Tài liệu Tong họp hưu cơ chưng 4 - 1

Thời gian thực hiện: 3 tiết GIÁO ÁN SỐ : 11 Tên chương: Chương IV: Phản ứng đóng vòng Thực hiện ngày tháng năm 2015 TÊN BÀI: Phản ứng đóng vòng I. MỤC TIÊU CỦA BÀI: Sau khi học xong bài này người học có khả năng (kiến thức, kỹ năng, thái độ): - Sinh viên hiểu được nguyên lý chung để tạo hợp chất mạch vòng từ hợp chất mạch hở. - Sinh viên hiểu và vận dụng được phản ứng đóng vòng dựa trên sự tương tác electrophile – nucleophile của carbon – carbon hoặc carbon – dị tố. - Sinh viên hiểu và giải quyết được các vấn đề trong các quy trình công nghệ tiêu biểu. Từ đó sinh viên có thể vận dụng trong qua trình nghiên cứu tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác nhau. II. ĐỒ DÙNG VÀ TRANG THIẾT BỊ DẠY HỌC: - Thái Doãn Tĩnh, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, T2, T3, 2005. - Hóa học hữu cơ-phần 1 và 2. Ngô thị Thuận, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2006 và 2008. - Máy chiếu overhead hoặc projector III. TIẾN TRÌNH LÊN LỚP IV. ỔN ĐỊNH LỚP HỌC: Thời gian:03 phút + Kiểm tra sỹ số: (Thời gian: 03 phút). Tổng số:............Có mặt:..........Vắng mặt...... + Tên học sinh vắng:...............................................................Lý do........................ ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... V. Phân bổ thời gian (phút) 30 THỰC HIỆN BÀI HỌC: Nội dung chi tiết IV.1 Phản ứng Diels-Alder IV.1.1 Đặ điểm Phản ứng Diels-Alder được gọi là phản ứng cộng đóng vòng 1,4 [4+2] vì sản phẩm vòng được tạo ra bởi tương tác của 4 electron pi(diene) và 2 electron pi(dienophile). Khi một anken hay ankin “nghèo” electron có thiên hướng phản ứng với một diene, nó được gọi là dienophile, còn thành phần chứa hai liên kết đôi liên hợp được gọi là thành phần đien. Phản ứng Diels-Alder cũng giống như phản ứng nucleophile- 1 Phương pháp, phương tiện (hoạt động của thầy và trò) Cho xem video thuyết trình + vấn đáp electrophile. Các điene là những chất “giàu” electron, còn các dienophile là những chất “nghèo” electron. Một đien đơn giản là 1,3-butadiene. Sự có mặt của nhóm ankyl hay alkoxy (-OR) có thể làm tăng khả năng phản ứng của đien. Các anken và ankin (đienophile) đơn giản là ethene và ethyne. Một dienophile thông thường có một hay nhiều nhóm thế hút electron (-W) nhằm hút mật độ electron ra xa liên kết pi, (-W) có thể là nhóm cacbonyl chứa (C=O) hay nhóm cyano (- C≡N): Gv: Viết bảng giải trích cơ chế phản ứng và lấy một số vị dụ rồi gọi sinh viên làm. Thành phần đien trong phản ứng Diels-Alder có thể là mạch hở hay vòng, cũng có thể là một số các nhóm thế nhưng phải nằm trong giới hạn: Các đien phải tồn tại trong cấu dạng s-cis. Nếu các nhóm thế lớn hơn hydro thì sự cản trở về mặt không gian có thể ảnh hưởng đến độ bền của cấu dạng. Đặc biệt, các đien vòng có cấu dạng s-cis tham gia phản ứng Diels-Alder, các đien như vậy được gọi là Danishefsky’s đien (vd: cyclopentadien). Trong khi đó các đien vòng có cấu dạng s-trans sẽ không tham gia phản ứng Diels-Alder. Hợp chất vòng benzen hiếm khi trải qua phản ứng Diels-Alder và thường phải có đienophile hoạt tính cao. Các đienophile có nhóm hút điện tử liên hợp gắn vào anken hay ankin. Nhưng đặc điểm này không phải là riêng biệt của đienophile Diels-Alder. Có thể có nhiều hơn sự liên hợp, ít nhất một nhóm phenyl hay nguyên tử clo. Đienophile có thể được hoạt hóa nhờ axit lewis (như