Bài tập cơ chế phản ứng Hữu cơ có hướng dẫn chi tiết dành cho sinh viên

TUYỂN TẬP BÀI TẬP PHỔ THÔNG, ĐẠI HỌC, SAU ĐẠI HỌC
LUẬN ÁN-ĐỒ ÁN-LUẬN VĂN-KHOÁ LUẬN-TIỂU LUẬN

BÀI TẬP CƠ CHẾ PHẢN ỨNG HỮU CƠ
CÓ HƯỚNG DẪN CHI TIẾT

1


BI TP C CH PHN NG
Bài tập số 1: Cho sơ đồ :
CH3

CH3
CH
Cl2 , Fe

, askt
B Cl2
C

NaOH

D

Cumen(A)

NaOH
t0, p

E

Các chuỗi phản ứng đều diễn ra theo tỉ lệ mol 1:1, các chất ghi trên sơ đồ đều là sản
phẩm chính. Viết các phơng trình phản ứng và cho biết cơ chế các phản ứng từ A B,
B C. Giải thích sự tạo thành sản phẩm chính của 2 phản ứng này.
Bài tập số 2:

a. Cho sơ đồ sau :

Hexin-3

HCl
xt , t0

C6H12Cl2

Viết cơ chế phản ứng và cấu trúc của sản phẩm tạo thành.
b. Butin-2

Br2 , 1:1

A

Xác định cấu trúc của A và gọi tên.
Bài tập số 3: Viết công thức các đồng phân lập thể không đối quang ( đồng phân lập thể
đi-a ) của 2-clo-1,3-đimetylxiclohexan và cho biết cấu trúc sản phẩm tạo thành khi cho
các đồng phân đó tác dụng với CH3ONa.
Bài tập số 4: Hoàn thành các chuỗi phản ứng sau:
a. CH3I
+ (CH3)2CHOb. CH3O
+ (CH3)2CHI

c. (CH3)3CCH2I
+ C2H5Od. (CH3)3Br
+ CH3O-

Cl

e.
f.
g.

CH2Br
CH2O-

+ (CH3)3CO+ (CH3)2CHCH2O+ (CH3)2CHCH2Br

2


Bài tập số 5: Hoàn thành các phản ứng sau:
CH3
C

CH3

a.

H2O

CH2Br

SN1, E1

CH3
CH3
CH3

CH2

b.

CH2

C

CH3

H2O
SN1, E1

Br
CH3
CH3

c.

C

CH

CH3

CH3 Cl

CH2
CH

CH2

d.

H2O
SN1, E1

CH2Br

CH2

H2O
SN1, E1

Bài tập số 6: Hãy cho biết sản phẩm tạo thành khi thực hiện phản ứng đêhiđrat hoá các
chất sau với xúc tác axit H+. Trình bày cơ chế phản ứng.
a. propan-1,2-điol.
b. 2-metylpropan-1,2-điol.
c. 2-metylbutan-2,3-điol.
Bài tập số 7:
a. Viết phơng trình phản ứng khi cho alyl clorua, benzyl clorua tác dụng với dung dịch
KOH đun nóng.
b. Hợp chất hữu cơ X có cấu tạo không vòng có công thức C 4H7Cl và có cấu hình E. Cho
X tác dụng với dung dịch NaOH trong điều kiện đun nóng thu đợc hỗn hợp sản phẩm

bền có công thức C4H8O.
Hãy cho biết cấu trúc của X và cấu hình của sản phẩm tạo thành.
Bài s 8 : Viết các phơng trình phản ứng theo tỉ lệ số mol 1:1 của các chất sau đây với
dung dịch Br2 trong CCl4. Giải thích sự định hớng phản ứng :
a, CH2= CH- CH2- C CH
c, (CH3)2C= CH- CH2- CH= CH2

b, CH2= CH- C CH
d, CH3- CH= CH- CH2- CH= CHBr

3


Bài s 9 : Khi cho iso-butilen vào dung dịch HCl có hòa tan NaCl, CH 3OH có thể tạo ra
những hợp chất gì ? Giải thích.
Bài sụ10 : Viết sản phẩm và giải thích cơ chế phản ứng của etilen với :
a, Br2 trong CCl4

b, Br2 trong H2O

c, Br2 trong nớc có pha NaCl

Bi gii mu
Bài tập số 1:
CH3

CH3

CH3

CH3
CH

CH
0

+

Cl2

Fe , t

+

H Cl

(B)
Cl

CH3

CH3

CH3

CH3
Cl

C

CH
+

Cl2

askt
(C)

