7 Huuco-P2 [PDF]

Zitiervorschau

PHẦN 2

Bài tập trong các kỳ thi Học sinh giỏi Quốc Gia Việt Nam Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2005 1. Hợp chất A có công thức phân tử CHNO, ở thể khí, độ dài liên kết CN bằng 121 pm (1pm=10-12m), độ dài liên kết CO bằng 117 pm. A tan trong nước tạo thành dung dịch axit với Ka = 1,2 . 10-4. Ở 00C, A tự biến thành chất rắn X không tan trong các dung môi thông thường, độ dài liên kết CN bằng 140 pm. Trong dung dịch đặc, A tự biến thành chất rắn Y có vòng 6 cạnh với độ dài liên kết CN bàng 135 pm. Biết độ dài liên kết trung bình ở các hợp chất như sau:

Liên kết

C–C

C–N

C–O

C=N

C=O

CC

cacbon oxit

Độ dài, pm

154

147

143

130

123

116

112

a. Hãy viết công thức cấu tạo các đồng phân ứng với công thức phân tử CHNO. Công thức nào phù hợp với A ở thể khí, vì sao ? b. Viết công thức cấu tạo và phương trình phản ứng điện ly của A trong dung dịch. c. Hãy đề nghị phương trình phản ứng tạo thành X, Y và công thức cấu tạo của chúng. 2. Viết công thức các sản phẩm có thể tạo thành khi thực hiện quá trình đồng phân hóa B (có công thức cấu tạo cho dưới) trong môi trường axit. Gọi tên cấu hình (nếu có) của các chất và cho biết đồng phân nào có tính quang hoạt.

CH3

B

Đáp án: 1. a. Các đồng phân

O HO – C  N

HN=C=O (I)

(II)

HO N

C

HCNO

(III)

(IV)

H

C

N

(V)

ở A, dCN = 121 pm, trung gian giữa liên kết C = N (130 pm) và C  N (116 pm); dCO = 117 pm, trung gian giữa liên kết C=O (123 pm) và C  O (112 pm). Vậy công thức (I) là phù hợp hơn cả (cacbon ở trạng thái lai hoá sp), công thức (IV) và (V) không phù hợp với giá trị pKa. b. Giá trị Ka = 1,2. 10-4, lớn hơn cả axit axetic, chứng tỏ phân li theo kiểu axit oxi (-O-H) chứ không chỉ kiểu axit nitơ (-N -H) do có cân bằng hỗ biến và cộng hưởng cấu tạo

H H+

N

C

O

N C

O

N

N

C

O H

C

O

H+

c. * n HN=C=O 

HN

(X): Đó là polime kiểu poliamit nên khó tan.

C O

n

Độ dài liên kết CN (140 pm) là trung gian giữa liên kết đôi (130 pm) và liên kết đơn (147 pm).

O 3H N

C

O

C HN

NH C O

HO C=O

C

NH

N

, (Y )

N C

OH

C

3N

N

C

OH

(Y)

OH

Tạo ra từ dung dịch đặc nên kết tủa thành chất rắn Y. Độ dài liên kết CN (135 pm) lớn hơn CN cô lập (không thơm, 130 pm) như vậy Y phù hợp hơn Y’`. 2. Có 4 đồng phân

R, S

cis, trans

Quang hoạt

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2005 1. Polime X có thể được tổng hợp theo sơ đồ sau

2A AlCl3

Y

E,

B (C14H10O4)

KMnO4

O C

COOH

HOOC

CONH

C (C10H6O8)

nhanh

t O

D (C10H2O6)

0

X, (C22H10N2O5) n

NH n

a. Viết sơ đồ phản ứng tổng hợp Y từ benzen và các chất cần thiết. b. Hoàn thành sơ đồ phản ứng tổng hợp X. Viết một đoạn mạch của X gồm hai mắt xích. 2. Dùng mũi tên cong chỉ ra sự tạo thành các sản phẩm sau: a. 2-Metyl-5-isopropenylxiclohexanon

3000C

1,7,7-trimetyl bixiclo [2.2.1] heptan-2-on (Campho). h b. Benzen + metyl 3-phenylpropiolat

X + Y

Với X là metyl 2-phenylxiclooctatetraencacboxylat và Y có công thức như sau:

C6H5 COOCH3

Đáp án: 1. a. Tổng hợp Y

Y

H2N

O

NO2

CH3CONH

NH2

CH3CONH

CH3CONH

NH2

NH2

+

N N

NH2

CH3CONH

I ONa

(I) Y

NH2 b. Tổng hợp X

O

COCl COCl

O

O

OH OH

HO HO O

O

O

E

t0

O

O O

O

B

Y

O

O

C

N

O

D

O

O

O

O

N

X

n

Công thức cấu tạo một đoạn mạch của X gồm 2 mắt xích là:

O N

O

O

N

N O

O

O

O

O

O

O

N

2. a. O

O

O

H

O

O

O

H

b.

C6H5

H

C6H5

hv

C +

C

H

H H

COOCH3

H

COOCH3

C6H5

C6H5 COOCH3

COOCH3

C6H5 C6H5 COOCH 3

H

COOCH3

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2005 Axit lysergic được tìm thấy trong một số loài nấm. Người ta có thể tổng hợp toàn phần axit (  ) lysergic theo ba giai đoạn lớn sau đây: Giai đoạn 1:

COOC2H5 O

C6H5N=N

Hexandial ( A)

2

cacbetoxixiclopentanon (B)

(C)

Hãy viết sơ đồ phản ứng thực hiện các chuyển hóa A  B và B  C.

COOH NH ( D )

Giai đoạn 2 -

H2/Ni

D

E

1 :1

C6H5COCl/OH

SOCl2

F

AlCl3

G

H

Br2/CH3COOH

J

a. Hãy viết công thức cấu tạo của E, F, G, H và J. b. Trình bày cơ chế của phản ứng G  H. Giai đoạn 3

(CH3)2CO

Br2/CH3COOH

K

1:1

HOCH2CH2OH H+

CH3NH2

L

M HOOC

H

N H

M

J

H2O/ H+

N

HO-

P

natri arsenat W Ni / _ H2

Q

H

N

axit (±) lysergic a. Hãy viết công thức cấu tạo của K, L, M, N, P và Q. b. Giải thích tại sao phải chuyển K thành L và nêu bản chất của phản ứng P  Q. c. Viết công thức cấu tạo của W và nếu cách tổng hợp W từ Q.

Đáp án: 1. A B

CHO A

COOH oxi ho¸

an®ol ho¸

este ho¸

OH

O

B C

C6H5NH2

+

NaNO2

+

O 0C

HCl

+

C6H5N2 Cl

COOC2H5 C6H5N2+ Cl -

B OH

C

B

CH3

2. a. COOH

COOH

E F

NH

N COC6H5

O

COCl

O Br

G

J

H

N COC6H5

C6H5CO

C6H5CO

N

N

b. Cơ chế phản ứng G  H là SE 2Ar +

CO

O

O Cl

H _ H+

_ Cl _

N

N

N

COC6H5

OC

COC6H5

C6H5

3/ a.

K

CH3COCH2Br

O

L CH3 C CH2Br O O

O

CH3

N

C

CH3

O

N

Q

P N

N OC

O

CH3 N CH2

N CH2 C CH3 O O

CH3 C CH2NHCH3 O O

M

C6H5

OC

C6H5

HN

b. Chuyển K thành L để bảo vệ nhóm chức C=O Bản chất của phản ứng P  Q là ngưng tụ croton nội phân tử (đóng vòng) và thủy phân amit.

CH3

c. COOH

N

CH3

W

HN

Chuyển hóa Q  W có thể làm nhiều cách miễn sao hợp lý. Thí dụ: CO  ancol  dẫn xuất halogen  cơ magie cacbonyl hoá bằng CO2  thủy phân.

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2005 Cho 2-cabetoxixiclopentanon phản ứng với 1,3-dibrompropan khi có mặt NaH trong DMF. Sản phẩm A nhận được được đun nóng với một đương lượng NaH trong hỗn hợp benzen - DMF cho phép thu được dẫn xuất bixiclic B, C11H16O3. B chịu tác dụng của etandithiol khi có mặt BF3 và Ni Raney trong metanol để hình thành sản phẩm C. Xà phòng hóa C bằng NaOHm sau đó thủy phân rồi xử lý với thionyl clorua và cuối cùng bằng NaN3 trong axeton. Đun hồi lưu hỗn hợp trên khi có mặt vết axit H+ sẽ thu được D C8H15N. Bằng tác dụng của fomandehit trong axit fomic ở 100oC, D chuyển thành E. Sau khi xử lý E bằng metyl iodua sau đó bằng Ag2O trong nước,

đun sản phẩm thu được ở 2000C khi có mặt 1,3-

diiphenylisobenzofuran người ta sẽ nhận được hai đồng phân C28H26O là (I) và (II) với hiệu suất thấp. 1. Hãy xác đinh công thức cấu trúc của các hợp chất trên. 2. Trình bày cơ chế của quá trình A  B và D  E. 3. Hãy đưa ra cách tổng hợp ·2-cacbetoxixiclopentanon bằng phương pháp ngắn nhất và khác với cách dùng ở câu 3.

Đáp án: 1.

O

O COOEt

O (CH2)3Br

1. NaH 2. Br(CH2)3Br

HS

NaH

S

S

BF3

COOEt A

SH

COOEt B

COOEt

1. NaOH 2. H3O+

Ni Raney CH3OH

SOCl2

COCl

COOH

COOEt

1. NaN3 2. H3O+

NH2 D

C

Ph O 200 0C

1. CH3I . N(CH3)2 2 Ag2O

HCHO HCOOH

Ph Ph

Ph

+

N(CH3)3 OH O

I

O

Ph

Ph

II

2. Cơ chế Tứ A tạo thành B

Br O

OBr

NaH

B

COOEt

COOEt

A Từ D tạo thành E

RNH2

HCHO

H+

RNHCH2OH H O - 2

RNH CH3

RN = CH2

+

CO2

H C O H O

3.

O

O OEt

CH3ONa

-O

OEt

OEt

COOEt

COOEt

O COOEt

COOEt

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2005 1. Cho 8-metylnona-5,8-dienal tác dụng với xiclohexan-1,3-dion (theo tỉ lệ mol 1 : 1) trong môi trường kiềm được chất A, C16H22O2. Đun nóng A thu được hỗn hợp B gồm các chất là đồng phân của nhau có công thức phân tử C16H22O2. a. Viết công thức cấu tạo của A và các chất trong B. b. Chỉ ra các trung tâm bất đối trong phân tử các chất trên

2. Từ metyl xiclopropyl xeton và hợp chất cơ magie tùy ý chọn, viết sơ đồ phản ứng điều chế 2,6dimetyl-9-bromnona-2, 6-dien. 3. Thự hiện dãy chuyển hóa sau:

OH

1 . NaOH 2 . CH3COCl AlCl3

A

B

+

(A có liên kết hydro nội phân tử)

Cl BF3

B

C

OH , HC DMF

OH

C C(CH3)2

D

H2 Pd Lindla

E

200 0C

Đáp án: 1.

O Hçn hîp B1, B2, B3, B4 A

O

O O

* * * O

O

O O

* * *

O

O

O

O * * O

O

F

O

O * *

O

O

2.

O

. CH3 2.

OH

1 CH3MgBr

C

. . 3 3. CH3MgBr 1 Mg 2 H O+

C CH 3 CH3

H2O

OH C

CH2CH2CH=C CH3

+ HBr - H2O

Br CH2CH2CH=C

CH3 CH3

CH3 HBr

Br CH2CH2CH=C CH2CH2CH=C

CH3

CH3

CH3

3.

H- - - O

OH

C

O

OH

CH3 +

COCH3

A

B O-

OH HO

OH

+O

COCH3

NaOH

H COCH3

COCH3

- BF 3

CH3 O-

O Cl Me2C C

COCH3

CH3 O C CH=CH2

CH

OH 200 0 C

COCH3 D

COCH3

E

CH3

F

COCH3

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2006 bảng A 1. Hãy cho biết các sản phẩm của sự thủy phân trong mô trường axit của các chất CH 3COOCH3 , CH3CONH2 ,

.

O

O N O

CH3

2. Gọi tên các đồng phân đối quang nhận được khi monoclo hóa metylxiclohexan dưới tác dụng của ánh sáng, giả thiết rằng vòng xiclohexan phẳng. pHI = 3. Axit m-RC6H4COOH và axit p-RC6H4COOH = có6,30 tỉ lệ hằng số phân li Kmeta/Kpara như sau: R

:

H

CH3S

CH3O

Kmeta/Kpara :

1

1,87

2,50

Dựa vào các số liệu trên hãy so sánh (có giải thich): a. Hiệu ứng đẩy electron của các nhóm CH3S- và CH3O- . b. Tốc độ phản ứng thủy phân CH3SCH2Cl và CH3OCH2Cl. c. Tốc độ phản ứng cộng HCN vào p-CH3SC6H4CHO và p-CH3OC6H4CHO.

Đáp án: 1.

CH3-COOCH3 CH3-CONH2 O

O N

O

H2O +

H , tO H2O +

H , t

O

CH3-COOH

+

CH3OH

CH3-COOH

+

NH4+

+ CH3-NH2-CH2-COOH

H2O +

CH3

H , tO

+

HOCH2COOH

2. Có 8 đồng phân:

CH3 Cl

(1S, 2R) CH3 Cl (1S, 3R)

CH3

CH3

CH3

Cl

(1R, 2S)

Cl

(1R, 2R)

CH3

Cl

CH3

(1S, 2S) CH3

Cl

Cl (1S, 3S)

Cl (1R, 3S)

(1R, 3R)

3. a. Các nhóm CH3S và CH3O ở vị trí meta có hiệu ứng cảm ứng âm là chính, ở vị trí para chúng có hiệu ứng liên hợp dương. Hiệu ứng +C càng mạnh Kmeta : Kpara càng lớn. Suy ra hiệu ứng đẩy electron của CH3O- mạnh hơn CH3S- . b. Nhờ hiệu ứng +C của CH3O- mạnh hơn CH3S- , tốc độ phản ứng thủy phân của CH3OCH2Cl lớn hơn CH3SCH2Cl (dù theo cơ chế SN 1 hay S N 2). c. Do hiệu ứng +C của p-CH3O- mạnh hơn của p-CH3S- , tốc độ cộng nucleophin HCN vào p-CH3SC6H4CH=O lớn hơn p-CH3OC6H4CH=O.

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2006 bảng A Cho sơ đồ chuyển hóa các chất sau:

1. (CH3)2CHCH2COOH 2. (CH3)2CHCOCOOH

Cl O HOO

NH3

E H

AlCl3

+

- HCl HO

O

NH3

D

H2, Pt to,

H2

X

G

Cl

H3O+

I LiAlH4

K H2SO4

Y -HO 2

Z

O ; Z

L +

+

Z

B

C6H5CO3H

3. CH2=CH-CH=CH2 4.

Br2, P

Cl

MnO4-

M1 M2

Viết công thức cấu tạo các sản phẩm hữu cơ B, D, E, G, H, I, K, X, Y và vẽ cấu trúc không gian của Z, L, M1, M2.

Đáp án:

1. (CH3)2CHCH2COOH

Br2, P

NH3

2. (CH3)2CHCOCOOH

NH3

(CH3)2CHCHBrCOOH (B)

(CH3)2CHCHCOOH (D) NH2

H2, Pt

(CH3)2CHCCOOH

(CH3)2CHCHCOOH (G) NH2

(E) NH2 3. CH2 = CH - CH = CH2 C6H5CO3H O

H3O+

4.

CH2

HOCH2CH2CH2CH2OH (K) CH2

O

C C H

OH (Z)

(Y)

(X) H

(I)

H

CH2

C

O

to, H2

CH2 = CH - CH CH2 (H) O

OH

HO H

O

H

C C

H

H

H (Z)

HO

(M2)

OH

(M1)

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2006 bảng A 1. Từ hạt tiêu người ta tách được hợp chất A (C17H19NO3) là chất trung tính. Ozon phân A thu được hợp chất: etandial, B, D. Thủy phân B thu được OHC-COOH và hợp chất dị vòng 6 cạnh (C5H11N). Cho D tác dụng với dung dịch HI đặc thu được 3,4-dihidroxibenzandehit. Hãy xác định công thức cấu tạo của A, B, D. Có bao nhiêu đồng phân lập thể của A? 2. Hai hợp chất thơm đa vòng X và Y có cùng công thức phân tử là C14H10. Oxi hoá X bằng K2Cr2O7 /H2SO4 cho sản phẩm D (C14H10O4), oxi hoá X bằng oxy có xúc tác V2O5 và nhiệt độ 340oC đến 390oC cho sản phảm E (C14H8O2). Khi oxi hoá Y giống như X (bằng K2Cr2O7 /H2SO4 hoặc oxi có xúc tác V2O5 và nhiệt độ 340oC đến 390oC) thì thu được G (C14H8O2). Hãy xác định công thức cấu tạo của X, Y, D, E, G.

Đáp án: 1. Ozon phân A thu được etandial chứng tỏ trong A có nhóm =CH-CH= . Thủy phân B thu được OHC-COOH và piperidin, suy ra B có liên kết O=C-N- và N nằm trong vòng 6 cạnh. D phản ứng với HI thu được 3,4-dihidroxibenzandehit. Vậy các công tức cấu tạo:

C

OHC

N

O

O

CHO O

(D)

(B) O

CH CH

CH

CH C O

O (E)

N

Trong A có 2 liên kết đôi, số đồng phân hình học là 4: ZZ , EE , ZE , EZ. 2.

K2Cr2O7/H2SO4

HOOC

(D) C14H10O4

COOH

O2 , V2O5 o

(X) C14H10

340-390 C

(E) C14H8O2 O

O O

K2Cr2O7/H2SO4

O2 , V2O5

(Y) C14H10

o

O

340-390 C

(G) C14H8O2

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2006 bảng A 1. Khi đun nóng β-D-idopiranozơ tới 165oC với axit loaxg

HO H HO H

tạo ra anhydro (1,6) với hiệu suất cao hơn nhiều so với βD-glucopiranozơ. Hã giải thích điều đó và biểu diễn cấu dạng của

CHO H OH H OH CH2OH

hai hợp chất andhydro trên. β-D-Idopiranozơ 2. Khi cho D-glucozơ phản ứng với hydraxin hydrat, đầu tiên glucozylhidrazon tồn tại ở dạng mạch hở, song ở pH ≤ 7 nó dễ dàng chuyển thành dạng vòng glucozylhidrazin. Hãy viết công thức cấu trúc các dạng chuyển hóa của glucozylhydrazin và gọi tên.

Đáp án: 1. HO H HO H

CHO H OH H OH CH2OH

OH CH2

CH2OH OH O

OH

H+ , to

O

-D-Idopiranozơ 6

1C-I

O

O

5

5

6

1

O 3 4

2

4



O

1

2

3

CHO OH

CH2OH OH O

HO

OH

CH2OH H + , to

O

OH OH CH2OH

-D-Glucopiranozơ

1C-G

6

O

O

5

1



O 4

3

5

6

4 1

O

2

2

3 Ở cấu dạng tách 1C–I bền hơn 1C–G do các nhóm OH ở các vị trí 2, 3, 4 là liên kết equatorial.

2.

OH O

HO

HO

H

HO HO

OH O NHNH2

HO OH

CH=N-NH2 OH

NHNH2

-D-Glucopiranozylhidrazin

-D-Glucopiranozylhidrazin

HO OH OH CH2OH

CH2OH OH

CH2OH OH

O

OH

O

NHNH2

OH NHNH2 OH

OH

-D-Glucofuranozylhidrazin

-D-Glucofuranozylhidrazin

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2006 bảng A Khí tổng hợp (CO và H2) có thể thu được từ phản ứng của hơi nước (H2O (k)) và metan. Metanol (CH3OH) được sản xuất trong công nghiệp từ khí tổng hợp này. Toàn bộ quy trình sản xuất liên tục được minh họa theo sơ đồ dưới đây: Bước A điều chế khí tổng hợp và bước B điều chế metanol.

1

Bộ phận điều chế khí tổng hợp

2

(Bước A)

3

8 Bộ phận ngưng tụ (25oC)

5

4

Bộ phận điều chế metanol (Bước B)

6

Bộ phận ngưng tụ (25oC)

7

Nguyên liệu nạp vào bộ phần điều chế khí tổng hợp (Bước A) gồm khí metan tinh khiết (1) tại áp suất 250 kPa, nhiệt độ 25°C và hơi nước (2) tại áp suất 200 kPa, nhiệt độ 100°C (giả thiết rằng hơi nước

cũng tinh khiết). Tốc độ nạp nguyên liệu của (1) và (2) lần lượt bằng 55,0 lit/giây và 150,0 lít/gi©y. (1 atm = 101,3 kPa). Thoát ra khỏi Bước A là một hỗn hợp gồm khí tổng hợp và lượng dư các chất phản ứng; hỗn hợp này qua (3) vào bộ phận ngưng tụ, chất ngưng tụ sẽ tách ra theo (5) tại 25°C. Những chất không ngưng tụ qua (4) vào bộ phận điều chế metanol (Bước B). Metanol tạo thành và các chất tham gia phản ứng còn đi qua (6) vào bộ phận ngưng tụ tại 25°C, metanol tinh khiết tách ra theo (7), các chất dư tách riêng theo (8). Giả thiết rằng các khí đều coi là khí lý tưởng; các phản ứng trong Bước A, B và sự tách riêng các chất đều xảy ra hoàn toàn. Cho các số liệu sau: Khối lượng mol phân Hợp chất

Nhiệt độ nóng

tử (g.mol-1)

chảy (C) -183

Nhiệt độ sôi (C)

Khối lượng riêng tại 25C

-161

0,718 g.L-1

100

1,000 g.mL-1

CH4 (k)

16,04

H2O (l)

18,02

CO (k)

28,01

-205

-191,5

H2 (k)

2,016

-259,2

-252,8

CH3OH (l)

32,04

-98

64,7

0

1,250 g.L-1 ----0,791 g.mL-1

1. Viết các phương trình hóa học trong Bước A và Bước B. 2. Tính số mol các chất dư sau bước A và bước B. 3. Tính tốc độ chuyển các chất tại các vị trí (5), (7), (8) ở 25°C và 101,3 kPa.

Đáp án: 1. Bước A:

CH4

Bước B:

CO

+ +

H2O

CO

2 H2

+

3 H2

CH3OH

2. Các khí đều coi lý tưởng nên trong 1 giây số mol các chất dư sau Bước A và sau Bước B là: 250  55  273 200  150  273 n = = 5,551 mol ; n = = 9,676 CH4 101.3  22.4  298 H2O 101.3  22.4  373 n CH4 5.551 = = 0,57 n N-H, hiđro trong A kém linh động hơn hydro trong các hợp chất khác trong dãy nên A có tính axit yếu nhất. Tính axit của B, C, D: Chất C và D có hiệu ứng –C của nhóm cacbonyl làm O-H phân cực mạnh, đồng thời hiệu ứng liên hợp p -  giúp giải tỏa điện tích âm của ion cacboxylat. Chất B có gốc sec-butyl đẩy e (+I) làm giảm sự phân cực của liên kết O–H trong B nên hydro kém lonh động, C và D có tính axit mạnh hơn B. Tính axit của D mạnh hơn C vì: D có nguyên tử brom hút electron (-I) làm cho hydro của nhóm OH cũng linh động, nên có tính axit mạnh hơn C.

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2006 bảng B 1. Hydrocacbon A có công thức phân tử C12H20. Cho A tác dụng với hydro (dư) có platin xúc tác tạo thành B (C12H22). Ozon hoá A rồi thủy phân sản phẩm có mặt H2O2 thu được D (C5H8O) và E (C7H12O). Khi D và E tác dụng với CH3I dư trong NaNH2/NH3 (lỏng), D và E đều tạo thành G (C9H16O). Biết rằng trong quá trình phản ứng của D với CH3I/ /OH- có sinh ra E. Hãy xác đinh công thức cấu tạo của A, B, D, E, G. 2. Hợp chất A (C10H10O2) không tan trong kiềm, không cho phản ứng màu với dung dịch FeCl3 3%. Khi hydro hoá A có xúc tác có thể cộng 1 phân tử H2. Ozon phân A thu được CH2O là một trong số sản phẩm phản ứng. Oxi hóa A bằng KMnO4 thu được hợp chất B có phân tử khối là 166. B cũng không cho phản ứng màu với dung dịch FeCl3 3%. Cho B phản ứng với dung dịch HI (đặc) sẽ thu được một trong các sản phẩm phản ứng là axit 3,4-dihidroxibenzoic. Dựa vào các dữ kiện trên hãy lập luận suy ra công thức cấu tạo của A.

Đáp án: 1. Hydrocacbon A tham gia phản ứng cộng hydro, A thuộc hydrocacbon không no (có liên kết đôi trong phân tử), cộng hydro (dư) tạo thành B có công thức phân tử C12H22, suy ra B có thể có cấu tạo là 2 vòng no liên kết với nhau bằng liên kết đôi. Dựa vào các dữ kiện tiếp theo của bài suy ra D và E là xeton vòng no, và cấu tạo của B được suy ra là đúng.

D và E tác dụng với CH3I đều tạo thành G (C9H16O) và D với CH3I/ /OH- có sinh ra E, chứng tỏ D được thế thêm 4 nhóm CH3 và E chỉ thế thêm 2 nhóm CH3 ở nguyên tử cacbon cạnh nhóm >C=O, E đã có sẵn 2 nhóm CH3 trong phân tử. Công thức cấu tạo của A:

A

B

O

O

O

D

E

G

2. Dựa vào tính chất hóa học và thành phần phân tử hợp chất A có số nguyên tử cacbon bằng số nguyên tử hydro suy ra A là dẫn xuất của hydrocacbon thơm. - A không tan trong kiềm nên không phải là axit hoặc phenol, có thể ở dạng ete. - A tham gia phản ứng cộng với hydro và khi ozon phân A thu được CH2O nên phân tử có nhóm OH

=CH2, nhóm ở đầu mạch. - Sản phẩm phản ứng là axit 3,4-dihidroxibenzoic HOOC

OH . Sản phẩm này cho biết nhóm

cacboxyl –COOH đính với vòng benzen do nhánh hydrocacbon bị oxy hóa bởi KMnO4, từ các vị trí nhóm –OH chứng tỏ hai nguyên tử oxi của A đính với C3 và C4 ; B có phân tử khối 166. Công thức cấu tạo của B là .O HOOC

CH2 Suy ra cấu tạo của A:

H2C=CH-CH2

O

O CH 2 O

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2006 Sulcatol (C8H16O) là chất pheromon do một loại côn trùng tiết ra dưới dạng 2 chất đối quang là (R)sulcatol (chiếm 65 %) và (S)-sulcatol (chiếm 35 %). 1. Cho sulcatol tác dụng với ozon rồi xử lý sản phẩm bằng H2O2 thì thấy sinh ra một hỗn hợp gồm propanon và hợp chất A tự đóng vòng thành hợp chất A’ (C5H8O2). Người ta có thể khử A thành sản phẩm mạch vòng là B (C5H10O2). a. Xác định cấu tạo của sulcatol và viết tên hệ thống của nó. b. Viết công thức các đồng phân lập thể của B, trên đó có khi ký hiệu cấu hình R, S. 2. Người ta tổng hợp (R)-sulcatol đi từ 2-deoxi-D-ribozơ và các hóa chất khác trong số đó có CH3SO2Cl và H2/Ni Raney (để khử

C I thành

C H).

Hãy dùng công thức lập thể viết sơ đồ các phản ứng.

