hóa hữu cơ nâng cao chương 1

CHƯƠNG 1: PHẢN ỨNG CONCERTED
Toàn bộ các phản ứng concerted là sự phá vỡ các liên kết cũ của hợp chất ban đầu và sự
tạo thành các liên kết mới của sản phẩm xảy ra cùng lúc (nói cách khác là đồng thời) không có
sự xuất hiện của cácsự gián đoạn trung gian. Một loại rất quan trọng của phản ứng concerted
được tạo thành bởi phản ứng pericyclic. Sau đó được đặc trưng bằng trạng thái chuyển tiếp
vòng. Trong phần bên dưới chúng ta sẽ thảo luận các loại khác nhau của phản ứng pericyclic
nhiều hơn. Trong phần 2 của chương, các ví dụ khác của phản ứng concerted được đưa ra cùng
với các kết quả hóa lập thể của sản phẩm được tạo thành.
1.1 Phản ứng Pericyclic: các loại và các tính chất.
Trong quá trình phản ứng không gốc tự do (có năng lượng cao), các cacbocation trung gian
hoặc cacbanion được tạo thành. Trong nhiều trường hợp, năng lượng hoạt hóa sẽ thấp hơn
nhiều như là một hệ quả tất yếu. Nhìn chung, ảnh hưởng của dung môi là không quan trọng
trong việc xem xét trong các phản ứng đó bởi vì toàn bộ phản ứng không thay đồi (lớn) sự
phân cực..
- Trang thái chuyển tiếp vòng cho thấy cấp độ tổ chức cao của chất thử, vì vậy entropi phản
ứng sẽ âm.
- Phản ứng pericyclic trong nhiều trường hợp dẫn tới lập thể và sự tạo thành các sản phẩm
có tính chọn lọc mặc dù nhiều đồng phân sẽ có thể tạo thành.
- Các phản ứng được hoạt hoá bởi nhiệt (nhiệt động) hoặc kích thích bởi UV hoặc ánh sáng
nhìn thấy (quang hóa).

Chúng ta có thề phân biệt các phản ứng pericyclic làm 3 loại:
- Cộng đóng vòng: hai phân tử riêng biệt hoặc các phần tạo một hệ thống vòng mới, và
toàn bộ quá trình này 2 liên kết Π biến mất và 2 liên kết σ được tạo thành. Một ví dụ là phản
ứng quang hóa [2+2] các anken thế tạo thành cyclobutan hoặc phản ứng cộng đóng vòng bằng
nhiệt [4+2] Diels-Alder. Các phản ứng Cheletropic và quá trình ngược lại, các phản ứng
extrusion, tạo thành một trường hợp đặc biệt trong đó 2 liên kết σ tạo thành (được chia ra


riêng biệt) tại cùng nguyên tử. Các quá trình đó [n+1] sẽ ví dụ cho quá trình cộng cacben vào
anken (xem sau) và tạo thành buadien và SO2 từ sunfolen.

- Phản ứng electrocyclic: đơn giản là, hệ thống chuỗi liên hợp mở với các liên kết Π
được chuyển thành một hệ thống vòng với (n-1) liên kết Π và một liên kết σ mới được tạo
thành. Vai trò của các trường hợp phản ứng, ngược với phản ứng (mở vòng) có thể xảy ra.
Phản ứng xảy ra nhiệt hoặc quang hóa.

- Chuyển vị sigmatropic: trong tiến trình phản ứng, một nhóm R dịch chuyển trên một
hệ thống Π liên hợp, các liên kết này dịch chuyển trong suốt quá trình phản ứng. Do đó, tổng
số các liên kết σ hoặc Π không thay đổi trong các phản ứng đó. Một ví dụ là chuyển vị Claisen,
trong trường hợp này một nhóm anlyl dịch chuyển trên một hệ thống enolat, kết quả tạo thành
một hợp chất cacbonyl không bão hòa. Đây là một ví dụ của một chuyển vị sigmatropic [3,3].

1.2 Phản ứng pericyclic: các nguyên tắc chung
1.2.1 Obitan phân tử
Obitan phân tử là tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử (LCAO). Các obitan nguyên tử
được xem như các hàm sóng. Nếu 2 obitan p xen phủ dọc theo trục 2 obitan thì hình thành MO
σ liên kết và MO σ* phản liên kết. Sự điền đầy electron bắt đầu từ MO có năng lượng thấp nhất
rồi mới đến các MO có năng lượng cao hơn. Hai obitan σ và σ* có tính đối xứng trục liên kết,
khi liên quan đến mặt phẳng nút (m, mặt phẳng vuông góc với trục liên kết) thì obitan σ thì đối
xứng (S) còn obitan σ* phản đối xứng (A). liên quan đến trục C2 (trục vuông góc với trục liên
kết) thì điều này cũng tương tự: obitan σ thì đối xứng (S) còn obitan σ* phản đối xứng (A).
Sự xen phủ bên của 2 obitan p tạo nên obitan liên kết π và phản liên kết π *. Cả 2 obitan này
đều phản đối xứng đối với trục liên kết nhưng đối với mặt phẳng nút thì obitan π đối xứng và
obitan π* phản đối xứng. đối với trục C2 thì ngược lại.