+ HCl

Cl

Cl

CH3

CH3

CH3

CH3
OH

C

Cl

C

NaOH

+

(D)

+ NaCl

Cl

: Cl

Nguyên tử Cl liên kết trực tiếp với vòng benzen khó bị thuỷ phân do có sự giải toả
electron của Cl vào vòng benzen nhờ hiệu ứng +C.
CH3

CH3

CH3
C

CH3
C

OH

OH

0

+

NaOH

t ,p
(D)

+

NaCl

OH

: Cl

Cơ chế phản ứng từ A B
Phản ứng theo cơ chế electrophin vào nhân thơm SEAR.
3 Cl2

+ 2 Fe

FeCl3 + Cl2

t0

2 FeCl
_3
+


Cl ... FeCl4

4


CH3

CH3

CH3

CH3
CH

CH

_


+
Cl ... FeCl4

+

H

FeCl4

+

+

Cl
Phức

CH3

CH3

CH3

CH

CH3
CH

H

Cl

Cl

Phức
H

H

+

+

+

FeCl3

FeCl4

+

HCl

Do gốc (CH3)2CH- có hiệu ứng +I là nhóm thế loại I nên định hớng phản ứng thế tiếp
theo vào vị trí ortho và para. Nên ở giai đoạn tạo phức có thể có hai phức sau:
CH3

CH3

CH3

CH3

CH

CH

+

+

H

(I)

Cl
H

(II)

Cl

Do gốc (CH3)2CH- có sự án ngữ về không gian nên dẫn đến Cl + khó tấn công vào vị trí
ortho nên phản ứnức (II) khó hình thành hơn. Cho sản phẩm chính là :
CH3

CH3
CH

Cl

Cơ chế phản ứng B C
Phản ứng thế theo cơ chế gốc SR, gồm các giai đoạn :
- Khơi mào phản ứng :

as

Cl2

2 Cl

.

- Phát triển mạch :

CH3

CH3

CH3
CH
+
Cl

Cl

.
C

.

CH3

+

H Cl

Cl

5


CH3

CH3

CH3

.
C

CH3
C

Cl

+ Cl2

+

Cl

.

Cl

Cl

Cứ nh vậy
- Ngắt mạch
.
.
Cl + Cl
.
.

R + Cl
.
.
R + R

Cl2
R
R

Cl
R

CH3

.
Với gốc tự do R : Cl

C.
CH3

Trong giai đoạn phát triển mạch có thể sinh ra các gốc sau :
CH3
.
C

.
CH2

CH3

CH3

CH
(II)

(I)
Cl

Cl

Gốc (I) bền hơn do có hiệu ứng +C của vòng benzen và hiệu ứng +H. Gốc (II) kém bền
hơn do chỉ có hiệu ứng +H.
Nên sản phẩm chính là :
CH3

CH3
C

Cl

Cl

Bài tập số 2:
Cl
CH3

.

CH2

C

C

CH2

CH3 + 2 H Cl

CH3 CH2 CH2

C

CH2CH3

Cl

Cơ chế :

6


CH3

CH2

C

C

CH3 HCl

CH2

CH3

CH2

C

C

CH2

CH3

H
Cl

HCl

Cl

CH2

CH3

CH2

CH3

CH2

CH3

C

C

H
H

Cl

C

C

H

Cl

H

Cl

C

C

H

Cl

CH2

CH3

CH2

CH3

CH2

CH3

b.Ph¶n øng tu©n theo quy t¾c Maccopnhicop vµ theo híng céng hîp trans.
Br
2 CH3

C

C

CH3

+ Br2

1:1
CH3
céng trans

C

C

CH3

Br
trans - (hay E-)2,3 -®ibrom-2-buten
Br
Br
CH3

C

C

CH3

Br

Br

CH3

C

C

CH3 Br

CH3

C

C

CH3

Br

Bµi tËp sè 3:
CH3

Cl

CH3
CH3

CH3

CH3

Cl

Cl
(I)

