Tài liệu Skkn các phản ứng chuyển vị quan trọng trong tổng hợp chất hữu cơ. ( bồi dưỡng học sinh giỏi cấp thpt)

BM 01-Bia SKKN SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI Đơn vị Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh Mã số: ................................ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG TRONG TỔNG HỢP CHẤT HỮU CƠ. ( BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI CẤP THPT) Người thực hiện: GV Nguyễn Minh Thư Lĩnh vực nghiên cứu: - Quản lý giáo dục  - Phương pháp dạy học bộ môn: .............................  (Ghi rõ tên bộ môn) - Lĩnh vực khác: chuyên đề chuyên sâu hóa hữu cơ  (Ghi rõ tên lĩnh vực) Có đính kèm: Các sản phẩm không thể hiện trong bản in SKKN  Mô hình  Đĩa CD (DVD)  Phim ảnh  Hiện vật khác (các phim, ảnh, sản phẩm phần mềm) Năm học: 2015 - 2016 BM02-LLKHSKKN SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC –––––––––––––––––– I. THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN 1. Họ và tên: Nguyễn Minh Thư 2. Ngày tháng năm sinh: 30 – 10 - 1974 3. Nam, nữ: Nữ 4. Địa chỉ: 16/3A, Tổ 3, kp 2, phường Tân Hiệp, Biên hòa, Đồng Nai 5. Điện thoại DĐ: 01697.527.787 6. E-mail: [email protected] 7. Chức vụ: giáo viên 8. Đơn vị công tác: THPT chuyên Lương Thế Vinh II. TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO - Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Thạc sỹ - Năm nhận bằng: 2001 - Chuyên ngành đào tạo: hóa hữu cơ III. KINH NGHIỆM KHOA HỌC - Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Hóa Số năm có kinh nghiệm: 14 - Các sáng kiến kinh nghiệm (chuyên đề) đã có trong 5 năm gần đây: o 1 số hiệu ứng hóa học trong hóa học hữu cơ o Một số vấn đề quan trọng về đại cương hóa hữu cơ và các hợp chất HC. o Sử dụng hiệu quả phương pháp thảo luận nhóm trong giảng dạy hóa học. o Một số vấn đề về liên kết hóa học. o Hợp chất terpen & terpenoit quan trọng trong giảng dạy & BDHSG. BM03-TMSKKN Tên SKKN ‘CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG TRONG TỔNG HỢP CHẤT HỮU CƠ ’ I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. Để tổng hợp hợp chất hữu cơ, các nhà khoa học luôn nghiên cứu tìm ra con đường ngắn nhất, đạt hiệu suất cao nhất. Trong các quá trình phản ứng, hiện tượng chuyển vị xảy ra trong 1 số trường hợp đặc biệt. Trong phạm vi đề tài này, Tôi đã đề cập đến các loại phản ứng chuyển vị quan trọng thường gặp trong phản ứng hóa hữu cơ, về mặt lý thuyết sẽ giúp chúng ta dự đoán và giải thích được sản phẩm sinh ra khi thực hiện phản ứng giữa các chất mà có khả năng xảy ra sự chuyển vị. Với vai trò là giáo viên giảng dạy hóa học chuyên sâu và BDHSGQG, Tôi nhận thấy việc viết chuyên đề này là rất cần thiết, vừa làm tài liệu để học sinh chuyên hóa tham khảo & luyện tập, vừa làm tư liệu cho giáo viên dạy chuyên hóa hữu cơ. Chuyên đề