Đáp án: 1. a. Sulcatol (C8H16O) có độ bất bão hòa là 1, có tính quang hoat, khi tác dụng với ozon rồi xử lý sản phẩm bằng H2O2 thì nhận được (CH3)2CO và A nên sulcatol là một ancol không no, OH có thể ở C2, C3, C4. A tự đóng vòng thành A’ (C5H8O2), tức dễ đóng vòng thành -lacton (5 cạnh bền) nên OH ở C2. Vậy cấu tạo của sulcatol và tên hệ thống như sau:

OH 6-Metylhept-5-en-2-ol b. H

O

(R)

(R)

H3C

H3C

H OH

(S)

O

OH

(S)

H

H

H

O

(R)

(S)

H3C

OH

H3C

H

H

(S)

O

(R)

H OH

2.

O

HO

O

OH MeOH/H+ HO

O

OCH3 2MsCl MsO

OCH3

- 2HCl

HO

HO O

I

2KI - 2MsOK

OCH3

2H2/Ni - I2

I

H3C

MsO O

OCH3

H2O/H+

H3C

O

OH

- CH3OH

OH

OH O

Ph3P=CMe2

(MsCl: CH3SO2Cl)

(R)-Sulcatol

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2006 Anlylmagie bromua (A) phản ứng với acrolein tạo thành chất B, sau khi thủy phân B sẽ được sản phẩm C duy nhất. Đun nóng C nhận được chất D. Cho D phản ứng với C6H5Li thu được sản phẩm E. Đun nóng R khi có vết iot thu được F có công thức C12H14. 1. Hoàn thành sơ đồ dãy phản ứng trên (viết công thức cấu trúc của các chất hữu cơ từ C đến F). 2. Ghi ký hiệu cơ chế các giai đoạn của phản ứng dưới các mũi tên trong sơ đồ, trừ giai đoạn tạo thành F. 3. Cho biết cấu hình của F.

Đáp án: + CH2=CH-CH2-MgBr AN céng 1, 4

+ CH2 = CH-CH = O thuû ph©n

CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH2-OMgBr

H3O+

B

CH2=CH-CH2-CH2-CH=CH-OH C

tautome ho¸

CH2=CH-CH2-CH2-CH2-CH=O D

Hoặc

CH2=CH-CH2-MgBr AN H2O + CH2=CH-CH2-CH-CH=CH2 CH2=CH-CH2-CH-CH=CH2 céng 1, 2 -MgBr(OH) CH2=CH-CH=O B OMgBr C OH o

OH

C

Hç biÕn

t ChuyÓn vÞ 3, 3

OH

C6H5

H

xeto-enol

D C6H5

H2O

VÕt iot, to - H2O

H E OH

H OLi

O

C6H5Li AN

F

C6H5

, F có cấu hình (E) bền hơn. Tuy vậy phản ứng cũng tạo thành một lượng nhỏ F có cấu hình (Z).

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2006 Khi nhiệt phân các hợp chất (A), (B), (C), (D) người ta thu được các sản phẩm khác nhau. Hãy viết công thức và tên sản phẩm, giải thích (dùng mũi tên cong) vì sao có sự tạo thành các sản phẩm đó. 1. (A) CH3CH2COOCH2CH2CH2CH3 2. (B) CH3[CH2]5CH(OH)CH2CH=CH[CH2]7COOH 3. (C) (CH3)3CCH(CH3)OCSS CH3 4. (D) CH3[CH2]3C(OH)(CH3)CH2CH=CH[CH2]3COOCH(CH3 )[CH2]3CH3

Đáp án: 1. CH3CH2COOCH2CH2 CH2CH3

C2H5COOH + CH2=CHCH2CH3 Axit propanoic

But-1-en

Cơ chế vòng trung gian 6 cạnh tách syn H.

C2H5 C

O

to

CH2

O H

CH

C2H5COOH + CH2=CHCH2CH3

C2H5 to

2. CH3[CH2]5CH(OH)CH2 CH= CH[CH2]7COOH CH3[CH2]5CHO

+

CH2=CH[CH2] 8COOH

Heptanal

Axit undex-10-enoic

Cơ chế vòng trung gian 6 cạnh tách H-OH .

CH 3 CH2 5 HC O

CH2 H

CH CH

3. (CH3)3CCH(CH3)OCSS CH3

to CH2 7COOH to

CH3 CH2 5CH=O + CH2=CH CH2 8COOH

(CH3)3CCH=CH2

+

3,3-dimetylbut-1-en

OCS

+

CH3SH

Cacbonsunfuaoxit Metanthiol

Cơ chế vòng trung gian 6 cạnh tách H

H H2C (CH3)3C HC

S CH2 O

to (CH3)3CCH=CH2

C=S

+ OCS

+ CH3SH to

4. CH3[CH2]3C(OH)(CH3)CH2CH=CH[CH2]3COOCH(CH3)[CH2]3CH3 O CH3[CH2] 3C

+ CH2=CH[CH2]4COOH

+

Hex-2-en

CH3CH=CH[CH2]2CH3

Axit hept-6-enoic

CH3

Hexan-2-on

+

+

CH2=CH[CH2]3CH3

Hex-1-en

Cơ chế vòng trung gian 6 cạnh tách H-OH và H-C3 hoặc H-C1.

CH2 CH O H CH3 CH2 3 C CH CH2 3 C H H 3C O O CH CH2 2CH3 CH to CH3 CH2=CH CH3 CH2 3C=O + CH2 4COOH + CH=CH CH2 2CH3 + CH CH2 3CH3 CH3 CH2 CH 3

khi t¸ch H-C1

Sản phẩm hex-2-en là chình vì độ bền nhiệt cao hơn hex-1-en.

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2006 Ala, Val, Leu là chữ viết tắt tên các aminoaxit thiên nhiên, công thức lần lượt là CH3CH(NH2)COOH, (CH3)2CHCH(NH2)COOH, (CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH. 1. Viết các phương trình phản ứng tổng hợp tripeptit Leu-Ala-Val từ các chất: Ala, Val, Leu, photpho pentaclorua, Boc-Cl (tert-butyloxicacbonyl clorua), ancol benzylic, DCC (diixiclohexylcacbodiimit), axit trifloaxetic, axit axetic, hidro, paladi và cacbon. 2. Có bao nhiêu tripeptit được tạo thành mà mỗi tripeptit có đủ 3 aminoaxit trên, nếu không sử dụng nhóm bảo vệ. 3. Biểu diễn công thức phối cảnh của tripeptit Leu-Ala-Val. 4. Ghi giá trị pKa vào nhóm tương ứng và tính pHI cña tripeptit này, biết rằng pKa1 = 3,42; pK a2 = 7,94.

Đáp án: 1.  (CH3)2CHCH(NH2)COOH + PCl5 Val (CH3)2CHCH(NH2)COCl  CH3CH(NH2)COOH Ala BOCNHCH(CH3)COOH

+ HOCH2C6H5 + BOC-Cl

(CH3)2CHCH(NH2)COCl + POCl3 + HCl

(CH3)2CHCH(NH2)COOCH2C6 H5 BOCNHCH(CH3)COOH

+ (CH3)2CHCH(NH2)COOCH2 C6H5

+

+ HCl

HCl

DCC

BOCNHCH(CH3)CONHCHCH(CH3)2 COOCH2 C6H5

+

H2O

BOCNHCH(CH3)CONHCHCH(CH3 )2COOCH2C6H5

CF3COOH

DCC

NH2CH(CH3)CONHCHCH(CH3)2COOCH2C6 H5  (CH3)2CHCH2CH(NH2)COOH + BOC-Cl Leu

+ (CH3)2C=CH2 + CO2

BOCNHCHCH2CH(CH3)2COOH + HCl

BOCNHCHCH2CH(CH3)2COOH + NH2CH(CH3)CONHCHCH(CH3)2 COOCH2 C6H5 DCC BOCNHCHCH2CH(CH3 )2CONHCH(CH3)CONHCHCH(CH3 )2COOCH2 C6H5+ + BOCNHCHCH2CH(CH3)2CONHCH(CH3)CONHCHCH(CH3)2COOCH2 C6H5 NH2CHCH2CH(CH3)2CONHCH(CH3)CONHCH CH(CH3)2COOCH2 C6H5

H2O

CF3COOH BOC+

+

DCC

NH2CHCH2CH(CH3)2CONHCH(CH3)CONHCH CH(CH3)2COOCH2 C6H5 + H2 NH2CHCH2CH(CH3)2CONHCH(CH3)CONHCHCH(CH3)2COOH + C6H5CH3

P®/C

Leu-Ala-Val 2. Số tripeptit lµ: 3  = 6

CH2CH(CH3)2

3.

CH(CH3)2

O

H

H

O-

NH

+ H3N

NH H3C

O

O

H

4. Dạng axit của Leu-Ala-Val: CH3 3,42 + NH3CHCONHCHCONHCHCOOH

7,94

CH2CH(CH3)2

CH(CH3)2

3,42 + 7,94 pHI =

= 5,68

2

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2006 Lin (Linamarin) và Lac (lactrin) là cácc xiano glucozit thiên nhiên. Khi thủy phân Lin, Lac trong môi trường axit thì Lin tạo ra D-glucozơ, axeton và HCN; còn Lac tạo ra D-glucozơ, HCN và benzandehit. Xác định cấu trúc của Lin và Lac ở dạng bền nhất. Viết cơ chế phản ứng thủy phân Lin, Lac.

Đáp án: Linamarin

H3O+

D-glucozơ

+

axeton

+

HCN

OH VËy Lin cã cÊu tróc: HO HO

O O OH

C

CH3 CH3

CN

+

Lactrin

H3O

D-glucozơ

+ benzandehit

+ HCN

OH VËy Lac cã cÊu tróc:

O

HO HO

O OH

CH

C6H5

CN

Phản ứng thủy phân các glucozit này theo cơ chế SN 1, thí dô:

OH

OH

O

HO

O CH C6H5 CN OH O

HO OH

HO

HO

+

HO

+

O+ CH C6H5 CN

+

HCN OH

OH O

HO

H2O

H

HO

O=CH C6H5

OH

O

.. O OH

+

OH HO

H3O

HO

+

+ OH2

HO

O

HO

- H+

HO OH

OH -D-glucopiranozơ bền hơn -D-glucopiranozơ

OH

OH

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2006 Tamiflu được coi là chất kháng sinh điều trị người bệnh lây cúm gia cầm hiệu quả nhất hiện nhau. Tamiflu được điều chế từ axit (-)-sikimic có trong quả hồi theo sơ đồ phản ứng sau:

HO

COOH

HO OH Axit (-)-sikimic

F

C

A

BH3/CH2Cl2 (4)

KHCO3, C2H5OH 96o (5)

Pd/C,H2NCH2CH2OH, to (7)

o I CH2=CHCH2NH2, t

(10)

O

D G

K +L

Pd/C,H2NCH2CH2OH, to (14)

(C2H5)2CO, p-CH3-C6H4-SO3H (2)

C2H5OH, SOCl2 (1)

P

E

C6H5CHO, (CH3)3COCH3 (8)

Dung dÞch HCl (11) H3PO4, C2H5OH (15)

M

CH3SO2Cl, (C2H5)3N (3)

CH2=CHCH2NH2, MgBr2, (C2H5)2O (6)

H

Dung dÞch HCl (12)

O

B

CH3SO2Cl, (C2H5)3N (9)

N

(CH3CO)2O, CH3COOH (13)

C F I O

COOC2H5

CH3CONH

NH2.H3PO4 Tamiflu

1. Điều các ký hiệu cấu hình R, S vào các nguyên tử cacbon bất đối của axit (-)-sikimic, tamiflu và viết tên của chúng theo tên hệ thống.

2. Viết công thức cấu trúc của các hợp chất hữu cơ từ A đến P và ghi rõ tên của phản ứng dưới mỗi mũi tên trong sơ đồ.

Đáp án: 1.

Axit (-)-sikimic HO

Tamiflu

COOH R S

O

COOC2H5

R R S

R

HO

CH3CONH

OH

Axit (3R, 4S, 5R)-3,4,5-trihi®roxixiclohex-1-en cacboxylic

NH2.H3PO4

2-axetami®o-5-(etyloxicacbonyl)-3-(pentan-3-yloxi) xiclohex-4-en-1-yl amoni ®ihi®rophotphat

2.

HO

COOH

HO C2H5OH, SOCl2 (1) Este ho¸

HO OH Axit (-)-sikimic O

COOC2H5 (C2H5)2CO, p-CH3-C6H4-SO3H (2) Xetal ho¸

(A)

HO OH

O

COOC2H5

(C2H5)2C

(B) O

CH3SO2Cl, (C2H5)3N (3) Metylsufo ho¸

(C2H5)2C

O

COOC2H5

o (D) KHCO3, C2H5OH 96

(5) Epoxit ho¸

HO

(E)

O

OSO2CH3

O

COOC2H5 o (F) 1. Pd/C,H2NCH2CH2OH, t

HO

(7) N-§Ò anlyl ho¸

HO

(G)

HO

HN

C6H5CHO, (CH3)3COCH3 (8) Azometin ho¸

N H2 O

COOC2H5 (H) N=CH- C6H5

O

CH2=CHCH2NH2, MgBr2, (C2H5)2O (6) Më vßng epoxit

COOC2H5

HN O

BH3/CH2Cl2 (4) Khö xetal

OSO2CH3

COOC2H5

O

(C)

O OH

O

COOC2H5

CH3SO2Cl, (C2H5)3N (9) Metylsufo ho¸

CH3SO2O

COOC2H5 o (I) CH2=CHCH2NH2, t

(10) Arizi®in ho¸

N=CH- C6H5

O COOc2H5 Dung dÞch HCl (K) + (L) CH2=CHCH2N=CHC6H5 (11) Më vßng arizi®in C6H5CH=N

COOC2H5 (M) NHCH2CH=CH2

(M)

Dung dÞch HCl (12) §Ò azometin ho¸

O

O

COOC2H5

COOC2H5

(N) (CH3CO)2O, CH3COOH (13) N-Axetyl ho¸

H 2N

(O)

CH3COHN

NHCH2CH=CH2 O (O)

NHCH2CH=CH2

COOC2H5

Pd/C,H2NCH2CH2OH, to (14) N-§Ò anlyl ho¸

(P)

CH3COHN

O

COOC2H5

H3PO4, C2H5OH (15) Photphat ho¸

CH3CONH

N H2

NH2.H3PO4

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2006 – Bảng A Cho sơ đồ chuyển hoá sau :

Viết

công

thức

cấu

tạo

của

các

chất

A,

B,

C,

D,

E,

F,

G,

H,

X,

Y.

Viết cơ chế của phản ứng tạo ra X từ E .

Đáp án: Công thức các chất là :

CH3

ONa H3C

CH3

CH3

OCH2COOH

OCH2COONa

CH3

H3C

(A)

H3C

CH3 (B)

H3C

CH3 (D)

CH3

OCH2CONH CH3 (E)

CH3

OCH2COOCH3

(C)

CH3

H3C

CH3

OCH2CONH

NH2

H3C

CH3 (X)

N C

OCH3

CH3

CH3 H C

O

H3C

CH3

CH3 H C

NO2

H N N

O

H3C

(F)

CH3

NO2

H3C

(Y)

NO2

CH3 O2N (G)

Cơ chế tạo ra X : như cơ chế phản ứng tạo hiđrazon

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2006 – Bảng A Viết công thức các đồng phân không gian ( coi vòng như một đa giác phẳng ) của : a) 1,3 – đicloxiclopentan ( có ghi cấu hình của C* trên công thức ) . b) 1 – metyl – 2,3 – đicloxiclopropan

Đáp án: a) 1,3 – đicloxiclopentan có 3 đồng phân :

Đôi đối quang b)

meso

1 – metyl – 2,3 – đicloxiclopropan có 4 đồng phân :

Đôi đối quang

Đôi đối quang

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2006 – Bảng A Từ các chất đầu là xiclohexanol , metanol , metyl iođua , etylenglicol và các chất vô cơ cần thiết khác , hãy lập sơ đồ điều chế hợp chất 2 – amino – 2 – metylxiclopentanon

Đáp án:

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2006 – Bảng A Chất lỏng A1 quang hoạt có công thức C5H11O2N không tan trong nước và trong axit loãng nhưng tan trong dung dịch NaOH tạo ra dung dịch B 1 . Axit hoá dung dịch B1 tạo ra biến thể rexemic của A1 . Hiđro hoá xúc tác Ni chất A1 quang hoạt tạo ra C1 ( C5H11N ) quang hoạt , chất này phản ứng với HNO2 tạo ra ancol D1 quang hoạt và một lượng nhỏ ancol t – amylic . Lập luận ngắn gọn để xác định công thức cấu tạo của A1, C1, D1 . Viết các phương trình phản ứng . Giải thích sự tạo thành biến thể raxemic A 1 và ancol t – amylic kể trên .

Đáp án: - A1 (C5H11O2N) + H2 → C1 (C5H13N) . Vậy A1 là hợp chất nitro và C1 là amin bậc I . - A1 + NaOH → B1

HCl   A1 là raxemic , vậy

nhóm – NO2 liên kết với cacbon bất đối .

- C1 (C5H13N) + HNO2 → ancol t – amylic . Vậy A 1, B1, C1 có cacbon bậc III có 2 nhóm – CH3 liên kết với cacbon đó . Sự tạo ra ancol t – amylic phải do sự chuyển vị của cacbocation . Các CTCT : A1 là :

( 0,75 điểm ) Sự raxemic hoá :

C1 là :

D1 là :

Các phương trình phản ứng :

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2007 Có ba hợp chất: A, B và C

HO

C

HO CH3

O A

C

C CH3

O B

1. Hãy so sánh tính axit của A và B. 2. Hãy so sánh nhiệt độ sôi và độ tan trong dung môi không phân cực của B và C. 3. Cho biết số đồng phân lập thể có thể có của A, B và C.

Đáp án: Ba hợp chất A, B và C: 1. So sánh tính axit:

CH3

OH O C

Tính axit được đánh gía bởi sự dễ dàng phân li proton của nhóm OH. Khả năng này thuận lợi khi có các hiệu ứng kéo electron (-I hoặc –C) nằm kề nhóm OH. Ở A vừa có hiệu ứng liên hợp (-C) và hiệu ứng cảm ứng (-I); ở B chỉ có hiệu ứng (-I). Tính axit của (A) > (B). 2. So sánh điểm sôi và độ tan. Liên kết hidro làm tăng điểm sôi. Chất C có liên kết hidro nội phân tử, B có liên kết hidro liên phân tử nên nhiệt độ sôi của (C) < nhiệt độ sôi của (B). (C) có độ tan trong dung môi không phân cực lớn hơn (B). 3. Đồng phân lập thể . A, B đều có 2 tâm bất đối, hai nhóm thế có thể nằm ở 2 phía khác nhau của vòng xiclohexen và chúng có thể tồn tại 4 đồng phân lập thể. C có 4 tâm bất đối có 16 đồng phân H3C

H3C

C O

HO

CH3

CH3

C

OH

O

H

OC

CO

OH H

H

HO H

(Không yêu cầu thí sinh vẽ cấu hình các đồng phân lập thể)

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2007 1. Ephedrin (G) là một hoạt chất dùng làm thuốc chữa bệnh về hô hấp được chiết từ cây ma hoàng. Ephedrin đã được tổng hợp theo sơ đồ sau: CH CH NO , OH 

3  D 3 22 E C6H6 

CO , HCl / AlCl

2 / Ni H 

3 G F 

CH Br

a. Viết công thức của D, E, F và G trong sơ đồ trên. b. Viết cơ chế phản ứng của các giai đoạn tạo thành D và E. c. Đi từ benzen, axit propanoic và các tác nhân cần thiết khác, hãy đưa ra một sơ đồ tổng hợp ephedrin.

2. Tiến hành phản ứng giữa 3,5,5-trimetyl xiclohex-2-enon và n-butyl magiê iođua. Sau đó, thuỷ phân hỗn hợp bằng dung dịch HCl 4M thu được hợp chất B. B bị chuyển thành năm đồng phân, kí hiệu từ D1 đến D5 có công thức phân tử C13H22. Viết công thức cấu tạo của các đồng phân D1, D2, D3, D4, D5 và giải thích sự hình thành chúng. 3. Một monotecpenoit mạch hở A có công thức phân tử C10H18O (khung cacbon gồm hai đơn vị isopren nối với nhau theo qui tắc đầu-đuôi). Oxi hoá A thu được hỗn hợp các chất A1, A2 và A3. Chất A1 (C3H6O) cho phản ứng iodofom và không làm mất màu nước brôm. Chất A2 (C2H2O4) phản ứng được với Na2CO3 và với CaCl2 cho kết tủa trắng không tan trong axit axetic; A 2 làm mất màu dung dịch KMnO4 loãng. Chất A3 (C5H8O3) cho phản ứng iodofom và phản ứng được với Na2CO3. a. Viết công thức cấu tạo của A1, A2 và A3. b. Vẽ công thức các đồng phân hình học của A và gọi tên theo danh pháp IUPAC.

Đáp án: 1. a. Tổng hợp ephedrin:

OH CH3

C6H5CH-CHNO2 CO , HCl CH 3CH 2 NO2 ,OH 2 , Ni  C6H6   H C6H5 AlCl 3 C6H5CHO     OH CH3 

(D)

CH CH NH2

(E)

(F)

C6H5CH-CH-NHCH3 3 Br CH   OH CH3 (G)

b. Cơ chế phản ứng tạo thành D: phản ứng thế electrophin vào nhân thơm, S E

C=O + HCl

 

Cl-CH=O

AlCl3  

O=C+-H ......AlCl4CHO

+

+

O=C+ -H......AlCl4-

HCl

+ AlCl 3

Cơ chế phản ứng tạo thành E: phản ứng cộng nucleophin vào nhóm cacbonyl, A N 

OH   CH3C(-)H-NO2 + H+ O- CH3 H       C H CH CH NO

CH3CH2NO2 C6H5-CHO + CH3C-H-NO2

6 5

OH CH3

2

C6H5

CH CH NO2

c. Sơ đồ tổng hợp khác đi từ axit propanoic và các tác nhân cần thiết khác. CH3CH2COOH

C6H5COCHBrCH3

SOCl 2 

CH3CH2COCl

 C H 6 5 1.LiAlH

AlCl  3 

C6H5COCH2CH3

OH CH3

CH 3 NH  2  C6H5 CH CH Br

Br2 

OH CH3 CH CH NHCH3

2. H2O 2. Công thức cấu tạo của 5 đồng phân, kí hiệu từ D1, D2, D3, D4 đến D5

Hb

O

HO H+

1.BuMgBr 2. H2O

Ha

- Hb

+

- Ha

- H2O

D3

D2

B

D1 H+ - H O 2

D5

D4

+

3. a.

A là hợp chất mạch hở nên có 2 nối đôi

A1 tham gia phản ứng iodofom nên A1 là hợp chất metyl xeton CH3COCH3 + I2 / KOH

CHI3 + CH3 COONa

A2 phản ứng với Na2CO3 nên đây là một axit, dựa vào công thức phân tử đây là một diaxit HOOC-COOH + Na2CO3

NaOOC-COONa + H2O + CO2

A3, C5H8O3, cho phản ứng iodoform, phản ứng được với Na2CO3. A3 vừa có nhóm chức metyl xeton vừa có nhóm chức axit A1: CH3COCH3;

A2 : HOOC-COOH

và A2: CH3COCH2CH2COOH

b. A monoterpen mạch hở gồm 2 đơn vị isopren nối với nhau theo qui tác đầu đuôi, nên

có bộ khung

cacbon là: Đầu

đuôi Đầu

đuôi

Dựa vào cấu tạo của A1, A2, A3 nên xác định được vị trí các liên kết đôi trong mạch cacbon: . Vì có sự hình thành axit oxalic nên A

có thể là:

OH OH Nerol

Geraniol

(E) -3,7- dimetyl octa-2,6-dienol

(Z)-3,7-dimetyl octa-2,6-dienol

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2007 1. Thủy phân hoàn toàn một hexapeptit M thu được Ala, Arg, Gly, Ile, Phe và Tyr. Các peptit E (chứa Phe, Arg) và G (chứa Arg, Ile, Phe) được tạo thành trong số các sản phẩm thủy phân không hoàn toàn M. Dùng 2,4-dinitroflobenzen xác định được amino axit Ala. Thủy phân M nhờ tripsin thu được tripeptit A (chứa Ala, Arg, Tyr) và một chất B. a. Xác định thứ tự liên kết của các amino axit trong M. b. Amino axit nào có pHI lớn nhất và amino axit nào có pHI nhỏ nhất? Biết cấu tạo chung của các amino axit là H2N-CHR-COOH AA’: R

Ala

Arg

: CH3 (CH2)3NHC(=NH)NH2

Gly H

Ile

Phe

CH(CH3)C2H5

CH2C6H5

Tyr p-HOC6H4CH2

2. Isoleuxin được điều chế theo dãy các phản ứng sau (A, B, C, D là kí hiệu các chất cần tìm):

CH3CH2

(C2 H5OOC)2CH2 Br2 1. KOH t NH3 CH CH3   A   B    Isoleuxin C D  C2 H5ONa 2. HCl Br

Hãy cho biết công thức của các chất A, B, C, D và Isoleuxin.

0

Đáp án: 1. a. Hexapeptit M có đầu N là Ala. Thuỷ phân M nhờ tripsin xác định được tripeptit là: Ala – Tyr – Arg. Dipeptit E có cấu tạo Arg-Phe. Tripeptit G có cấu tạo: Arg-Phe-Ile. Do vậy amino axit đầu C là: Gly. Ala-Tyr – Arg Arg-Phe Arg- Phe-Ile Gly Vậy cấu tạo của M: b.

Ala – Tyr – Arg – Phe – Ile – Gly.

pHI lớn nhất: Arg, vì có nhóm guanidin (có 3 nguyên tử N) pHI nhỏ nhất: Phe, vì có nhóm phenyl.

2. Mỗi công thức A, B, C và D

Br C2H5CHCH(CO2C2H5)2 A CH3

C2H5CHCH(CO2H)2 B CH

Br

C2H5CHC(CO2H)2 C CH3

3

C2H5CHCHCO2H D CH3

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2007 1. Rutinozơ là gốc đường của một số hợp chất có tác dụng làm bền thành mạch máu. Rutinozơ cho phản ứng với thuốc thử Feling, khi bị thuỷ phân bởi α-glycosidaza cho andozơ A (C6H12O5) và Dandozơ B (C6H12O6) theo tỉ lệ mol (1:1). Từ andozơ B tiến hành liên tiếp hai lần cắt mạch Ruff và sau đó oxi hoá với HNO3 thu được axit meso-tactric; B dễ dàng cho dẫn xuất monoxetal với axeton trong axit. Hãy viết các phản ứng để xác định B. 2. Andozơ B cho cùng sản phẩm ozazon như một andohexozơ khác (kí hiệu là A1); A2 là đồng phân đối quang của A1. Thực hiện chuyển hoá A2 theo sơ đồ sau thu được A. CH3 H

OH

H

OH

2 2 2 A3   HO A2 

HOCH CH OH

xetal

H /Ni Raney

HO

H

2  A5  A6   A  A4 

H CH2OH

O /Pt

t0

axit andonic

Na -Hg/pH3-5

andolacton

(Lưu ý: phản ứng từ A4 đến A5 đặc trưng cho sự chuyển hoá ancol bậc 1 cuối mạch thành axit). Dùng công thức chiếu Fisơ để biểu diễn cấu trúc các chất A1, A2, A3, A5, A6 và A. Biết rằng 1mol A phản ứng với 4mol HIO4 cho 4mol HCOOH và 1mol CH3CHO. 3. Metyl hoá hoàn toàn rutinozơ với DMS/OH- cho dẫn xuất heptametyl (X), khi thuỷ phân X trong môi trường axit thu được tri-O-metyl của A và 2,3,4-tri-O-metyl của B. Oxi hoá 1mol metyl rutinozit cần 4mol HIO4, cho 2mol HCOOH và 1mol tetraandehit. Hãy vẽ công thức Haworth và công thức cấu dạng của rutinozơ.

