Hóa học - Chương 7: Hoá học lập thể động

CHƯƠNG 7: HOÁ HỌC LẬP THỂ ĐỘNGwww.themegallery.com1. HIỆU ỨNG LẬP THỂHiệu ứng lập thể là hiệu ứng do kích thước lớn của các nguyên tử hay nhóm nguyên tử và do biến dạng của góc hoá trị hay của các liên kết tạo nên. Hiệu ứng lập thể được biểu hiện qua sự cản trở không gian, qua sức căng góc hoá trị hay liên kết làm ảnh hưởng đến chiều hướng và tiến trình lập thể của phản ứng, đến độ bền của các đồng phân.1.1. Khái niệm:1.2. Hiệu ứng không gian loại I:Hiệu ứng không gian loại I là hiệu ứng gây ra bởi các nhóm thế có kích thước tương đối lớn làm cản trở sự tương tác của tác nhân đối với tâm phản ứng hoặc làm thay đổi hiệu số năng lượng tự do giữa phân tử và trạng thái chuyển tiếp. Ví dụ: Phân tử 2,6-đimetyl-1,4-quinon có hai nhóm cacbonyl nhưng chỉ có một nhóm cacbonyl tham gia phản ứng với hiđroxylamin, còn nhóm cacbonyl thứ hai bị án ngữ không gian của hai nhóm metyl nên không tham gia phản ứng được. Hiệu ứng không gian loại I có ảnh hưởng đáng kể đến các phản ứng lưỡng phân tử và đơn phân tử.1.2.1. Ảnh hưởng của hiệu ứng không gian loại một đến phản ứng lưỡng phân tử: Khi trung tâm phản ứng của phân tử có những nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có kích thước lớn thì sẽ làm cản trở hướng tấn công của các tác nhân phản ứng vào trung tâm phản ứng và do đó làm giảm khả năng phản ứng. Sự án ngữ không gian của các nhóm thế còn tuỳ thuộc vào hướng tấn công của tác nhân: từ phía trước, từ phía sau hoặc thẳng góc với trung tâm phản ứng. - Kiểu tấn công từ phía sau có thể thấy rõ trong phản ứng thế nucleophin SN2. Ví dụ phản ứng điều chế ete từ ancolat và dẫn xuất halogen: Khi kích thước của gốc ankyl trong dẫn xuất halogen tăng sẽ gây ra hiệu ứng không gian loại I lớn làm giảm khả năng phản ứng. Ví dụ: Khả năng phản ứng iot hoá các ankyl bromua giảm theo thứ tự sau:ktđ 145,0 1,0 0,0078 0,0005- Kiểu tấn công từ phía trước trong phản ứng tạo muối của amin hoặc tạo phức của piriđin. Ví dụ tính bazơ giảm theo thứ tự sau: pKb 2,7 3,0 3,3 - Phản ứng cộng vào nhóm cacbonyl, tác nhân tấn công theo kiểu thẳng góc với mặt phẳng của liên kết C=O. Thực nghiệm cho thấy hiệu suất của phản ứng giảm đi khi hiệu ứng không gian loại I của các nhóm thế tăng.1.2.2. Ảnh hưởng của hiệu ứng không gian loại I đến phản ứng đơn phân tử: Những phản ứng đơn phân tử như phản ứng thế nucleophin SN1, phản ứng tách E1 đều qua giai đoạn tạo thành cacbocation trung gian: Trong trường hợp này nếu kích thước các nhóm thế ở phân tử chưa phản ứng càng lớn thì phản ứng xảy ra càng dễ. Nguyên nhân: Từ chất ban đầu đến cacbocation trung gian số các nhóm thế giảm đi, sức căng góc sẽ giảm đi nên khả năng phản ứng càng tăng khi thể tích các nhóm thế càng tăng. Hiệu ứng này gọi là “hiệu ứng thay đổi cụm các nhóm thế có lợi”.1.2.