NbCl5). Cyclopentadien sẽ không phản ứng với cyclohexenon trong etyl axetat nếu không có mặt của axit lewis. Hiệu suất tăng khi nhiệt độ phản ứng được giữ ở <-78 oC. Xúc tác NbCl5 chỉ cho 2 GV: với phản ứng này tì ản phẩm là gì? sản phẩm endo. Nhưng khi thay xúc tác bằng aluminium clorua thì sẽ cho hỗn hợp endo và exo (Xem đồng phân endo-exo- 15 IV.1.2 Một số đien và đienophile IV.1.3 Cơ chế phản ứng Diels-Alder Cho đến nay cơ chế phản ứng Diels-Alder vẫn chưa hết gây tranh luận và còn đang được nghiên cứu. Theo quan điểm của hóa học hữu cơ cổ điển, các cơ chế chỉ thực sự được chấp nhận khi các phương pháp phổ nghiệm chứng minh được có sự hiện diện của các hợp chất trung gian (intermediate) theo đúng đường đi của cơ chế. Nhưng trong hóa học hữu cơ hiện đại, chỉ cần có sự chuyển động của obitan đến một khoảng cách thích hợp để xảy ra sự xen phủ tạo thành liên kết mới đã được cho là có cơ chế. Tương tác chính của Diels-Alder là HOMO (MO có năng lượng cao nhất điền đầy các electron) của đien và LUMO (MO có năng lượng thấp nhất chứa các orbital trống) của đienophile, cụ thể ở đây là 1,3butadiene và ethene. Trong hình vẽ, hai AO p của hai cacbon trong ethane tổ hợp để cho ra hai MO, MO được điền electron là HOMO, còn MO ở trên không được điền electron là LUMO. Ký hiệu S (symmetric: đối xứng) và A (antisymmetric: phản xứng) mô tả tính đối xứng của hàm sóng, sự đối xứng ở đây là mặt phẳng đối xứng. 3 GV: vậy điều kiện của phản ứng là gì? Tương tự ta xét hệ thống pi liên hợp của 1,3-butadiene, HOMO là A còn LUMO là S. Lưu ý, HOMO và LUMO lúc này chỉ là HOMO pi và LUMO pi, không phải là HOMO và LUMO của cả phân tử. Tiếp đó xảy ra sự tương tác chéo giữa HOMO của hợp phần này với LUMO của hợp phần khác và ngược lại: 15 Trong quá trình nghiên cứu, Alder đã rút ra các nguyên tắc về lập thể của phản ứng- “Nguyên tắc Alder” 1. Chỉ các diene có cấu dạng cis mới có thể tham gia được vào phản ứng Diels-Alder, còn cấu dạng trans không tham gia được phản ứng này. GV: endo là gì? 2. Sản phẩm của phản ứng cộng Diels-Alder luôn có cấu trúc dạng “endo”, nghĩa là các nhóm thế của dienophile luôn hướng về phía liên kết đôi mới tạo ra. Ngược hướng với “endo” là dạng “exo”, khi nối đôi mới hình thành nằm xa các nhóm thế: 4 3. Trong sản phẩm cộng hợp các nhóm thế, các thành phần dienophin luôn giữ nguyên dạng ban đầu mà nó đã có trong nguyên liệu, nếu nguyên liệu ban đầu có các nhóm thế ở dạng trans hoặc cis thì trong sản phẩm cũng ở vị trí đó. 4. Các nhóm thế đẩy điện tử làm tăng khả năng phản ứng của thành phần diene, còn các nhóm thế hút điện tử lại làm tăng khả năng phản ứng của thành phần dienophile. Điều này cũng giải thích vì sao trong thành phần dienophile luôn có chứa ít nhất một nhóm thế hút điện tử. 5. Chọn lọc lập thể Phản ứng Diels-Alder có tính đặc thù lập thể (stereospecific) với cả đien lẫn đienophile - cisđienophile cho nhóm thế cis ở sản phẩm. - trans-dienophile cho nhóm thế trans ở sản p - Nếu nhóm thế ở diene có cùng hóa lập thể, thì 2 nhóm này nằm cùng phía ở sản phẩm - Nếu nhóm thế ở diene không cùng hóa lập thể, thì 2 nhóm này nằm khác phía ở sản phẩm 5 - Điene vòng có thể cho sản phẩm đồng phân lập thể tùy thuộc vào dienophile hay diene. GV: thuyết trình 10 15 Gv: xúc tác IV.1.4 Năng lượng của phản ứng Diels-Alder Trong quá trình phản ứng, ba liên kết π và bốn liên kết σ biến Lewis là gì? mất, đồng thời sáu liên kết σ và một liên kết π tạo ra, theo tính toán sẽ giải phóng ra 30 kcal/mol năng lượng và thực tế đo được năng lượng giải phóng ra từ các phản ứng loại này thuộc loại giải phóng năng lượng nhẹ. IV.