Đáp án: 1. Xác định B (0,5 đ) : Oxi hoá sản phẩm từ hai lần cắt mạch Ruff của B tạo thành axit meso tactric: vậy B có 2 nhóm OH ở cacbon thứ 4 và thứ 5 nằm cùng về một phía. B chỉ tạo dẫn xuất monoxetal khi phản ứng với axeton, vậy nhóm OH ở cacbon thứ ba và thứ hai nằm khác phía nhau và khác phía với nhóm OH ở cacbon thứ tư và thứ năm. Từ A4 suy được cấu tạo của A2, từ đó xác định rằng cấu tạo của A1 là đối quang của A2 và kết luận được cấu tạo của B là đồng phân epime của A1, chỉ khác A1 vị trí nhóm OH ở cacbon thứ hai. Cấu tạo của B là: H HO H H

CHO CH=NNHC6H5 OH H NNHC6H5 H 3 C6H5NHNH2 HO H OH - C H NH , -NH H OH 6 5 2 3 OH H OH CH2OH CH2OH

HO 3C6H5NHNH2 HO H - C H NH , - NH 6 5 2 3 H

(B)

CHO H H OH OH CH2OH

CHO OH OH H H CH2OH

H H HO HO

(A1)

(A2) D- Mannozơ

Phản ứng Ruff: CHO OH H OH OH CH2OH

H HO H H

H HO H H

Br2, H2O

D – Glucozơ

COOH OH Ca(OH)2 H

(COO )2 Ca

H HO H H

OH

OH CH2OH

COOH OH H O H2O2 H HO H OH (CH3COO)3Fe H OH OH H OH CH2OH CH2OH

(B)

Sản phẩm sau 2 lần thực hiện phản ứng Ruff: H HO H H

CHO CHO OH H OH CH3COCH3 H HO H OH CH3 H O C OH CH3 H O CH2OH CH2OH

O C H H OH H OH CH2OH

[ O]

- CO 2

H C O HO H H OH H OH CH2OH

O C OH H OH H OH CH2OH

axit meso- tactric

Monoxetal

2. Xác định A (0,5 đ)

H H HO HO

CHO OH OH HOCH2CH2OH H H CH2OH

CH2

CH2

O

O

H H HO HO

CH OH OH H H CH2OH

H 2 /Ni Raney H   H HO HO

CH3 OH O2 /Pt OH H H CH2OH

H H HO HO

CH3 OH OH

H H COOH

H H HO HO

CH3 OH O

Na-Hg

H H

H H HO HO

C O

(A2) L – Mannozơ

(A3) Axetal

(A4)

(A5)

(A6)

Anditol

Axit andonic

Andolacton

(A)

CH3 OH OH

H H CHO

3. Xác định rutinozơ(1,0 đ): Công thức và các phản ứng của Rutinơzơ: Mục 1 và 4 cho biết gluxit A (C1) nối với B qua vị trí 6 (C6) bởi liên kết α-glycozit. Do C5 của B tham gia vào vòng oxiral nên B là một pyranozơ (6 cạnh). Mục 5 cho biết gluxit A cũng là một pyranozơ.

OH

O

O

O

4HIO4

CH2

O OH

OH

HC

CH3

OH

O

Metyl rutinozit O

O

HOC

OH

O

OCH3

HOC

O

CH3

CH2

O OH

+ 2HCOOH

CH2

HC

OCH3

OH

OH

O

O

CH3

OH

OH

OH

H3C HO

OH OH

O

CH2

OH OH HO

O OH

HO OH

Công thức của Rutinơzơ:

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2008 1. Axit fumaric và axit maleic có các hằng số phân ly nấc 1 (k 1), nấc 2 (k 2). Hãy so sánh các cặp hằng số phân ly tương ứng của hai axit này và giải thích 2. Cho các ancol p-CH3-C6H4-CH2OH, p-CH3O-C6H4-CH2 OH, p-CN-C6H4-CH2OH và p-Cl-C6H4CH2OH. So sánh khả năng phản ứng của các ancol với HBr và giải thích. 3. Oxy hóa hydrocacbon thơm A (C8H10) bằng oxy có xúc tác coban axetat cho sản phẩm B. Chất B có thể tham gia phản ứng: với dung dịch NaHCO3 giải phóng khí CO2, với etanol (dư) tạo thành D; đun nóng B với dung dịch NH3 tạo thành E. Thủy phân E tạo thành G, đun nóng G ở nhiệt độ khoảng 160oC tạo thành F. Mặt khác khi cho B phản ứng với khí NH3 (dư) cũng tạo thành F. Hãy viết các công thức cấu tạo của A, B, D, G, E và F

Đáp án:

k 1(M) > k 1(F) là do M có khả năng tạo được liên kết hydro nội phân tử, liên kết O-H của M trong qúa trình phân ly thứ nhất phân cực hơn so với F và bazơ liên hợp M’ cũng bền hơn F’. k 2(M) < k 2(F) do liên kết hydro nội phân tử làm cho M’ bền, khó nhường proton hơn so với F’. Ngoài ra bazơ liên hợp M’’ lại kém bền hơn (do năng lượng tương tác giữa các nhóm –COO- lớn hơn) bazơ liên hợp F’’ 2. Phản ứng giữa các ancol đã cho với HBr là phản ứng thế theo cơ chế SN. Giai đoạn trung gian tạo cacbocation benzylic. Nhóm -OCH3 đẩy electron (+C) làm bền hóa cacbocation này nên khả năng phản ứng tăng. Nhóm –CH3 có (+I) nên cũng làm bền cacbocation này nhưng kém hơn nhóm –OCH3 vì (+C) > (+I). Các nhóm –Cl (-I, +C) và –CN (-C) hút electron làm cacbocation trở nên kém bền do vậy khả năng phản ứng giảm. Nhóm –CN hút electron mạnh hơn nhóm –Cl. Vậy sắp xếp theo trật tự khả năng tăng dần phản ứng với HBr là: p-CN-C6H4-CH2OH < p-Cl-C6H4-CH2OH < p-CH3-C6H4-CH2OH < p-CH3O-C6H4-CH2OH

(khí, dư)

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2008 1. Hợp chất 2,2,4-trimetylpentan (A) được sản xuất với quy mô lớn bằng phương pháp tổng hợp xúc tác từ C4H8 (X) với C4H10 (Y). A cũng có thể được điều chế từ X theo hai bước: thứ nhất, khi có xúc tác axit vô cơ, X tạo thành Z và Q; thứ hai hydro hóa Q và Z

a. Viết các phương trình phản ứng để minh họa và gọi tên các hợp chất X, Y, Z, Q theo danh pháp IUPAC b. Ozon phân Z và Q sẽ tạo thành 4 hợp chất, trong đó có axeton và fomandehit, viết cơ chế phản ứng 2. Cho sơ đồ phản ứng sau:

(sản phẩm phụ) Hãy viết các công thức cấu tạo của A, B, C, D1, D2 và E. Biết E có công thức phân tử C19H22O5

Đáp án:

Bước thứ nhất gồm tương tác giữa hai phân tử trong môi trường axit

2. Sơ đồ điều chế p-hydroxiphenylaxetamit:

Sản phẩm phụ:

Quang hoạt

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2008 1. a. HSCH2CH(NH2)COOH (xistein) có các pKa: 1,96; 8,18; 10,28. Các chất tương đồng với nó là HOCH2CH(NH2)COOH (serin), HSeCH2CH(NH2 )COOH (selenoxistein), C3H7NO5S (axit xisteic) Hãy xác định cấu hình R/S đối với serin và axit xisteic b. Hãy quy kết các giá trị pKa cho từng nhóm chức trong phân tử xistein. Viết công thức của xistein khi ở pH = 1,5 và 5,5 2. Sắp xếp 4 aminoaxit trên theo thứ tự tăng dần giá trị pHI và giải thích sự sắp xếp đó 3. Thủy phân hoàn toàn một nonapeptit X thu được Arg, Ala, Met, Ser, Lys, Phe2, Val và Ile. Sử dụng phản ứng của X với 2,4-dinitroflobenzen xác định được Ala. Thủy phân X với trypsin thu được pentapeptit (Lys, Met, Ser, Ala, Phe), dipeptit (Arg, Ile) và dipeptit (Val, Phe). Thuỷ phân X với BrCN dẫn đến sự tạo thành một tripeptit (Ser, Ala, Met) và một hexapeptit. Thuỷ phân với cacboxipeptidaza cả X lẫn hexapeptit đều cho Val. Xác định thứ tự các aminoaxit trong X.

Đáp án: 1.a.

L-Serin (Cấu hình S)

Axit-L-Xisteic (Cấu hình R)

b. pKa (xistein): 1,96 (COOH); 8,18 (SH); 10,28 (NH3+) pHI (xistein) = (1,96 + 8,18) / 2 = 5,07 Ở pH = 1,5: HS – CH2 – CH(NH3+) – COOH pH = 5,5: HS – CH2 – CH(NH2) – COO2. Trình tự tăng dần pHI : Axit xisteic < selenoxistein < xistein < serin 3. Theo đề bài xác định được đầu N là Ala, đầu C là Val Thủy phân với Trypisin thu được: Ala – (Met, Ser, Phe) – Lys Ile – Arg và Phe – Val Dựa vào kết qủa thủy phân với BrCN, suy ra Ala – Ser – Met –Phe – Lys Vậy X là: Ala – Ser – Met –Phe – Lys - Ile – Arg - Phe – Val

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2008 1. Viết các phương trình phản ứng thủy phân metyl--D-galactofuranozit (A) và metyl--Dsobofuranozit (B) trong môi trường axit (sobozơ: 2-xetohexozơ; cấu hình C3 của nó và của galactozơ khác nhau) 2. Arabinopyranozơ (D-andopentozơ có cấu hình 2S, 3R, 4R) được chuyển hóa như sau:

Vẽ cấu trúc B, C, D và E 3. Hợp chất A (C4H6O3) quang hoạt, không tham gia phản ứng tráng bạc, tác dụng với anhydrit axetic tạo ra dẫn xuất monoaxetat. Khi đun nóng với metanol A chuyển thành chất B (C5H10O4). Dưới tác dụng của axit vô cơ loãng B cho metanol và C (C4H8O4). C tác dụng với anhydrit axetic tạo ra dẫn xuất triaxetat, tác dụng với NaBH4 tạo ra D (C4H10O4) không quang hoạt. C tham gia phản ứng tráng bạc tạo ra axit cacboxylic E (C4H8O5). Xử lý amit của E bằng dung dịch loãng natri hipoclorit tạo ra D(+)-glyxerandehit (C3H6O3) và amoniac. Vẽ cấu trúc của A, B, C, D và E

Đáp án:

Cacbocation bậc hai (kém bền)

Cacbocation bậc ba (bền hơn)

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2008 1. Styryllacton được phân lập từ thực vật có công thức (hình bên). Viết công thức cấu dạng các cặp đồng phân đối quang

R

R

và gọi tên styryllacton theo danh pháp IUPAC. 2. Dùng mũi tên cong chỉ rõ cơ chế chuyển 7đehiđrocholesterol (I) thành vitamin D3 (II) và cho biết

(I)

cấu dạng bền của nó.

HO

(II)

HO

R: -CH(CH3 )-(CH2)3 -CH(CH3)2

Đáp án: 6

5

O

1.

7

4 3

9 8 1

HO

Tên: 8-hiđroxi-7-phenyl-2,6-đioxabixiclo[3.3.1]nonan-3-on

O

O 2

Công thức cấu dạng:

O O

4 3 2

H5C 6

O

7

HO

6

O

4 3 5

1

2.

7

O 8

C6H5 OH

H5C 6

7

HO

5

6

O

5

6

1

9

9

7

O

O 8

3

2

O

O

6

1

9

9

4

2

O 5

O 8

4

3

2

1

8

C6H5 OH

R H

R

H2C

as HO

HO

to R

HO HO

CÊu d¹ng bÒn: S-trans

R

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2008 1. Hợp chất A (C10H18O) được phân lập từ một loại tinh dầu ở Việt Nam. A không làm mất màu nước brom và dung dịch thuốc tím loãng, cũng không tác dụng với hiđro có xúc tác niken, nhưng lại tác dụng với axit clohiđric đậm đặc sinh ra 1-clo-4-(1-clo-1-metyletyl)-1-metylxiclohexan. Hãy đề xuất cấu trúc của A. 2. Hợp chất B (C10H20O2 ) có trong một loại tinh dầu ở Nam Mỹ. Từ B có thể tổng hợp được A bằng cách đun nóng với axit. a. Viết công thức cấu tạo và gọi tên B.

b. Dùng công thức cấu trúc, viết phương trình phản ứng và trình bày cơ chế đầy đủ của phản ứng tổng hợp A. 3. Hợp chất B thường được điều chế từ C (2,6,6-trimetylbixiclo[3.1.1] hept-2-en) có trong dầu thông. Dùng công thức cấu tạo, viết phương trình phản ứng và chỉ rõ các liên kết của C bị đứt ra. 4. Trong cây long não có hợp chất D tên là 1,7,7-trimetylbixiclo[2.2.1]heptan-2-on (hay là campho). Viết sơ đồ các phản ứng tổng hợp D từ C và cho biết cơ chế của giai đoạn đầu. 5. Về cấu tạo hóa học, các hợp chất A, B, C và D ở trên có đặc điểm gì chung nhất? minh họa vắn tắt đặc điểm đó trên các công thức cấu tạo của chúng.

Đáp án: 1.

Xác định công thức cấu trúc của A(C10H18O) A có độ chưa bão hoà là 2; A không làm mất mầu dung dịch nước brom và dung dịch thuốc tím loãng chứng tỏ trong A

không có nối đôi hay nối ba; A không tác dụng với hiđro trên chất xúc tác niken chứng tỏ trong A không có nhóm chức cacbonyl; A tác dụng với axit clohiđric đậm đặc sinh ra 1-clo-4-(1-clo-1-metyletyl)-1-metylxiclohexan, trong A có vòng no và có liên kết ete. Suy ra công thức cấu trúc của A

CH3

CH3 O

O

O

H3C

CH3 O

CH3

CH3

2. a.

B (C10H20O2)

- H2O

A (C10H18O)

Suy ra B là một điol có bộ khung cacbon như A

OH +

H H2O

A

OH B Gọi tên B: 1-hiđroxi-4-(-1-hiđroxi-1-metyletyl)-1-metylxiclohexan b. Dùng công thức cấu trúc, viết phương trình phản ứng và trình bày cơ chế đầy đủ của phản ứng. Cả 2 dạng trans và cis của B đều ở cấu dạng ghế bền vững, tuy vậy cấu dạng ghế không thể tham gia đóng vòng mà phải đi qua dạng thuyền kém bền. Dạng thuyền sẽ tham gia phản ứng SN 1 nội phân tử.

OH

(+)

OH

OH

OH OH

+

H

O

+

H

OH

(+)

Cis-B

+

H

A

(+)

OH OH

OH

OH

OH

O

+

H

OH

(+)

Trans-B

H

+

A

3. Liên kết của C bị đứt ở các đường chấm chấm:

OH +

H

2 H2O

+

OH

4.

O

HO

Cl H2O

HCl

C

O

D H+

Cl-

(+)

(+)

chuyÓn vÞ

5. Đặc điểm chung nhất về cấu tạo hoá học: mỗi phân tử gồm 2 đơn vị isopren (hoặc isopentan) nối với nhau.

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2008 Sildenafil (một loại thuốc tăng lực) được tổng hợp theo sơ đồ:

O O OEt

NH2NH2

1. Me2SO4, dd NaOH

A

O o

SOCl2, DMF, toluen, 55 C, 6 h

C

D

o

dd NH3, 20 C, 2 h

OEt

B

2. NaOH, H2O

HNO3, H2SO4

C

o

50 C, 2 h

H2 (50 psi), 5% Pd/C

E

0

EtOAc, 50 C, 4 h

O ClSO3H, SOCl2

OH

CH3-N

G

to phßng, 18 h

NH , H2O o

(N

H

10 C, 2 h

håi l-u, 2 h, - N

OEt HN N

NH

E, EtOAc

K

I

N

L

to phßng, 70 h

NH

CH3 N N

O

I

N)2CO

Pr

Sildenafil

O2 S

N

N

CH3

1. Hãy hoàn chỉnh dãy phản ứng trên, biết rằng: * Quá trình chuyển sang G có tạo thành axit sunfonic trung gian sau đó mới chuyển thành sunfonyl clorua. * N,N, -cacbonylđiimiđazol (CDI) là một loại tác nhân dùng để hoạt hoá axit cacboxylic cho phản ứng thế nucleophin của nhóm cacbonyl. 2. Viết cơ chế phản ứng chuyển [I] thành K.

Đáp án: O O

O OEt

NH2NH2

EtO

O

H N

1. Me2SO4, dd NaOH

N 2. NaOH, H2O

O

HO

CH3 N HNO3, H2SO4 N 50oC, 2 h

O

CH3 N N

HO O 2N

A

o

C

SOCl2, DMF, toluen, 55 C, 6 h

Pr

O

H 2N

o

dd NH3, 20 C, 2 h

B CH3 N N

O2N

Pr

H2 (50 psi), 5% Pd/C

C

O CH3 N N

H2N

0

EtOAc, 50 C, 4 h

H 2N D

Pr

E

Pr

Pr

OEt

OEt

O

O

OEt OH CH3-N NH , H2O

OH ClSO3H, SOCl2 to phßng, 18 h

OH

o

10 C, 2 h

H O2 S N

G SO2Cl OEt

H

(N

N)2CO

håi l-u, 2 h ,

-N

O

O

O

OEt N

O

N

N

N CH3 O

NH

N

N

NH

Me

O2 S N

N CH3

K O2 S N

I

CH3 N N

O H2N

OEt K

O

E, EtOAc to phßng, 70 h

N H N

L O2 S

N CH3

Pr

N CH3

2. Cơ chế từ [I] sang K O

O

OEt

C

N

O

HN

O(- )

OEt

C

N

N

+

O

O N

N

-H

N CH3

N

OEt N

N

N

N

+

+H

+ CO2 + HN

O2 S

O2 S

O

N

N CH3

O2 S N

N

N CH3

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2008 1. Sau khi xử lí hỗn hợp lõi ngô hoặc vỏ trấu có chứa pentozan (C5H8O4)n với dung dịch axit clohiđric 12% rồi tiến hành chưng cất, nhận được chất lỏng A (C5H4O2) màu vàng có mùi thơm. Cho A phản ứng với KOH rồi axit hóa thì nhận được B (C5H4O3) và C (C5H6O2). a. Viết phương trình phản ứng thuỷ phân pentozan tạo thành A và c ông thức của A, B, C.

H2N-N

NH

b. Viết phương trình phản ứng của B tác dụng với C khi có xúc tác axit. c. Hãy trình bày điều kiện nitro hoá A để nhận được D (C5H3NO4). d. Viết phương trình phản ứng của D tác dụng với: (I) ; (II).

.

O

(I) O

O

NH S S (II)

COOCH3

2. Geniposit (hình bên) là một hợp chất được tách ra từ quả dành dành. Thuỷ phân geniposit sinh ra hai sản phẩm là genipin và D-glucozơ. Genipin tham gia phản ứng tạo màu với gelatin (đây là cơ sở để phát hiện dấu vân t ay

HOH2C

trong kỹ thuật hình sự).

HO

Hãy viết sơ đồ phản ứng tạo genipin và phản ứng của genipin với một

HO

O O O OH

aminoaxit để giải thích hiện tượng trên

CH2OH

Đáp án: 1. Trong lõi ngô và vỏ trấu có chứa pentozan,khi đun nóng với dung dịch HCl 12% chuyển thành pentozơ rồi tách nước cho fufurol

CHO (C5H8O4)n HCl 12%

(CHOH)3

- 3H2O

O

CH2OH 2 O A

O

CHO

KOH

O C COOK

H3O+

CH2OH

b. O

A(C5H4O2) COOK

O

COOH B

O

COOH +

CHO

CH2OH

O

H+

COOCH2 O

O

c. Để nitro hoá A cần phải bảo vệ nhóm anđehit bằng (CH3CO)2O

(CH3CO)2O

O

CHO

O

CH(OCOCH3)2

Thực hiện phản ứng nitro hoá, sau đó thuỷ phân để phục hồi nhóm -CHO

O

CH(OCOCH3)2

HNO3

O2N

O

CH(OCOCH3)2

H3O+

O 2N

CHO

O D

d. Phản ứng của D với I và II

O2N

O

CHO

I O O

O 2N

NH

D

O 2N

O

H 2N N

O

NH

O O NH

CHO

O 2N

S

II S

O

O

N N

CH

O NH

CH

S

S

2. Phản ứng thuỷ phân geniposit thu được genipin và D-glucozơ

COOCH3 COOCH3

OH

O O

O HO

HOH2C

O

O

HO

+

HOH2C

OH

HO OH

OH

CH2OH

HO OH

Gelatin (có trong da) cấu tạo từ các polipeptit, lấy đại diện là một aminoaxit như glyxin, ta có phương trình:

COOCH3 +

O HOH2C

COOCH3 H2N-CH2-COOH

N-CH2-COOH HOH2C

OH

OH

sản phẩm có màu để phát hiện dấu vân tay trong kỹ thuật hình sự.

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2008 1. Người ta phân lập được một tetrapeptit (peptit A) từ prothrombin người. Cấu tạo của peptit A được tiến hành xác định như sau: a. Bằng phương pháp Edman thì nhận được trình tự aminoaxit của peptit A là Leu-Glu-Glu-Val. b. Để tiếp tục xác định cấu tạo, người ta tiến hành điện di trên giấy ở pH 6,5 peptit A và một peptit tổng hợp B (cũng có trình tự aminoaxit là Leu-Glu-Glu-Val) thì lại nhận được quãng đường di chuyển không giống nhau, cụ thể như hình dưới đây:

2,5

Peptit A Peptit B 0

1

2

3

đơn vị độ dài

c. Khi thuỷ phân hai peptit A và B bằng HCl 6N ở 110oC, thì cả A và B đều cho Leu(1), Glu(2), Val(1); nhưng khi thuỷ phân bằng kiềm thì peptit B cho Leu(1), Glu(2), Val(1) còn peptit A cho Leu(1), X(2), Val(1). Hãy giải thích các kết quả thực nghiệm để xác định cấu tạo của X và gọi tên X theo danh pháp IUPAC. 2. Viết sơ đồ phản ứng oxi hóa D-glucozơ tạo thành axit anđonic và axit anđaric, công thức Haworth các mono và đi γ-lacton của chúng và gọi tên các lacton ấy.

Đáp án: 1.Xác định cấu trúc của X - Phương pháp Edman thực hiện ở pH thấp,biết được trình tự là Leu-Glu-Glu-Val. - Điện di ở pH 6,5 cho thấy peptit A dịch chuyển nhanh hơn về phía cực dương(+), chứng tỏ A có điện tích âm lớn hơn B,tính axit của A lớn hơn B. - Khi thuỷ phân trong môi trường HCl 6N ở 110oC thì cả A và B đều thu được Leu(1), Glu(2) và Val(1). Kết hợp với phương pháp Edman ở trên cho thấy các quá trình này thực hiện ở môi trường axit mạnh,pH thấp.Ở pH thấp phân tử X bị đecacboxyl hoá,loại CO2 mất đi 1 nhóm –COOH. - Khi thuỷ phân bằng kiềm peptit A tạo ra Leu(1),X(2) và Val(1),trong môi trường kiềm không có quá trình decacboxyl hoá nên nhận được X(2). - Kêt hợp các kết quả trhí nghiệm cho thấy X có thêm 1 nhóm –COOH so với Glu tức là khi loại 1 nhóm –COO thì X chuyển thành Glu.

X

CO2

VËy X :

HOOC CH2 CH2 CH COOH

HOOC CH CH2 COOH

Gọi tên:

NH2 CH COOH NH2

Axit 3-aminopropan-1,1,3-t ricacboxylic

2. Các sản phẩm oxi hoá D-glucozơ và các lacton của nó

O COOH

CHO

OH

OH HO OH OH CH2OH HNO3

COOH OH HO

Br2

COOH

H2O

OH

HO O OH

O

OH OH

CH2OH

CH2OH axit gluconic

D- -gluconolacton OH COOH O

COOH OH O

CH2OH OH O

OH

HO

O

OH

OH OH

C

OH HO

OH O

O O

O O

OH 1,4-lacton cña axit glucaric 1,4:3,6-dilactoncña axit glucaric 3,6-lacton cña axit glucaric OH

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2008 – Bảng A Hoàn thành các phương trình phản ứng theo từng dãy biến hóa dưới đây, viết công thức cấu tạo các chất tương ứng với các chữ cái trong từng sơ đồ. Viết cơ chế hình thành A, B

Đáp án:

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2008 – Bảng A Từ benzen, metanol, anhydrit axetic, anhydrit  - metylsucxinic, xiclopentadien, etylacrylat và các hóa chất vô cơ cần thiết khác viết sơ đồ phản ứng điều chế: 1. 2-phenylpropan-1-ol 2. 2-metylnaphtalen 3.

Đáp án: 1.

2.

3.

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2008 – Bảng A Hợp chất A phản ứng với PCl3 cho B, khử hóa B bằng H2/Pd nhận được benzandehit. Mặt khác cho B tương tác với NH3 thu đươc C, xử lý C với brom trong môi trường kiềm thì được D. Từ B có thể nhận được E bằng các cho phản ứng với benzen và xúc tác AlCl 3. E chuyển thành F khi xử lý với hydroxylamin, trong môi trường axit hợp chất F chuyển thành G. Hãy xác định công thức cấu trúc các hợp chất từ A đến G, biết rằng G cũng có thể nhận được khi cho B phản ứng với D

Đáp án: A là axit cacboxylic C6H5COOH B là clorua axit C6H5COCl, khử Rosenmund tạo ra C6H5CHO C là amit C6H5CONH2 D là amin theo thoái biến Hofmann C6H5NH2 E là xeton C6H5COC6H5 phản ứng Friedel – Crafts F là oxim (C6H5)2C = N – OH G là amit bậc 2: C6H5 – CO – NH – C6H5 theo chuyển vị Beckmann B + D → G: C6H5COCl + C6H5NH2 → C6H5 – CO – NH – C6H5

Kỳ thi Olympic Hóa học Sinh viên toàn quốc năm 2008 – Bảng A Khi cho nitrozyl clorua phản ứng với xiclohexan sẽ nhận được dẫn xuất mononitroso, sau đó chuyển thành oxim A. Xử lý A với axit sẽ nhận được caprolactam B 1.

Viết cơ chế hình thành dẫn xuất mononitroso

2.

Viết cơ chế tạo thành lactam và nilon-6

Đáp án: 1. Cơ chế hình thành dẫn xuất mononitroso. Đây là phản ứng gốc dây chuyền Giai đoạn khơi mào: NOCl

h  

. NO

+ Cl.

Phát triển:

Nitroso chuyển thành oxim A:

2. Sự tạo thành lactam và nylon – 6

trùng ngưng

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2009 1. Khung cacbon của các hợp chất tecpen được tạo thành từ các phân tử isopren kết nối với nhau theo quy tắc «đầu – đuôi». Ví dụ, nếu tạm quy ước: (đầu) CH2=C(CH3)-CH=CH2 (đuôi) thì phân tử -myrcen (hình bên) được kết hợ p từ 2 đơn vị isopren. Dựa vào quy tắc trên, hãy cho biết các chất nào sau đây là t ec pen và chỉ ra các đơn vị isopren trong khung cacbon của các tecpen này.