Hàm sóng ψ1 = c1ϕ1 + c2ϕ2 đối với các obitan liên kết σ và π và hàm sóng ψ2 = c1ϕ1 - c2ϕ2 đối
với obitan phản liên kết σ* và π*. Các số c1 và c2 là các hệ số obitan. Các hệ số này được đưa ra
dựa trên các múi obitan. Đối với các hợp chất đối xứng như eten thì c1 = c2, trong các trường
hợp khác (như CH2=O) thì 2 hệ số này khác nhau.
Eten có các obitan σ, σ*, π và π*. Năng lượng của obitan π và π* lần lượt là σ+β và σ-β, trong

đó σlà năng lượng cúa AO. Cả σvà β đều có giá trị âm. Obitan π là MO bị chiếm có năng
lượng cao nhất (HOMO) và obitan π* là MO không bị chiếm có năng lượng thấp nhất
(LUMO). Chúng được gọi là các obitan biên.


Đối với hệ liên hợp có nhiều hơn 2 obitan p trở lên thì sẽ xen phủ bên cùng lúc với
nhau. Các electron của những obitan phân tử này giải tỏa đều trên tất cả các nguyên tử tham
gia xen phủ. Điều kiện tiên quyết là hệ liên hợp không bị án ngữ bởi nguyên tử lai hóa sp 3. Các
obitan nguyên tử mà thẳng đứng (như alen hay cumulen) không thể xen phủ và không liên
hợp. ví dụ hệ liên hợp đơn giản là butadiene (n=4) va anlyl (n=3) (cation, gốc hay anion). 1,4pentadien có 2 liên kết đôi riêng rẽ vì vậy mà nó không liên hợp.

Có n hàm sóng khác nhau đối với hệ n nguyên tử được mô tả theo thuyết LCAO cho obitan thứ
j là:
Hệ số đối với hệ polien có n nguyên tử có thể tính toán về mặt lý thuyết (được gọi là sự gần
đúng Huckel) qua đó xác định được hệ số crj của obitan nguyên tử thứ r trong obitan phân tử
thứ j được cho bỡi công thức:
Ví dụ: hệ số cho obitan nguyên tử thứ 3 trong hàm sóng thứ 4 của hệ 4 nguyên tử là 0,6 và
năng lượng của obitan phân tử thứ j được cho bởi công thức chung:
E = α + mβ, với m = 2cos(jπ/n+1). Nếu m=0 là obitan không liên kết.
Sự gần đúng này sẽ cung cấp những thông tin về mối quan hệ đóng góp của các obitan nguyên
tử vào các obitan phân tử (kính thước của thùy = hệ số obitan) và nó còn chỉ ra tương tác này
là liên kết, phản liên kết hoặc không liên kết. Cũng như số lượng các điểm nút (mật độ electron
ở đó bằng không), và vị trí của chúng trong phân tử có thể được xác định.
Ứng dụng vào hợp chất etilen (n=2) dẫn đến m=1 và c1 = c2 = 0,707.
Đối với hệ mà n=3, chẳng hạn allyl. Nó có 3 obitan phân tử Φ1, (E= α + 1,414β), Φ2 (E=α), Φ3
(E= α - 1,414β). Vì thế obitan phân tử Φ2 là không liên kết.
Cation allyl có cấu hình electron là Φ12Φ20, gốc allyl Φ12Φ21, và anion allyl Φ12Φ22. Gốc allyl là
không thẳng bởi vì nguyên tử cacbon trung tâm lai hóa sp2 và vì thế góc liên kết là 1200.
Hệ số obitan c22=0, nói cách khác một điểm nút được xác định trên nguyên tử cacbon trung
tâm của obitan thứ 2 của hệ allyl. Các hệ số khác sẽ là c21 = c12 =c32 = c23 = 0,707 và c11 = c31 =

c13 = c33 = 0,5. Obitan phân tử Φ2 là LUMO của cation allyl, và là HOMO của anion allyl.


Obitan phân tử Φ1 không có điểm nút, và obitan phân tử Φ3 có hai nút giữa các nguyên tử 1-2
và 2-3. Nhìn chung, một hệ liên hợp tuyến tính có n obitan phân tử thì có n-1 nút.

Phần lớn các cấu hình bền của butadien (n=4) là cấu trúc zich-zắc. Với 4 obitan phân tử LCAO
có thể được hình thành, ở đó 4 electron π được cung cấp. vì thế, HOMO là obitan Φ 2 (một nút)
và LUMO là obitan Φ3 (hai nút). Khoảng cách năng lượng HOMO và LUMO trong phân tử
butadien (n=4) là 1,236β, khoảng cách này ngắn hơn khoảng HOMO-LUMO ở cation allyl
(n=3, 1,414β) hoặc etilen (n=2, 2β). Vì thế hệ liên hợp càng dài thì khoảng cách HOMOLUMO càng ngắn lại.
Tính toán theo Huckel dự đoán được hai hệ số obitan 0,6 và 0,371. Trong hai obitan biên thì hệ
số obitan thứ 2, ở bên ngoài thì lớn hơn so với ở trung tâm. Sự khác nhau của các obitan phân
tử của các điểm nút trong phân tử butadien là vị trí giữa các nguyên tử cacbon, và nó phổ biến
đối với hệ liên hợp tuyến tính nhiều nguyên tử cacbon.
Hơn nữa, 2 obital phân tử bị chiếm Ψ1 và Ψ2 cho thấy có một tương tác liên kết và phản liên
kết giữa trung tâm các obital nguyên tử ở C-2 và C-3. Hệ số tương quan của Ψ 1 lớn hơn làm
cho tương tác liên kết hơn. Do đó, có thể nói rằng liên kết C2-C3 trong butadien mang một
phần tính chất của lên kết đôi.
Chúng ta có thể đề cập tới đại lượng đơn giản của các MO trong hệ liên hợp thường gặp có hệ
số tương quan của tất cả các obital là như nhau. Cần lưu ý rằng điều này không hoàn toàn đúng
trong thực tế.