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng không gian loại I đến độ bền của đồng phân: Hiệu ứng không gian loại I không những có ảnh hưởng đến khả năng phản ứng mà còn ảnh hưởng đến độ bền tương đối của các đồng phân hình học và đồng phân cấu dạng. Khi tập trung nhiều nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử có thể tích lớn sẽ làm giảm tính bền của đồng phân hình học cũng như đồng phân cấu dạng.1.3. Hiệu ứng không gian loại II: Hiệu ứng không gian loại II là hiệu ứng gây ra bởi các nhóm có kích thước lớn vi phạm đến tính song song của trục các obitan p trong hệ liên hợp làm cho hiệu ứng liên hợp mất tác dụng, thay đổi tính chất của phân tử. Ví dụ:ChấtPhenolp-nitrophenol3,5-đimetyl-4-nitrophenolpKa10,07,28,21.4. Hiệu ứng kề hay hiệu ứng anchime: Hiệu ứng kề là một loại hiệu ứng không gian, xuất hiện khi trong phân tử có nguyên tử Z còn có những cặp electron tự do n đứng gần trung tâm phản ứng ở một khoảng cách cần thiết (cách tâm phản ứng 2, 3, 4 nguyên tử) để có thể tạo ra hợp chất vòng trung gian (vòng oni, vòng sunfoni, vòng amoni) Nhóm -Z này có khả năng tấn công vào tâm phản ứng trước khi tác nhân Y tác dụng làm cho trung tâm phản ứng bị án ngữ không gian ở phía có vòng, ảnh hưởng đến cấu hình của sản phẩm. Những nguyên tử có chứa các cặp electron π (các liên kết đôi hoặc nhân thơm) cũng có khả năng tạo ra cacbocation vòng. Hiệu ứng kề có ảnh hưởng đến lập thể của phản ứng như dẫn đến hiện tượng raxemic hoá, bảo toàn cấu hình và có thể gây ra hiện tượng chuyển trung tâm phản ứng từ vị trí này sang vị trí khác. Ví dụ: Thuỷ phân axit α-brompropionic hoạt động quang học trong môi trường kiềm: Phản ứng xảy ra theo cơ chế SN1, giai đoạn chậm nhất là giai đoạn tạo ra cacbocation (b). Ở cacbocation này do tương tác của oxi trong nhóm cacboxylat vào cacbon mang điện dương tạo ra trạng thái chuyển tiếp vòng án ngữ một phần không gian, nên giai đoạn nhanh của quá trình là sự tấn công của OH- vào phía thuận lợi hơn về mặt không gian để tạo ra axit lactic có cùng cấu hình với axit α-brompropionic. Từ sơ đồ trên ta thấy sự tương tác của nhóm thế bên cạnh với cacbon trung tâm là quá trình SN2 nội phân tử, do đó để có hiệu ứng kề thì nhóm thế bên cạnh phải ở vị trí transoit đối với nhóm bị thế X. Hiệu ứng kề cũng xảy ra với nhóm kề là nhóm halogen. Ví dụ điển hình là phản ứng giữa 3-brombutan-2-ol với hiđrobromua thành 2,3-đibrom theo cơ chế SN1. Khi đó, từ cặp đồng phân D,L-threo A sẽ thu được cặp đồng phân D,L-threo B và từ cặp đồng phân D,L-erythro A’ sẽ thu được đồng phân meso vì cacbocation tạo ra bị tạm chiếm bởi nguyên tử brom ở kề bên tạo thành vòng ion bromoni:1.5. Quy tắc cố định cấu dạng trong phản ứng tách lưỡng phân tử: Cơ chế tách E2 chỉ xảy ra thuận lợi khi bốn tâm tham gia phản ứng phải nằm trong cùng mặt phẳng, nghĩa là các nguyên tử, nhóm nguyên tử tham gia phản ứng phải ở vị trí trans (anti) đối với nhau. Ví dụ: 1.5.1. Quy tắc Ingold: Áp dụng cho các hợp chất mạch hở Sự tách trans được giải thích bởi sự thuận lợi về mặt năng lượng hình thành trạng thái chuyển tiếp do tránh được tương tác của bazơ RO- và nguyên tử Br có độ âm điện lớn và sự chuyển hoá từ Csp3 sang Csp2 không phải đổi hướng obitan.1.5.2. Quy tắc Barton: Áp dụng