Cl

CH3

CH3

(II)

CH3

(III)

7


H
H

H

H

H

H3C

CH3

H3C

H3C

CH3

CH3

Cl

H

Cl

Cl

Không tách được vì H
ở C bên cạnh không đồng
phẳng và đều ở vị trí cis đối
với clo

Cả 2 H ở C
bên cạnh đều
tách ra

Chỉ có 1 H là tách được

CH3

CH3

1,3-đimetylxiclohexen
CH3

CH3

1,3-đimetylxiclohexen

Quy tắc Barton Hassel : Phản ứng tách nucleofin ở vòng no chỉ chạy tốt khi các
nhóm thế đợc tách ra ở vị trí axial trans.
Bài tập số 4:

CH3
CH OCH3

CH3

a. CH3I + (CH3)2CHO-

I- +

b. CH3O- + (CH3)2CHI
c.

CH3OH + I- +

CH2

CH

CH3

CH3
C

CH3

CH3

CH3
CH3

CH2I + C2H5O-

C

CH2

C
CH3

I-

(Phụ)
CH2

CH3

CH3

O C 2 H5 +

+ C2H5OH + I

CH2

Khó vì vòng này nhỏ kém bền

d. (CH3)3CBr + CH3O-

CH2 = C (CH3)2 + CH3OH + Br-

e.

Cl
+ (CH3)3CO-

f.

CH2Br

+ (CH3)3COH + ClCH2OCH2CH(CH3)2

+ (CH3)2CHCH2O-

+ Br-

8


g.

CH2CH2CH(CH3)2

CH2O-

+ Br-

+ (CH3)2CHCH2Br
CH2

C

CH2OH

CH3

+

+ Br-

CH3

a.

Bµi tËp sè 5:
CH3

CH3
C

CH3

H2O

CH2Br

SN1, E1

CH3

CH3

CH2

C

CH3

CH2

C

CH3

CH3

CH3

OH
CH3
CH3

CH2

CH3

CH

CH3 + CH2

CH3

CH3

CH2

C

C

CH3

CH3

C

CH2

C

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3
2 CH3

CH2

OH
CH2

C

CH2 CH3

C

CH3 CH2
H2O

CH3

SN1, E1

CH

CH3

CH2 CH3

C
CH3

Br
CH3

CH2

C

b.

CH2

CH2 CH3

c
CH3
3 CH3

C

CH

CH3

CH3

H2O
SN1, E1

CH3

CH3 Cl

CH3

CH3

CH3
CH3

CH

CH3

ChuyÓn vÞ

CH3

C

C
CH3

CH

CH3

C

C

CH3

CH3 CH3
s¶n phÈm
chÝnh

CH3

OH

CH3

C

C

CH3

CH3

9


d.
CH2

CH

CH2

CH2

H2O

CH2Br

CH2

Chuyển vị

CH2

C

CH3

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH3

C

CH2

C

CH3

CH2
CH

OH
CH2

CH2

CH3

CH2
CH2

CH2

hiđrua

OH
C

CH2

CH2

C

CH2

CH2

CH2

H

CH2

CH

CH2

SN1, E1

CH2

Mở vòng

CH2

CH2

Bài tập số 6:
a)
CH3

CH3

H

CH

CH2

OH

OH

CH

CH2

OH

OH

H

CH2

CH3

CH

.CH2

OH

OH2

Chuyển vị

CH3

CH

CH2

CHO + H2O

CH3

CH3

-H

CH3

-H2O

OH
CH3

CH2

OHC

CH2

CH

OH
CH3

Cơ chế :
Chuyển vị
hiđrua

CH3

CH

CH2

OH

OH

CH2

C

CH2

OH OH

H
-H2O

CH3

CH3

CH
OH2

CH H
OH

CH3
b. CH3

H

.CH2

OH

-H2O

CH3

CH

CH2
OH

CH3 CH2 CHO
CH3
CH

CHO + CH3

C CH2 CH3
O

(cơ chế trình bày tương tự câu a.)
CH3

CH3
c. CH3

C

CH

OH OH

CH3

H
-H2O

CH3

C

CH

O
CH3
(cơ chế trình bày tương tự câu a.)