Hình ảnh dưới đây sẽ biểu diễn các đại lượng đơn giản (obital, năng lượng, tính đối xứng) của
cachệ tương tự với n=5 (pentadienyl) và n=6 (1,3,5-hexatrien) theo suy luận tương tự. Khoảng
cách giữa HOMO và LUMO tiếp tục giảm, ứng với n=5 là 0,890β


Các hệ liên hợp vòng có những quy tắc khác. Thuyết obital Huckel mô tả năng lượng của các

polime vòng phẳng (CH)n([n]anulen) là E= α +2βcos(2πr/n) với n=số nguyên tử C, r= 0, 1, 2,
…, n-1
Về mặt kỹ thuật, người ta có thể có các mức năng lượng đại diện cho phân tử một đa giác đều
được mô tả bởi đường tròn có đường kính 4β. Nguyên tử thấp nhất (ứng với r=0) nằm ở góc
của vòng và mức năng lượng thấp nhất tương ứng là α +2β. Có một điều khác với các polime
thằng là các MO cùng năng lượng (các hệ suy biến) có thể xảy ra. Trong hình dưới đây, các
mức năng lượng Huckel được đưa ra cho các hệ liên hợp vòng, phẳng có n=3 tới n=8.

Việc tính toán đối với vòng sáu như benzencho thấy 6 xuất hiện với r=0,1,2,3,4,5. Các mức
năng lượng Huckel tương ứng là α +2β, α + β, α - β, α -2β, α –β và α +β.


1.2.2. Tính thơm
Quy tắc Huckel: những hệ liên hợp vòng, phẳng với số eπ=4n+2 có các obital đã được điền và
do đó, rất bền vững. những hệ này là các hợp chất thơm. Những hệ tương tự với 4n eπ thì phản
thơm (n trong cả 2 trường hợp là số nguyên).
Hệ thơm bền vững hơn đáng kể so với các chất tương tự tuyến tính và có một vòng nghịch từ.
Hệ phản thơm kém bền hơn so với các hệ thẳng tương tự và hệ sẽ giả một cấu trúc không thơm
bất cứ khi nào có thể, ví dụ bằng cách mất phẳng như cyclooctatetraen.
Quy tắc này có thể được giải thích thêm sau khi xem xét các mức năng lượng trong các con số
ở trên và sau khi so sánh các mức năng lượng ổn định của các orbital lấp đầy của hệ vòng và
không vòng.
Chúng ta có thể xác định một hệ thống Huckel cho các polyene vòng trong đó có obital cơ sở,
nói cách khác mức π thấp nhất có thùy p chồng chéo trong các pha.
Nói cách khác, trong hệ thơm Mobius hay còn gọi là phản thơm Huckel có chuỗi xoắn 180 0
(hay nπ), nên chúng ta có một pha phân chia. Những định nghĩa này có thể được mở rộng bằng
cách nói rằng một hệ thống với một số lượng mới của giai đoạn phân chia là một hệ thống
Huckel, và một hệ thống với một số lượng cũ của giai đoạn phân chia là một hệ thống Mobius.

Một vòng gọi là vòng Mobius có thể được chuẩn bị bằng cách xoắn một dải giấy ở một đầu

hơn 180 ° và sau đó nối lại với phần cuối cùng.. Lưu ý rằng một vòng Mobius chỉ có một bên.
Rõ ràng, các hợp chất xoắn như có khuynh hướng rộng, làm cho chúng không ổn định. Do đó,
Hệ thống Mobius chưa bao giờ bị cô lập, nhưng khá được quan tâm về mặt lý thuyết để mô tả
chuyển đổi trạng thái của phản ứng pericyclic.
Hệ Huckel như trên là thơm với 4n+ 2 eπ, các hệ Mobius thơm khi có 4n eπ.
1.2.3 Nguyên tắc tính thơm trong việc mô tả các phản ứng pericyclic
Phương pháp này lần đầu tiên được sử dụng bởi Zimmerman và Dewar vào các trạng thái
chuyển tiếp vòng trong phản ứng pericyclic. Những trạng thái chuyển tiếp có thể được xem
như thơm (thuận lợi ) hoặc phản thơm (không thuận lợi). Quy tắc derivated là sau đây :


Phản ứng xảy ra Pericyclic nhiệt ( được phép ) khi có thể hình thành một trạng thái chuyển tiếp
thơm. Trạng thái chuyển tiếp thơm này là đạt được một hệ thống Huckel với 4n+2 eπ hoặc
một hệ thống Mobius với 4n eπ. Cho quá trình quang xảy ra thông qua trạng thái kích thích
thấp nhất, quy tắc này được đảo ngược: các quá trình cho phép các hệ thống Huckel với 4n eπ
hoặc hệ thống Mobius với 4n + 2 eπ.
Một vài gợi ý khi áp dụng quy tắc tính thơm này :
- Trong trạng thái chuyển tiếp các obital cơ bản được sử dụng ( obital nền của hệ phản ứng, σ
-, p- của obital π ) với những dấu hiệu giai đoạn tương ứng. (Không sử dụng các quỹ đạo
biên! )
- Số điện tử và số giai đoạn phân đoạn được xác định.
- Từ những dữ liệu này có thể được xác định nếu phản ứng được cho phép hay không.
1.2.4. Biên tiếp cận obital
Trong phản ứng hóa học, và đặc biệt là phản ứng pericyclic, quá trình chồng chéo giữa các
obital lấp đầy một chất nền và các orbital trống của một thuốc thử (và ngược lại) xác định quá
trình của các phản ứng.
Kết quả của sự tương tác giữa hai obital đầy là ghê gớm vì sự kết hợp dẫn đến một obital liên
kết và phản liên kết đều bị chiếm đóng. Năng lượng kết quả gây ảnh hưởng không thuận lợi.
Sự bất ổn của obital phản liên kết là lớn hơn sự ổn định do quỹ đạo việc kết vì lực đẩy Cu-lông
của hai nguyên tử. obitlal trống của hai thuốc thử đã ảnh hưởng không ổn định vì chúng không