cho các hợp chất vòng no Sự tách E2 trong hệ vòng chỉ xảy ra thuận lợi khi các nhóm bị tách ở cấu dạng trans – điaxial (hai nhóm bị tách ở vị trí trans và có liên kết trục).1.5.3. Quy tắc Endo: Quy tắc xen phủ cực đại Trong phản ứng cộng Diels – Alder hai phân tử đien và đienophin được sắp xếp trên hai mặt phẳng song song và các phân tử định hướng để các nhóm không no của phân tử đienophin quay về phía các liên kết đôi của đien để hình thành trạng thái chuyển tiếp dạng vòng. Ví dụ: Anhiđrit maleic cộng vào xiclopenta-1,3-đien như sau: 1.6. Hiệu ứng octo: Hiệu ứng octo xảy ra ở các hợp chất thơm, đây là hỗn hợp các hiệu ứng lập thể loại I, loại II, hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng trường, liên kết hiđro Ví dụ: o-R-C6H4-NH2 có tính bazơ nhỏ hơn các đồng phân meta và para. 1.7. Hiệu ứng cấu dạng: Sức căng Baeyer giải thích độ kém bền của vòng 3 cạnh và 4 cạnh. 1.8. Hiệu ứng qua nhân hay hiệu ứng xuyên vòng: Hiệu ứng qua nhân là hiệu ứng không gian xuất hiện khi hai trung tâm phản ứng ở đối diện nhau trong vòng nhưng lại gần nhau trong không gian do cấu trúc của vòng nên có thể phản ứng với nhau để nối hoặc chuyển liên kết qua vòng. Ví dụ: 2. HOÁ LẬP THỂ CỦA PHẢN ỨNG HỮU CƠ 2.1. Phản ứng thế: Phản ứng thế là phản ứng trong đó một nguyên tử hay nhóm nguyên tử trong phân tử hữu cơ được thay thế bằng một nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác. Phản ứng tổng quát:2.1.1. Phản ứng thế nucleophin: SN1 và SN2a) Phản ứng thế SN2 có kèm theo sự quay cấu hình của trung tâm phản ứng qua trạng thái chuyển tiếp trung gian. Ở trạng thái chuyển tiếp, tác nhân tương tác với trung tâm bất đối khi liên kết giữa trung tâm bất đối với nhóm thế chưa bị đứt hoàn toàn. Khi này nhóm thế và nhóm bị thế được sắp xếp trên một đường thẳng ở hai phía đối với trung tâm bất đối. Sau khi trạng thái chuyển tiếp hình thành, nhóm bị thế tách ra và các liên kết C-R chuyển sang phía trước kia có nhóm thế X. Sản phẩm thu được có cấu tạo tứ diện ngược với tứ diện ban đầu. Đó gọi là sự nghịch đảo Walden. Như vậy, sự nghịch đảo Walden là sự đảo ngược cấu hình của sản phẩm so với chất ban đầu sau khi thực hiện phản ứng SN2 ở nguyên tử C bất đối. Ví dụ: Phản ứng thế của 2R-brombutan như sau: b) Phản ứng SN1: Phản ứng SN1 xảy ra với sự raxemic hoá hoặc quay cấu hình một phần. Cơ chế phản ứng xảy ra qua hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: tạo ra cacbocation (đây là giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng). - Giai đoạn 2: tác nhân Y- tấn công vào cacbocation tạo thành sản phẩm cộng (nhanh). Thực tế trong đa số trường hợp song song với sự raxemic hoá có sự quay cấu hình một phần. Điều này được giải thích là do anion X- đã chắn một phần đường tấn công của tác nhân Nu- vào cacbocation phẳng, do đó buộc Nu- phải ưu tiên tấn công vào phía đối diện giống như hướng thế theo cơ chế SN2. Như vậy, nếu thời gian tồn tại của cacbocation càng ít, cacbocation càng mau chóng phản ứng với tác nhân Nu-, trong khi đó X- chưa kịp đi ra xa