CH3

+ CH3

C

CHO

CH3

10


Cần lu ý : Trong trờng hợp ở một nguyên tử cacbon COH có hai nhóm thế khác
nhau thì nhóm nào có tính chất đẩy electron mạnh hơn sẽ bị chuyển dịch.
Bài tập số 7:
a. CH2

CH2Cl +

CH

CH2

KOH

CH2OH + KCl

CH

CH2OH

CH2Cl
+

+

KOH

KCl

b. Với cấu hình E, C4H7Cl có 3 cấu trúc sau :
CH3

CH3
C

C

H

H

C2H5
C

..
Cl

C

CH3
C

..
Cl

H

H
C
CH2Cl

H
III

II

I

C4H7Cl

C4H8O :

t0

C4H7OH

I và II rất khó thuỷ phân do sự liên hợp giữa cặp electron không liên kết của Cl và nối đôi.
Thoã mãn điều kiện trên là III.
CH3

H
C

- Cl

(-)

CH3

C

H
C

CH2Cl

H

chuyển vị

C

CH3

CH

CH

CH2

CH2

H
OH
CH3

OH

(-)

CH3

H
C

*
CH

CH

(-)

CH2

OH

C
CH2OH

H

(Biến thể ra xemic)

(Dạng E)

Bài tập số 8
a, CH2= CH- CH2- C CH + Br2

CH2Br- CHBr- C CH
2

Khả năng phản ứng cộng electrophin của liên kết đôi (Csp ) cao hơn liên kết ba (Csp) do
2

độ âm điện Csp > Csp nên khả năng giữ eletron của Csp bền hơn.
1,4
1

2

3

4

CH2 = CH - C = CH

b,

+ Br2

3,4

1,2

CH2Br-CH=C = CHBr
CH2=CH-CBr = CHBr

CH2Br-CHBr-C = CH

11


Có 3 sản phẩm cộng : cộng 1,4 ; cộng1,2 ; cộng 3,4 do có sự liên hợp giữa các liên
kết của liên kết đôi và liên kết ba.
6

5

4

2

3

1

c, (CH3)2C = CH - CH2- CH = CH2 + Br2

(CH3)2CBr- CHBr - CH2 -CH = CH2

Do ở C5 có hai nhóm CH3 đẩy electron về phía liên kết đôi nên mật độ electron liên kết C 5
= C4 cao hơn liên kết C2 = C1 nên khả năng phản ứng electrophin của C5 = C4
6

5

4

3

1

2

CH3CHBr - CHBr - CH2 - CH = CH2

d, CH3-CH = CH - CH2 -CH = CHBr + Br2

Khả năng cộng AE của liên kết C5 = C4 cao hơn liên kết C2 = C1 do ở C5 = C4 có
nhóm CH3 đẩy electron làm tăng mật độ electron, còn ở C2 = C1 có Br hút electron
làm giảm mật độ electron.
Bài tập số 9
Sản phẩm phản ứng là hỗn hợp gồm :
CH3 - CBr - CH3

;

CH3
CH3 - C - CH3
OH

và

CH3
CH3 - C- O-CH3
CH3

CH3
CH3 - CCl - CH3
OH

Giải thích dựa vào cơ chế phản ứng
-Trong dung dịch có các quá trình phân li :
HBr

H+ + Br-

NaCl

Na+ + Cl-

-Do đó trong dung dịch có 4 tác nhân là Br -, Cl-, H2O và CH3OH có khả năng kết
hợp với cacbocation. Phản ứng theo cơ chế cộng electrophin (AE).
-Trớc hết tác nhân electrophin(H+) tấn công vào C- để tạo cacbocation (giai đoạn
chậm) :
CH3

+

C

CH2

+

+ chậm

H

+

CH3 - C - CH3

CH3

CH3

-Sau đó là quá trình kết hợp cacbocation với các tác nhân Br -, Cl-, H2O và CH3OH

để tạo thành sản phẩm (giai đoạn nhanh) :

12


CH3
CH3 - C (+)