gồm 2 phần chính: - Phần 1: giới thiệu các loại phản ứng chuyển vị, điều kiện xảy ra đối với từng loại, cơ chế phản ứng, và các ví dụ minh họa. - Phần 2: bài tập để giúp HS rèn luyện, củng số kiến thức lý thuyết. Qua sự đúc kết kinh nghiệm bản thân, tổng hợp kiến thức trong nhiều năm giảng dạy và BD HSG, Tôi hy vọng chuyên đề này sẽ là tài liệu hữu ích cho học sinh các lớp chuyên hóa trong quá trình học tập nâng cao kiến thức. II. CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ THỰC TIỄN. - Hóa học là môn khoa học thực nghiệm, sau rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới trong lĩnh vực liên quan đến hóa hữu cơ thì hiện tượng chuyển vị là 1 trong những thành tựu nổi bật về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm. Trong quá trình bồi dưỡng HSG chuyên sâu về hóa hữu cơ, từ những phản ứng đơn lẻ, chuổi phản ứng tích hợp, giải thích các quá trình hình thành sản phẩm … liên quan rất nhiều đến quá trình chuyển vị. - Hiện nay, sách tham khảo dành cho học sinh, sinh viên chuyên hóa tương đối nhiều, nhưng chưa có tài tiệu nào tổng hợp đầy đủ về vấn đề này. Chuyên đề Tôi soạn dựa trên các tài liệu khoa học có uy tín trên thế giới, các trang web chuyên về hóa học, các công trình đã dược công bố, các bài tập được chọn lọc để học sinh rèn luyện và đã có kết quả khả quan trong các kì thi Quốc gia trong những năm vừa qua. III. TỔ CHỨC THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP. - Chuyên đề được thực hiện bắt đầu từ sự thu thập tài liệu liên quan, chắt lọc kiến thức, sắp xếp có hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Cơ chế của từng loại phản ứng tương đối đầy đủ, các ví dụ minh họa kèm theo để giúp người đọc tiếp thu dễ dàng. - Xây dựng hệ thống bài tập để Học sinh vận dụng kiến thức lý thuyết, rèn luyện tính tư duy, phán đoán, suy luận giải quyết vấn đề. - Đưa ra 1 số gợi ý, đáp án để HS kiểm chứng. IV. HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI. Chuyên đề đã được triển khai trong giảng dạy và BD ĐT Olympic khu vực & HSGQG trong 4 năm gần đây đạt kết quả rất khả quan và sử dụng làm tài liệu học tập cho HS chuyên hóa tại trường. V. ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG Chuyên đề có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho HS và GV chuyên hóa học. VI. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GSTS. Trần Quốc Sơn (2010). Tài liệu chuyên hóa học 11- 12, tập 1 , NXBGD Việt Nam. 2. PGS.TS Trương Thế Kỉ (2006) . Hóa hữu cơ – hợp chất đơn chức & đa chức, tập 1 , NXB Y học . 3. GSTS. Đặng Như Tại - Ngô Thị Thuận (2012). Hóa học hữu cơ, tập 1 , NXBGD Việt Nam. 4. Jonathan Clayden, Nick Greeves, Stuart Warren & Peter Wothers (2012). Organic chemistry , Mc Graw-Hill. 5. Jie Jack Li (2006). Name reactions, fifth Edition , Sringer. 