Chương I. LÝ THUYET PHAN UNG CONG VÀO NHÓM CARBONYL VÀ PHAN UNG CONG LIEN HỢP - TAC NHÂN CO LITI. LÝ THUYET PHAN UNG CONG TRỤC TIẾP VÀO NHÓM CARBONYL VÀ CỘNG LIÊN HỢP. Phản ứng cộng vào nối đôi của nhóm carbonyl ( >C=O).
Đặc điểm cấu trúc và khả năng phản ứng cia nhóm carbonyl. Liên kết đôi carbonyl, cũng giống như liên kết đôi anken, bao gồm hai liên kết một liên kết ø và một liên kết x. Liên kết o được tạo thanh do sự xen phủ trục của hai orbital lai hoá sp” của hai nguyên tử carbon va oxi, các orbital sp” còn lại của oxi chứa các cặp electron tự do. Do có lại hoa sp” nên nhóm carbony! có dạng phẳng vả góc của các nhóm thé gân bing 120°.
Liên kết x được hình thành do sự xen phủ bên của các orbital p không lai hoá. Giản đổ dưới đây mô tá hợp chat carbonyl đơn giản nhất, formandehid, HCHO. Chú ý rằng phải vẽ liên kết x nghiêng vẻ phía nguyên tử oxi, bởi vì oxi có độ âm điện lớn hơn cacbon nên orbital phân cực nhiều hơn. Ngược lại, phản liên kết x” lại hướng về hướng ngược lại, nguyên tử carbon cỏ hệ số lớn hơn.2: Orbital phản liên kết x" Bởi vì có hai loại liên kết nên năng lượng liên kết của C=O gần gdp đôi liên kết C—O (lần lượt lá 720 và 351 kJ.
Thế nhưng do có độ phân cực lớn nên liên kết đôi C=O có khả năng phản ứng lớn. Do độ phân cực lớn nên nguyên tử carbon mang một phan điện tích dương nên nó dé bị tắn công bởi các tác nhân nueleophin. Độ phân cực của orbital phản liên kết x` cũng la yêu tố quan trọng Khi nhỏm carbonyl bị tắn công bởi các tác nhân nucleophin, các electron chuyển từ HOMO cúa nueleophin đến LUMO cia electrophin, trong trường hợp nay lá orbital x” của liên kết C=O, va sự tương tác HOMO — LUMO điển ra kha dé dang Người lưướng khoa học: Th.S N; Van Ngân Trang 2 Professor Lawrence M. Pratt Khoáluận tắt Người th : Mai Khanh Bình Khi nucleophin tiên lại gan nguyên tir carbon, cặp electron trên HOMO tương tác với LUMO để tạo thành liên kết ø Khi electron vào orbital phản liên kết x”, liên kết x bị bé gãy, chỉ con liên kết o va các electron chuyển đến nguyên tử oxi.
- eral ween ow wo) teat ca .3 Gian đồ tương tác của nhóm nucleophin với liên kết C=O. Góc của nueleophin tấn công vào nhóm carbonyl. Với câu trúc của nhóm carbonyl thi sự tương tác HOMO— LUMO sẽ là cực đại nêu nucleophin tắn công thắng góc với nhóm carbonyl. Thế nhưng góc tắn công ở đây là khoảng 107°.
Góc tắn công này gọi là quỹ đạo Burgi - Dunitz. Góc tắn công nay là kết quả của cá hai yếu tố: sự xen phủ cực đại của HOMO với x” vả sự đây cực tiểu của HOMO bởi mật độ electron trên liên kết x của nhóm carbonyl. Tính toán lí thuyết sau nảy cũng cho thấy giá trị 107° là thuận lợi nhất để phản ứng.4: Các yêu tô tạo nên góc tan công nucleophin c. Phản ứng thế nucleophin ở nhóm carbonyl.
Tuy nhiên, phan ứng cộng không phải lúc nào cũng tạo ra sản phẩm bền, do đó thưởng một nhóm thê trên nguyên tử carbon sẽ tach ra, tạo tra lại liên kết đôi C=O Hop chat trung gian khi xảy ra phan ứng tách gọi là hợp chat trung gian tứ điện Người hướng khoa học: Th.S N; Van Ngan Trang 3 Professor Lawrence M. Pratt Khoáluận tot N, : Mai Khánh Bình Hình 1.5: Hợp chat trung gian tứ điện (ở giữa) Dé biết phan ứng nay tạo thành hợp chat trung gian tứ diện, năm 1951, Bender đã cho nước phan ứng với dẫn xuất acid carboxylic RCOX với đồng vị '"O. Tuy nhiên ông không cho đủ nước dé phản ứng hết RC'“OX. Cuối phan img ông nhân thấy các chat ban đầu chưa phản ứng không phải chat nào cũng chứa nguyên tử '"O, một số chung chứa '“O.