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng Các yếu tố thường ảnh hưởng tới phản ứng là xúc tác, dung môi, nhiệt độ, tỷ lệ mol giữa các chất tham gia phản ứng. Xúc tác: xúc tác axit Lewis có tác động mạnh đến hệ phản ứng cả về tốc độ lẫn chọn lọc lập thể hơn là hệ không có xúc tác. Ví dụ về khả năng chọn lọc vùng khi có mặt xúc tác axit Lewis, đó là phản ứng của piperylene và metyl acrylat, sản phẩm chính ở vị trí ortho. 15 Dung môi: Các dung môi được sử dụng trong phản ứng DielsAlder thường là dung môi trơ, với vai trò làm chất pha loãng, mặt khác, với độ sôi của dung môi có thể điều khiển được nhiệt độ phản ứng. Các dung môi thường hay được dung là ete dầu hoả, hexan, benzin (xăng), benzene, ligroin, clobezen toluene, ete, xylem, etyl axetat, nitrobenzene, đôi khi cả nhũ tương trong GV: cách tiến nước. Nhiệt độ: thông thường phản ứng khổi đầu trong khoảng hành phản 30 đến 50 oC và sau đó với nhiệt độ toả ra của phản ứng, phản ứng tiếp túc cho đến khi kết thúc. Có một số trường hợp nhiệt độ ứng ra sao? khơi mào của phản ứng cần cao hơn (từ 50 đến 250 oC ) trên nhiệt độ sôi của các dung môi. Trường hợp các tác nhân có nhiệt độ sôi thấp phải tiến hành phản ứng trong thiết bị kín chịu áp 6 15 15 lực. Tỷ lệ mol: phần lớn trong các phản ứng dùng thừa thành phần dienophin, đối với các chất dễ phản ứng thường được sử dụng theo tỷ lệ dien/dienophin bằng 1/1. IV.1.6 Cách tiến hành phản ứng Cả thành phần diene và dienophile đều là những hợp chất có khả năng phản ứng mạnh. Khi thực hiện phản ứng, trước tiên cần làm nóng thành phần dienophile đến nhiệt độ khơi mào cần thiết của phản ứng rồi cho từ từ thành phần dien vào, sau đó với nhiệt lượng nhẹ tỏa ra, phản ứng tiếp tục cho tới khi kết thúc. Đối với những chất phản ứng yếu hơn, chỉ cần cho toàn bộ dung môi và chất tham gia phản ứng vào chung một thiết bị rồi đun hồi lưu cho đến khi phản ứng kết thúc. Lưu ý khi dùng autoclave, để tiến hành phản ứng chỉ nên cho từ 1/3 đến 1/2 thể tích thiết bị. IV.1.7 So sánh khả năng phản ứng của các đien và đienophin IV.1.7.1. Khả năng phản ứng của các đien: Để so sánh khả năng phản ứng của các ddien, người ta thường đo bằng việc cho phản ứng với hai tác nhân đienophin mạnh nhất đó là anhydrit maleic và tetraxyan etylen và dau đây là trình tự xếp hạng khả năng phản ứng của các đien: Gv: Khả năng phản ứng của các đien có như nhau không? Giáo viên: nhắc lại quá trình tổng hơp hữu cơ bằng phương pháp đóng vòng. Củng cố kiến thức và kết thúc bài 5 - Phương pháp vòng hóa nội phân tử dựa trên sự tương tác electrophile – nucleophile - Phương pháp cộng hợp vòng - Phương pháp vòng hóa vòng electron Hướng dẫn tự học và giao nhiệm vụ về nhà - Bài tập về nhà Nguồn tài liệu tham khảo -Ngô Thị Thuận, Hóa học hữu cơ phần bài tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật , 2006. -Tìm trên iternet. Rút kinh nghiệm 7 Sv: Sinh viên tư duy lại các phần đã học và tóm tắt Gv; giao bài tập về nhà. ............................................................................................................ .................................................................................... Xác Nhận Ngày .... tháng ..... năm 2015 TRƯỞNG KHOA /TRƯỞNG TỔ MÔN GIÁO VIÊN 8