chứa các electron.


Sự tương tác giữa obital đầy và trống sẽ mạnh hơn (dẫn đến ổn định hơn, giảm năng lượng)
nếu các obital gần gũi với nhau trong năng lượng. Vì vậy, nó là chủ yếu các obital biên
(HOMO và LUMO) sẽ có ảnh hưởng tới các phản ứng hóa học.
Chất phản ứng nghèo electron có LUMO tương đối thấp và đặc biệt sẽ sử dụng obital biên này
trong các phản ứng của họ. Sản phẩm giàu electron có một HOMO tương đối cao, cho tương
tác mạnh nhất.
Các obital biên đạt đến trạng thái HOMO và LUMO nên so sánh về tính đối xứng, những
obital khác bị đóng về mặt năng lượng. Tính đối xứng của hai obital biên này được xem như là
hai sự kết hợp cuối cùng trong tương tác liên kết (cùng dấu).

1.2.5. Quy tắc Woodward- Hoffmann:
Fukui và Hoffmann được giải thưởng Nobel vào năm 1981 cho các ứng dụng lý thuyết
của họ về tính đối xứng obital đối với các phản ứng pericyclic. Woodward, người đồng phát
triển phương pháp này, đã qua đời năm 1979 nhưng giải thưởng Nobel năm 1965 là cả một sự
nghiệp tổng hợp của ông. Công trình này được tóm tắt bằng quy tắc Woodward-Hoffmann:
Trong một phản ứng nhiệt pericyclic tổng số (4q +2)s và hợp phần (4r)a là một số lẻ.
Nội dung này cần được giải thích thêm. Các hợp phần được đề cập là lien kết hoặc obital
tham gia vào phản ứng pericyclic như một đơn vị riêng biệt. Các 4q + 2 và 4r đề cập đến số
lượng electron tham gia phản ứng, q là số nguyên r, trong nhiều trường hợp 0, 1 hoặc (đôi khi)
2. Các hậu tố "s" và "a" được xem là một suprafacial, tương ứng một thành phần antarafacial.


Đối với hợp phần suprafacial, liên kết mới được hình thành cùng phía với hợp phần, còn đối
với hợp phần antarafacial liên kết mới được hình thành khác phía với hợp phần.
1.3 Phản ứng cộng vòng
1.3.1 Phản ứng Diels-Alder
Phản ứng cộng vòng phổ biến nhất là phản ứng Diels-Alder. Đây là phản ứng cộng vòng [4

+2], trong đó 4 và 2 là số lượng các electron π tham gia phản ứng. Phản ứng này được cho
phép sử dụng nhiệt. Ví dụ, phản ứng của butadien với anđehit maleic. Xét về mặt lập thể, sản
phẩm hai vòng bicyclic được hình thành, có thể được chuyển thành các loại thuốc diệt nấm
Caπptan, được sử dụng trong nông nghiệp.
Rõ ràng, trạng thái chuyển tiếp có 6 electron π, và không có giai đoạn bất ổn. Theo
nguyên tắc tính thơm, điều này thực sự là một quá trình được cho phép sử dụng nhiệt, thực
nghiệm đã cho thấy điều đó.

Cách thứ hai sử dụng phương pháp obital biên. Đối với phản ứng của butadien với eten
người ta có kèm theo cả tương tác HOMO (butadien) / LUMO (eten) hoặc tương tác HOMO
(eten) / LUMO (butadien). Cả hai tương tác này đều thuận lợi, nói cách khác các obital biên có
tính đối xứng tương thích. Người ta nói rằng các phản ứng đối xứng được cho phép.


Cuối cùng, theo các quy tắc Woodward -Hoffmann , phản ứng Diels-Alder là một quá
trình suprasupra π4s + π2s và do đó được cho phép. Supra-supra nghĩa là liên kết bị phá vỡ hay
hình thành là cùng phía, điều này giải thích cho cis- stereospecificity.
Trong nhiều trường hợp nó có thể hình thành hai đồng phân là kết quả của phản ứng
Diels-Alder, cụ thể là đồng phân exo- và một đồng phân endo-. Trong nhiều trường hợp, các
đồng phân thứ hai là chủ yếu, đặc biệt được hình thành, thậm chí đây là các đồng phân mà bị
cản trở về mặt không gian.Tên endo và exo là chỉ các mối quan hệ về mặt không gian giữa các
nhóm dienophin các liên kết được hình thành trên dien. Khi các nhóm này ở cùng một bên ,
đây là sản phẩm cộng endo, nếu không cùng phía thì đây là sản phẩm cộng exo. Ví dụ chúng ta
có thể xem xét phản ứng giữa cyclopentadiene và anhydride maleic, đặc biệt dẫn đến sản phẩm
endo. Mặt khác, phản ứng Diels-Alder của furan với anđehit maleic, sản phẩm chủ yếu là exo.
Đây là một ví dụ điển hình được kiểm soát nhiệt động lực học.