6. Alfred Hasser – C. Stumer (2002). Organic syntheses based on name reactions, Volume 22, Pergamon. 7. V.K. Ahluwalia & Rakesh K. Parashar (2010). Organic reaction mechanisms (Fourth Edition) , Narosa Publishing House 8. http://www.organic-chemistry.org/ 9. Merck & Co., Inc., Whitehouse Station, NJ, USA, 2011. 10. CHEMISTRY EDUCATION: research and practice in europe 2002, Vol. 3, No. 1. NGƯỜI THỰC HIỆN Nguyễn Minh Thư LỜI MỞ ĐẦU. Hóa hữu cơ là 1 môn khoa học ứng dụng cao trong cuộc sống. Các phương pháp tổng hợp, bán tổng hợp các chất sử dụng trong nhiều lĩnh vực : dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm, nông nghiệp… luôn được các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu. Phản ứng chuyển vị là 1 trong những phản ứng rất quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Sau nhiều năm giảng dạy, bồi dưỡng HSG chuyên hóa, Tôi nhận thấy viết 1 chuyên đề hoàn chỉnh về vấn đề này rất cần thiết. Chuyên đề này vừa là tài liệu để các bạn đồng nghiệp tham khảo, vừa được sử dụng như là giáo trình để học sinh chuyên hóa học tập. Với sự kết hợp kinh nghiệm bản thân, các tài liệu quý đang có và nguồn tài liệu, các trang web phong phú, tin cậy trên internet Tôi đã hoàn tất chuyên đề 1 cách tương đối . Do điều kiện về thời gian hạn hẹp, chuyên đề có thể còn sai sót, rất mong quý đồng nghiệp góp ý kiến để chuyên đề đạt chất lượng hơn. PHẦN 1. CÁC PHẢN ỨNG CHUYỂN VỊ QUAN TRỌNG TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ. Chuyển vị là quá trình chuyển dịch nội phân tử một nguyên tử, 1 nhóm nguyên tử hay 1 liên kết từ 1 nguyên tử này (vị trí chuyển đi) sang 1 nguyên tử khác ( vị trí chuyển đến) để tạo thành sản phẩm đồng phân của sản phẩm bình thường. Một số loại phản ứng chuyển vị quan trọng: + Chuyển vị 1, 2: vị trí chuyển đi và vị trí chuyển đến ở cạnh nhau. + Chuyển vị 1,3 (thuộc dãy không no). + Chuyển vị từ nhóm chức vào vòng thơm (thuộc dãy thơm). I. CHUYỂN VỊ 1,2. I.1. Chuyển vị 1,2 nucleofin. Là sự chuyển vị mà nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử chuyển đi mang theo cả cặp electron. I.1.1. Chuyển vị đến nguyên tử cacbon. a. Chuyển vị Wagner-Meerwein: Chuyển vị nguyên tử hidro, gốc ankyl, aryl đến vị trí C+ tạo cacbocation bền hơn. Loại chuyển vị này thường gặp ở phản ứng tạo cacbocation trung gian : anken có xúc tác H+ , phản ứng tách hoặc thế của dẫn xuất halogen, ancol có xúc tác axit, amin/HNO2. Ví dụ 1: CH3 CH3CH - CH=CH2 + HBr CH3 CH3CH - CH=CH2 + HBr CH3 CH3 - Br- + CH3C - CH- CH3 Br- CH3CH - CH- CH3 chuyeån vò H 1, 2 H Br + CH3CH - CH2- CH3 CH3 (beàn hôn) BrCH3 CH3C - CH2- CH3 Br Ví dụ 2: (Saûn phaåm chính) CH3 CH3 CH3 - Cl CH3C - CH=CH2 + HCl - CH3 + CH3C - CH- CH3 CH3 +Cl chuyeån vò ankyl 1, 2 + CH3C - CH- CH3 CH3CH3 - CH3C - CH- CH3 goác CH3 Cl (beàn hôn) + ClCH3 (Saûn phaåm chính) CH3C - CH- CH3 Cl