Kết quá nảy cho thấy không thẻ giải thích bằng việc phan ứng thé trực tiếp X bằng H;O ma phải giải thích bang việc có tổn tại hợp chất trung gian tử điện trong đó '*O và '*O có thé đổi chỗ cho nhau. Eee =ca Hình 1.6: Thi nghiệm của Bender | | Điều kiện của phan ứng nay phụ thuộc vao các yếu tổ sau - X là nhóm rời tốt hơn Y - Y là nucleophin mạnh đủ dé tắn công RCOX. - Chất nền RCOX. ~ Môi trường phản ứng.
Anh hưởng của nhóm rời di. Một khi nucleophin tan công vao hợp chat carbonyl, độ bên của san phẩm tứ điện sẽ phụ thuộc vao việc nhóm tân công sẽ giải toa điện tích âm như thé nao, Và sản phẩm tử diện sẽ không bên nêu một trong những nhỏm thé có xu hướng tách ra và mang đi điện tích âm trên oxi Gia trị pK, cho biết độ bên của bazơ liên hợp so với acid đó — pK, cảng thấp, bazơ liên hợp cảng bén va nó cảng có xu hướng tách ra. Thong thường người ta sử dung giá trị pK„ị (pK, của acid liên hợp) Người hướng dân khoa học: ThS Van Ngân Trang 4 Professor Lawrence M. Pratt Khoá luận tốt Ay : Mai Khánh Bình leaving grows Men z x | ! ˆ Sar x ị : ` s |i C03 4 ] Bảng 1.1: pK, của một số nhóm rời di thường gap Anh hưởng của nucleophin.
Gia trị pK, cũng là yếu tổ dé ta xét nucleophin nao lá mạnh hơn Các chất có khả nang tạo liên kết với mạnh với hidro (pK, lớn) thi cũng có khả năng tạo liên kết lớn với carbon. pKạ cảng lớn thi nó là nhóm rời cảng kém và thông thường là tác nhân nucleophin mạnh > al TERT Bảng 1.2: Giá tri pK. của một số chất thường gặp 'Í - Có thé thấy vi dụ điển hình sau: amin phản ứng với acid acetic nhanh ở nhiệt độ phòng (trong vải giờ), ancol phản ứng rất chậm nếu không có bazơ. Ngược lại anion alkoxid phản ứng rất nhanh (phan ứng hoàn toan trong vài giây ở 0°C).
Anh hướng của chất nền RCOX. Ta có khả năng phản ứng ở bảng sau: vost I moon onset * e° acy 92s309, A J aU Pryorses ° J - ates ."o$es /Ƒ eat Pace Bang 1.3: Độ giảm kha năng phan ứng (từ trên xudng dưới) của RCOX Người hướng dẫn khoa học: —Th.S Nguyễn Van Ngâm Trang Š Professor Lawrence M. Pratt Khoáluận tốt "Người th + Mai Khánh Bình Amid có khả năng phản ứng kém nhất, nguyên nhân là do cặp electron trên nguyên tử nitơ có thể được làm bén bằng cách xen phủ với orbital x’ của nhóm carbonyl — vả sự xen phủ nảy là lớn nhất néu cặp electron ở trên orbital p TOES 2910 CET Het e 9g, Z h ạ '"*11 ` /Y 7. om wowet JA x.7 Mô hình và gián đồ MO và sự xen phú orbital trong amid Sự xen phú này làm giám năng lượng orbital liên kết lam cho nó không có tính nucleophin lẫn tính bazơ, sự tăng năng lượng orbital phản liên kết làm giảm khả năng phan ứng với các nucleophin.