Sản phẩm đặc biệt Endo đối với phản ứng không thuận nghịch có thể được giải thích
bằng lý thuyết obital biên. Ví dụ, trong sự hình thành sản phẩm endo từ phản ứng

cyclopentadiene, chúng ta có thể xem xét bên cạnh sự tương tác thuận lợi dự kiến giữa các
obital biên, sự tương tác thứ hai xảy ra mà có liên kết đặc trưng. Rõ ràng, tương tác thứ hai
không dẫn đến sự hình thành liên kết nhưng nó sẽ làm giảm năng lượng của trạng thái chuyển
tiếp (và do đó kích hoạt năng lượng). Những phản ứng thứ hai là không thể chứa thông tin về
sự hình thành sản phẩm cộng exo.

Một cách khác để tạo thành các đồng phân như là sản phẩm của phản ứng Diels-Alder
xảy ra nếu cả hai hợp phần dien và dienophile là không đối xứng thay thế. Trong trường hợp
này có khả năng của hai regioisomers khác nhau về vị trí tương đối của các nhóm thế của sản
phẩm thu được. Trong thực tế, thường regioselectivity được quan sát: một trong những
regioisomers được ưu tiên thành lập. Đây là kết quả của sự bổ sung electron của thuốc thử.


Trường hợp phổ biến nhất là hợp phần dien giàu electron được kết hợp với một dienophile
giàu electron. Bởi vì các thuốc thử là không đối xứng, một trong số cácnobital có hệ số lớn hơn
những obital khác. Kích thước của các hệ số quỹ đạo có thể tính nhưng thường là logic có thể
được rút ra từ những cộng hưởng hoặc phản ứng hóa học. Ví dụ chúng ta nhìn vào phản ứng
giữa methyl acrylate ( methyl propenoate ) và 4-methyl- 1,3- pentadiene. Methyl acrylate là
dienophilevà do đó sẽ phản ứng thông qua một LUMO (π*) với năng lượng thấp. Các quỹ đạo
với hệ số lớn nhất nằm trên nguyên tử β - carbon. Điều này tương ứng với phản ứng mạnh nhất
(lực điện tử mạnh nhất). 4-methylpentadiene nhiều điện tử hơn butadien bởi liên quan đến việc
hai nhóm metyl. HOMO (ψ2) có hệ số lớn đáng kể trong kết quả không thay thế của dien. Một
lần nữa , đây là phản ứng mạnh nhất (nhiều electron nhất).
Khi cả hai hợp phần phản ứng là không đối xứng thì phản ứng riêng của mỗi hợp phần
thì sẽ mất tính đối xứng. Phản ứng này vẫn quan tâm nhưng thông tin trạng thái chuyển tiếp về
liên kết giữa hệ số lớn của obital là quá chênh lệch trong việc so sánh với liên kết σ. Đây là lời
giải thích không được mong đợi về tính regioselectivity, hình thành các sản phẩm 1,2disubstituted với trở ngại chủ yếu về mặt không gian. Hai trạng thái còn lại có thể được ổn
định, trạng thái chuyển tiếp từng phần được bổ sung điện tích mà không mất đi tính lập thể của
sản phẩm cuối cùng (nếu phù hợp). Đây cũng được gọi là quá trình asynchronous: sự hình
thành liên kết không xảy ra tại cùng một thời điểm mặc dù phản ứng vẫn phối hợp.

Một khả năng khác là phản ứng của 2-methoxybutadiene với acrylonitrile
(propenenitrile). Trong trường hợp này là nhóm thế ở vị trí 1,4 trong cyclohexene. Đây là hệ
quả của các hệ số quỹ đạo. Người ta nói rằng phản ứng Diels-Alder định hướng "ortho" và
"para".


Axit Lewis kết hợp với dienophiles ở LUMO rất phức tạp với các dị nguyên tử hiện nay, và
cũng là hệ số quỹ đạo (ở vị trí β liên quan đến dị nguyên tử này) sẽ tăng lên. Do đó, phản ứng
sẽ nhanh hơn và cao hơn với regioselectivity. Isoprene (2-methylbutadiene) phản ứng với
metyl vinyl xeton (1-propen-3-one) chỉ sau khi được nung nóng trong toluene trong một bình
phản ứng khép kín, và một hỗn hợp đồng phân của 1,4 - sản phẩm và 1,3-thay thế được hình
thành trong một tỷ lệ 71:29. Sau khi bổ sung SnCl4.5H2O, phản ứng có thể thực hiện ở 0oC và
tỉ lệ là 93:7.

1.3.2. Phản ứng cộng vòng [2+2]
Sau chiếu tia tử ngoại vào các anken, các dẫn xuất cyclobutane có thể hình thành. Đây là
một phản ứng pericyclic mà bình thường không xảy ra khi anken được nung nóng (các anken
thường trùng hợp khi đun nóng). Do đó, phản ứng quang hóa được phép xảy ra.
Áp dụng nguyên tắc thơm cho thấy rằng một tương tác theo kiểu S – S dẫn đến một hệ
phản thơm Huckel, do đó phản ứng nhiệt bị cấm. Ngược lại, nếu tương tác theo kiểu S – A thì


ở đây hai anken tương tác với nhau theo hướng vuông góc trong trạng thái chuyển tiếp, tạo ra
một hệ thơm Mobius với 4 electron π (giai đoạn trung gian) nhưng điều này thật khó để tạo
nên bởi sức căng của vòng và sự cản trở không gian của các nhóm thế trên anken trong trạng
thái chuyển tiếp.