CH3 Ví dụ 3: CH3CH - CH- CH3 + H2O SN1 CH3 Br Cô cheá phaûn öùng: CH3CH - CH- CH3 CH3 Br CH3 - Br - CH3 + HO CH3C - CH- CH3 2 CH3C - CH- CH3 chuyeån vò H 1, 2 H + CH3C - CH2- CH3 CH3 H OH (beàn hôn) H2O CH3 CH3C - CH2- CH3 OH Ví dụ 4: (Saûn phaåm chính) CH3 C - CH- CH3 CH3OH E1 CH3Cl CH3 C - CH- CH3 - Cl - CH3Cl CH3 CH3 + chuyeån vò nhoùm C - CH- CH3 CH3 1, 2 CH3 C - CH- CH3 + CH3 - H+ CH3 C = C- CH3 CH3 Ví dụ 5: CH3CHCH2CH2OH CH3 H2SO4 ñ, t0 + CH3CHCH2CH2OH2 CH3 + + CH3CH - CH-CH2 - H CH3CH - CH=CH2 CH3 H chuyeån vò H 1, 2 + CH3CH - CH-CH3 CH3 - H+ CH3C = CH-CH3 CH3 (Saûn phaåm chính) Ví dụ 6: ( chuyển vị Retropinacol ) CH3 CH3 0 CH3C - CH - CH3 H3PO4 ñ, t CH3 + CH3C - CH - CH3 CH3 - H+ CH3C - CH = CH2 CH3 CH3 OH CH3 chuyeån vò nhoùm CH3 1, 2 CH3 -H CH3 + CH3C - CH - CH3 + CH3 CH3C = C- CH3 (Saûn phaåm chính) CH3 Ví dụ 7: (chuyển vị liên kết) Ví dụ 8: ( chuyển vị Nametkin ) chuyển vị nhóm CH3 1,2 b. Chuyển vị pinacol-pinacolon: Cho sơ đồ tổng quát: R R R - R C C OH X R -X R C R + C OH R chuyeån vò R R + C R + C OH R Pinacol -H R R C C O R Pinacolon Trường hợp tiêu biểu X là nhóm OH ; R : nhóm CH3. Nếu X là nhóm OH, xúc tác là H+ ; nếu X là nhóm halogen , xúc tác là Ag+ Ví dụ 1. Trường hợp hợp chất pinacol có tính đối xứng: R CH3 CH3 CH3 C + Ag C CH3 CH3 CH3 + -AgBr OH Br chuyeån vò + CH3 C CH3 + C CH3 C CH3 + -H CH3 C CH3 OH CH3 OH CH3 C C O CH3 CH3 * Nhóm chuyển vị đóng vai trò như 1 tác nhân nucleofin nên nhóm nào đẩy e mạnh hơn sẽ ưu tiên chuyển dịch: + C6H5 C C C6H5 OH OH CH3OC6H4 CH3OC6H4 CH3OC6H4 C6H4OCH3 +H -H2O C6H5 C + C chuyeån vò C6H5 OH C6H4OCH3 + C6H5 C CH3OC6H4 + -H C C6H5 C6H5 C6H C C O C6H4OCH OH C6H4OCH3 Ví dụ 2. Trường hợp hợp chất pinacol không có tính đối xứng: C6H5 CH3 CH3 + C6H5 C C OH OH +H CH3 C6H5 + C C -H2O C6H5 OH CH3 chuyeån vò C6H5 C CH 3 + C C6H5 OH CH3 - H+ CH3 C6H5 C C C6H5O CH3 Phản ứng phân cắt liên kết C – OH xảy ra ưu tiên theo hướng tạo ra cacbocation trung gian tương đối bền hơn. c. Chuyển vị Wolff : Phản ứng chuyển hóa α-diazoxeton thành xeten, sau đó tác dụng với H2O tạo ra axit hoặc tác dụng với ancol tạo este… Cơ chế tổng quát: αdiazoxeton chuyển vị gốc R 1,2 xeten cacben H2O O C R1 R2 xeten ROH R1 O C R2 OH R1 O R2 C O CH2 = CH2 Phản ứng cộng tạo vòng [2,2]. chuyển vị gốc R - 1,2 OR R1 R2 Ứng dụng tổng hợp Arndt-Eister: Clorua axit tác dụng với diazometan, phân hủy sản phẩm bằng cách đun nóng với Ag2O tạo ra xeten, cho xeten tác dụng với nước được axit có số nguyên tử cacbon tăng 1 so với clorua axit ban đầu: xeten + 2CH2N2 R C R O Cl H2O -(CH3Cl, N2) R CH2 80% C C + Ag2O R O 92% CHN2 CH C O - N2 O OH d. Chuyển vị benzylic: Là sự chuyển hóa α-dixeton thành α -hidroxi axit. Cơ chế phản ứng chung: Chuyển vị nhóm R- 1,2 I.1.2. Chuyển vị đến nguyên tử Nitơ a. Chuyển vị Beckmann: chuyển hóa hợp chất oxim