α-Myrcen

OH O O

O

O

O

O

O

OH

O OH

O

Prostaglan®in PG-H2

Acoron

O

O

O Axit abi eti c

HO

O Po®ophyllotoxin 2. Viết công thức cấu tạo của sản phẩm cuối (nếu có) từ các phản ứng sau:

COOH

a.

+

b.

Br

+

(I2, KI, NaHCO3)

A

CF3 + (Na +NH3)

c.

B

H2N CH COOH

d.

CH3

Br +

C

D

H2O

Đáp án: 1. Acoron và axit abietic là tecpen:

O

O

O

O O

O

Acoron

Acoron

Axit abietic

HO

Axit abietic

HO

2. Công thức cấu tạo của sản phẩm: A

Các phản ứng b. và d.

C

không xảy ra.

O

CF3

O I

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2009 Viết các phương trình phản ứng điều chế các hợp chất theo sơ đồ sau (được dùng thêm các chất vô cơ và hữu cơ khác):

CH3 H

CHO

HO

COCH3 b. CHO

C

C

OH CH3 Cl

HOOC CH2=CH COCH3

HOOC-(CH2)3-COOH

d. CH3COCH2COOC2H5

Đáp án: Viết các phản ứng tổng hợp:

Br

a.

CHO

O

COCH3

COCH3

NaOEt

NBS, as

1. O3 2. Zn/H 2O

b.

O C

O C Cl

CHO

Cl2 AlCl3

AlCl3

(A)

O C Zn/HCl

(B)

(D)

(C)

Cl

CH3

Br

H

C Br2, as

Cl

(E)

HC CH2

+

O=C CH3

d.

+

C

(G)

OH CH3 Cl

OH CH

(C)

H2SO4 , to

Cl

COOEt NaOEt COOEt EtOH

(E)

O

COOEt

Cl

EtOOC EtOOC

O O

CHO

2. Na2SO3

(F)

Cl

NaBH4

Cl

C

1. OsO4 /dd KMnO4

O C

hoÆc

c.

NaOEt

(D)

Cl

HO

NaOEt EtOH

H3O+ to

(F)

Br2, KOH

HOOC

O

COOH

H2O

COOH O

COOEt H3O+ to

HOOC Br2, KOH H2O

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2009 1. Anetol có phân tử khối là 148,2 và hàm lượng các nguyên tố: 81,04% C; 8,16% H; 10,8% O. Hãy: a. Xác định công thức phân tử của anetol. b. Viết công thức cấu trúc của anetol dự a vào các thông tin sau: - Anetol làm mất màu nước brom; - Anetol có hai đồng phân hình học;

- Sự oxi hóa anetol tạo ra axit metoxibenzoic (M) và sự nitro hóa M chỉ cho duy nhất axit metoxinitrobenzoic. c. Viết phương trình của các phản ứng: (1) anetol với brom trong nước; (2) oxi hóa anetol thành axit metoxibenzoic; (3) nitro hóa M thành axit metoxinitrobenzoic. Viế t tên của anetol và tất cả các sản phẩm hữu cơ nêu trên theo danh pháp IUPAC. d. Vẽ cấu trúc hai đồng phân hình học của anetol. 2. Viết công thức cấu tạo của các chất A và B trong sơ đồ điều chế nhựa melamin sau:

NH2 Xianogen clorua

A

NH3

N N

H2N

CH2O

N

B

NH2

Xianuramit (melamin)

Đáp án: 1. a. Xác định công thức phân tử: C = (81,04/12,00) = 6,75 ; H = (8,16/1,01) = 8,08 ;

O = (10,8/16,0 = 0,675

C = 6,75/0,675 = 10

O= 1

;

H = (8,08/0,675 ) = 12 ;

C10H12O

b. Viết công thức cấu trúc của anetol: Anetol làm mất màu nước brôm nên có liên kết đôi; vì tồn tại ở dạng hai đồng phân hình học (liên kết đôi, π) và khi oxi hóa cho axit nên có liên kết đôi ở mạch nhánh; vì chỉ cho 1 sản phẩm sau khi nitro hóa nên nhóm metoxi ở vị trí 4 (COOH- nhóm thế loại 2, metoxi nhóm thế loại 1). Đó là axit 4-metoxi-3-nitrobenzoic. Vậy anetol là:

H3C O

CH CH CH3

c. Các phương trình phản ứng: (1) anetol với brom trong nước:

H3C O

CH3 Br CH CH OH

Br2/H2O

CH CH CH3

CH3 Br CH CH Br

+ (2) H3CO

H3CO

(2) oxi hóa anetol thành axit metoxibenzoic: + o

H3C O

CH CH CH3

KMnO4/H3O , t

H3CO

COOH + CH3COOH (3)

(3) nitro hóa M thành axit metoxinitrobenzoic:

O 2N H3CO

COOH

HNO3/H2SO4

H3CO

COOH (4)

Tên của anetol và tất cả các sản phẩm hữu cơ nêu trên theo danh pháp IUPAC: (2) 2-Brom-1-(4-metoxiphenyl)-1-propanol;

(3) Axit 4-metoxibenzoic;

(4) Axit 4-metoxi-3-nitrobenzoic; d. Hai đồng phân hình học của anetol:

H3CO

H3CO +

H CH3

H

H

(E) -1-metoxi-4-(1-propenyl)benzen

(Z) -1-metoxi-4-(1-propenyl)benzen;

hoặc (E)-1-(4-metoxiphenyl)-1-propen

(Z)-1-(4-metoxiphenyl)-1-propen

Cl

2. N

Cl C N Cl

CH3 H

HN CH2

H2N N

N

NH3

Cl

N

H2N

A

N

N

HCHO

N

NH2 Melamin

H2C HN

N N

NH CH2

n

B

Kỳ thi chọn HSGQG năm 2009 1. Cho sơ đồ sau:

(-)-Serin

HCl CH3OH

A

PCl5

B

OH-

(C4H9Cl2NO2)

NaSH

C (C4H8ClNO2)

D (C4H9NO2S)

1. H3O+, to 2. OH

E

Viết công thức Fisơ của E và cho biết cấu hình tuyệt đối (R/S) của nó. 2. a. Từ một monosaccarit, hãy viết các phương trình phản ứng điều chế chất A và B:

C6 H 5 O

O O

OCOCH 3 O

O H CHO

A

CH3 COO

OCH 3

B

b. Viết công thức Fisơ của các chất C và D trong dãy chuyển hóa sau:

3.

N

Cho 3 dị vòng (hình bên). Hãy sắp xếp các dị vòng theo thứ tự tăng dần nhiệt độ sôi; tăng dần tính bazơ của các nhóm –NH. Giải

N

N

N

thích.

H

H

H

A

B

C

Đáp án: 1. Các phương trình phản ứng: HCl

HOCH2-CH-COOCH3 HOCH2-CH-COOH CH3OH NH3Cl NH2 A L-(-)-Serin

PCl5

ClCH2-CH-COOCH3 NH3Cl B

ClCH2-CH-COOCH3 NH2 C NaSH

1. H3O+, to

HSCH2-CH-COOH E NH2

2. OH-

HSCH2-CH-COOCH3 NH2 D

Công thức hình chiếu Fisơ của E:

COOH

Công thức hình chiếu Fisơ của E (cystein): E có cấu hình R vì độ hơn cấp của -CH2SH > -COOH a. Điều chế A:

H

CH2SH

OH OH

HOCH2 HO HO OH OH

CH2OH

CH2OH

CHO HO HO

NaBH4

hoÆc:

R

H 2N

HO HO

O HO

2 (CH3)2CO

HIO4

NaBH4

O

O H

OH O

+

H

CHO

H2C O

A

O CH2

HOCH2 HO

CHO OH

O CH2

O OH 2 (CH3)2CO

HO

OH

OH

CH2OH

CH2OH

O

O H

HO

+

OH

HIO4

H

O

CHO

H2C O

Điều chế B

CHO HO HO OH OH CH2OH

OH O MeOH HCl

OH

-anomer + HO

C6H5CHO +

OMe

HO Ac2O AcONa

C6H5

H

C6H5

OH

O HO O

O AcO

b. Công thức Fisơ của các hợp chất C và D:

O

O

O OAc

OMe

OMe

CHO HO H HO H OH H H OH CH2OH

COOH HO H HO H HNO3 OH H to H OH COOH

®ãng vßng lacton

OH HO

H O HO

OH

HO

H

H H

OH OH Ba(OH)2 O

- 2H2O

HO

H

O

O

O

H H

®ãng vßng lacton

H

D

C

3. a. So sánh nhiệt độ sôi: Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào liên kết hiđro giữa các phân tử.

N-H .......N

N

N-H .......... N

H

N

H

Vòng no, liên kết hiđro giữa

H .......N

nhóm –NH của dị vòng no

Vòng thơm, liên kết hiđro giữa

N

nên rất yếu.

nhóm –NH với dị vòng thơm chứa

H

A

một nguyên tử nitơ yếu hơn so với

Vòng thơm, liên kết

dị vòng thơm C có 2 nguyên tử N.

hiđro bền.




C: Tính bazơ trung bình vì electron n Nsp2

B

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2009 1. Khi hiđro hóa naphtalen thu được đecalin (C10H18), oxi hóa đecalin thì được hỗn hợp các đecalon (C10H16O). a. Viết các đồng phân lập thể của 1-đecalon. b. Trong dung dịch bazơ, 1-đecalon phản ứng với benzanđehit cho A, phản ứng với metylvinylxeton cho B (C14H20O). Hãy viết công thức cấu tạo của A và B. 2. Có 5 polime sau: a. Nilon-6,6 được hình thành từ axit ađipic và hexametylenđiamin. b. Nilon-6 được hình thành từ

ε-caprolactam.

c. Đacron được hình thành từ đimetyl terephtalat và etylen glicol. d. Gliptan được hình thành từ glixerin và anhiđrit phtalic. e. Poliuretan được hình thành từ điisoxianat (thí dụ toluenđiisoxianat) và etylen glicol. Hãy cho biết các polime trên thuộc loại nào? Viết phương trình phản ứng tạo thành sản phẩm, chỉ ra công thức một đoạn mạch của polime và gọi tên theo danh pháp IUPAC các polime a, b, c.

O

Đáp án: 1.a. Các đồng phân lập thể của 1-đecalon

O

O

O

O

O

O

b. A là sản phẩm ngưng tụ, B là sản phẩm cộng Michael rồi ngưng tụ tiếp.

O

O

CH-C6H5 1. Baz¬ 2. PhCHO

O

A

H3C O

O O

C CH2 CH2

1. Baz¬ 2. CH2=CHCOCH3

B

- H2O

2.a. (Nilon-6,6 là poliamit do phản ứng của cả 2 nhóm –COOH của axit ađipic phản ứng với cả 2 nhóm –NH2 của hexametylenđiamin. Các liên kết –CONH- được hình thành do tách loại H2O. Ban đầu phản ứng cho muối nilon, sau đó đun nóng.

HOOC(CH2)4COOH + H2N(CH2)6NH2

OOC(CH2)4COOH3N(CH2)6NH3

o

t

-C-(CH2)4-C-NH-(CH2)6-NH-C-(CH2)4-C-NH-(CH2)6-NHO O O O Poli(hexametylen a®ipamit)

Mét ®o¹n m¹ch cña polime:

NH-(CH2)6-NH-C-(CH2)4-C O O

b. Nilon-6 cũng là poliamit nhưng được hình thành từ monome axit

ε-aminocaproic .

ε-caprolactam.

Đó là amit vòng của

Khi đun nóng vòng lactam được mở ra cho muối aminoaxit sau đó hình thành

liên kết amit với phân tử khác khi tách loại nước.

O N H

o

t H2O

+

H3N-(CH2)5COO-

o

t - H 2O

NH-(CH2)5-C-NH-(CH2)5-C-N H-(CH2)5-C O O O

Poli(amit cña axit 6-aminohexanoic)

ε-caprolactam

Mét ®o¹n m¹ch cña polime:

NH-(CH2)5-C O

c. Đacron là polieste do phản ứng chuyển đổi este giữa đimetyl terephtalat với etylen glicol.

HO-CH2CH2OH + H3COOCto - CH3OH

-COOCH3 + HO-CH2CH2OH + H3COOC-

O-CH2CH2-O-C-

-C-O-CH2CH2O-CO O

O

-COOCH3

-C O

Poli(etylen terephtalat)

C-

Mét ®o¹n m¹ch cña polime:

-C-O-CH2CH2-O

O

O

d. Gliptan cũng là polieste, nhưng glyxerrin sẽ tạo thành nhựa mắt lưới dẻo cứng. Ở giai đoạn đầu tiên sẽ hình thành polime thẳng với nhóm OH bậc một.

O C

O

O C O + OH-CH2CHCH2-OH OH C

-H2O

O

C O

O C +

C O-CH2CHCH2-O C O OH O

Mét ®o¹n m¹ch cña polime:

O -CH2CHCH2-O C O OH

+ OH-CH2CHCH2-OH OH C

O-CH2CHCH2-O OH O

C O

Nhóm OH tự do bậc hai sẽ liên kết chéo với nhiều phân tử anhiđrit phtalic khác. e. Poliuretan được hình thành từ etylen glicol với điisoxianat.

HO-CH2CH2OH + O=C=N

O H OCH2CH2O C N

Mét ®o¹n m¹ch cña polime:

O H C N

N=C=O + HO-CH2CH2OH + O=C=N

N=C=O

CH3

CH3 O H H O N C OCH2CH2O C N

H O N C

CH3

CH3

H O N C OCH2CH2O CH3

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2009 1.a. Hoàn thành dãy phản ứng sau:

HO

OH CH3COOH ZnCl2 khan

A

Me2SO4 (1:1) Na2CO3 - axeton

B

o

PhCHO Piperidin

t

C

D

O

E (C16H12O4)

b. Viết sơ đồ điều chế 4,4-đimetylxiclopentan-1,2-điol từ axeton và đietyl malonat. 2. Hợp chất A1 là dẫn xuất của eugenol có khả năng kích thích sinh trưởng thực vật. Từ eugenol có thể tổng hợp A1 theo hai cách sau:

OH OCH3

a.

NaOH/EtOH

1. ClCH2COONa, 90OC

A

140OC - 180OC

A1

2. HCl

CH2-CH=CH2 OH OCH3

b.

O B 1. NaOH/EtOH, 100 C

1. NaOH

2. HCl

2. ClCH2COONa, 90OC

A1

CH2-CH=CH2 Hãy giải thích và so sánh khả năng phản ứng của hai cách tổng hợp trên. 3. Các dẫn xuất chứa nitơ của A1 có hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm rất tốt. Xử lí A1 với CH3OH/H2SO4 thu được A2, cho A2 phản ứng với hiđrazin hiđrat thì được A3. Sản phẩm A4 là do A3 phản ứng với benzanđehit khi có mặt piperiđin. Hãy viết sơ đồ phản ứng, công thức cấu tạo của A2, A3, A4 và gọi tên A1.

Đáp án: 1.a.

OH

OH

OH COCH3

CH3COOH ZnCl2 khan

HO

COCH3

Me2SO4 (1:1) Na2CO3 - axeton

HO

CH3O A

B

OH CH3O

COCH=CHPh t

O

CH3O

Ph

O

Ph

O

o

OH

CH3O

O

O C

PhCHO Piperidin

D

E

b. O

CH2(COOEt)2

COOEt

R2NH, H+

COOEt

CH2(COOEt)2

COOEt 1. H3O+

EtOOC

RO-

EtOOC

COOEt

2. -CO2 + 3. H / EtOH

NaBH4

Na Xilen

EtOOC

COOEt

O

OH

HO

OH

2.

ONa

OH OCH3

a.

OCH3

NaOH/EtOH 140OC -

2. HCl

A CH=CH-CH3

A1 CH=CH-CH3 OCH2COOH

OCH2COONa

OH

OCH3

1. NaOH

OCH3

2. ClCH2COONa,

OCH3

1. NaOH/EtOH, 100O C

90OC

2. HCl

B CH2- CH=CH2

CH2- CH=CH2

OCH3

1. ClCH2COONa , 90OC

180OC

CH2- CH=CH2

b.

OCH2COOH

A1 CH=CH-CH3

Phản ứng tạo thành A là phản ứng đồng phân hoá eugenol thành isoeugenol trong môi trường kiềm rượu theo cơ chế tạo cacbanion. Ở đây ArOH chuyển thành ArO- , sự liên hợp của O- với nhân thơm làm giảm độ bền của cacbanion. Trong quá trình b. O- của ion ArOCH2COO- không liên hợp với nhân thơm nên cacbanion bền hơn làm cho phản ứng đồng phân hoá dễ dàng hơn. Do đó việc thực hiện theo quá trình b. thuận lợi hơn, ở mhiệt độ thấp hơn và cho hiệu suất cao hơn. 3.

OCH2COOH OCH3

OCH2COOCH3 OCH3

CH3OH/H2SO4

CH=CH-CH3

OCH2CONHNH2 OCH3

N2H4.H2O

OCH2CONHN=CHPh

PhCHO piperidin

CH=CH-CH3 A2

CH=CH-CH3 A3 A1: Axit isoeugenoxiaxetic

OCH3

CH=CH-CH3 A4

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2009 1. Để tổng hợp axit permetrinic (E), là một sản phẩm lí thú trong hóa học về thuốc trừ sâu hại trong nông nghiệp, người ta thực hiện các phản ứng theo sơ đồ sau:

a. 2-Metylbut-3-en-2-ol

H+

3-Metylbut-2-en-1-ol

CH3C(OEt)3 (-EtOH)

A (C9H16O2)

Viết công thức cấu tạo của A và trình bày cơ chế của hai giai đoạn phản ứng.

b.

to

A

CCl4

B

FeCl3

3,3

tBuONa (C6H6)

C

KOH

D

EtOH

Cl

HOOC

Cl

E

Viết công thức cấu tạo của B, C, D và trình bày cơ chế phản ứng B → C và C → D.

2. Hãy điều chế axit trans-crysanthemic (hình bên)

HO

từ B (trong sơ đồ b. ở trên) và các hóa chất tuỳ chọn.

O

Đáp án: 1 +

-H2O

H

a. OH

H2O _ + H

+

+

OH2

+

OH

OEt

..

OEt

O

+

H

OEt

C CH3

OEt

OEt H

~H

OEt

+

O C H CH3

+

OEt

OEt OEt

O C

EtOH

O

CH2

A

H 3

b.

2

to

CCl4

1

3,3

FeCl3

3 2

EtO

O 1

A

EtO

B

EtO

O

O

tBuONa (C6H6)

CCl3 C KOH

Cl CCl3

Cl

EtOOC

CCl3 D

Giai đoạn B → C phản ứng được tiến hành theo cơ chế cộng gốc:

EtOH

HOOC

Cl E

Cl

CCl3-Cl

Fe(III)

Cl3C +

Cl3C + Cl Cl3C

R

R

Cl

CCl4

R + Cl3C ...

Cl3C

R là phÇn ph©n tö cßn l¹i 2.(1,0 điểm) Cl COOOH

O O

EtO

EtO

CrO3 Py

O

LDA

EtO

O

(CH3)2C=PPh3

EtOOC

1.KOH, EtOH

H EtOOC

OH

OLi

2.H3O+

EtOOC

O

HOOC

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2009 1. Viết sơ đồ điều chế 2,3,4,5-tetraphenylxiclopenta-2,4-đienon từ benzanđehit, etyl fomiat và các chất vô cơ cần thiết. 2. Xitral (C10H16O) là một monotecpen-anđehit có trong tinh dầu chanh. Oxi hóa xitral bằng KMnO4 thu được axit oxalic, axeton và axit levulinic (hay axit 4-oxopentanoic). Từ xitral người ta điều chế

β-ionon để

điều

chế vitamin A. a. Xác định cấu tạo và viết tên hệ thống của xitral. b. Viết sơ đồ các phản ứng chuyển hóa xitral thành c.

β-Ionon

β-ionon.

sinh ra có lẫn một lượng đáng kể chất đồng phân cấu tạo là α-ionon, không thể tách ra

bằng cách chưng cất. Trình bầy cơ chế tạo thành α-ionon cùng với

β-ionon.

Nêu phương pháp tách riêng hai

đồng phân đó. d. Từ

β-ionon, axetilen,

O

OCOCH3v à các hoá chất cần thiết, hãy điều chế vitamin A.

O

β-Ionon

OH

Vitamin A

Đáp án: 1. PhCHO

Ph

CN-

Ph

O PhCHO

OH

Ph

O

HBr

PhCH2OH

Ph

Ph

PCC

O

1.Mg, ete

PhCH2Br

Ph

Ph

PCC

Ph

1. Baz¬

O

Ph

OH

2.HCOOEt

Ph OH

Ph

Ph

O

Ph

Ph

2.

Ph

O

O

Ph

2. a. Lập luận tìm công thức cấu tạo của xitral

O 3,7-Đimetylocta-2,6-đienal

b. O

O

CH3COCH3/Ba(OH)2 ng-ng tô

O

H2SO4 ®ãng vßng

β-Ionon

Xitral c. +

O

O

O

H+

+

O

O

+

β-Ionon Để tách riêng 2 đồng phân cấu tạo là

β-ionon và

- H+

α-Iionon α-ionon, nguyên tắc là chuyển chúng thành hỗn

hợp các dẫn xuất ở nhóm C=O rồi kết tinh lại trong dung môi thích hợp, khi ấy 2 dẫn xuất có độ tan khác nhau sẽ được tách riêng ra. Sau cùng, chuyển 2 dẫn xuất trở lại 2 xeton ban đầu, ví dụ

β -Ionon  -Ionon

H2NNHCSNH2

β -Ionon thiosemicacbazon  -Ionon thiosemicacbazon

β-Ionon thiosemicacbazon -Ionon thiosemicacbazon H+ thuû ph©n H+ thuû ph©n

β-Ionon  -Ionon

KÕt tinh l¹i trong etanol

β -Ionon thiosemicacbazon -Ionon thiosemicacbazon

d.

OH O C C H

NaC CH

PPh3

O

1. Li/NH3 (khö C C) + 2. H (chuyÓn vÞ OH)

Br

1. Ph3P 2. C4H9Li

3. PBr3 (thÕ OH)

OCOCH3

OCOCH3

Wittig

NaOH thuû ph©n

Vitamin A

Kỳ thi lập đội tuyển quốc tế năm 2009 1. Cho sơ đồ chuyển hoá sau:

CH3 HO

O OMe

HIO4/H2O

O /Ag 2 3I H C

C6H12O5 B

OH OH A

H

2 /N

i, t

C8H16O5 C CH2OH H

OCH3

o

C

O H3C

H CH2OH

a. Viết công thức cấu trúc của A (có biểu diễn cấu hình của từng nguyên tử cacbon bất đối). A thuộc dãy nào (D hay L) và dạng α-glicozit hay

β-glicozit?

b. Viết công thức cấu tạo của B và C biết rằng B không chứa nhóm cacbonyl. Giải thích sự tạo thành B. c. Vì sao B không chứa nhóm cacbonyl mà vẫn bị khử bởi hiđro? 2. Hợp chất A có công thức: Hãy gọi tên A và cho biết A có bao nhiêu dạng cấu trúc không gian tương đối bền, các dạng đó khác nhau về các yếu tố lập thể nào? Hãy viết công thức cấu trúc của hai dạng tiêu biểu, có ghi đầy đủ các ký hiệu lập thể thích hợp.

O

Đáp án: 1.a. Cấu trúc của A là Nó thuộc dãy L, loại

β -glicozit.

O OMe

HO CH3 OH

OH

b. Sau khi phản ứng với HIO4, một nhóm anđehit bị hiđrat hoá thành gem điol, chất này tạo vòng với nhóm anđehit thứ hai, tiếp theo là phản ứng metyl hoá.

O OMe

HO CH3

O OMe HC CH3 O

HIO4 H2O

OH

OH

HO

O OMe HC CH3 HO O CH

CH OH

A

O OMe CH3I Ag2O

HC CH3 MeO O CH

OH

B

C

OMe

c. Dưới tác dụng của nhiệt, B mở vòng, bị đehiđrat hoá trở lại anđehit và do đó bị khử. 2. A là: 6-metyl-2-p-tolylhept-4-en-3-on Có 8 dạng cấu trúc không gian tương đối bền, chúng khác nhau về các yếu tố: cấu hình R/S, cấu hình E/Z và cấu dạng S-cis/S-trans.

Ar

H

(S)

H

Ar

O

(E)

(R)

O

(Z)

S-trans

S-cis

A. Bài tập trong các kỳ thi Olympic Hóa học quốc tế Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Quang in là quá trình sử dụng trong một thiết bị có sử dụng chất bán dẫn để chuyển khuôn mẫu từ mạng che quang đến bề mặt chất nền. Trong một quá trình quang in bình thường thì ánh sáng được chiếu qua một mạng để định rõ các đường nét cụ thể của vật rồi chuyển vào lớp mỏng silic được phủ một lớp mỏng chất cản quang. 1. Chất cản quan sớm nhất hoạt động chủ yếu dựa vào các phản ứng quang hóa sinh ra các tiểu phân trung gia từ các bis(aryl azit). Quá trình in xảy ra dựa vào các liên kết nối mạch của các nitren sinh ra từ các azit này. SO3- Na+

h

N3 N3

reactive intermediate called as nitrene

+ 2 N2

+Na -O3S

Bis(aryl azide)

1-1. Vẽ hai cấu trúc Lewis của CH3-N3, là hợp chất đơn giản nhất có cùng nhóm chức hoạt động như của bis(aryl azide). Định rõ các điện tích hình thức. 1-2. Vẽ cấu trúc Lewis của nitren sinh ra từ CH3-N3.

1-3.

Vẽ cấu trúc của hai sản phẩm có thể có khi cho nitren sinh ra từ CH3-N3 phản ứng với khí etylen (CH2CH2).

2. Chất cản quang bao gồm các đoạn mạch polymer Novolak có thể thay đổi tính tan bằng cách dùng axit. Hợp phần axit có thể được sản xuất bằng cách quang hóa diazonaphthaquinone. Trên thực tế, “Novolak” đại diện cho các chất cản quang “dương” trong cuộc cách mạng vi điện tử hiện đại. OH

Novolak n CH3

Khi chiếu xạ diazonaphthaquinone quang phân rồi chuyển vị để tạo thành axit cacboxylic. O

CO2H N2

h

O

S

rearranged intermediate

carbene + N2 intermediate

O

+ H2O O

OR

S

O

OR

Diazonahpthaquinone derivative

2-1. Vẽ ba cấu trúc Lewis của diazoaxetandehit (xem dưới), hợp chất đơn giản nhất có cùng loại nhóm chức như diazonaphthaquinone. Định rõ điện tích hình thức. O H-C-CHN2

diazoacetaldehyde 2-2. Vẽ một cấu trúc Lewis của trung gian chuyển vị A (xem dưới) sinh ra từ diazoaxetandehit sau khi mất N2. Chất A thỏa mãn quy tắc octet và phản ứng với nước để tạo thành axit axetic CH3CO2H. O H

CHN2

_

N2

carbene intermediate

A

CH3COOH H2O

3. Các chất cản quang hiện đại hơn đã được phát minh vào năm 1982 dựa vào sự khuếch đại hóa học. Hóa chất khuếch đại thông dụng nhất với các chất có ảnh hướng dương bao gồm xúc tác axit cho sự loại bỏ nhóm bảo vệ của nhựa poly(p-

hydroxystyrene) do chúng được bảo vệ bằng các nhóm nhạy với axit như tbutyloxycarbonyl (t-BOC).

n

O

O

O

Sự phân hủy nhiệt của các este cacbonat thường xảy ra tốt ở nhiệt độ cao hơn 150oC. 3-1. Hai cơ chế khả thi được đề nghị cho phản ứng phân hủy có năng lượng hoạt hóa cao này. Hãy vẽ cấu trúc các trung gian có thể có và sản phẩm phản ứng. + + pericyclic trans. state O

O O

CH3

B

+ O

O

CH3 CH2

OH

H

+ O

O

C

OH

D

O

B

H+

+

+ heterolytic cleavage

E

+

C

_ O

3-2. Trong sự có mặt của vết axit thì phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ dưới 100oC. Vẽ cấu trúc trung gian F sinh ra từ quá trình khuếch đại hóa học sử dụng t-BOC.

n

n

+

n

C

+

H

F

OH

O

OH O

O

+

O

O

D

B

H+

+

Đáp án: Các cấu trúc

:

:

N

H3C

N

+ N

N

:

N

:

: H3C

_

_

+ N

:

1-1.