Dựa vào phương pháp obital biên có thể thấy rằng các phản ứng quang hóa thực sự cho
phép. Sau khi chiếu xạ và hấp thụ photon một electron được chuyển từ obital π lên obital π * (là

HOMO). Nếu chúng ta tổ hợp phân tử kích thích này với một phân tử ở trạng thái cơ bản, các
orbital biên có sự đối xứng với nhau. Đối với hai phân tử ở trạng thái cơ bản, các orbital biên
không có sự đối xứng và phản ứng này bị cấm.

Các xeten hay cumulene nghèo electron khác (như là izoxianat RN = C = O) sẽ thực hiện
phản ứng cộng vòng [2 + 2] dưới tác dụng của nhiệt với các anken giàu electron một cách
thuận lợi. Sự tương tác vuông góc của các obital biên (LUMO của xeten, HOMO của alkene)
của hai tác nhân phản ứng được làm ổn định bởi obital p của carbon trung tâm, là một phần
của liên kết C = O. Hơn nữa, nguyên tử cacbon trung tâm của xeten là lai hóa sp và không
nhóm thế, giảm thiểu tương tác sự bố trí các nguyên tử trong không gian trong nhà nước


chuyển và sản phẩm. Trong ví dụ phản ứng cộng vòng của dicloxeten với cyclopentadiene thì
thực tế là sản phẩm của phản ứng cộng vòng [2 + 2] chiếm ưu thế hơn phản ứng cộng vòng [2
+ 4] !.

1.3.3. Các phản ứng cộng đóng vòng khác
Có tồn tại một lượng lớn các phản ứng cộng vòng cao hơn, mà những nguyên lý được đề
cập trước đó có thể được áp dụng trong trường hợp này. Ví dụ, cyclopentadiene phản ứng với
6
4
tropone (cycloheptatrienone) bằng nhiệt π s + π s được phép cộng. Các sản phẩm exo được hình

thành ưu tiên vì có tương tác bậc hai trong khi đó sự hình thành của đồng phân endo không có
tương tác này


Phản ứng cộng vòng 1,3 - lưỡng cực xảy ra thông qua các phân tử tương tự như các
anion allyl, do đó chúng có 4 electron π và có thể phản ứng với các hợp chất không bão hòa
thích hợp, được đặt tên là dipolarophil (chủ yếu là anken hoặc ankyl). Cơ chế tương tự với

phản ứng cộng vòng Diels-Alder. Những tác nhân 1,3 lưỡng cực quan trọng mà người ta biết
đến là diazoalkanes, azide, và ozone. Ozon phân là một phản ứng cộng vòng 1,3 - lưỡng cực
thông qua một 1,2,3-trioxolane, đó là giai đoạn mở vòng tạo ra một tác nhân 1,3-lưỡng cực
mới, đó là oxit cacbonyl và một xeton. Phản ứng cộng vòng 1,3 - lưỡng cực một lần nữa cho
phép tạo ra ozonide (1, 2, 4-trioxolane), sau đó có thể khử bởi dimethyl sulfide, để tạo
aldehyde (hoặc xeton đối với ba hoặc bốn nhóm thế trên anken).

1.3.4. Phản ứng ene
Phản ứng này được phát hiện bởi Alder và đặt tên là phản ứng "ene" để phân biệt nó với
phản ứng "dien" đã công bố trước đó bởi Diels và chính ông ta. Từ tên gọi chúng ta có thể
đoán rằng đây là một phản ứng liên quan đến anken. Có thể thấy phản ứng này tương tự như
phản ứng Diels-Alder ở chỗ là một liên kết σ trong C – H được thay thế một liên kết đôi của
dien. Trong phản ứng này, vòng không được hình thành, nhưng thay vào đó là một liên kết C –
C, và nguyên tử hydro được định hướng trong không gian.
Cũng liên quan đến các obital, nhưng có sự khác biệt rõ ràng giữa các phản ứng ene và
phản ứng Diels-Alder. Liên kết C–H song song với các obital p của alkene, trong trường hợp


như vậy sau phản ứng một liên kết đôi mới có thể được hình thành. Hai phân tử tiến lại gần
nhau trong mặt phẳng song song. Các ene có hai thành phần, một thành phần là π 2 và một
thành phần là σ 2 . Bên cạnh đó chúng còn có một thành phần π 2 của anken (anhydride). Sau
này trong hầu hết các trường hợp một anken nghèo electron, phản ứng thông qua LUMO với
HOMO của π 2 và σ 2 thành phần của ene. Các hợp phần nghèo electron này được gọi là
enophiles.
The three components are all of the (4q + 2)s type, and application of the WoodwardHoffmann rules confirms that the reaction is thermally allowed. The aromaticity rule (no phase
dislocation, 6 electrons) and the frontier orbital theory are also in agreement with this.
Ba hợp phần thuộc loại (4 p + 2) s , áp dụng các quy tắc Woodward-Hoffmann xác nhận
rằng phản ứng được nhiệt cho phép. Quy tắc thơm (không có giai đoạn 6 electron) và theo
thuyết obital biên cũng thõa mãn với điều này.