thành amit N – thế. R1R2C=N-OH → R1CONHR2 hoặc R2CONHR1 ( xúc tác: H2SO4, CF3COOH, SOCl2, PCl5…) Ví dụ: xiclohexanon Xiclohexan oxim ε-caprolactam (95%) Cơ chế chuyển vị Beckmann: Oxim Chuyển vị gốc R đến N Amit Lưu ý: Trong phản ứng chuyển vị Beckmann, với các hợp chất oxim không đối xứng (có đồng phân hình học) nhóm bị chuyển vị ở vị trí anti với nhóm -OH. Ví dụ: b. Chuyển vị Curtius: chuyển hóa hợp chất azid thành isocyanat. Azid isocyanat Điều chế hợp chất azid từ clorua axit và Natri azua: Cơ chế chuyển vị Curtius: Chuyển vị nhóm R đến nitơ H2 O RNH2 + CO2 c. Chuyển vị Hofmann: Phản ứng giữa amit với Br2 trong dung dịch kiềm hoặc hipobromit kiềm tạo amin. Amin Amit Cơ chế phản ứng: Chuyển vị gốc R sang nguyên tử N Ví dụ : Chuyển vị gốc R sang nguyên tử N Bazơ liên hợp của amit d. Chuyển vị Lossen Tổng quát: N- ankyl isocyanat (Dẫn xuất của axit o-axylhidroxamic) Cơ chế phản ứng: Cơ chế phản ứng Chuyển vị nhóm R1 đến N Ankyl isocyanat e. Chuyển vị Schmidt: Phản ứng chuyển hóa axit cacboxylic thành amin qua chất trung gian là isocyanat (có sự dịch chuyển gốc ankyl sang nguyên tử N hình thành liên kết mới), và chuyển hóa hợp chất xeton thành amit. Xúc tác sử dụng là H2SO4 hoặc axit Lewis. axit hydrazoic isocyanat Amin Xeton Amit Cơ chế chuyển vị Schmidt: Cơ chế 1: Axit cacboxylic Chuyển vị gốc R đến N Cơ chế 2: Chuyển vị gốc R’ đến N Ví dụ: I.2. Chuyển vị 1, 2 electrofin, đồng li. Nhóm chuyển vị không mang theo cặp electron liên kết (đóng vai trò như tác nhân electrofin), tạo liên kết mới với cặp eletron của nguyên tử chuyển đến. a. Chuyển vị Stevens: chuyển hóa muối amonium hoặc sunfonium thành hợp chất amin hoặc thioete dưới tác dụng của bazơ mạnh. Sơ đồ tổng quát: B: bazơ mạnh Cơ chế phản ứng: Sự chuyển vị của gốc R’’’ b. Chuyển vị Wittig 1, 2: phản ứng giữa 1 ete với 1 ankyl litium tạo ancol Nếu có 1 nhóm rút e ( - CN) sẽ hình thành xeton. Cơ chế phản ứng: Chuyển vị Wittig [2, 3]: tổng hợp ancol homoanlylic từ các anlyl ete. Ví dụ: Sơ đồ chung: Sau khi cacbanion được hình thành, phản ứng chuyển vị Wittig [2, 3] xảy ra nhanh chóng ở nhiệt độ thấp; nếu t0 trên -600C thì xảy ra chuyển vị Wittig [1, 2] II. CHUYỂN VỊ 1,3. 1. Chuyển vị Anlylic: thường xảy ra trong phản ứng thế của các dẫn xuất anlyl ( thường gặp nhất trong phản ứng thế SN1) Sơ đồ tổng quát: Cơ chế phản ứng: Ví dụ: 2. Tautome xeto - enol: Sự chuyển hóa giữa hợp chất enol và xeto. Enol và xeto (các tautome) là các hợp chất đồng phân cấu tạo, tồn tại trong 1 bân bằng được xác định bởi độ bền của các tautome dưới xúc tác H+ hoặc HO-. Ví dụ : (99,9998%) (0,0002%) Ngoài ra cân bằng xeto – enol cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và dung môi. Xeto Enol Axetylaxeton Có sự liên hợp và liên kết H nội phân tử Nếu dung môi là benzen : 6% 94% Nếu dung môi là nước : 89% 19%