Br -

+

CH3
CH3 - C - Br

nhanh

OH

CH3

CH3
CH3 - C (+)

Cl -

+

CH3
CH3 - C - Cl

nhanh

OH

CH3

CH 3
CH 3 - C (+)

CH 3
CH 3 - C - OH

nhanh

HOH

+

OH

CH3
CH3 - C (+) + CH3OH

+

H+

CH 3

CH3
CH3 - C - O - CH3

nhanh

+

H+

CH3

OH

Bài tập số 10
H

C=C

H

a

H
H

H

CCl4
+ Br2(dd)

Br

H-C-C-H
Br H

Cơ chế :
Giai đoạn chậm (quyết định tốc độ phản ứng) tạo ra cacbocation.
+

CH2 = CH2

-

+

+

Br

+

Br

CH2 - CH2 - Br

Giai đoạn nhanh :
Br

+

CH2 - CH2 - Br

+

Br-

CH2 - CH2
Br

b, Trong dung môi nớc có sản phẩm Br-CH2-CH2-OH (etilenbromhiđrin) theo cơ chế phản ứng : Br2 +
H2O

HBr + HOBr {H+, Br-, HOBr}
Br

Br

+
CH2=CH2 + Br - OH

+

CH2-CH2 + OH -

CH2-CH2
OH

Br
+

CH2-CH2

Ngoài ra có thể có :

+ Br -

Br
CH2 - CH2
Br

13


c, Tơng tự nh b, nhng còn có :
Br

Br
+

CH2-CH2

+

Cl-

CH2-CH2
Cl

Không tạo ra 1,2 - đicloetan do không có tác nhân Cl+
Nh vậy : Muốn cho phản ứng chỉ tạo ra BrCH2-CH2Br phải tiến hành phản ứng trong dung môi trơ ( ví

dụ : CCl4)

Phn

ng

Suzuki:

I.
Lc
s:
Nm 1979, Phn ng ghộp mch s dng hp cht c bo s dng cht xỳc tỏc l mui paladi
(II) halogenua din ra tt khi cú mt dung dch nc ca baz mnh. õy l mt phn ng cú
tm ng dng rng rói trong vic to thnh liờn kt C-C bờn cnh cỏc phn ng tng t ca cỏc
hp cht c nguyờn t nh c magie; km, thic hay silic. Bõy gi thỡ hu ht cỏc hp cht c
nguyờn t u tham gia phn ng tng mch nhng trong nhng nm gn õy thỡ cỏc nghiờn
cu u tp trung nghiờn cu vo cỏc hp cht c bo cú th ng dng c phn ng ny
trong cụng nghip cng nh PTN vỡ nú l nhng tỏc nhõn thun tin, bn nhit v tr vi nc
cng nh oxy nờn ta cú th cm trờn tay m khụng nht thit phi cú phng phỏp bo h c
bit
no.
II.
Phn
ng
Suzuki
v
c
ch
phn
ng

Phn ng Suzuki l phn ng ghộp mch s dng hp cht c bo cú dng:
C ch ca phn ng Suzuki cú th din t tt nht bng mt chu trỡnh khộp kớn cú dng nh
sau:

a) Cng oxy húa: Phn ng ca hp phn halogenua vi phc paladi-(0) sinh ra phc paladi-(II)
b) Chuyn v nhúm th xung quanh nguyờn t trung tõm: Chuyn nhúm R' t bo n trung tõm
ca phc l ion paladi, dn n kt qa l phc paladi-(II) cha c hai gc R v R' ó c liờn
kt
vi
nhau
14


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:

Phản
(có

ứng
tên

nhiệt
khoa

và
học

là

quang
pericyclic

hóa
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.

15


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 (symmetrydisallowed). 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:

16


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
17


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)

18


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
19


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.

Cơ
chế
1
:
Phản
ứng
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.
20


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
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.
Giản

đồ

trạng

thái

chuyển

tiếp

của

phản

ứng

có

dạng:

21


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
22


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
Bazơ
được
sử
Nhóm
- Cacbocation hình thành phải bền vững.

xảy
dụng
đi

ra
là

bazơ
ra

khi
yếu
dễ

23


Bây 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.

24


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
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
25