Một nhóm cacbonyl là một enophile tốt và phản ứng tương ứng với anken được gọi là
phản ứng cacbonyl-ene. Axit Lewis sẽ có vai trò xúc tác cho nhóm cacbonyl. Một ví dụ là
phản ứng cacbonyl ene nội phân tử của (R)-citronellal, một hợp chất terpene. Phản ứng này
được xúc tác bởi các axit Lewis ZnBr2, tạo thành isopulegol, tiếp tục khử có thể được chuyển
đổi thành (-)- menthol. Hóa lập thể của phản ứng cacbonyl ene được giải thích bởi sự xuất hiện
của một trạng thái chuyển tiếp trans- decaline, trong đó nhóm thế lớn hơn (methyl, hydroxy,
isopropenyl) chiếm giữ vị trí biên. Mặc dù menthol được tìm thấy trong thiên nhiên, nhưng hầu
hết các menthol trên thị trường được tạo ra theo cách này.


1.3.5. Phản ứng Cheletropic
Đây là những phản ứng cộng đóng vòng trong đó hai liên kết σ mới được tạo ra trên cùng
một nguyên tử. Một obital không liên kết (được gọi là ω ) có thể tạo liên kết thông qua một
thùy (suprafacially) hoặc thông qua cả hai thùy (antarafacially). Phản ứng của một anken với
một cacben lai hóa sp2 sẽ xảy ra thông qua một kiểu tương tác phương pháp tiếp cận phi tuyến
tính. Cách tiếp cận tuyến tính là không được phép vì lý do đối xứng (obital). Trong tiến trunhf
phản ứng, nhóm CH2 sẽ biến đổi để giảm thiểu sự biến dạng trong sản phẩm cuối cùng (cơ chế
Skell).
Theo quy tắc Woodward-Hoffmann, đây là một quá trình được phép xảy ra π s2 + ωa2 , và
theo qui tắc thơm cho phép chúng ta thấy trạng thái trung gian như một hệ thơm Mobius 4 π .
Nhiều ứng dụng của phản ứng này theo ở phần trên carbenes và nitrenes.


Việc bổ sung SO2 để các diene có thể được sử dụng để tạo sulfolene. Phản ứng
Cheletropic này xảy ra thông qua một phương pháp tiếp cận tuyến tính. Phân tử SO 2 là điện tử
nghèo và do đó phản ứng thông qua LUMO của nó, nó tương tự như anion allyl. Ở nhiệt độ
cao, cân bằng được chuyển dịch theo chiều từ sulfolenes đến diene và SO 2, như một hệ quả
của hiệu ứng ngày càng tăng của các yếu tố entropy. Đây là một phản ứng ép trồi, và có thể
được sử dụng để tổng hợp các diene có nhóm thế. Như vậy, đầu tiên thì dien được bảo vệ bởi
sulfolene, và sau đó sơ đồ tổng hợp này có thể được thực hiện mà không phải là sự tham gia

của hệ dien không bền vững về mặt hóa học. Trong bước cuối cùng, dien được giải phóng bởi
nhiệt. Trong ví dụ dưới đây, sulfolene được chuyển đổi theo các anion (cũng ổn định bằng
chức năng sulfone) và alkyl hoá với 6 -bromo -1- hexene. Nhiệt phân sản lượng butadien thế,
sẽ xảy ra phản ứng cộng vòng nội phân tử (thông qua cấu dạng kiểu ghế) tạo ra hệ trans –
bicyclic ngưng tụ.

1.4. Chuyển vị sigmatropic
Trong chuyển vị sigmatropic [i, j], một nhóm chuyển dịch trong một hệ thống π, trong đó
liên kết đôi chuyển đi trong quá trình chuyển dịch đó. Số i đề cập đến là nguyên tử (carbon)
của nhóm dịch chuyển, và j là số nếu đó là nguyên tử dịch chuyển cuối. Hai nguyên tử tạo
thành liên kết σ ban đầu được cho số 1. Tổng số liên kết σ và π không thay đổi trong quá trình
chuyển vị sigmatropic. Có thể nói rằng sự dịch chuyển của liên kết σ trong một hệ thống
không bão hòa, do đó có tên là chuyển vị sigmatropic.
1.4.1. Sự chuyển dịch hiđro


Từ thí nghiệm người ta thấy rằng sự chuyển dịch H - 1,3, gồm hai cặp electron, không
xảy ra khi cung cấp nhiệt, trong khi đó sự chuyển dịch H - 1,5 -, 1,9 -,... xảy ra khi cung cấp
nhiệt, cũng như sự chuyển dịch H - 1,7 -, 1,9 -,....
Theo thuyết obital biên, một sự chuyển dịch có thể được xem như là một phản ứng cộng
đóng vòng của một liên kết σ thành một hệ thống π . Tùy vào từng trường hợp, điều này có thể
là một sự tương tác giữa obital σ và LUMO của hệ thống không bão hòa, hoặc giữa obital σ *
và HOMO của hệ thống không bão hòa.
Áp dụng cho sự chuyển dịch H - 1,3, điều này có nghĩa rằng sự tấn công suprafacial bị
cấm, và sự tấn công antarafacial là được phép, theo thuyết rất khó để nhận ra vì ràng buộc về
hình học. Khi cung cấp quang, sự chuyển dịch H - 1,3 có thể xảy ra khi tấn công suprafacial.
Theo nguyên tắc Woodward-Hoffmann, sự chuyển dịch H - 1,3 khi cung cấp nhiệt là một hệ
2
2
thống πs + σs .

