểu như sau:

Điều này được giải thích bằng sự tạo phức vòng càng giữa Mg. Thực nghiệm đã chứng minh rằng tính chọn lọc hướng phản ứng luôn tăng lên khi có sự tạo thành trạng thái chuyển tiếp vòng. Chính vì vậy không có gì ngạc nhiên khi kết quả đi ngược lại với mô hình Felkin - Anh vốn chỉ áp dụng khi không có sự tạo thành trạng thái chuyển tiếp vòng.

Cách sử dụng mô hình Felkin - Anh
1) Vẽ công thức chiếu Newman của chất ban đầu sao cho các nhóm thế có kích thước lớn nhất hay nhóm thế rút electron vuông góc với C = O
2) Chọn hướng tấn công phù hợp của tác nhân nucleophin, lưu ý góc Burgi và Dunitz (để còn tính tới tương tác không gian chứ )
3) Vẽ công thức chiếu Newman của sản phẩm theo hướng tấn công đã chọn
4) Chuyển công thức Newman về công thức phẳng (nhớ để mạch chính nằm trên mặt phẳng). Lưu ý những điều sau để làm đúng bước 4: Nhìn công thức Newman của sản phẩm từ trên xuống hay từ dưới lên, sau đó quay đi một vài liên kết để có thể thu được mạch chính của phân tử nằm trên mặt phẳng)

Tham khảo
1) Jonathan Clayden - Organic Chemistry - Oxford, 2000
2) Control in Organic Chemistry, lectures 7 - 12 - Dr David Spring - Cambridge University 2003

Qua bài post này, em xin bày tỏ lòng ngưỡng mộ đối với GS TS Nguyễn Trọng Anh, người Việt Nam đầu tiên được giới khoa học Hóa học thế giới biết tới với mô hình Felkin - Anh (hay Felkin - Nguyen) này


Đến đây tạm kết thúc một phần quan trọng của Hóa lập thể động, sẽ còn tiếp tục phần này với một số khái niệm cơ bản mới. Những vấn đề được thể hiện trên đây chỉ thể hiện mặt cơ bản nhất của vấn đề chứ không đi sâu thêm, những ai muốn biết sâu hơn có thể tự kiếm sách mà đọc

[TraiTimVietNam]

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 A_N 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:

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

[TraiTimVietNam]

Phản ứng ngưng tụ Claisen

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.

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 không 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.

[TraiTimVietNam]

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:

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

[TraiTimVietNam]

Trước khi đi về chuyển vị thì chúng ta sẽ nghiên cứu về cacbocation, cacbanion và gốc tự do

Cacbocation

1. Giới thiệu về cacbocation
Cacbocation 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^-

2. Giải thích tính bền của cacbocation

Trong cacboction 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:

Hình sau sẽ thể hiện dạng đơn giản hơn

[TraiTimVietNam]

Sau một loạt Lý thuyết, bây giờ chúng ta đến với các câu hỏi-thảo luận cũ :

Q. Có phản ứng như sau:

Hãy đề nghị một cơ chế hợp lý (nếu không thể vẽ hình thì đề nghị các bước chính) cho phản ứng trên
A.

Q. Cái cơ chế phản ứng giữa axeton và phenol -> (p-HO-C₆H₄)₂C(CH₃)₂ với xúc tác H⁺ là gì?
A.

Q. Về cái phản ứng chuyển vị Hoffmann. Em muốn hỏi là sau khi R-CO-N: chuyển vị thành R-N=C=O thì H2O cộng vào N=C mà không cộng vào C=O ?( có thể H2O, hoặc chất nào đó như EtOH, tuỳ điều kiện phản ứng )
A. Trong phản ứng chuyển vị Hoffmann thì có sự tạo thành axyl nitren trong đó N chỉ có lục tử (6e) nên sẽ chuyển vị thành dạng hợp chất sau gọi là isoxianat: R - N = C = O. Trong hợp chất này thì C luôn mang điện tích dương nên khi tấn công theo cơ chế An thì tác nhân tấn công vào C trước. Ta có cơ chế giai đoạn này như sau:
R - N = C = O + H2O: ----> R - NH - COOH ----> RNH2 + CO2
Ta giải thích bước này như sau: Ở đây phản ứng cộng An diễn ra vào liên kết C = N. Lý do ở đây là sản phẩm tạo thành có cấu trúc liên hợp làm cho phân tử bền vững hơn, nếu cộng vào C = O thì sản phẩm hình thành sẽ là R - CH2 - N = OH không liên hợp và kém bền vững.

Q. Cho mình hỏi là : tại sao trong phản ứng Gabriel thì muối của Acid Phthalimide tồn tại ở dạng cấu trúc cộng hưởng như sau :

Nhưng tại sao R-X không tấn công vào O(-) mà lại tấn công vào N(-) ???

A. Theo mình thì trong phản ứng Gabriel này thì điện tích âm được giải tỏa đều trên toàn hệ là O = C - N - C = O. Nhưng dẫn xuất halogen lại tấn công vào N vì nếu tấn công vào O sẽ tạo thành trạng thái chuyển tiếp tứ diện dễ làm phá vỡ cấu trúc vòng thơm ---> kém bền vững.

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 không 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.

[TraiTimVietNam]

Q. Trình bày cơ chế cuả pư sau :

A. Đáp án đề nghị của ruacon :

Q. Có một câu hỏi cực kỳ thú vị đây: tại sao LiAlH4 có thể khử được nối đôi, trong khi NaBH4 lại KHÔNG HỀ ???
A. Các hydroboran chỉ có khả năng khử được nối đôi nếu nối đôi đó được gắn thêm nhóm hút electron vào hệ. Bình thường thì các hydroboran cũng như các hydrua khác không khử được nối đôi C = C nếu như không có mặt muối kim loại chuyển tiếp làm chất xúc tác, và trong trường hợp đó, nối đôi bị khử là nối đôi ít bị khó khăn không gian hơn. Theo anh điều này có lẽ là do có sự tạo phức giữa nối đôi và kim loại chuyển tiếp tạo thành phức trung gian và chính điều này làm cho sự tấn công của H- vào C = C sẽ thuận lợi hơn về mặt năng lượng.