1-2.

: N

:

H3C 1-3.

:

:

H3C

CH2

N

H3C

CH2

N H

H C CH2

2-1.

:

O

:

:

:

O

:

+

:

+

N

:O:

+

N

N H

H H

:

_

H

:

:

O

C

N H H

2-2.

3-1.

_

: N

:

_

CH2

N

:

H3C

CH3

+

CO2

H2C

CH3

CH3 H3C

B

C

_ O

O O

D

E

3-2.

n

O

O OH +

F

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006

Cam thảo (Glycyrrhizia. Uralensis)

Rễ cam thảo

Hương liệu được chiết ra từ rễ cam thảo ngọt hơn đường kính khoảng từ 50 – 150 lần. Thành phần quan trọng nhất và có lượng nhiều nhất, thể hiện tính ngọt và dược tính của cam thảo là glycyrrhizin (C42H62O16). Để trung hòa Glycyrrhizin cần 3 mol NaOH. Khi thủy phân glycyrrhizin trong môi trường axit thu được axit Glycyrrhizinic (A (C30H46O4)) và B (C6H10O7) với tỉ lệ mol 1:2 (sơ đồ 1).

Sơ đồ 1. HOOC

glycyrrhizin

HCl

(C42H62O16)

H2O

O

+

H

2 B (C6H10O7)

H HO

H A (Glycyrrhizinic acid)

Khi metyl hóa hoàn toàn glycyrrhizin bằng metyl iodua (MeI) rồi thủy phân sẽ cho A’ (metyl glycyrrhizinate), C và D (sơ đồ 2). B, C và D tồn tại ở dạng hỗn hợp các đồng phân anomer. Sơ đồ 2. glycyrrhizin

i) MeI, Ag2O

(C42H62O16)

ii) HCl / H2O

A' (C31H48O4)

+

C (C9H16O7)

+

D (C10H18O7)

Metyl hóa C và D bằng MeI cho hỗn hợp các đồng phân (ký hiệu J) (sơ đồ 3.) Sơ đồ 3. MeI, Ag2O

C (C9H16O7)

MeI, Ag2O

J (C11H20O7)

D (C10H18O7)

Khử C bằng LiAlH4 cho K và L được sinh ra bằng cách khử K. Oxy hóa cắt mạch vic-diol L bằng NaIO4 cho M cùng với 2 mol fomandehit. Khử M thu được N. Cấu trúc và lập thể của N được xác định bằng cách tổng hợp N từ axit D-(-)-tartaric bằng cách metyl hóa rồi khử tiếp nối (sơ đồ 4). Phổ 1H-NMR của L cho thấy có hai tín hiệu metyl riêng biệt (L không có tính đối xứng) Sơ đồ 4. H2, Raney-Ni

LiAlH4

C (C9H16O7)

K (C8H16O6)

L (C8H18O6) NaIO4

H2, Raney-Ni

N (C6H14O4) LiAlH4 OH

OMe COOH

HOOC

COOMe MeOOC

OH

MeI, Ag2O

OMe

1. Hoàn chỉnh cấu trúc của L , M, và N.

M (C6H10O4)+ 2 HCHO

2. Có bao nhiêu cấu trúc có thể có của C thỏa mãn? Vẽ các cấu trúc đó. Để xác định chính xác cấu trúc của C thì người ta tiến hành một số phản ứng sau: J được khử thành E, thủy phân E trong môi trường axit cho F. Khử F cho G, và oxy hóa G bằng NaIO4 cho H cùng với sự tạo thành một molt fomandehit. I nhận được bằng cách khử H. Trong tất cả các chất từ A đến I, chỉ duy nhất I quang hoạt (sơ đồ 5). Sơ đồ 5 J (C11H20O7)

LiAlH4

E (C10H20O6)

H2, Raney-Ni

HCl

G (C9H20O6)

F (C9H18O6)

H2O

NaIO4 H2, Raney-Ni

I (C8H18O5)

H (C8H16O5) + HCHO

optically inactive

3. Xác định cấu trúc các chất từ G đến I. 4. Trong tất cả các cấu trúc của C đã vẽ ở câu 10-2 thì cấu trúc nào phù hợp ? 5. Xác định cấu trúc của B, D, và J. 6. Xác định cấu trúc Glycyrrhizin.

Đáp án: 1. N

M

L CH2OH

CH2OH

MeO

CHO

H

OMe

H

CH2OH

MeO

H

H

OH

H

MeO

H

OMe

H

OMe

H

OH

CHO

CH2OH

2.

Số cấu trúc khả thi

2

1

2

COOMe

H

O

H(OH)

H

O H

H

H(OH)

COOMe H

OH

OMe

OMe

OH(H)

OMe

OH

H

OH(H)

OMe

H

H

3. G

I

CH2OH CH2OH H

OMe

MeO

H

OMe

OMe

H

H

OMe

H

OMe

H

H

OH

CH2OH

CH2OH

4. Cấu trúc 1 là cấu trúc đúng

5. B COOH

O

H(OH)

H H H

OH

OH(H)

OH

OH

H

D

J

COOMe

COOMe

O

O

H(OH)

H

H

H(OMe)

H

H H

H OMe

OMe

OH(H)

OMe

OMe(H)

OMe

OMe

H

OMe

H

6. HOOC

O H H

COOH O O

OH OH COOH O

O

OH OH OH

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006

H

Sinh tổng hợp axit shikimic là quá trình quan trọng để tạo thành các aminoaxit, ancaloit hay các hợp chất dị vòng thiên nhiên. Tự nhiên chuyển hóa axit shikhimic thành axit chorismic qua một loạt các phản ứng enzym. Sau đó enzym chorismate mutase xúc tác cho sự chuyển hóa axit chorismic thành axit prephenic ở phần nhánh đối với sự sinh tổng hợp các aminoaxit thơm như tyrosin và phenylalanin. O CO2H

COOH CO2H

pyruvic acid

Chorismate mutase HO

Prephenic Acid

OH O

OH

1

2

3

2H2O

Chorismic Acid

Shkimic Acid

1.

COOH

OH

Trong quá trình chuyển hóa axit shikimic thành axit chorismic có xảy ra quá trình dehydrat hóa. Cho biết nhóm hydroxyl nào trong axit shikhimic sẽ bị mất đi trong quá trình này.

2.

Enzym chorismate mutase chuyển vị axit chorismic thành axit prephenic mà không làm thay đổi công thức phân tử. Axit chorismic chuyển thành axit prephenic qua sự chuyển vị Claisen là quá trình đồng bộ pericyclic như chuyển vị Cope biểu diễn dưới đây: D

D

D

D

D

D

Dựa vào các dữ kiện phổ hãy xác định cấu trúc axit prephenic. H-NMR (D2O, 250 MHz): 6.01 (2H, d, J = 10.4 Hz), 5.92 (2H, dd J = 10.4, 3.1 Hz),

1

4.50 (1H, t, J = 3.1 Hz), 3.12 (2H, s). Lưu ý rằng trong axit prephenic có 3 proton trao đổi rất nhanh với D2O và hai proton ở 3.12 có sự trao đổi chậm.

13

C-NMR (D2O, 75

MHz): 203, 178, 173, 132 (cho hai cacbon không phân biệt được), 127 (cho hai cacbon không phân biệt được), 65, 49, 48. , độ chuyển dịch hóa học; H, tích phân; d, mũi đôi; dd, mũi đôi đôi; J, hằng số ghép; t, mũi ba; s,mũi đơn

Chorismate mutase được cho là bền hóa trạng thái chuyển tiếp trong chuyển vị Claisen. Như vậy nó là một hình mẫu quan trọng trong việc tạo các chất ức chế. Các chất ức chế, hay còn gọi là chất mô phỏng trạng thái chuyển tiếp (TSA) có cấu trúc giống trạng thái chuyển tiếp (TS, các chất nằm trong dấu “[ ]” ) của các phản ứng được thiết kế để chiếm tâm hoạt hóa. Một số chất ức chế đã được thiết kế và tổng hợp, và trong số chúng có 8 chất ức chế mạnh enzyme. Chỉ số IC50 (nồng độ chất ức chế có thể làm giảm 50% hoạt tính enzym) càng thấp thì chất ức chế càng tốt.

CO2H OH

1 IC50 = 2.5 mM

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H

CO2H

3 IC50 = 0.78 mM

HO2C

HO2C O

OH

6 IC50 = 0.017 mM

O CO2H

CO2H

CO2H

5 IC50 = 5.3 mM

Ha

Ha

3.

4 IC50 = 1.1 mM

CO2H

O

CO2H

HO OH

OH

OH

2 IC50 = 1.3 mM

CO2H

OH

OH

7 IC50 =0.0059 mM

8 IC50 = 0.00015 mM

Chọn ý đúng trong số các ký sau khi nói về cấu trúc và giá trị IC50 của các chất ức chế. (a) Cấu hình của nhóm hydroxyl đóng vai trò quan trọng trong trạng thái chuyển tiếp và xây dựng cấu trúc chất ức chế. (b) Sự hiện diện của các nhóm cacboxylic rất quan trọng trong cấu trúc trạng thái chuyển tiếp và xây dựng cấu trúc chất ức chế.

(c) Trạng thái chuyển tiếp của chất phản ứng chứa hai vòng sáu cạnh với một vòng cấu dạng ghế và một vòng cấu dạng thuyền xoắn. (d) 7 và 8 có thể được phân biệt dựa trên dữ kiện phổ 1H-NMR của Ha. 4.

Vẽ cấu trúc trạng thái chuyển tiếp của bước chuyển hóa axit chorismic thành axit prephenic dựa trên cấu trúc TSA và các giá trị IC50.

5.

So sánh với các quá trình chuyể hóa nhiệt không xúc tác thì enzym chorismate mutase tăng tốc chuyển hóa axit chorismic thành axit prephenic gấp 1.0 x 106 lần ở 25oC bằng cách hạ thấp năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Tính độ giảm năng lượng hoạt hóa của chorismate mutase ở 25oC. H≠không xt là 86,900 J/mol với sự chuyển hóa nhiệt axit chorismic thành axit prephenic. Ở nhiệt độ nào thì vận tốc của phản ứng nhiệt không xúc tác bằng với phản ứng dùng xúc tác enzym ở 25oC, cho rằng Ea = H≠.

Đáp án: 1. 3 2. Cấu trúc COOH HOOC

O

OH

3. a, c, d 4. Trạng thái chuyển tiếp

5. Áp dụng phương trình Arrehnius đối với phản ứng xúc tác enzym. k xt /k không xt = A exp (-Ea, xt / RT) / A exp (-Ea, không xt / RT) = exp [-Ea, xt-không xt / RT] = exp [-Ea, xt-không xt (J/mol) / (2,480 J/mol)] = 106 Như vậy, -Ea, xt-không xt = 34,300 J/mol k xt, T/k không xt, 298 = exp (-H≠ không xt / RT) / exp (-H≠không xt / 298R) = exp [(-H≠ không xt /R)(1/T-1/298)] ln(k không xt, T/k không xt, 298 ) = 13.8 = [(-86900/8.32)(1/T-1/298)] Như vậy, T = 491 K, or 218oC

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Một hỗn hợp X đồng số mol của ba chất lỏng hữu cơ A, B, C được xử lý với nước có một giọt axit clohydric và sau khi đun nóng rồi loại nước thu được hỗn hợp có tỉ lệ số mol của axit axetic và etanol là 1:2, không có chất nào khác. Thêm vào hỗn hợp sau loại nước hai giọt axit sunfuric đặc làm xúc tác (cho từ một đến hai giọt) và sau khi đun hồi lưu một thời gian dài thu được D là một chất lỏng dễ bay hơi có mùi dễ chịu với hiệu suất 85%. Chất D khác với A, B, C. 1.1 Vẽ cấu trúc chất D? 1.2 Hợp chất D thuộc chức nào? Chọn đáp án đúng từ các phương án cho trong phiếu trả lời. 1.3 Thậm chí ngay cả k hi nếu đun hồi lưu lâu gấp đôi thời gian thì hiệu suất tạo thành D vẫn k hông thể vượt quá 85%. Tính hiệu suất tạo thành D nếu sử dụng tỉ lệ 1:1 (về số mol) hỗn hợp của etanol và axit axetic. Cho rằng: a) thể tích k hông thay đổi trong suốt tiến trình phản ứng; b) tất cả các yếu tố ảnh hưởng k hác như hiệu ứng dung môi, k hông tăng thể tích, biến đổi nhiệt độ… có thể bỏ qua được. Nếu k hông thể có một sự tính toán định lượng thì hãy ước lượng xem hiệu suất sẽ: a) giữ nguyên (85%); b) cao hơn 85%; c) thấp hơn 85%. Phổ 1H NMR của các hợp chất A, B, C nhìn khá giống nhau, chúng đều cho vân đôi, vân ba và vân bốn với tỉ lệ cường độ tích phân tương ứng là 1:3:2. Cũng hỗn hợp X này được tiến hành thủy phân trong kiềm. A không có biến đổi và được tách ra. Dung dịch còn lại được được đun sôi nhẹ cho hỗn hợp axit axetic và etanol với tỉ lệ số mol 2:3 và có khí thoát ra. Hỗn hợp X (3.92 g) được hòa tan trong dietyl ete và bị hydro hóa bằng xúc tác Pd trên chất mang cacbon. Phản ứng này hấp phụ 0.448 L khí hydro (điều kiện chuẩn), nhưng khi phân tích sản phẩm

phản ứng thì người ta nhận thấy vẫn còn nguyên hai chất A và C (tổng cộng 3.22 g) trong đó không có chất B cũng như bất kỳ chất hữu cơ nào khác ngoại trừ dietyl ete. 2.1 Xác định và vẽ cấu trúc của A, B, và C. 2.2 Hợp chất trung gian nào được hình thành k hi thủy phân C trong axit, và thủy phân B trong k iềm? Phản ứng của B hay C với axeton (trong sự có mặt của bazơ) sau đó axit hóa bằng HCl loãng khi đun nóng nhẹ đều cho cùng một sản phẩm là axit senexioic (SA) là một chất hay gặp trong tự nhiên. Người ta còn có thể nhận được axit này từ axeton bằng cách xử lý nó trong HCl đặc rồi oxy hóa tiếp sản phẩm trung gian bằng iot trong kiềm. Phản ứng oxy hóa này ngoài sản phẩm chính là muối natri của axit senexioic thì còn có một kết tủa vàng của chất E (xem hình dưới).

B or C

O

1. Me2CO/base 2. HCl, t 1. HCl cat.

SA C5H8O2

SA (sodium salt) + E

(1)

(2)

2. I2, NaOH

3.1 Xác định cấu trúc của axit senexioic và vẽ sơ đồ phản ứng dẫn đến sự tạo thành muối natri của axit này từ axeton. 3.2 Xác định cấu trúc của E.

Đáp án: 1.1. Etyl axetat 1.2. Ester 1.3. Có thể ước lượng gần đúng hiệu suất khi giả thiết rằng phản ứng đang ở trang thái cân bằng và hằng số cân bằng này không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần hỗn hợp phản ứng.

[AcOEt][H 2 O] (0.85) 2 K = = = 4.2 [AcOH][EtOH] 0.15 1.15 Sử dụng giá trị hằng số cân bằng này để tính toán hiệu suất với tỉ lệ các chất phản ứng là 1:1 cho kết quả 67%

2.1. Cấu trúc của các chất A, B và C OEt

OEt

COOEt COOEt

OEt OEt

HC≡COEt CH2(COOEt)2 etoxyaxetylen, etynyletyl ete

CH3C(OEt)3

dietyl malonat triethyl orthoaxetat, 1,1,1trietoxyetan

A

B

C

2.2.

COOEt H+/H2O

COOH

t

COOEt

COOH

– CO2

CH3COOH + C2H5OH

C

OEt

OH–/H2O

OH

O

OEt

OEt

OH–/H2O

CH3COO– + C2H5OH

B 3.1. Chỉ từ axeton thì quá trình tổng hợp bao gồm các giai đoạn ngưng tụ aldol, dehydrat hóa và iodofom: 2

O

O

H+ HO

H+

O

I2/OH–

-H2O

O OH

3.2. Cấu trúc của E: iodofom hay triiodometan CHI3

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Cholesterol là một chất lỏng có nhiều trong cơ thể sống. Sự phá vỡ quá trình trao đổi chất của nó dẫn đến chứng xơ vữa động mạch và các bệnh lý nguy hiểm liên quan. Các chất Х và Y là hai chất trung gian quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp cholesterol trong cơ thể động vật. Х là một axit monocarboxylic quang hoạt và được tạo thành từ ba nguyên tố. Nó được tạo thành trong cơ thể sống từ (S)-3-hydroxy-3-metylpentandioyl-coenzym A (HMG-CоА). Phản ứng này được xúc tác bằng enzym Е1 (nó xúc tác cho hai loại phản ứng khác nhau) và nước không tham gia vào phản ứng này với vai trò là cơ chất. Х bị chuyển hóa tiếp thành Х1 qua một quá trình ba bước cần

các enzym E2, E3, E4, với mỗi enzym xúc tác cho một loại phản ứng duy nhất. Cuối cùng, Х1 tự phân hủy (không nhờ enzym) thành isopentenyl pyrophosphate (3-metylbut-3-enyl diphotphat, IPP) và các sản phẩm vô cơ:

HO

S O

CoA

E1

X

OH O

E2, E3, E4

X1 *

Scheme 1

HMG-CoA

O O OP P O * O O OIPP

1.1 Trong tờ phiếu trả lời, chọn k iểu phản ứng được xúc tác bởi Е1 và Е3. 1.2 Vẽ cấu trúc của chất X với đầy đủ các chi tiết về lập thể và chỉ ra cấu hình tuyệt đối (R hay S) của các trung tâm lập thể. Y là một hydrocarbon mạch hở không no. Nó bị ozon phân để tạo thành hỗn hợp chỉ chứa ba chất hữu cơ là Y1, Y2 và Y3 với tỉ lệ 2:4:1. Y được tạo thành sau một loạt các phản ứng ghép mạch của hai chất đồng phân là IPP and dimetyl allyl pyrophotphat (3-metylbut-2-enyl diphotphate, DAP) tiếp là sự khử nối đôi trong sản phẩm phản ứng ghép đôi cuối cùng Y5. Nguyên tử cacbon của IPP và DAP tham gia vào sự tạo thành liên kết C-C trong quá trình sinh tổng hợp Y được đánh dấu *.

O O OP P * O O O- ODAP 2.1 Viết phản ứng chung của phản ứng ozon phân DAP, nếu sử dụng tác nhân k hử là dimetyl sunfua. Sản phẩm cuối của chuỗi phản ứng ghép mạch (hydrocarbon Y5) được tạo thành khi gắn hai đoạn hydrocarbon (R) của trung gianY4:

O O 2 R O P O P OOO-

Y5

+2H R R

Y

Y4

2PPi

Scheme 2

Ở mỗi giai đoạn ghép mạch trừ bước ở Scheme 2 thì pyrophotphat được giải phóng cùng với sản phẩm ghép mạch theo tỉ lệ 1:1. 2.2 Xác định công thức phân tử của Y, nếu biết rằng Y2 và Y3 tương ứng chứa 5 và 4 nguyên tử carbon. 2.3 Tính số phân tử IPP và DAP cần để tạo thành Y5, nếu biết rằng tất cả các cacbon trong các pyrophotphat đồng phân đều có mặt trong Y. 2.4 Vẽ cấu trúc của sản phẩm phản ứng ghép mạch 1 phân tử IPP với 1 phân tử DAP (Liên k ết C-C) chỉ được hình thành bởi các nguyên tử cacbon mang dấu sao), nếu biết rằng ozon phân sản phẩm này cho Y1, Y2 và một sản phẩm k hác chứa photpho.

Nối đôi duy nhất bị khử của Y5 trong quá trình sinh tổng hợp chất Y được hình thành ở phản ứng được mô tả trong Scheme 2. Biết tất cả các liên kết đôi trong Y và Y4 đều có cấu hình trans.

2.5 Vẽ cấu trúc lập thể hoàn chỉnh của Y và Y4.

Đáp án: 1.1 Е2-Е4 chỉ xúc tác cho một loại phản ứng (và các phản ứng tương tự). Phản ứng duy nhất có thể xảy ra ba lần trong một chuỗi là sự monophosphoryl hóa (tất cả các kiểu phản ứng còn lại đều không phù hợp với chất đầu và sản phẩm cuối). Điều này cũng được khẳng định bằng sự hiện diện đoạn pyrophosphate trong IPP và sự giải phóng ra các sản phẩm vô cơ (bao gồm cả các photphat vô cơ) trong quá trình tự phân hủy của Х1. Х là một axit monocaboxylic được tạo thành từ nguyên tử của ba nguyên tố: cacbon, hydro và oxy. Nó không chứa lưu huỳnh trong CoA hay photpho được đưa vào các trung gian trong quá trình chuyển hóa từ HMG-CoA đến IPP hay hiện diện trong CoA. Như vậy, Е1 xúc tác cho phản ứng loại CoA từ HMG-CoA và không qua giai đoạn photphoryl hóa. Do nước không phải là chất phản ứng trong trường hợp này nên sự giải phóng CoA phải đi kèm với một phản ứng khác liên quan đến nhóm cacboxylic đã được este hóa trong HMG-CoA. Quá trình duy nhất khả thi ở đây chính là sự khử 4e để tạo nhóm hydroxyl. Е1 không thể xúc tác cho phản ứng dehydrat hóa do tính chất quang học của X (việc loại nước dẫn đến sự mất trung tâm bất đối duy nhất). Cũng loại trừ luôn phản ứng decacboxyl hóa do Х là một axit nên dĩ nhiên phải có nhóm chức này. Sự oxy hóa nhóm hydroxyl bậc ba trong HMG-CoA qua cơ chế oxy hóa β cũng không khả thi. Một thông tin khác là nhóm cacboxyl khởi đầu cho sự tạo thành liên kết thioeste hiện diện trong nhóm hydroxyl còn lại trong IPP. Như vậy: Е1

4,

Е3

6

5

1.2. Dựa trên loại phản ứng mà E1 xúc tác và cấu hình của tâm lập thể trong HMG-CoA thì X có cấu trúc:

HO HOOC

(R)

OH Х, mevalonic acid

Lưu ý rằng cấu hình ở tâm bất đối sẽ thay đổi do trong quá trình chuyển hóa có sự thay đổi về độ hơn cấp của nhóm thế.

HO HOOC

(S)

S

CoA

E1

HO HOOC

O

(R)

OH

2.1. Phản ứng xảy ra trong quá trình ozon khử:

O O OP P + O3 + H3C S CH3 O O O O-

H + O

O

OH C CH3 O P O+ 3 S O P OO O O

2.2. Phân tử DAP chỉ chứa duy nhất một nguyên tử cacbon có khả năng tham gia vào sự tạo thành liên kết С–С trong quá trình sinh tổng hợp chất Y. Bất chấp cách tạo thành Y việc ozon phân chất này vẫn tạo ra dimetyl xeton (axetone). (Xem phản ứng ozon DAP ở câu 7.2.1). Như vậy axeton có thể được gán cho Y1, do nó chứa 3 nguyên tử cacbon (còn Y2 và Y3 chứa lần lượt 5 và 4 nguyên tử cacbon). Lưu ý đến tỉ lệ tương đối giữa các sản phẩm ozon phân ta có: nY (C)= 2*nY 1(C)+4* nY 2(C)+ nY 3(C)= 2*3 + 4*5 + 4 = 30 Y là một phân tử mạch hở nên đoạn DAP chỉ có thể tìm thấy ở các đầu mút. Y chỉ có hai đầu do IPP chỉ có hai vị trí nối mạch (trong khi để tạo mạch nhánh cần có ít nhất ba vị trí). Do phản ứng ozon khử một mol Y cho ra hai phân tử axeton nên Y sẽ có 30 nguyên tử carbon. Để xác định số nguyên tử hydro cần phải đếm số liên kết đôi trong Y. Sự tạo thành mỗi liên kết đôi sẽ làm giảm đi hai nguyên tử hydro trong sản phẩm ghép mạch so với tổng số các nguyên tử ở chất đầu. Tỉ lệ Y trong tổng sản phẩm ozon phân của nó là 1:7 (2+4+1), ứng với 6 liên kết đôi trong Y. Như vậy bằng cách sử dụng công thức tổng quát của ankan ta có n(H)= 2*nY (C)+2–2*nc=c =30*2 + 2 - 6*2 = 50 Y (squalen) có công thức – С30Н50. Số nguyên tử cacbon 30

Số nguyên tử hydro 50

Tính toán: nY (C)= 2*nY 1(C)+4*nY 2(C)+ nY 3(C)= 2*3 + 4*5 + 4 = 30 Tính toán: n(H)= 2*nY (C)+2–2*nc=c =30*2 + 2 - 6*2 = 50

Công thức phân tử Y С30Н50

2.3 Các phân tử IPP và DAP là các đồng phân cấu trúc chứa 5 nguyên tử cacbon. Do tất cả các nguyên tử cacbon trong các chất này đều có trong Y, ta có thể kết luận số phân tử IPP và DAP cần để tổng hợp Y: n(IPP&DAP)= nY (C)/5=30/5=6 Số phân tử DAP đã được xác định từ trước là 2. Như vậy cần có thêm 4 phân tử IPP nữa. n(IPP&DAP)= nY (C)/5=30/5=6

Số phân tử DAP 2

Số phân tử IPP 4

2.4 Tất cả các hướng kết hợp khả dĩ mà không làm thay đổi bộ khung hydrocacbon được cho ở dưới (không chỉ ra mảnh pyrophotphat). Hai nhóm sản phẩm sinh ra do sự khác nhau số nguyên tử cacbon trong quá trình ghép mạch được phân ra bằng nét đứt. Mảnh IPP phải gắn vào mảnh DAP để sự ozon phân sản phẩm dẫn đến sự tạo thành sản phẩm Y2 có 5 nguyên tử cacbon. Nếu không quan tâm chi tiết lập thể chỉ có một đồng phân phù hợp, còn xét chi tiết sẽ có hai đồng phân thỏa mãn.

No

No *

* +

* + No

No

Yes

(E)

O

O-

P OO O P O O

or

-

(Z)

O OO P P O O OO

Đồng phân ở trên là geranyl pyrophotphat 2.5 Từ phản ứng ghép mạch ở trên thấy Y4 chứa 15 nguyên tử cacbon hay 1 mảnh DAP và 2 mảnh IPP, các mảnh phải được gắn vào nhau. Một lưu ý quan trọng là Y3 không được tìm thấy trong hai đoạn mạch hydrocacbon sinh ra từ Y4 do Y3 là sản phẩm ozon phân Y với tỉ lệ 1:1. Như vậy geranyl photphat là trung gian của quá trình tạo thành Y (tất cả các nối đôi đều có cấu hình trans). Việc gắn thêm một mảnh IPP vào geranyl photphat dẫn đến sự tạo thành sản phẩm chứa 1 phân tử Y1 và 2 phân tử Y2 sau khi ozon phân. Như vậy cấu trúc của Y4 với đầy đủ chi tiết lập thể là: (E)

(E)

O

O-

P OO O P O O Y4, farnesyl pyrophoyphat

Kết hợp hai mảnh hydrocacbon trong Y4 và chú ý tới nối đôi ở vị trí nối mạch bị khử thì chúng ta thu được cấu trúc của Y: (E)

(E) (E)

(E)

Y, squalen

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Phương pháp ATRP được áp dụng để tổng hợp hai copolymer khối P1 và P2. Một khối trong hai khối copolymer là giống nhau và được tổng hợp từ mono-(2-clopropionyl)-polyetylen oxit được sử dụng làm chất khơi mào đại phân tử: O O

CH3

H3 C

58O

Cl

Khối khác trong P1 chứa styren (C), và trong P2 đó là p-clorometylstyren (D). Phổ 1H NMR của chất khơi mào đại phân tử, P1 và P2 được cho dưới đây. Cường độ tích phân của các tín hiệu tương ứng được cho trong bảng đi kèm 1 Gắn các tín hiệu 1H NMR của vị trí đánh dấu vào các đơn vị cấu trúc cho dưới.