Khi cung cấp nhiệt sự tấn công suprafacial là được cho phép cho sự chuyển dịch
H - 1,5, mặt khác sự tấn công antarafacial đó sẽ phải xảy ra khi cung cấp quang bị ràng buộc
về hình học. Đối với sự chuyển dịch H - 1,7, khi cung cấp nhiệt tấn công antarafacial là có thể,
và khi cung cấp quang tấn công suprafacial. Trong (thay thế) cyclopentadienes, sự chuyển dịch
H - 1,5 xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ phòng, và điều này có thể dẫn đến có sự đồng phân hóa.


1.4.2. Sự dịch chuyển của các mảnh cacbon
Dịch chuyển một nguyên tử cacbon của một nhóm alkyl bằng cách sử dụng một obital
sp3, trái ngược với nguyên tử hydro sử dụng đối xứng qua tâm obital 1s. Điều này có nghĩa
rằng đối với các nhóm thế carbon cả tấn công suprafacial và antarafacial là có thể. Nếu phản
ứng xảy ra suprafacially liên quan đến liên kết σ , thì sau đó cấu hình ở cả hai nguyên tử sẽ
được giữ nguyêm, hoặc cả hai trung tâm này sẽ bị đảo cấu hình. Kết quả của một phản ứng
antarafacial là đảo cấu hình một trong các nguyên tử carbon và giữ nguyên cấu hình nguyên tử
khác. Điều này có tầm quan trọng nếu có mặt của trung tâm bất đối.

Nếu chuyển dịch nhóm alkyl với việc giữ nguyên cấu hình, thì sau đó áp dụng các quy
tắc tương tự như đối với sự chuyển dịch H - 1,5; 1, 7 -,... khi cung cấp nhiệt sự chuyển dịch
suprafacial là cho phép; hay là sự chuyển dịch antarafacial 1,3 - (nhưng: khó khăn về hình
học), 1,7 -....


Nếu chuyển dịch nhóm alkyl với việc đảo cấu hình, thì các nguyên tắc này bị đảo ngược:
khi cung cấp nhiệt sự chuyển dịch suprafacial (tương đối so với hệ thống π ) 1,3 -, 1,7 -, … là
cho phép; hay là sự chuyển dịch antarafacial 1,5 - (khó khăn về hình học), 1,9 -,...Điều này phù
hợp với thuyết obital biên và nguyên tắc Woodward-Hoffmann.

Một vài ví dụ về sự chuyển dịch alkyl là sự chuyển dịch suprafacial 1,5 với việc giữu
nguyên cấu hình trong hệ thống norcaradiene, và sự chuyển dịch alkyl suprafacial 1,3- với việc

đảo ngược cấu hình. Những phản ứng này xảy ra thuận lợi do kết quả của hệ thống vòng cứng
nhắc mà sự chuyển vị entropi ưu tiên.

Chuyển vị sigmatropic - [3,3] được biết đến nhiều và chuyển vị Claisen và Cope thuộc về
lớp này. Trạng thái chuyển tiếp là một vòng sáu cạnh với một dáng ghế như trong cyclohexan.
Điều này cho phép chúng tôi xác định lập thể trong các trường hợp có liên quan. Chuyển vị
Claisen là một phương pháp tổng hợp chung của các hợp chất cacbonyl - γ, δ không bão hòa.
Nếu ete enol là một phần của một hệ thống thơm, thì một allylphenol được hình thành sau khi
chuyển dịch H - 1,7 của cyclohexadienone bước đầu hình thành. Chuyển vị Cope rất hiệu quả
nếu liên kết σ là một phần của một vòng căng cyclopropan, dẫn đến sự hình thành của một
cycloheptadien.


Theo nguyên tắc Woodward-Hoffmann, ba thành phần có liên quan đến các phản ứng, cụ
2
2
2
2
2
2
thể là thành phần σ a - , π a - , và π s - (hoặc các thành phần khác σ s - , π a - , và π s - ). Do đó,

phản ứng nhiệt được cho phép. Nguyên tắc thơm khẳng định điều này bởi vì TS là một hệ
thống 6 electron với hai giai đoạn (hệ thống Huckel). Từ thuyết obital biên có thể nhận ra một
sự tương tác liên kết giữa các liên kết σ và obital LUMO của anken tham gia ( π *).

Chuyển vị Sigmatropic [3,3] được áp dụng trong sản xuất công nghiệp của citral, một
chất trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp Vitamin A. Trong bước đầu tiên của phản
ứng, một ete enol được chuẩn bị từ một andehit và một rượu allyl (rượu prenyl) thông qua việc
loại bỏ nước. Sau khi chuyển vị Claisen, một andehit được hình thành, sau đó sẽ trải qua

chuyển vị Cope. Nhóm prenyl do đó di chuyển từ một đầu của phân tử khác, và bị hai lần đảo
cấu hình.
Tổng hợp Fischer-indol là một ví dụ về sự chuyển vị sigmatropic [3,3] trong đó có sự
tham gia của các nguyên tử nitơ. Một phenylhydrazone có thể được chuyển hóa (hổ biến hóa
một enehydrazine trong môi trường axit. Enehydrazine sau trải qua chuyển vị, các bisimine
không ổn định sẽ vòng thơm đầu tiên (xúc tác axit) và sau đó vòng với sự tách ra của amoniac.