Do đó amid chỉ có thé phản ứng với các nueleophin rất mạnh như HO” Este cũng cỏ hiện tượng tương tự, tuy nhiên do năng lượng của cặp electron trên oxi khá thấp nên hiệu img nay không đáng kẻ Môi trường. Môi trường có ảnh hưởng lớn đến loại phản ứng này - Acid carboxylic không bị thé trong môi trường bazơ - _ Xúc tác acid làm tăng khả năng phản img của nhóm carbonyl: cặp electron trên nguyên tử oxi có thé bj proton hoá bởi acid. Quá trình proton hoá là rất yếu (dung dich HCI IM chỉ có thé proton hoá | trong 10” phân tử aceton), tuy nhiên nó vẫn đủ để tăng tốc độ phản ứng vì nhóm carbonyl sau khi bị proton hoá có tính electrophin rất mạnh. - _ Xúc tác acid làm tăng khả năng ra đi của các nhóm rời di: điển hình như khi nhóm HO” bi proton hoá, nó sẽ trở thành nhóm rời tốt (H;O có pK„= -2 trong khi HƠ có pK,y= 15).
Phản ứng cộng liên hợp vào hợp chất có nhóm carbonyl. Phản ứng nay chỉ xuất hiện đôi với những hợp chất có liên kết đôi C=C kế bên nhóm C=O, hợp chat có cau tạo như vậy gọi là hợp chat carbonyl không no a,B. Phản img công nảy khác nhiều so với phản img công vao liên kết đôi C=C đơn thuần, hệ liên hợp có nhóm C=O có ảnh hưởng lớn đến liên kết đôi C=C, do có sự liên hợp nên liên kết đôi C=C trở thành một nhóm electrophin cf Me LY - - Mea¬exv Hình 1.8: Sự liên hợp trong phân tử hợp chat carbonyl không no a,B Người hướng dẫn khoa học: ThS Nguyễn Văn Ngân Trang 6 Professor Lawrence M. Pratt Khoáluận tốt Nguoi th : Mai Khánh Bình Các MO kiểm soát phan ứng cộng liên hợp.
Phan img công liên hợp thực chất liên quan đến sự di chuyển electron tir HOMO cúa nucleophin dén LUMO của hợp chat carbonyl không no.9 Tương tác giữa HOMO và LUMO. LUMOở đây sẽ có dạng phức tạp hơn LUMO x’ của nhóm carbonyl đơn giản .10- Các orbital của butadien và acrolein. Các orbital của acrolein khác nhau bởi vi chúng bị nhiễu loạn (biến dang) bởi nguyên tử oxi, Trong LUMO, hệ số lớn nhất của nguyên tử Cạ trong hệ không no a, (dấu *), vi vậy nucleophin sẽ tấn công vảo đây. Hệ số lớn thứ hai là của carbon của nhóm carbonyl, do đó HOMO cũng có thé tắn công vào đây (phản ứng công trực tiếp) 1.
Các yếu t6 ảnh hưởng đến sự cạnh tranh của phản ứng cộng liên hợp và cộng trực tiếp. Khi một nucleophin phản ứng với hợp chat carbonyl không no a, sẽ có hai hướng phan ứng xảy ra: công liên hợp vào nồi đôi C=C (công 1,4) vả công trực tiếp vào nhóm C=O (cộng 1,2) Người hướng khoa học: Th.S XN, Van Ngân Trang 7 Professor Lawrence M. Pratt Khoá luận tốt nghiệp Người thực hiện: Mai Khánh Bình cere3 Hình 1.11 Hai hưởng phan img của nucleophin Hướng nucleophin phan img phụ thuộc vào các yếu tổ sau - _ Điều kiện phản ứng Bản chất của chất nên - Loại nucleophin b. Diéu kiện phan ứng.
Người ta thực hiện phản ứng giữa xianua vả vinyl metyl xeton và nhận thấy rằng khi phan img xảy ra ở nhiệt độ thắp sẽ ưu tiên cho phản ứng cộng trực tiếp, con ở nhiệt độ cao thi ưu tiên cho phan ứng cộng liên hợp. Bên cạnh đỏ, phản ứng cộng trực tiếp diễn ra nhanh hơn va sự tạo thành xianohidrin là thuận nghịch LA 21 2 wor 9⁄4 fomos 2 ge ENS Oot! sương eesce Soo .12- Phan ứng của xianua vả vinyl metyÌ xeton Mặc dù cân bằng của phản img chuyển dich vẻ phia tạo thánh sản phẩm nhưng tại thời điểm cân bằng vẫn tổn tại một lượng nhỏ enon.