*

CH2 O

*

* CH2

H

H

H

H H

*

* *

H

Cl

Cl

H

H

* H

H

H

H *

2 Xác định tỉ lệ số mol của các đơn vị C và D, cùng với k hối lượng phân tử của P1 và P2. 3 Viết tất cả các phản ứng có thể xảy ra trong bước hoạt hóa của quá trình tổng hợp P1 and P2. Có thể sử dụng các k ý hiệu R để chỉ các phần k hông thay đổi của các đại phân tử, nhưng phải chú thích rõ đã sử dụng k ý hiệu R cho phần cấu trúc nào. 4 Vẽ cấu trúc của P1 và một cấu trúc có thể có của P2, trong đó chuỗi đại diện cho poly(etylen oxit) được biểu diễn bằng một nét lượn sóng và các đơn vị co-monomer được k ý hiệu tương ứng là C và D.

Đáp án:

Đáp án: 1

*

CH2 O

*

a, b, g

CH2

*

c

H

H

H

H H *

d

H

H

H

H *

*

e

* H

Cl

f

* Cl H

H

2 Xác định phần mol của các đơn vị C và D và xác định k hối lượng phân tử của P1 và P2. Cường độ tín hiệu của mũi b và g là 40.2, như vậy cường độ tín hiện cho 1 proton là 40.2/4/58=0.173 đối với phổ của polymer đồng trùng hợp. Cường độ tín hiệu của mũi c là 13.0 ứng với 13.0/0.173=75 proton. Lưu ý phân tử styren có 5 proton thơm nên DP (độ polymer hóa) của khối styren sẽ là 75/5=15. Phần mol của đơn vị styren trong P1 là 15/(15+58) = 20.5% Cường độ của mũi đa d là 10.4, ứng với 10.4/0.173=60 proton. Do mỗi đơn vị monomer pchloromethylstyrene có 4 proton thơm nên, DP của PCS là 60/4=15. Phần mol của D là 15/(15+58) = 20.5% M(P1) = 15.03+58x44.05+72.06+15x104.15+35. 45 = 4240 M(P2) = 15.03+58 x44.05+72.06+15x152.62+35.45 = 4967 M(P1) = 4240

M(P2) = 4967

n(C) = 20.5%

n(D) = 20.5%

8.3.3 Tất cả các phản ứng k hơi mào có thể xảy ra trong quá trình tổng hợp P1 và P2. P1: O O H3C

O CH3

O 58

+

Cu(+)Cl(Ligand)k

O

O 58

H3C

Cl

CH

+

Cu(+2)Cl2(Ligand)k

CH3

R

R Cl

CH

+

Cu(+)Cl(Ligand)k

+

Cu(+2)Cl2(Ligand)k

Ở đây ký hiệu R được sử dụng để chỉ mảnh khơi mào đại phân tử với một hay nhiều đơn vị styren gắn vào.

P2:

O O H3C

O CH3

O 58

+

O

Cu(+)Cl(Ligand)k

O 58

H3C

+

CH

Cl

Cu(+2)Cl2(Ligand)k

CH3

R

R Cl

CH

+

+

Cu(+)Cl(Ligand)k

Cl

Cu(+2)Cl2(Ligand)k

Cl

R

R Cl

Cl

+

+

Cu(+)Cl(Ligand)k

Cu(+2)Cl2(Ligand)k

CH2

Cl

Ở đây ký hiệu R được sử dụng để chỉ mảnh khơi mào đại phân tử với một hay nhiều đơn vị pchloromethylstyrene gắn vào.

4 Cấu trúc của P1 và một trong số các cấu trúc có thể có của P2 P1 là một polymer đồng trùng hợp khối giữa PEO và PS. Đoạn PS chứa 15 đơn vị. P2 là một polymer đồng trùng hợp khối được tạo thành giữa khối PEO và khối styren phân nhánh. Cường độ tích phân của vân đa f là 2.75, so 2.75/0.173=15.9 ứng với 16 proton hay 8 nhóm clometyl. d) Nếu phân tử P2 không phân nhánh sẽ chứa 15 nhóm clorometyl. Mỗi sự phân nhánh sẽ làm giảm số lương nhóm này đi 1. Như vậy P2 sẽ có 15-8 = 7 nhánh. Mỗi cấu trúc có 7 nhánh sẽ chính xác nếu mỗi đơn vị monomer liên kết với khoảng từ 3 đơn vị monomer khác trở xuống. Р1 R

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

C

Cl

Р2 Cl Cl

D D

Cl Cl

D

Cl

Cl

D D

D

Cl

D Cl

R

D Cl

D D

Cl

D

Cl

D D

D

Cl

Cl

D

Cl

Cl

Cl

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 40 năm 2008 Xác định cấu trúc các hợp chất từ A-H (không cần quan tâm lập thể) dựa vào thông tin cho trong sơ đồ phản ứng sau:

A

Pd + 5 H2

radical C

B ( C10H18 )

oxidation

(C10H18O)

ZnCl2  H2O

D 1. O3

450°C

2. Zn/H+

Pd/C, 350°C H

 H2O,  8 H

1. Pd/H2 G

2. NaBH4

F

Na2CO3,   H2O

E

Hướng dẫn: 

A là một hydrocacbon thơm đã được biết rất rõ.



Dung dịch chất C trong hexan phản ứng với natri (quan sát thấy thoát khí), nhưng C không phản ứng với axit cromic.



Phổ 13C NMR chỉ ra rằng D và E chỉ chưa hai loại nhóm CH2.



Khi dung dịch chất E được đun nóng với natri cacbonat sẽ tạo thành đầu tiên là một trung gian không bền, chất này dehydrat hóa cho F.

Đáp án: A

B

C

D OH

H

G

F

E

HO

O

O

O

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 40 năm 2008 Vinpocetine (Cavinton®, Calan®) là một trong số các loại dược phẩm bán chạy nhất thế giới có nguồn gốc phát triển từ Hungary. Việc tổng hợp nó được bắt đầu từ tiền chất thiên nhiên của nó là, (+)-vincamine (C21H26N2O3) được phân lập từ loại cây thân bò có tên khoa học là vinca minor. Bước chuyển hóa từ (+)-vincamine về vinpocetine đi qua hai bước sau đây.

H N HO H3CO2C 1

N

cat. conc. H2SO4 CH2Cl2

1. NaOH 2. C2H5Br A

C2H5OH

B (Vinpocetine)

C2H5

Vincamine

Tất cả các hợp chất (A tới F) đều là các hợp chất tinh khiết quang học.

a)



Thành phần các nguyên tố trong A là: C 74.97%, H 7.19%, N 8.33%, O 9.55%..



B còn có 3 đồng phân lập thể khác. Đề nghị cấu trúc của tiểu phân trung gian A và vinpocetine (B).

Những nghiên cứu về các chuyển hóa chất từ các loại dược phẩm đều công nhận vai trò quan trọng của chúng. Có bốn chuyển hóa chất chính xuất phát từ vinpocetine (B): C và D được tạo thành bằng phản ứng thủy phân hay phản ứng hydrat hóa, trong khi E và F là các sản phẩm oxy hóa.

Hướng dẫn: 

Tính axit của các chuyển hóa chất giảm theo thứ tự C >> E >> D. F thì không chứa nguyên tử hydro axit.



Mỗi chất C và E đều còn 3 đồng phân lập thể khác, trong khi D và F mỗi chất đều còn đến 7 đồng phân lập thể.



F tồn tại ở cấu trúc vòng năm cạnh lưỡng cực và thành phần nguyên tố của nó tương tư E: C 72.11%, H 7.15%, N 7.64%, O 13.10%.

b) c)



Sự tạo thành E từ B qua con đường electrophin.



Sự tạo thành D từ B vừa chọn lọc lập thể vừa đặc thù lập thể. Đề nghị một cấu trúc hợp lý đối với mỗi chuyển hóa chất C, D, E và F!! Vẽ cấu trúc cộng hưởng của chất B mà có thể giải thích được sự tạo thành đặc thù lập thể chất

D và sự vắng mặt của đồng phân lập thể còn lại.

Đáp án: H N MeO2C

H

N

N EtO2C

Et

N

Et

A

B H N

HO2C

H

N

N HO EtO2C

Et

N

Et

D ethyl vincaminate

C apovincaminic acid

Cả hai đồng phân lập thể quanh trung tâm bất đối mới đều được chấp nhận

HO H N EtO2C

H N

N EtO2C

Et

E 10-hydroxyvinpocetine

Ở E thì nhóm OH có thể gắn ở bất kỳ vị trí nào trong vòng thơm

N +

O

Et

F vinpocetine N-oxide

–

Công thức lập thể B thỏa mãn yêu cầu đề bài H

+ N EtO2C

–

N

Et

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 40 năm 2008 Phản ứng chuyển hóa chính của oxiran (epoxit) là phản ứng mở vòng. Điều này có thể đạt được bằng nhiều cách khác nhau. Với xúc tác axit thì phản ứng xảy ra qua giai đoạn có cấu trúc gần như cation (kiểu ion carbenium). Đối với oxiran thế thì sự định hướng của phản ứng mở vòng (ở đó liên kết C-O bị phân cắt) phụ thuộc vào tính bền của ion carbenium trung gian. Ion carbenium trung gian càng bền thì khả năng tạo thành nó càng cao. Tuy nhiên một ion carbenium mạch hở (có cấu trúc phẳng) chỉ tạo thành nếu nó có dạng bậc ba, benzylic hay allylic. Đối với xúc tác bazơ thì liên kết C–O nào ít bị chắn không gian hơn sẽ ưu tiên bị cắt. Trong toàn bài phải lưu ý đến lập thể. Để mô tả lập thể của sản phẩm phải sử dụng các ký để mô tả liên kết và không dùng thêm gì khác.

hiệu a)

Vẽ cấu trúc chất phản ứng và sản phẩm có thể tạo thành khi cho 2,2-dimetyl- oxiran (1,2epoxy-2-metylpropan) phản ứng với metanol ở nhiệt độ thấp nếu quá trình được xúc tác bởi (i) axit sunfuric (ii) NaOCH3.

b)

Vẽ cấu trúc của sản phẩm có thể tạo thành khi vòng epoxy của dẫn xuất leukotriene sau bị mở

vòng bởi một nhóm thiolat (RS –). O COOCH3 H3C

H3C

CH3

1. RS2. H+

Những loại aluminosilicat axit có nhiều lỗ xốp khác nhau cũng có thể được sử dụng để làm xúc tác cho quá trình chuyển hóa các ankyl oxiran. Bên cạnh quá trình mở vòng thì sự dime hóa vòng hóa cũng được quan sát thấy như là một quá trình phản ứng chính để tạo ra chủ yếu là các dẫn xuất của 1,4-dioxan (Vòng 6 cạnh no có hai oxy ở hai vị trí 1, 4). c)

Vẽ các cấu trúc có khả năng tạo thành nhất của dẫn xuất 1,4-dioxane khi sử dụng chất đầu là (S)-2-metyloxiran ((S)-1,2-epoxypropan). Đồng thời hãy đưa ra cấu trúc của chất đầu.

Vẽ cấu trúc của dẫn xuất thế 1,4-dioxan sinh ra khi sử dụng epoxy ban đầu là

d)

(R)-1,2-

epoxy-2-metylbutan ((R)-2-etyl-2-metyloxiran). Đồng thời hãy đưa ra cấu trúc của chất ban đầu. Vẽ các cấu trúc các dẫn xuất thế của 1,4-dioxan khi tiến hành phản ứng nàyvới hỗn hợp

e)

raxemic của 1,2-epoxy-2-metylbutan (2-etyl-2-metyloxiran).

Đáp án: 2,2-dimetyloxiran

a)

H+

CH3 OCH3

HO

CH3

CH3OH

CH3

NaOCH3 CH3OH

CH3

O

CH3 OH

H3CO

b) O

HO

COOCH3 H3C

H3C

CH3

COOCH3

1. RS-

SR H3C

CH3

2. H+ H3C

c) H3C

O

H3C

O H3C H3C

O

H

d)

R)-1,2-epoxy-2-metylbutan:

O H3C

C2H5

O

or O

CH3

CH3

O

H3C H5C2

O

O

H5C2 H3C CH3 C2H5

O

or

C2H5 CH3

O

or H5C2

O

H3C C2H5

O

O

H3C

O

C2H5

O H5C2

C2H5

R,R

C2H5 CH3

or H3C

CH3

H5C2 CH3

O

H3C H5C2

O CH3

S,S

R,S

e) O

H3C H5C2

O

O

H5C2 H3C CH3 C2H5

O

or

or H5C2

H5C2 CH3

C2H5 CH3

O

or

O

H3C

R,R

C 2H5

O

C2H5 CH3 H3C

H3C CH3

O

O

H3C H 5C 2

O C2H5 S,S

C2H5

O H5C2

O CH3 R,S

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 41 năm 2009 Một nhóm các thuốc chống HIV có tên gọi là các chất ức chế protease, tác dụng theo cách phong tỏa tâm hoạt động của một trong các enzym tham gia vào việc phát triển virus trong tế bào chủ. Hai loại thuốc có hiệu quả tên là saquinavir và amprenavir, có đơn vị cấu trúc được nêu ra dưới đây, chúng bắt chước trạng thái chuyển tiếp trong enzym. Trong công thức cấu trúc này, R1, R2 và R3 có thể biểu diễn bất kì nguyên tử hoặc nhóm nào, ngoại trừ hidro. 2 1 3

Có thể tổng hợp amprenavir theo sơ đồ nhiều bước như sau:

Tác nhân R2B-H dùng ở bước một là đồng phân quang hoạt. Sản phẩm A được tạo thành là đối quang (S). 3 trong số các tín hiệu trên phổ 1H NRM của Amprenavir bị biến mất khi lắc nó với D2O là:  4,2 (2H),  4,9 (1H) và  5,1 (1H). Hãy vẽ công thức: a) Của các chất trung gian A, B, C, W, X, Y và Z;

b) Của Amprenavir. Trong công thức đáp án phải nêu rõ cấu hình hóa lập thể ở mỗi tâm bất đối.

Đáp án: Cấu trúc các chất và lập thể tương ứng như sau:

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 41 năm 2009 Tổng hợp nhựa epoxi trên toàn thế giới là một nền công nghiệp trị giá hàng tỉ đô la. Nhựa epoxi là các chất kết dính hiệu quả cao được tổng hợp từ phản ứng của bis-epoxit với diamin. Hợp chất bisepoxit được điều chế từ H và epiclohidrin C. Các chất C và H được tổng hợp theo các sơ đồ dưới đây.

Tổng hợp epiclohidrin C bắt đầu từ phản ứng của propen với clo khi có mặt của ánh sáng.

a) Vẽ các cấu trúc của A và B. b) Viết công thức của một tác nhân thích hợp dùng để chuyển hóa B thành epiclohidrin C.

Tổng hợp H bắt đầu từ phản ứng của benzen với propen khi có mặt xúc tác axit cho D là sản phẩm chính, còn E và F là sản phẩm phụ. c) Vẽ các cấu trúc của D, E và F suy từ các dữ liệu sau: D: Thành phần nguyên tố: C 89,94%; H 10,06%; 6 tín hiệu trong phổ

13C

NMR

E: Thành phần nguyên tố: C 88,82%; H 11,18%; 4 tín hiệu trong phổ

13C

NMR

F: Thành phần nguyên tố: C 88,82%; H 11,18%; 5 tín hiệu trong phổ

13C

NMR.

Khi sục oxi qua dung dịch nóng của D thì tạo thành G; cho G tiếp xúc với axit thu được phenol (hidroxibenzen) và axeton (propanon). G làm giấy tẩm tinh bột-iot chuyển từ trắng thành xanh sẫm. G có 6 tín hiệu trong phổ 13C NMR và các tín hiệu sau đây trong phổ 1H NMR:  7,78 (1H, s); 7,45-7,22 (5H, m); 1,56 (6H, s); cho D2O vào chất G làm mất đi tín hiệu ở = 7,78. d) Vẽ cấu trúc của G. Cho phenol và axeton tiếp xúc với axit clohidric thu được hợp chất H. Phổ

13C

NMR của H được nêu

ra ở Fig. 1. Phổ 1H NMR được nêu ra ở Fig. 2 cùng với vùng phổ từ 6,5 -7,1 ppm được phóng đại lên 4 lần. Phổ 1H NMR thu được sau khi cho vào một giọt D2O được nêu ra ở Fig. 3. Các pic của dung môi được đánh dấu sao (*).

Fig. 1

*

Fig. 2

×4

*

*

Fig. 3

*

*

e) Vẽ cấu trúc của H. f) Vẽ một cấu trúc cộng hưởng của phenol để giải thích sự chọn lọc vùng tạo thành H. Một hợp chất thứ hai I cũng tạo thành trong phản ứng của phenol với axeton. Phổ 12 tín hiệu. Phổ 1H NMR của nó có những tín hiệu sau:

NMR của I có

 7,50-6,51 (8H, m); 5,19 (1H, s);

4,45 (1H, s); 1,67 (6H, s); Cho D2O vào làm mất đi các tín hiệu ở  5,19 và 4,45. g) Vẽ cấu trúc của I.

13C

Phenol dư phản ứng với epiclohidrin C khi có mặt của bazơ cho hợp chất L, phổ

13C

NMR của nó 6

tín hiệu. Nếu ngừng phản ứng giữa chừng thì cũng có thể thu được các chất J và K. Chất L được tạo thành từ chất K, còn chất K tạo thành từ chất J.

h) Vẽ các cấu trúc của J, K và L. Xử lí H với một lượng dư epiclohidrin C và bazơ cho một monome bis-epoxit M. Chất M không chứa các nguyên tử clo hoặc các nhóm OH.

i) Vẽ cấu trúc của M. Xử lí H với một lượng dư nhỏ epiclohidrin và bazơ tạo ra N. Chất N có dạng: nhóm cuối 1-[đơn vị lặp lại]n -nhóm cuối 2, với n xấp xỉ 10-15. Chất N không chứa nguyên tử clo và có một nhóm OH trên mỗi đơn vị momome lặp lại. j) Vẽ cấu trúc của N ở dạng nêu trên.(nhóm cuối 1-[đơn vị lặp lại]n -nhóm cuối 2).

k)

Vẽ đơn vị lặp lại của polime nhựa epoxi O được tạo thành từ phản ứng của bis-epoxit M với

etan-1,2-diamin.

Đáp án: a) Cấu trúc của A và B

b) NaOH loãng hoặc một số tác nhân khác thích hợp c) Cấu trúc của D, E và F

d) Cấu trúc của G

e) Cấu trúc của H

f)

Một cấu trúc cộng hưởng

g) Cấu trúc của I

Cấu trúc này cũng khớp với các dữ kiện h) Cấu trúc của J, K và L

i)

Cấu trúc của M

j)

Cấu trúc của N

k) Cấu trúc nhựa epoxy O

B. Bài tập chuẩn bị cho các kỳ thi Olympic Hóa học quốc tế Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Sự lên men tinh bột với mạch nha tạo ra ancol etylic. Trong quá trình này, sự thuỷ phân tinh bột với sự có mặt của xúc tác enzim diastaza trong mạch nha tạo ra disaccarit mantozơ. Mantozơ (C12H22O11) khử được các thuốc thử Tollen and Fehling, dễ bị oxi hoá bởi brom trong nước tạo ra axit mantobionic ((C11H21O10)COOH), một axit mono cacboxylic. Để suy ra cấu trúc của mantozơ, người ta sử dụng một loạt phản ứng theo sơ đồ sau:

Mantoz¬ (C12H22O11)

H+ H2O

2 B (C6H12O6)

HNO3

N (C6H10O8) Ho¹t ®éng quang häc

Br2 H2O Axit mantobionic

C ((C19H37O10)COOH) H+

H2O

D E + (C10H20O 6) (C10H20O7)

E

HNO3

[I] Sp trung gian

+

F (C4H6O5)

F' (C5H10O4)

+

G (C6H10O6)

+

Ho¹t ®éng quang häc Ho¹t ®éng quang häc CrO3

I

LiAlH4

J (C10H22O6)

+

K (C10H22O6)

Me2SO4

Me2SO4

NaOH

NaOH

L (C12H26O6) Ho¹t ®éng quang häc

M (C12H26O6) Ho¹t ®éng quang häc

H (C3H6O3)

1. Vẽ cấu trúc của B, D - N dưới dạng công thức chiếu Fisher. 2. Vẽ cấu trúc của Mantozơ, Axit mantobionic và C dưới dạng công thức chiếu Haworth.

Đáp án: 1. B

D

CHO H

COOH

CHO

OH

HO

E

H

H

H

OMe

MeO

OMe

MeO

H

H

H

OH

H

OMe

H

OH

H

OH

H

OMe

H

OMe

CH2OH

CH2OMe

CH2OMe

F

F’

G

H

CHO

COOH

COOH H

OMe

H

H

OMe

MeO

J

COOH MeO

O

H

OH

OMe

H

OMe

H

H

M

H

HO

H

H

OMe

OMe CH2OMe

N

CH2OMe H

OMe

MeO

CH2OMe

CH2OMe OMe

CH2OH

OMe

H

L

MeO

K

H

CH2OMe

H

OMe

CH2OH

OMe

H

COOH

COOH

I

MeO

H

CH2OMe

COOH

H

OMe

COOH H

OH

H

MeO

H

HO

H

OMe

MeO

H

H

OH

H

OMe

H

OMe

H

OH

CH2OMe

CH2OMe

H

COOH

2. CH2OH O

H H OH

HOH2C O

H OH

OH(H)

H H(OH)

O H

H

OH

H

HO H

OH

maltose

CH2OH OH

H HOH2C O

H OH

H OH

H

H

OH

COOH

O

H H

HO H

OH

maltobionic acid

CH2OMe OMe

H MeOH2C O

H

H

H

OMe

COOH

O

H

OMe

H OMe

H

MeO H

OMe

C

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Sự tổng hợp toàn phần đầu tiên của một hợp chất hữu cơ được hoàn thành vào thế kỷ 19 đi từ các chất đầu là cacbon và lưu huỳnh như được mô tả trong sơ đồ sau:

C

+

S8

Cl2

heat

CS2

CCl4

light

heat

Zn acetic acid

A

OH-

Cl

Cl

Cl

Cl

Còn trong sự tổng hợp hữu cơ hiện đại, một chiến lược tổng hợp tương tự đã được áp dụng trong tổng hợp amino axit.

O N B

O

OH

OH-

B

CCl3

CCl3

(C8H6OCl2)

O BH O

N3MeOH

D

C

(C9H9N3O2)

(C8H6N3OCl) i) H2O ii) H2, Pd/C

E

(C8H9NO2)

Vẽ cấu trúc của các chất từ A - E và chỉ rõ cấu trúc hóa học lập thể tuyệt đối của D và E (ghi rõ quy ước R/S).

Đáp án:

B

A

NH2 O

E

D

C

configuration :

OH

CH3

O

O

Cl

O

O

Cl

Cl

OH

Cl

N3

N3

O

Cl

S

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Enamine được hình thành giữa xeton và amin bậc 2 với sự có mặt của xúc tác axit.

O +

+ H+

N

N H (1)

1.

Đề nghị một cơ chế cho sự hình thành Enamine với sự có mặt của xúc tác axit (phương trình 1).

2.

Quá trình này phụ thuộc vào pH theo đồ thị hình quả chuông, khi có mặt xúc tác axit. Tốc độ lớn nhất của sự tạo sản phẩm tìm thấy ở pH = 3 - 4. Hãy đề nghị một lý do hợp lý để giải thích sự phụ thuộc này.

3.

Enamine phản ứng với enol liên hợp như metylvinylxeton tạo thành 1,5- -dicacbonyl, sau khi thủy phân Enamine. (phương trình 2)

O

O

O

N

(2) Sản phẩm của phản ứng này bây giờ có một tâm bất đối. Hãy nêu những điều kiện cần cho loại amin đặc biệt để tạo ra sản phẩm có cấu hình không gian như được biểu diễn ở phương trình 2.

Đáp án: 1.

N H +

2.

O

H N O

H+ transfer

N

+ H+ OH

N

OH2

- H2O

N

- H+

N

H H2O

Bình thường phản ứng tạo enamin xúc tác axit xảy ra theo cơ chế ở câu 1. Tuy nhiên nếu có quá nhiều axit thì hợp chất amin vốn có tính base sẽ hoàn toàn bị proton hóa nên bước cộng proton đầu tiên không thể xảy ra.

3.

Enamin sinh ra từ một đối quang duy nhất của một amin bậc hai bất đối là quang hoạt, và như vậy phản ứng cộng Michael có thể xảy ra chỉ từ một phía của enamin này để cho ra một sản phẩm quang hoạt duy nhất.

O +

+ H+

N

N H

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Trong sự chuyển hoá các hợp chất hữu cơ thì các phản ứng oxi hóa - khử đóng vai trò quan trọng bậc nhất. Đặc biệt là sự oxi hóa - khử chọn lọc hóa học, chọn lọc khu vực hay chọn lọc lập thể rất quan trọng trong việc thiết kế một quy trình tổng hợp hữu cơ có hiệu quả để thu được phân tử mong muốn. Trong khi thiên nhiên đạt được tính chọn lọc như vậy nhờ sự thiết kế đặc biệt của các tâm hoạt động trong các enzym thì biến đổi hóa học trong phần lớn trường hợp cần chủ yếu dựa vào sự khéo léo trong việc lựa chọn tác nhân phản ứng phù hợp.

Sơ đồ sau đây là một ví dụ hay về sự chọn lọc hóa học của phản ứng oxi hóa - khử đi từ chất đầu là xianoaxetat etyl. NaBH4 - FeCl3

EtOOC

CN

EtOH

PhCOCl

A (C5H11NO2)

K2CO3, H2O

B (C12H15NO3)

O O I OAc AcO OAc

B (C12H15NO3)

1.

(DMP)

C (C12H13NO3)

Xử lý xianoaxetat etyl với tác nhân khử NaBH4 trong FeCl3 , người ta quan sát thấy sự khử chọn lọc của nhóm chức . Khi sản phẩm A phản ứng với 1 mol benzoyl clorua thì tạo ra hợp chất B. Viết cấu trúc của A và B.

2.

Dess-Martin Periodinane (DMP) là tác nhân oxi hóa êm dịu có thể oxi hóa nhiều nhóm chức khác nhau trong kiểu chọn lọc. Khi B bị oxi hóa bằng DMP thì sự oxi hóa xảy ra nhanh gọn tạo ra hợp chất C. Người ta đã chụp các phổ 1H-NMR,

13C-NMR,

IR và phổ khối. Những phổ này

chỉ ra rằng phản ứng đã xảy ra hoàn toàn tạo thành một sản phẩm duy nhất. Trong 1H-NMR một pic đôi giữa 5 - 6 ppm cho thấy hằng số ghép J = 8,8 Hz. Hãy vẽ cấu trúc của C.