khỏi trung tâm phản ứng thì phần trăm quay cấu hình càng lớn. Ngược lại, thời gian tồn tại của cacbocation càng lớn thì phần trăm raxemic hoá càng nhiều. Nhưng do ảnh hưởng của dung môi, phản ứng SN1 thường xảy ra với hỗn hợp sản phẩm có cấu hình nghịch chuyển cao hơn. Ví dụ: Sự thuỷ phân của (1-cloetyl)benzen: Cấu trúc của chất đầu với cơ chế phản ứng thế nhóm X trong phân tử R – X: - Nếu X gắn trực tiếp với C bậc 1 phản ứng xảy ra chủ yếu theo cơ chế SN2. - Nếu X gắn trực tiếp với C bậc 3 phản ứng xảy ra chủ yếu theo cơ chế SN1. - Nếu X gắn trực tiếp với C bậc 2, phản ứng xảy ra theo cơ chế SN1 hoặc SN2 phụ thuộc yếu tố cấu trúc hoặc dung môi. Dung môi phân cực làm cho phản ứng xảy ra theo cơ chế SN1, dung môi không phân cực hoặc ít phân cực làm cho phản ứng xảy ra theo cơ chế SN2.2.1.2. Phản ứng thế nucleophin nội phân tử SNi: Phản ứng thế SNi cho sản phẩm có cấu hình giống ban đầu. Khi cho một ancol tác dụng với clorua tionyl SOCl2, phản ứng qua giai đoạn trung gian clorosunfit ankyl, có thể cô lập được, sau đó nhiệt phân clorosunfit ankyl ta được cloruaankyl.Ví dụ:2.1.3. Phản ứng thế gốc SR: Phản ứng thế theo cơ chế gốc là phản ứng dây chuyền có ba giai đoạn: - Giai đoạn khơi mào. - Giai đoạn phát triển mạch và tạo sản phẩm. - Giai đoạn tắt mạch và kết thúc phản ứng. Ví dụ phản ứng clo hoá ankan xảy ra như sau: - Giai đoạn khơi mào: - Giai đoạn phát triển mạch: - Giai đoạn tắt mạch và kết thúc phản ứng: Giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng là giai đoạn phát triển mạch. Phản ứng thế gốc đi qua gốc tự do trung gian, mà gốc tự do có cơ cấu phẳng, obitan chứa một electron độc thân có trục đối xứng vuông góc với mặt phẳng trên. Nên tác nhân có thể tấn công vào tâm phản ứng từ hai phía với xác suất bằng nhau cho ta hốn hợp raxemic.2.2. Phản ứng tách: E Phản ứng tách loại là phản ứng mà trong đó hai nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị tách ra khỏi phân tử hữu cơ và không có nguyên tử hay nhóm nguyên tử nào thay thế vào. Ví dụ: CH3-CH2-OH CH2=CH2 + H2O Phản ứng tách loại tạo liên kết đôi xảy ra theo hai cơ chế: cơ chế lưỡng phân tử E2 và cơ chế đơn phân tử E1.2.2.1. Phản ứng tách E2: Phản ứng tách E2 có đặc thù lập thể cao. Phản ứng tách E2 xảy ra dễ dàng nếu phân tử chất phản ứng có thể quay tự do để bốn tâm tham gia phản ứng nằm trên một mặt phẳng, nghĩa là ở vị trí trans đối với nhau và liên kết trục tạo điều kiện thuận lợi cho sự xen phủ cực đại các obitan trong quá trình hình thành liên kết. Ví dụ: Tách HX trên dẫn xuất halogen: - Đồng phân erythro cho anken cis - Đồng phân threo cho anken trans Tách halogen X2: - Đồng phân erythro cho anken trans - Đồng phân threo cho anken cis Phản ứng tách E2 trên hợp chất vòng no: Theo quy tắc Barton, các nhóm bị tách ở vị trí trans và liên kết trục.2.3. Phản ứng cộng:2.3.1. Phản ứng cộng electrophin: AE2.3.1.1. Cộng halogen X2: Phản ứng cộng halogen vào anken diễn ra theo cơ chế cộng electrophin và quy tắc cộng trans. Cấu hình của sản phẩm thu được sau phản ứng phụ thuộc