3.

Trong phổ 1H-NMR, có sự dịch chuyển của một pic ở gần δ = 11,5 ppm thể hiện một biến đổi hóa học. Hãy chỉ ra proton trong cấu trúc C đã tham gia vào biến đổi hóa học này. Giải thích vì sao sự biến đổi hóa học đối với proton đã nói lại không xảy ra với những proton bình thường của nhóm chức đó, thể hiện ở vùng (δ =

1H-NMR của C

~ 8 ppm) (trong phổ 1H-NMR).

13C-NMR của C

Phổ khối của C

IR của C

Đáp án: 22-1. O

O

O

NH2

A

22-2.

O

O

N H

B

O

N H O

O

C 22-3.

Cấu dạng cis của olefin cho phép tạo được lien kết hydro mạnh giữa proton amit với nguyên tử oxy của nhóm carbonyl như biểu diễn ở cấu trúc sau. O

N H O

O

Liên kết hydro mạnh làm độ dịch chuyển hóa học của proton amide về phía trường thấp xa.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Thiên nhiên sử dụng 20 amino axit để tạo ra các protein khác nhau. Tuy nhiên, vì tính đa dạng của 20 amino axit đôi khi chưa đủ, những biến đổi hoá học được tiến hành chủ yếu ở các mạch nhánh của các amino axit nhờ các enzym tự nhiên nhằm tạo ra nhiều hơn nữa các nhóm chức khác nhau. Nhiều dạng của các biến đổi do chuyển dịch nhánh có vai trò quan trọng trong việc nhận ra các phân tử protein - protein, protein - DNA, protein - RNA. Những biến đổi như vậy được dùng làm chìa khoá đóng (mở), thông điệp chuyển đổi, truyền tín hiệu trong tế bào sống. Ngày nay, sự metyl hoá được cho là quan trọng hơn cả so với các biến đổi do chuyển dịch nhánh khác như photphoryl hoá, glycosyl hoá. Cũng giống như các biến đổi khác, metyl hoá là quá trình thuận nghịch (p. ư. nghịch là khử metyl hoá). Hai phản ứng diễn ra theo hai chiều trái ngược cho tín hiệu đóng hoặc mở, giống như trong photphoryl hoá, glycosyl hoá. Tuy nhiên, các quá trình metyl hoá và khử metyl hoá trong tự nhiên lại khác hẳn. Nói khác đi, cơ chế hoạt động của hai enzim đảm trách hai quá trình này là không thuận nghịch với nhau.

1.

Hãy xem xét các nhóm chức của các mạch nhánh có trong 20 amino axit, loại nhóm chức nào thích hợp cho tạo ra các biến đổi đa dạng hơn khi metyl hoá và khử metyl hoá?

2.

Trong metyl hoá một mạch nhánh amino axit, S-adenosylmethionin (SAM) được dùng làm tác nhân phụ. SAM được điều chế từ methionin và ATP. Hãy đề nghị cấu tạo của SAM.

NH2

O H2N CHC OH CH2 CH2 S CH3

N

N

N

O O O HO P O P O P O O O O

N

O

OH OH Adenosine triphosphate (ATP)

Methionine (Met)

Hãy đề nghị một cơ chế cho sự metyl hoá amino axit với SAM.

4.

Cơ chế khử metyl hóa được cho là xảy ra qua hai giai đoạn. Enzym dung làm tác nhân phụ trong giai đoạn một là FAD. Hãy đề nghị một cơ chế hợp lý cho sự khử metyl hóa.

NH2 N OH HO

N

O O O P O P O O O

OH N O

N

N N

O OH OH

N

N O

Flavin-adenine dinucleotide (FAD)

Đáp án: 1.

Lys (K) và Arg (R) có khả năng tiếp nhận sự metyl hóa ở mạch nhánh do chúng có thể nhận nhiều hơn một nhóm metyl. Mach nhánh của các amino axit khác có nguyên tử oxy nucleophin chỉ có thể bị metyl hóa một lần duy nhất.

27-2.

Nhóm triphotphat là một nhóm đi ra tốt và lưu huỳnh là một nucleophile tốt. Nguyên tử lưu huỳnh trong methionine tham gia kiểu phản ứng SN 2 với ATP và nhóm triphotphat sẽ đi ra để tạo thành SAM.

H3N CHCO2 CH2 CH2 + S PiPiPi CH3 Met

NH2 N N O OH OH ATP

NH2 N

N N

CO2 CH3 H3N C CH2CH2 S CH2 O H

N

N N

+ PiPiPi

OH OH SAM

Triphosphte

27-3. O H2N CHC OH CH2 CH2 CH2 CH2 NH H3C

O H2N CHC OH CH2 CH2 CH2 CH2 N H3C CH3

O H2N CHC OH CH2 CH2 Lys CH2 CH2 + NH2 CH3 CO2 H3N C CH2CH2 S CH2 O H

O H2N CHC OH CH2 CH2 CH2 CH2 H3C N CH3 CH3

O H2N CHC OH CH2 CH2 CH2 CH2 + NH H3C

Base -H-Base NH2 N

N

N

further methylation NH2 N

CO2 H3N C CH2CH2 S CH2 O H

N

N N

OH OH

OH OH

SAM

N

O O H2N CHC OH H2N CHC OH CH2 CH2 CH2 CH2 + CH2 CH2 CH2 CH2 H3C N CH3 N H3C CH3 CH3

27-4. O H2N

O OH

H2C

FAD

H2N

NH H O H

H R N

FADH2

N

O

H2N

OH

H2C

R N

O

O

NH

H N

H2N

OH

OH

NH H2C O H H

H2C O H

NH2

O O

NH

N O A H

FAD

N H

NH H

H

O

FADH2

O H2N

OH

NH2

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 38 năm 2006 Cao su tự nhiên là polime tạo thành từ isopren tức là 2-methyl-1,3-butađien. Isopren được tìm thấy không chỉ trong cao su mà cả trong một tập hợp rộng rãi các sản phẩm tự nhiên có tên là các tecpen, mà hầu hết có chứa khung cacbon tạo thành từ các mắt xích isopren liên kết theo kiểu nối đầu đuôi với nhau. Sự phát hiện ra hiện tượng này- quy tắc isopren- có lợi ích rất lớn trong việc tìm ra cấu trúc và xác định nguồn gốc sinh tổng hợp của các tecpen.

1.

Xác định các đơn vị isopren trong các terpenoid sau đây:

OH

OH

O

AcO

OH

O R

O

O OH OBz OAc

Trong hoá học polyme, các đơn vị lặp lại gọi là các monome và các đơn vị lặp lại liên kết với nhau do các phản ứng polime hoá dây chuyền hoặc polyme hoá từng bước. Một vài ví dụ về phản ứng polyme hoá từng bước được đưa ra dưới đây. 2. Xác định các monomer trong các phản ứng điều chế polymer sau đây

COOH

HOOC

heat salt

+

Nylon-6,6

NH2

H2N

NCO +

HO

+

HO

OH

Polyurethane

NCO

O O

heat

O

OH

Glyptal

OH

Người ta ngờ rằng tự nhiên đã sử dụng các khối cấu trúc cơ sở được tìm thấy trong không gian giữa các vì sao như HCN, NH3 và nước để tạo ra adenin, guanin, cytosin và uracil, trong các hệ tiền sự sống, như Oro đã trình bày năm 1960.

3.

Hãy nhận dạng nguồn gốc của mỗi nguyên tử cacbon và nitơ của các bazơ dưới đây, được tổng hợp từ HCN, NH3 và nước.

NH2 N N H

N N

O N N H

O

NH2 NH

N

NH2

HN

HN O

O

N

N

Đáp án:

OH

OH

OH OH

O

AcO

OH

O R

O

O OH OBz OAc

AcO

O

OH

O R

O

O OH OBz OAc

O *

Nylon-6,6

H N

N H

O

O

*

O O *

NH

Polyurethane *

NH O

*

NH2 N N H

N

O

O O

*

O N

O

NH2 NH

N H

N

OH

O

Glyptal

N

HN

HN

NH2

O

O

N

N

H2O N N N

N N

N

OH2

N

N

N

N N

N

N

OH2 N

N

N

N

OH2 N

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Khả năng phản ứng cao của andehit đã giúp nó trở thành một tác nhân không thể thiếu trong tổng hợp hữu cơ. Nguyên tử cacbon của nhóm cacbonyl là tâm electrophin. Trong phản ứng ngưng tụ andol xảy ra phản ứng giữa một enol (hay enolat) nucleophin công vào nhóm cacbonyl electrophin của phân tử andehit (hoặc xeton) khác. 1. Điền vào ô trống dưới đây các chất tương ứng của phản ứng andol hóa cho sẵn và sử dụng các ký tự E hay N để ký hiệu các tâm nucleophin và electrophin tham gia vào tiến trình phản ứng.

CH3CHO

OH–

CH3CHO

Andehit không có nguyên tử hydro-α thường không thể tham gia vào phản ứng andol hóa với tư cách tác nhân nucleophin, như vậy các andehit này không thể tham gia các phản ứng tự hợp được. 2. Các andehit này thường được xếp vào loại k hông thể enol hóa. Tại sao? Cho ba ví dụ về loại andehit này. Formandehit là andehit nổi tiếng nhất trong số này. Nó được một trong số những cha đẻ của Hóa hữu cơ là Alexander M. Butlerov tìm ra vào khoảng đầu năm 1859. Khi nghiên cứu hợp chất này Butlerov đã có một phát hiện hết sức lý thú, đó là dung dịch nước của fomandehit trong sự có mặt của nước vôi đã chuyển thành một loại xi rô có vị ngọt. Khoảng nửa thế kỷ sau, một nhà hóa học vĩ đại khác là Emil Fischer đã nghiên cứu chi tiết phản ứng này và đã xác định được đó là hỗn hợp tạo thành đó là các cacbohydrat raxemic. Hỗn hợp này được gọi là formose, và phản ứng tạo thành hỗn hợp đó gọi là phản ứng formose. Phản ứng này rất thú vị do vai trò quan trọng của nó trong việc tạo thành các phân tử đường trên Trái đất trước khi có sự sống. Nhìn trên khía cạnh thực tiễn thì phản ứng này chính là một nguồn cung cấp đường giá rẻ cho công nghệ sinh học do fomandehit thô có thể được tạo thành dễ dàng với lượng lớn từ cacbon và nước. 3. Đề nghị một phương pháp sản xuất fomandehit trong công nghiệp không quá ba bước từ than đá và nước. Cơ chế ngưng tụ của fomandehit vẫn là một bí ẩn lớn trong thời gian dài từ khi Fischer nghiên cứu phản ứng này. Một trong số những cách khả thi để giải đáp bí ẩn này chính là khái niệm Umpolung1. Bản chất của quá trình tổng hợp quan trọng này có thể được mô tả thông qua quá trình ngưng tụ benzoin như sau:

PhCHO

CN–

CN Ph

–

O

CN

PhCHO

Ph

NC Ph

OH

O

OH Ph

– HCN Ph

OH

4. Đánh dấu vào sản phẩm phản ứng (benzoin) những phần có nguồn gốc từ benzandehit và đặt các ký tự E và N vào các tâm electrophin và nucleophin tương ứng. Trung gian có tính nucleophin được tạo thành từ chất ban đầu có tính electrophin (hay ngược lại) được gọi là nguyên lý Umpolung trong hóa hữu cơ hiện đại. Để tránh việc sử dụng chất độc xianua thì các hợp chất khác có nhóm CH axit tương tự như các muối thiazolium đã được sử dụng. Việc lựa chọn này dựa trên những nghiên cứu về sự tương đồng cấu trúc. Một trong số các muối thiazolium là dẫn xuất của vitamin B1 hay thiamin pyrophotphat có 1

Nguyên văn tiếng Đức

Ph OH

vai trò trong tự nhiên là một chất hỗ trợ cho các enzym trans-ketolase xúc tác cho một phản ứng tương tự như ngưng tụ benzoin trong cơ thể sống bằng cách chuyển phần còn lại của một axit cacboxylic (gốc axyl) theo kiểu tác nhân nucleophin hơn là tác nhân electrophin. CH3 N CH3 N

N

NH2

+

O O– O P O– P O O O–

S

5. Đánh dấu vào nhóm CH axit ở công thức muối thiazolium có tác dụng như HCN. Vẽ các cấu trúc cộng hưởng của cacbanion tương ứng có thể giải thích được tính axit của CH đã chọn. 6. Những người nghiện rượu thường mắc bệnh thiếu B1 cấp tính. Giải thích? Một mô hình hiện đại hơn của phản ứng formose dã được nghiên cứu. Trong đó fomandehit chuyển thành xetotriose đơn giản nhất (dihydroxyacetone, DHA) với hiệu suất cao trong sự có mặt của canxi hydroxit và vitamin B1 (ký hiệu là HZ ở chuỗi dưới).

Z– CH2O

Z

Z

O–

OH

Z

CH2O –

O

OH

7. Hoàn chỉnh chuỗi phản ứng này cho đến sản phẩm cuối. Với tất cả các dữ kiện đã có, chúng ta có thể khám phá bí ẩn của phản ứng này. Một chú ý quan trọng chính là phản ứng của dung dịch nước tinh khiết của fomandehit trong sự có mặt của vôi là tự xúc tác, có nghĩa là tốc độ phản ứng rất chậm ở thời điểm bắt đầu (giai đoạn cảm ứng), tuy nhiên tốc độ phản ứng sau đó tăng nhanh cho đến khi hết fomandehit. Sự có mặt ở lượng vết của bất kỳ một cacbohydrat nào cũng có thể làm tăng tốc phản ứng nếu nó được đưa vào trong giai đoạn cảm ứng. Quá trình này xảy ra qua một chu trình xúc tác bao gồm các giai đoạn ngưng tụ andol (AC), tautome xeto-enol (KET), chuyển proton tạo thành enolat (E) và đồng phân hóa enol hay enolat (EI). 8. Hoàn thành sơ đồ đơn giản của phản ứng formose bằng cách điền vào các ô trống ở dưới . 9. Chỉ ra những bước nào đã xảy ra trong giai đoạn cảm ứng 10. Chỉ ra chu trình xúc tác và các chất xúc tác tương ứng.

CH2O

OH–

H2O

CH2O

H2O O AC

HO OH–

Е KET

AC

CH2O

KET

OH–

E

CH2O AC EI

Đáp án: Phản ứng ngưng tụ andol xúc tác base đi qua giai đoạn tạo ion enolate có tính nucleophin rất cao, có khả năng tấn công trực tiếp vào nguyên tử cacbon carbonyl của phân tử andehit khác để tạo thành -hydroxyandehit (aldol).

CH3CHO

OH– H2O

–

O

N

O–

O–

CH3CHO

CHO E

O OH–

H2O

OH CHO

Các andehit không enol hóa được là các andehit không có proton , vì thế chúng không thể tạo thành được enol hay enolat. Trong số các andehit không enol hóa quan trọng thì bên cạnh fomandehit và benzandehit PhCHO có thể kể thêm axit tricloaxetic andehit (cloral) CCl3CHO, glyoxal OHCCHO, và nhiều chất khác nữa.

Sản xuất fomandehit qua ba bước chính gồm: a) khí hóa than dưới tác dụng của hơi nước ở nhiệt độ cao thu được k hí tổng hợp được sử dụng làm nguyên liệu cho b) Tổng hợp metanol với xúc tác đồng trên kẽm oxit ở 250°C và áp suất 100 atm. Dehydro hóa methanol ở 650°C với xúc tác bạc sẽ thu được fomandehit.

C + H2O

CO + H2

CH3OH

CH2O

Bước chính trong cơ chế ngưng tụ benzoin là giai đoạn cộng nucleophin của xúc tác vào nhóm carbonyl của một andehit không enol hóa. Nguyên tử cacbon trung tâm không còn là cacbon sp2 nữa mà là nguyên tử cacbon sp3 mang hai nhóm thế hỗ trợ cho sự bất đinh xứ của điện tích âm và như vậy giải thích được tính axit của nhóm CH. Sau khi deproton hóa thì cacbanion tạo thành sẽ đóng vai trò tác nhân nucleophin tấn công vào nhóm carbonyl của phân tử andehit khác. Sự tách loại xúc tác nucleophin (anion xianua) sẽ tạo lại nhóm cacbonyl. Như vậy quá trình chung chính là sự chuyển nhóm PhCO (RCO, axyl) từ phân tử andehit. CN

–

CN

PhCHO

Ph

Ph

–

N CN

O

E PhCHO

NC Ph

OH

O

OH Ph

– HCN

OH

Ph N

E Ph OH

Bình thường, nhóm axyl được chuyển từ tác nhân electrophin (axyl clorua, anhydrit hay các dẫn xuất axit khác) đến tác nhân nucleophin. Nguyên lý Umpolung chỉ ra cách thực hiện điều này bằng cách sử dụng cặp tác nhân có khả năng phản ứng nghịch đảo. Sự tương đồng giữa xianua và muối thiazolium rất thú vị. Nhìn bên ngoài có vẻ như cả HCN và muối thiazolium (xét nguyên tử C-2) có thể được xem là dẫn xuất của axit fomic.

OH CH3 N + R N

S

S

N+

N

H

CH3

H

NH2 OH–

R N

+

S

+ R N

S

R N

S

C N

:C N

H Các cấu trúc cộng hưởng của anion thiazolium cho biết rằng bên cạnh dạng cacbanion còn có dạng khác là cacben trung hòa! Thực vậy, đây đúng là phân tử cacben với cấu hình 6e quanh cacbon , gồm một cặp e không liên kết và một obitan trống. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng anion thiazolium và các anion dị vòng gần giống khác (ví dụ imidazolium) đều là các caben bền, chúng có rất nhiều ứng dụng trong hóa hữu cơ và xúc tác. Các cacben này đều là nucleophin do liên kết với dị

nguyên tử giàu 2e bên cạnh tâm cacben. Như vậy có thể cho rằng tự nhiên sử dụng cacben bền để thể hiện vai trò xúc tác của enzym transketolase. Quay trở lại với các chất tương đồng với anion xianua chúng ta có thể thấy rằng ion xianua có thể có một dạng cấu trúc cộng hưởng khác là isoxianua với phần tựa cacben là cacbon hóa trị hai. Như ở cấu trúc thiamine pyrophotphat trên cũng như ở các muối thiazolium khác, chúng rất có khả năng phản ứng với các andehit. Trong cơ thể những người nghiện rượu có rất nhiều sản phẩm dehydro hóa cồn là axetandehit. Andehit này liên kết với phần thiamin trong đoạn thiazolium, điều này làm dẫn đến sự giảm lượng vitamin tham gia vào các quá trình hóa sinh thiết yếu. Hóa học của quá trình như đã chỉ rõ ra từng bước trong sơ đồ dưới. Xúc tác (anion thiazolium hay thiazoliden nếu chúng ta chọn dạng cacben) được tái sinh ở bước sau cùng chính xác như trong phản ứng ngưng tụ benzoin.

Z– CH2O

Z

Z

O–

OH

Z

CH2O –

O

OH

Z HO

OH CH2O

HO

OH O

Z

– Z– HO

O–

Z

OH HO

O–

OH

(Cả hai câu 9 và 10) Nguyên lý Umpolung cho phản ứng formose thực có thể được sử dụng bằng cách dựa vào nguyên tử CH axit của fomandehit ở dạng hydrat hóa. Do thiếu đi sự bền hóa bằng cộng hưởng nên tính axit của CH này thấp hơn rất nhiều, và quá trình deproton hóa để tạo thành cacbanion nucleophin sẽ ít hiệu quả hơn. Như vậy phản ứng sẽ xảy ra rất chậm ở giai đoạn đầu. Giai đoạn phản ứng được đặc trưng bởi nồng độ cacbanion thấp. Nhưng đến khi tạo thành glyoxal thì một chu trình xúc tác đầy hiệu lực lúc này đã được “bật lên”. Trong chu trình xúc tác này fomandehit thể hiện tính electrophin như bình thường.

CH2O

H2O

OH

OH–

OH

O–

initiation step

OH

OH

OH

CH2O HO

OH

OH

H2O O HO catalyst OH

OH–

HO

O

O–

OH

OH

HO

HO

OH OH

CH2O

catalytic cycle

OH

O OH HO

OH OH

O

OH–

CH2O HO

OH –

O

–

O

OH OH

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Mặc dù không hoàn toàn đúng như sự tương đồng (về mặt cấu trúc, điện tử, lập thể) đã được các nhà hóa học sử dụng rộng rãi với nhiều lý do. Chẳng hạn các nhà hóa hữu cơ thường hay tạo ra nhiều tác nhân mới, hay nhiều phản ứng mới dựa vào sự tương tự với những gì đã biết. Một loại tương tự quan trọng chính là sự tương tự dị nguyên tử - tức là các hợp chất hay các phản ứng chỉ khác nhau bằng cách thay thế một nguyên tử hay nhóm nguyên tử bằng một nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác có cùng kiểu liên kết với nhóm bị thay thế. Như vậy, sự tương đồng dị tử của andehit sẽ là muối iminim, ví dụ như muối Eschenmoser CH2=NMe2+I-. 1. Cation của muối Eschenmoser thuộc loại tác nhân nào? Electrophin , nucleophin , gốc tự do , axit Lewis , chất oxy hóa , nhóm bảo vệ  2. Viết phản ứng xảy ra giữa muối Eschenmoser với axeton. Tại sao phản ứng này xảy ra không cần xúc tác?

Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát sự tương đồng dị tử cho một số phản ứng. Ví dụ như chuyển vị Cope, thường xảy ra khi đun nóng 1,5-dien. Phản ứng xảy ra theo cơ chế dịch chuyển đồng bộ 6 electron để tạo thành hai liên kết  và một liên kết , một kiểu dịch chuyển sigmatropic.

3. Sản phẩm thu được là gì nếu như đun nóng 1,5-hexadien đã có một nguyên tử H ở C1 bị thay thế bằng một nguyên tử D trong môi trường trơ (bỏ qua hiệu ứng đồng vị)?

Nếu chúng ta sử dụng allyl ete CH2=CHOCH2CH=CH2 thay cho dien thì cũng một kiểu chuyển vị tương tự sẽ xảy ra, nhưng kết quả thu được sẽ thú vị hơn nhiều do tạo ra được một hợp chất khác chức là xeton chưa no. Như vậy kiểu phản ứng có sự tương tự dị tử (oxa-) này thường được gọi là chuyển vị oxo-Cope hay chuyển vị Claisen. Một phản ứng được nhà hóa học vĩ đại người Đức là Ludwig Claisen tìm ra một cách hết sức tình cờ. 4. Hoàn chỉnh phản ứng sau

O

D

t

Sự chuyển vị trong trường hợp này rất thú vị do có sự tạo thành nhiều nhóm chức hoạt động chỉ bằng môt quy trình đơn giản, và các nhóm chức mới sinh ra này có thể tiếp tục tham gia vào các phản ứng tiếp theo trong cùng hỗn hợp phản ứng mà không cần thiết phải tách ra các hợp chất trung gian. Các phản ứng chuyển hóa theo chuỗi này được gọi là các phản ứng domino, do có sự tương tự với một trò chơi nổi tiếng là làm đổ một dãy dài các quân cờ domino chỉ bằng một cú chạm nhẹ. 5. Bạn phải hình dung được quá trình domino là một quá trình như thế nào bằng cách khơi mào phản ứng dưới đây bằng một axit mạnh và một tác nhân dehydrat hóa mạnh chẳng hạn HC(OEt)3

CHO HN

H+ N H

Đề nghị một cơ chế hợp lý cho phản ứng này.

Đáp án: 1. Muối Echenmoser là một muối iminium, có sự tương đồng dị tử với nhóm carbonyl. Như vậy muối Eschenmoser đóng vai trò như một tâm cacbon electrophin tương tự như nguyên tử cacbon cacbonyl. Ngoài ra nó cũng phải xử sự như một ion cacbenium bền như được chỉ ra ở các cộng hưởng sau đây:

H2C NMe2

H2C NMe2

Do khả năng cho  cao của nhóm dimetylamino nên dạng cấu trúc đầu ưu thế hơn, và như vậy tính nucleophin, ứng với dạng cộng hưởng thứ hai hầu như không thể hiện. Nó có thể xem như một axit Lewis như tất cả các C-electrophin khác do có khả năng kết hợp với base chẳng hạn ion hydroxit hay nước. Như vậy đáp án đúng là electrophin, và tính chất axit Lewis hay tính nucleophin chỉ là câu trả lời phụ thêm. 2. Phản ứng xảy ra không cần xúc tác do muối iminium bản thân nó đã chịu sự phân cực rất mạnh, và nguyên tử cacbon lúc này đã có đủ tính electrophin để tấn công vào nhóm cacbonyl khác mà không cần đến sự hoạt hóa do xúc tác. Trong phản ứng với andehit hay xeton thì muối iminium đóng vai trò tương đồng dị tử với hợp chất cacbonyl đã proton hóa, với liên kết đôi cacbon-nitơ đã phân cực mạnh do sự xuất hiện điện tích dương trên dị tử. Như vậy muối iminium đã đủ khả năng để đóng vai trò tác nhân electrophin tấn công vào dạng enol để tạo thành một sản phẩm có tên gọi là Mannich base, ngay chính bản thân phản ứng này cũng là sự tương đồng dị tử với phản ứng andol.

NMe2

H2C NMe2 O

OH

O

3. Trong sự chuyển vị Cope, một điều quan trọng cần phải được nhận ra: phản ứng này là một cân bằng từ luận điểm cả chất phản ứng cũng như sản phẩm đều cùng một chất (hay cùng một chức nếu sử dụng dien thế). Như vậy phản ứng thuận và phản ứng nghịch đều cùng một loại. Trong trường hợp phản ứng này, khi chất phản ứng và sản phẩm cùng chức và bỏ qua hiệu ứng đồng vị thì rất rõ ràng rằng giá trị hằng số cân bằng bằng đơn vị.

D

D

Như vậy sẽ dẫn đến sự tạo thành một hỗn hợp đẳng số mol của 1- và 3-deuteriohexadiene-1,5. 4. Không giống như chuyển vị Cope, chuyển vị oxo-Cope có sự tạo thành hai hợp chất khác nhau (có nhóm chức khác nhau), như vậy phản ứng nghịch sẽ khó xảy ra. Trong trường hợp của allyl phenol ete thì mảnh dị tử-hexadien được tạo thành từ đoạn mạch allyloxy cùng với một nối đôi ở vòng benzen.

O

O

HO

D

D H

D

Khi còn ở dạng keto ban đầu thì phenol đã nhanh chóng chuyển sang dạng phenol bền hơn (enol), sự sắp xếp nối đôi trong chuyển vị Cope – Claisen đã không còn, và phản ứng nghịch không xảy ra. 5. Phản ứng domino bắt đầu bằng việc tạo thành một muối iminium vòng tương tự như muối Eschenmoser, với rietyl-orthoformat đóng vai trò như một tác nhân dehydrat hóa. Ở muối này có hai nối đôi ở vị trí cần thiết để xảy ra sự chuyển vị Cope, và như vậy ở đây chúng ta sẽ gặp kiểu chuyển vị aza-Cope để tạo thành một muối iminium mới dễ dàng bị thủy phân cho ra một amin bậc hai và fomandehit.

CHO HN

H+ –H2O

H2O

N

N

+ CH2O NH

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Dung dịch nước hay dung dịch rượu của xeton hay andehit có thể được chuẩn độ bằng halogen hay các liên halogen. Để có thể có được kết quả tốt thì phép chuẩn độ cần phải được tiến hành nhanh trong sự có mặt của một hệ đệm chẳng hạn dung dịch NaHCO3.