vào cấu hình của anken ban đầu và điều kiện tiến hành phản ứng.Cơ chế cộng halogen vào anken được mô tả dưới đây: Trong cơ chế cộng halogen của anken có ba điểm quan trọng: - Phân tử halogen không tác dụng đồng thời mà bị phân cực do tác dụng của liên kết π, tấn công vào anken theo hai giai đoạn. - Giai đoạn chậm quyết định tốc độ chung của phản ứng là giai đoạn tấn công của phần mang điện dương vào nối đôi để tạo ra tiểu phân trung gian. - Trạng thái chuyển tiếp vòng ba cạnh án ngữ một phía không gian, do đó ion X- tấn công vào anken từ phía đối diện, tức là cộng anti (cộng từ hai phía đối nhau). Kết quả khi cộng halogen vào anken có cấu hình cis thu được sản phẩm là cặp D,L – threo, còn khi cộng halogen vào anken có cấu hình trans thu được sản phẩm có cấu hình D,L - erythro. Nếu anken có hai nhóm thế giống nhau thì từ đồng phân trans chỉ thu được sản phẩm là đồng phân meso. Ví dụ phản ứng của but-2-en với dung dịch Br2 như sau:Hoặc phản ứng của axit maleic và axit fumaric với dung dịch Br2: Cấu hình của sản phẩm sinh ra còn phụ thuộc vào dung môi tiến hành phản ứng. Ví dụ, thực nghiệm cho thấy rằng trong dung môi ít phân cực, cis-stinben cộng với Br2 cho sản phẩm là hỗn hợp raxemic; nhưng trong các dung môi phân cực (có hằng số điện môi lớn hơn 35) cả cis-stinben và trans-stinben khi cộng Br2 đều cho sản phẩm là đồng phân meso. 2.3.1.2. Phản ứng cộng HX: Cơ chế của phản ứng được mô tả như sau: Phản ứng cộng hợp các axit halogenhiđric vào anken nói chung xảy ra theo cơ chế cộng trans, trừ một số trường hợp tuân theo quy tắc cộng cis. Lập thể của phản ứng trong trường hợp này được giải thích bằng việc hình thành ion protoni. Ở giai đoạn tiếp theo anion X- tấn công vào phía đối diện với phía có mặt proton. Với ankin, phản ứng cộng hợp HX có thể diễn ra theo kiểu cis hoặc trans phụ thuộc vào dung môi và điều kiện tiến hành phản ứng.2.3.2. Phản ứng cộng nucleophin: AN Phản ứng cộng nucleophin vào liên kết đôi C=O không có đặc thù lập thể bởi vì dù phản ứng diễn ra theo cơ chế cộng cis hay cộng trans thì đều thu được một sản phẩm duy nhất do sự quay tự do quanh liên kết đơn C-O.Như vậy nếu phản ứng cộng tạo ra sản phẩm có nguyên tử C bất đối thì sản phẩm đó là hỗn hợp raxemic. Nhưng nếu trong trường hợp trong phân tử đã có một nguyên tử C bất đối liên kết với nhóm C=O thì phản ứng cộng sẽ tạo ra hai đồng phân quang học không đối quang, trong đó có một đồng phân được ưu tiên hình thành. Cấu hình của sản phẩm chính được xác định theo quy tắc Cram. Nội dung quy tắc Cram gồm hai điểm chính sau: - Hợp chất cacbonyl khi phản ứng sẽ ở cấu dạng có nguyên tử O của nhóm C=O nằm giữa hai nhóm thế có kích thước nhỏ nhất của nguyên tử C bất đối bên cạnh và nhóm R hay nguyên tử H của nhóm C=O nằm ở vị trí che khuất với nhóm thế lớn nhất của C bất đối đó. - Sản phẩm ưu tiên hình thành là sản phẩm do tác nhân nucleophin tấn công vào phía ít bị án ngữ không gian, tức là phía giữa nhóm nhỏ nhất và nhóm lớn nhất.RMSLOLRNuOHMSLNuROHMSNu:Sản phẩm chínhNu:OMSRLSản phẩm phụ