Nhỏ 2.00 mmol NaHCO3 và 1.00 ml 2.00 N dung dịch ICl trong metanol vào 10g xiclohexanon trong metanol. Sau khi khuấy trộn hỗn hợp thì thêm vào đó lượng dư NaI, sau đó chuẩn độ bằng dung dịch Na2S2O3 1.00 N với chỉ thị hồ tinh bột thấy tốn hết 1.594 ml. 1. Viết các phản ứng xảy ra trong quá trình định phân. 2. Hợp chất nào đã phản ứng với ICl? Xác định hàm lượng của nó trong xiclohexanon. 3. Dung dịch đệm có vai trò gì? Và điều gì sẽ xảy ra nếu sử dụng Na2CO3 thay cho Na HCO3? Một chất A không màu có công thức thực nghiệm C2H2O cho hai tín hiệu ở 94 và 159 ppm trên phổ 13C

NMR. Phản ứng của A với halogen hay liên halogen xảy ra ngay lập tức nhưng định phân A bằng

cách trên thì lại không hiệu lực vì cần nhiều hơn 1 mol halogen cho 1 mol A mà vẫn chưa thể tạo thành kết tủa. A phản ứng nhanh chóng với andehit trong sự có mặt của xúc tác axit hay base để tạo thành các sản phẩm với các tỉ lệ hợp thức lần lượt là 1:1, 1:2 hay 1:3 (tùy thuộc vào tỉ lệ các chất phản ứng). Các sản phẩm này thường có màu và thường được sử dụng để định lượng andehit có trong vật liệu. Ví dụ cacbohydrat cho dung dịch màu đỏ khi phản ứng với A có thêm một giọt HCl.

Trong môi trường kiềm A phản ứng với metyl iodua cho ra một hỗn hợp các sản phẩm. Nếu dùng dư MeI thu được chất B. B chính là sản phẩm tạo thành khi trime hóa dimetylxeten với xúc tác base. Mặt khác nếu cho A phản ứng với lượng dư MeI trong sự có mặt của NaHCO3 thu được hợp chất khác C. Hợp chất này có mùi dễ chịu và được xác hận là một trong số những thành phần quan trọng của hương hoa hồng. Phổ 1H NMR của B chỉ cho 1 pic cộng hưởng trong khi C cho hai pic nhọn ứng với cường độ tích phân 1:3. A phản ứng với NaHSO3 khi đun nóng cho một chất không màu tan trong nước có công thức phân tử C6H5NaO5S, chất này tạo màu tím với dung dịch FeCl3. Phổ

13C

NMR của chất này trong D2O cho 4

tín hiệu ở 157, 144,106,105 ppm. Phản ứng của A với hydroxylamin cho chất D có công thức phân tử C2H3NO, khử hóa chất này bằng H2 với xúc tác Raney-Ni thu được chất E có công thức phân tử C2H3N nhanh chóng sẫm màu trong không khí. Chất này tan rất kém trong nước nhưng tan tốt trong dung dịch HCl loãng. Đun sôi dung dịch loãng này cho lại chất A. 4. Định cấu trúc của các chất A, B, C, D, E. 5. Viết các phản ứng xảy ra trong quá trình trên

Đáp án: 1-3. Xeton không phản ứng trực tiếp với halogen. Các xeton và andehit có khả năng enol hóa có thể chứa enol tương ứng, vốn là các hợp chất chưa no giàu electron và phản ứng rất nhạy với các tác nhân electrophin. Phản ứng xảy ra nhanh và định lượng. Chuyển hóa xeton thành enol thường rất chậm, nhưng khi có mặt xúc tác axit và base thì xảy ra nhanh hơn nhiều. Như vậy nếu phản ứng với halogen xảy ra nhanh thì chỉ có enol tham gia. Để tránh sự xúc tác cho phản ứng enol hóa này thì axit tạo ra trong quá trình phải nhanh chóng bị trung hòa bằng muối không có đủ tính kiềm để tránh xảy ra quá trình enol hóa xúc tác base. Iot clorua là một tác nhân chuẩn độ tốt hơn brom hay iot do liên halogen này đủ phân cực nên phản ứng rất nhạy với các liên kết đôi.

OH+

acid catalysis

OH

+ H+ – H+

+ H+ – H+

O

OH

very slow

enol base catalysis

BH+ B:

BH+ B: O–

O

enolate OH

OH

O –

+ ICl

Cl I

I

ICl + I– = I2 + Cl– 2S2O32– + I2 = S4O62– + 2I– Tính toán lượng enol cho giá trị 1.18%. Khi khảo sát chính xác hơn bằng các phương pháp động học và phổ cho thấy rằng gí trị này lớn hơn rất nhiều. Hằng số tautome hóa thực của xiclohexanon vào khoảng pK = 5-6. 4-5. Hàm lượng enol trong các xeton đơn giản thường rất thấp. Tuy nhiên có một số hợp chất có dạng enol rất bền vững nên trong đó dạng enol ưu thế hơn. Một trong số các ví dụ quan trọng nhất của kiểu hợp chất này chính là các phenol. Các phenol đơn giản không hề thể hiện tính chất của dạng xeto do dạng đó không thơm và rất kém bền so với dạng enol tương ứng (phenol)

OH

enol

O

O

keto-forms

Tuy nhiên đối với một số dẫn xuất thế của phenol, cũng như các phenol dị vòng hay đa nhân thì sự tồn tại của dạng xeto đã được xác nhận. Một trong số đó được sử dụng làm phần sau cho bài tập này.

Chuyển hóa đề cập đến ở đây làm rõ khả năng phản ứng của nhóm cacbonyl (phản ứng với hydroxylamin, bisunfit và ngưng tụ với andehit). Từ công thức phân tử của dẫn xuất bisunfit có thể đoán được rằng chất ban đầu có 6 nguyên tử cacbon. Có nghĩa công thức phân tử của A là C6H6O3 và dựa vào dữ kiện về phổ

13C

NMR có thể kết luận đây là một hợp chất đối xứng cao. Do có sự hiện

diện của nhóm xeto nên hợp chất này có thể là xiclohexatrione-1,3,5, hay dạng enol hóa hoàn toàn của nó là 1,3,5-trihydroxybenzene, được biết nhiều dưới cái tên floroglucine. Phản ứng ngưng tụ với andehit cho andol bình thường, dễ dàng tách nước để tạo ra cấu trúc dạng quinoid là một chất trợ màu mạnh. Hai trong số ba phân tử andehit có thể tham gia phản ứng này, và cấu trúc sẽ trở nên phức tạp hơn nữa nếu andehit có mang thêm một số nhóm chức khác (chẳng hạn các cacbohydrat hay các andehit xinamic vốn là các phân tử cơ bản tạo thành lignin).

R OH

OH

RCHO

OH

OH

R

OH

H+

R

OH

OH

OH

OH

– H2O

H+ OH

OH

OH

O

Sự metyl hóa cho ra sản phẩm đa metyl hóa ở cả dạng enol (3 nhóm metyl) và keto (6 nhóm metyl).

MeO

OMe MeI

HO

OH

NaHCO3

MeI

O

O

NaOH

OMe

OH

O

C

A

B

Dẫn xuất bisunfit dễ dàng mất nước để tạo thành axit 3,5-dihydroxybenzenesunfonic

HO

OH

OH

HO

OH SO3Na

O NaHSO HO 3 OH

OH

HO

SO3Na

OH

HO

O

OH

N

NH2OH HO

O

OH

HO

O

N

N

OH

D H+/H2O NH2

NH

NO H2/Pd

HN

H2N

NH

NH2

ON

NO

E

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Quá trình oxy hóa thoái phân các axit béo là một quá trình sinh học phổ biến trong tất cả các cơ thể sống. Trong các vi sinh vật quá trình này chủ yếu là sự oxy hóa  được mô tả ở sơ đồ sau:

S

R

CoA

1.3.

X

4.2.

O

Y

1.1.

Z

2.3.

S

R O

S

CoA +

CoA

O

Trong tất cả các bước của quá trình oxy hóa , đoạn axyl được liên kết với coenzym A bằng liên kết thioeste. Ở sơ đồ trên các lớp và phân lớp (con số phía trên mũi tên) của các enzym xúc tác cho các phản ứng tương ứng được gọi đúng theo danh pháp của Hiệp hội Hóa sinh quốc tế (IUB). Đối với mỗi vòng lặp gốc R vẫn không thay đổi. 1. Vẽ cấu trúc (không cần quan tâm lập thể) của các chuyển hóa chất X, Y và Z. Sử dụng ký hiệu “R” với các phần axyl không thay đổi. Axit phytanic A là một axit béo bão hòa có trong tự nhiên ở dạng hai đồng phân lập thể không đối quang. Nó không tham gia vào quá trình oxy hóa  do có sự bất thường trong cấu trúc của nó. Tuy nhiên các loài động vật có vú chuyển hóa nó thành axit pristanic acid B với sự giữ nguyên cấu hình ở các nguyên tử bất đối. Quá trình cuối cùng (thường gọi là sự oxy hóa α) xảy ra trong một số tế bào đặc biệt gọi là các peroxisomes. Sự chuyển hóa A được mô tả ở sơ đồ dưới:

O NTP

A

NMP+PPi E1

A1 HOOC

HS-CoA

H

CO2

O2 E2

O

A2 HOOC

S CoA E3

NAD+

B

A3

COOH

NADH + H+ E4

H2O

COOH NMP và NTP là các mono– và triphotphat của các ribonucleosit tương ứng N (A, C, G hay U), PPi – pyrophotphat, CoA-SH – coenzym A, NAD+ và NADH – dạng oxy hóa và dạng khử của nicotine amide adenine dinucleotit tương ứng, E1-E4 – các enzym xúc tác cho các phản ứng tương ứng. Quá trình sinh tổng hợp A1 được xúc tác bởi E1 là một quá trình hai bước. Trung gian tạo thành chứa photpho và oxy với tỉ lệ mol 1:8. 2. Từ danh sách các kiểu phản ứng cho dưới đây, hãy chọn các kiểu phản ứng thể hiện các bước được enzym E1 và E3 xúc tác. a) Tạo thành este của ribonucleosit photphat và axit carbonic. b) Chuyển đoạn axit photphoric thải đến một chất khác do sự cắt đứt liên kết có năng lượng cao của một chất khác (phản ứng kinase). c) Thủy phân liên kết este. d) Tạo thioeste của axit cacbonic. e) Sự oxy hóa decacboxyl hóa. f) Cắt liên kết cacbon-cacbon. 3. Vẽ cấu trúc hợp chất trung gian của phản ứng có E1 làm xúc tác. Cho rằng cấu trúc của axit phytanic là RCOOH, với R là phần gốc hydrocacbon. B tiếp tục tham gia vào một loạt các quá trình oxy hóa β. Dữ liệu về sự oxy hóa phân hủy axit pristanic cho ở bảng dưới. Bước Formation of pristanoyl CoA The

1st

cycle of β-oxidation

The 2nd cycle of β-oxidation The

3rd

cycle of β-oxidation

The 4th cycle of β-oxidation The

5th

cycle of β-oxidation

The 6th cycle of β-oxidation The 7th cycle of β-oxidation

Sản phẩm cắt mạch Không Propionyl CoA Acetyl CoA Propionyl CoA Acetyl CoA Propionyl CoA Acetyl CoA Propionyl CoA + Formyl CoA (sản phẩm cuối của sự thoái phân)

4. Xác định công thức thực nghiệm và công thức phân tử của axit phytanic A mà không cần phải quan tâm đến quá trình oxy hóa α đồng thời cho biết cấu trúc của axit pristanic. 5. Vẽ cấu trúc lập thể của A và B. Lưu ý rằng các tâm bất đối trong các axit béo này đều có cấu hình R trừ tâm bất đồi gần nhóm cacboxylic nhất. 6. Giải thích tại sao axit phytanic không thể tham gia vào quá trình oxy hóa β. Enzym xúc tác cho bước đầu tiên của chu trình oxy hóa β có tính đặc thù lập thể. Acyl CoA có thể bị enzym này chuyển hóa nếu như tâm bất đối ở xa nguyên tử cacbon ω nhất có cấu hình S. Có một loại enzym đặc biệt là AMCAR racemase (xuất hiện trong một số bệnh ung thư) có khả năng chuyển hóa axit pristanic và một số sản phẩm của quá trình oxy hóa β chất này bằng cách xúc tác cho quá trình chuyển cấu hình từ R  S ở tâm bất đối xa nguyên tử cacbon ω nhất. 7. Đề nghị cơ chế cho quá trình raxemic hóa pristanoyl CoA. 8. Vẽ cấu trúc lập thể các chuyển hóa chất của sự oxy hóa axit pristanic có thể là cơ chất của AMCAR. Trong quá trình oxy hóa α của chất A trong các loài động vật có vú, chỉ một cặp đồng phân lập thể được tạo thành trong phản ứng xúc tác E2. 9. Dựa vào các thông tin lập thể hãy cho biết cấu hình tuyệt đối của các tâm bất đối trong A2.

Đáp án: 1. Dựa theo cách phân loại của IUB:: 1.3. – oxidoreductase đóng vai trò như nhóm nhận CH–CH; 4.2. – carbon-oxygen lyase (hay hydrolase); 1.1. – oxidoreductase đóng vai trò như nhóm nhận CH–OH; 2.3. – acyltransferase. Enzym thứ nhất xúc tác cho quá trình dehydro hóa dẫn đến sự tạo thành dẫn xuất β axyl chưa no (tất cả các nguyên tử cacbon còn lại trừ cacbon cacbonyl gọi chung là R) Việc thêm nước vào axyl CoA chưa no này dẫn đến sự tạo thành 3-hydroxyaxyl CoA (việc tạo thành 2-hydroxyaxyl CoA không phù hợp với việc tạo thành sản phẩm cuối đề bài yêu cầu). Điều này được xác nhận lại bởi phân nhóm của enzym thứ ba, xúc tác cho quá trình chuyển hóa oxy hóa từ một nhóm hydroxyl đến một nhóm cacbonyl. Enzym thứ tư dẫn đến sự tạo thành sản phẩm cuối của chu trình là sản phẩm thoái phân hợp chất thio (chuyển hóa mảnh R-CO thành phân tử CoA-SH mới).

R

S

S

R

CoA

O

OH O

X

Y

S

R

CoA

O

CoA

O

Z

2. Dựa vào các dữ kiện của đề bài thì E1 xúc tác thành công cho hai quá trình. Dựa vào danh sách các phản ứng đã cho thì có hai trường hợp khả thi cho giai đoạn đầu tiên: tạo liên kết este giữa một ribonucleosit photphate và axit cacbonic hay phản ứng kinase. Tiếp sau đó thioeste của axit cacbonic (phytanoil CoA) tạo thành ở bước thứ hai. Lý do E1 xúc tác cho hai giai đoạn phản ứng được cho là sự tạo thành phytanoyl CoA có năng lượng tự do Gibbs dương. Quá trình này trở nên khả thi nếu nó đi liền với sự cắt đứt liên kết có năng lượng cao trong NTP. Nếu bước thứ nhất là phản ứng kinase thì chỉ có thể tạo thành một sản phẩm: Phần còn lại của axit phytanic liên kết với một photphat. Tỉ lệ P : O trong sản phẩm lúc này sẽ là 1:5. Như vậy có thể kết luận rằng có sự tạo thành trung gian chứa cả đoạn NMP hay NTP. Chú ý đoạn NDP không phù hợp với các sản phẩm có chứa photpho tiếp sau. Như vậy kiểu phản ứng được xúc tác bởi các enzym là: E1 – a), d); E3 – f). 3. Để xác định E1 xúc tác cho phản ứng phân cắt nucleotit nào cần lập bảng tỉ lệ mol P:O đối với tất cả các dẫn xuất có thể có của ribonucleotit mono- và triphotphat.

Hợp

chất

Tỉ lệ mol P:O nếu nucleotit ban đầu chứa base

trung

gian chứa Monophotphat Triphotphat

Adenine

Guanine

Uracil

Cytosine

1:8

1:9

1:10

1:9

1:4.66

1:5

1:5.33

1:5

Có thể thấy ngay rằng E1 chỉ có thể xúc tác cho sự chuyển hóa đoạn adenosin monophotphat trong phân tử axit phytanic:

NH2 N R O

O O P O O-

N

N N

O OH OH

4. Từ bảng cho trong bài có thể suy ra số nguyên tử cacbon của axit prystanic là: 4·3 (propionyl CoA) + 3·2 (axetyl CoA) + 1 (fomyl CoA) = 19.

Dựa vào chu trình phản ứng . Giai đoạn E3 xúc tác dẫn đến sự tách bỏ một nguyên tử cacbon gắn với CoA. Ở các bước khác kể cả bước được E2 xúc tác không xảy ra sự thay đổi nào về số lượng các nguyên tử cacbon trong axit phytanic (chú ý đề cho phương trình phản ứng). Như vậy A chứa 19+1=20 nguyên tử cacbon. Để xác định công thức phân tử của axit phytanic bão hòa: hydro – 20·2, oxy – 2 (cả hai đều thuộc về nhóm cacboxylic). Như vậy công thức là, C20H40O2. Chú ý axit phytanic có thể được viết dưới dạng RCOOH, với R là đoạn hydrocacbon. Như vậy R không mang nhóm chức (bao gồm cả nhóm hydroxyl hay cacboxylic). Công thức thực nghiệm là: C10H20O. 5. Trong sơ đồ của sự oxy hóa  đã được thảo luận ở câu hỏi 1 thì axetyl CoA là phần bị tách ra khỏi axit béo: FAD O R

FADH2 1.3.

S CoA

H20

O

OH O 4.2.

R

R

S CoA

S CoA

NAD+ 1.1. NADH + H+ O R

O

2.3. S CoA H3C

R

O

O S CoA

HS-CoA S CoA

Một con đường chuyển hóa khác là sự tách loại propionyl CoA sau mỗi hai chu trình thoái phân axit prystanic. Propionyl CoA sẽ được tạo thành nếu một nhóm metyl gắn với nguyên tử cacbon α. Trong trường hợp này nguyên tử cacbon α phải có hydro để có thể bị loại ra ở giai đoạn đầu của chu trình. Như vậy việc có mặt nhóm metyl ở vị trí này không thể giúp cho axit béo tham gia quá trình oxy hóa β được như chỉ ra ở sơ đồ dưới:

FAD O R

FADH2

H20

O

1.3.

OH O 4.2.

R

S CoA

R

S CoA

S CoA

NAD+ 1.1. NADH + H+ O

O

2.3.

R

S CoA

O

R

O S CoA

S CoA

HS-CoA

Có thể thấy rõ từ sơ đồ này sản phẩm cuối của quá trình chuyển hóa axit prystanic có thể nhận được nếu chỉ R bị thế bởi H ở chu trình oxy hóa β thứ 7. Như vậy sản phẩm của chu trình oxy hóa thứ 6 là:

O S CoA metabolite 6

Tương tự như vậy, suy ngược từ dưới liên quá trình oxy hóa thoái phân axit prystanic ta có: O S CoA metabolite 6

O

cycle №6

S CoA

acetyl CoA

cycle №3

S CoA

acetyl CoA

S CoA

propionyl CoA

metabolite 5

O

cycle №4

O

cycle №5

metabolite 4

O S CoA

propionyl CoA metabolite 3

cycle №2 acetyl CoA

metabolite 2

O S CoA cycle №1

metabolite 1

propionyl CoA

O S CoA pristanoyl CoA

Khi xác lập được cấu trúc của B, dĩ nhiên dựa vào sơ đồ oxy hóa α có thể xác lập được cấu trúc của A. Bước chuyển hóa A thành A1 ứng với sự tạo thành phytanoyl CoA. Dựa vào phương trình phản ứng ở phản ứng thứ hai thì chỉ một nguyên tử oxy tham gia vào chuyển hóa từ A1 tạo thành A2. Rõ ràng nguyên tử oxy này gắn vào nguyên tử cacbon α. Điều này được xác nhận bởi tên của quá trình oxy hóa, cũng như việc tạo thành fomyl CoA (chứ không phải axetyl CoA) ở bước kế tiếp. Như vậy công thức tổng quát của A2 là:

O R

S CoA OH

Ở bước kế tiếp liên kết cacbon-cacbon bị cắt dẫn đến sự tạo thành fomyl CoA và andehit tương ứng A3:

O R

O R C H

O +

S CoA

H

OH

S CoA

Nhóm cacbonyl tiếp tục bị oxy hóa thành cacboxyl cho phép tạo thành B từ A3.

O R C H

NAD+

+

+

O R C OH

H2O

+

NADH +

H+

Chú yes đến cấu hình tuyệt đối của các nguyên tử bất đối trong axit phytanic, sự tồn tại hai đồng phân lập thể của axit phytanic và sự lưu giữ cấu hình của các nguyên tử cacbon bất đối trong quá trình oxy hóa α, có thể xác định chính xác cấu trúc của A và B:

(R)

(R)

(R)

COOH

(R)

(R)

(R)

A (R)

(R)

(S)

COOH

B

COOH

(R)

(R)

(S)

COOH

6. Axit phytanic không thể tham gia vào quá trình oxy hóa β do hiện diện một nhóm metyl ở vị trí này, điều đó dẫn đến việc không thể tạo thành dẫn xuất xeto-axyl ở phản ứng thứ ba trong chu trình.

7. H R

S

(R)

O

-H+ CoA

+

+H

S

R

O

CoA

+

-H

R _

S

R

H

+ H+ R

S

(S)

CoA

O

=

CoA

O

Sự thioeste hóa axit pristanic dẫn đến việc tăng tính axit của nguyên tử hydro C-2, cho phép nó có khả năng deproton và tái proton hóa. 8. Có thể thấy được rằng sự raxemic hóa ảnh hưởng đến các nhóm thế ở vị trí α. Như vậy hai trung gian được tạo thành trong quá trình chuyển hóa axit pristanic (chất 2 và 4 ở sơ đồ trên) có thể là cơ chất cho AMCAR (α-methylacyl-CoA racemase).

(R)

S CoA

(R)

S CoA

(R)

metabolite 2

O

O

metabolite 4

9. Do chỉ tạo thành hai đồng phân lập thể trong số 4 đồng phân đã xác định nên sự hydroxyl hóa ở C2 là đặc thù lập thể. Nó chỉ xảy ra từ hướng ngược lại với hướng của nhóm metyl, do nguyên tử cacbon trung tâm đã bị chắn mạnh ở phía đó. Cấu hình tuyệt đối của các tâm bất đối trong các đồng phân lập thể là: 11R,7R,3R,2S và 11R,7R,3S, 2R.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Sự oxy hóa ω là một con đường khác để chuyển hóa các axit béo, nhưng ít gặp hơn quá trình oxy hóa β. Con đường hiếm gặp này bắt đầ bằng quá trình oxy hóa nhóm metyl của axit béo thành nhóm cacboxyl. Axit dicacboxylic tạo thành tiếp tục tham gia vào một số chu trình oxy hóa β hướng về phía nhóm cacboxyl đã hiện diện ban đầu trong phân tử axit. Tất cả các phản ứng xảy ra trong quá trình oxy hóa ω đều không có tính đặc thù lập thể. Do có một số điểm bất thường trong cấu trúc nên axit béo tổng hợp D trong các loài động vật có vú chỉ có thể bị oxy hóa bằng con đường oxy hóa

ω (chứ không phải là oxy hóa α hay β). Axit

dicacboxylic E được chuyển hóa tiếp thành axyl CoA tương ứng, sau đó tiếp tục tham gia vào 7 chu trình oxy hóa β liên tiếp giải phóng ra 7 phân tử axetyl CoA. Công thức của sản phẩm trung gian F1 trong quá trình này là C27H39N7P3SO195–. F1 tồn tại ở dạng anion trong môi trường pH sinh lý. Thủy phân nó tạo thành hai sản phẩm, một trong số đó là F2 không chứa cacbon bất đối.

D

omegaoxidation

E

acyl CoA of E

7 beta-oxidation cycles

F1

H2O

F2 + ...

1. Vẽ cấu trúc của các hợp chất D, E, F2 và anion F1 ở pH 7. Chứng minh đây là câu trả lời phù hợp. 2. Giải thích tại sao axit béo D không thể tham gia vào quá trình oxy hóa α cũng như β. 3. Đề nghị cấu trúc lập thể của axit béo tổng hợp G, là một đồng phân của chất D, có cùng số nguyên tử cacbon trên mạch chính và cũng không tham gia vào quá trình oxy hóa α hay β vì sự dị biệt cấu trúc. Quá trình oxy hóa axit béo theo con đường (ω-1) cũng là một con đường thoái phân axit béo khác trong động vật có vú. Nó đóng vai trò quan trọng trong sự chuyển hóa các prostaglandin và dẫn đến sự phát triển nhiều bệnh di truyền. Một chu trình oxy hóa (ω-1) bao gồm năm giai đoạn oxy hóa 2e của axit béo.

Một axit béo đơn chức H có nhiều trong tự nhiên chứa 75.97% C, 12.78% H, và 11.25% O về khối lượng. Cuối quá trình oxy hóa (ω-1) nó cho sản phẩm cuối J. Hợp chất I (72.42% C, 11.50% H, 16.08% O về khối lượng) là một trong số các trung gian trong quá trình chuyển từ H sang J. Phổ 1H NMR của chất I cho hai pic đơn với các cường độ tích phân khác nhau và một số các pic đa. Cường độ tích phân của mỗi pic đa khác với pic đơn. Một trong số các pic đơn được nhận ra dễ đàngo có cường độ tích phân cao nhất trong toàn phổ đồ. 4. Vẽ cấu trúc của H và I. Chứng minh rằng đây là câu trả lời phù hợp. 5. Cho biết cần bao nhiêu bước oxy hóa 2e chất H để thu được I, nếu biết rằng con đường oxy hóa ω là một phần của con đường oxy hóa (ω-1).

6. Vẽ cấu trúc của J. Con đường oxy hóa α không khả thi đối với các bệnh di truyền người lớn (ARD) do thiếu đi một enzym cần cho quá trình oxy hóa này. Chuyển hóa axit phytanic A (hỗn hợp hai đồng phân lập thể trong đó epimer-R ưu thế hơn, tức R>S) trong các cơ thể người bệnh dẫn đến sự tạo thành axit dicacboxylic C (hỗn hợp không bằng nhau của hai đối quang, R>S). 7. Xác định cần có bao nhiêu bước oxy hóa để nhận được C từ A trong cơ thể cua người bị bệnh ARD, nếu biết rằng không sinh ra malonyl CoA trong chu trình oxy hóa β thứ nhất. Oxy hóa β ____ Oxy hóa ω _____ Oxy hóa (ω-1)_____

AMCAR là enzym epimerase duy nhất tham gia vào chu trình oxy hóa chuyển A thành C. 8. Vẽ cấu trúc lập thể của hợp chất trung gian của quá trình oxy hóa A trong cơ thể của bệnh nhân ARD có thể đóng vai trò cơ chất cho AMCAR.

Đáp án: 1. Xem xét cơ chế của quá trình oxy hóa ω và β dẫn đến kết luận F1 là dẫn xuất axyl CoA của một axit dicacboxylic, trong đó nhóm cacboxyl đầu tiên đã có sẵn trong D, trong đó nhóm thứ hai được tạo thành ở bước cuối của chu trình oxy hóa β. Chú ý đến phản ứng thủy phân:

HOOC

R

COSCoA + H2O

HOOC

Có thể xác định được công thức của F2 từ các tính toán sau:

R

COOH + CoA-SH

Công thức F2 = Công thức anion F1 + H5 – Công thức dạng không ion hóa của coenzym A + H2O = C27H39N7P3SO19 + H5 – C21H36N7P3SO16 + H2O = C6H10O4. Lưu ý sản phẩm thứ hai của quá trình thủy phân là coenzym A không thể là F2 do có chứa nguyên tử cacbon bất đối. Tất cả các cấu trúc có thể có của axit cacboxylic không có nguyên tử cacbon bất đối có công thức C6H10O4 được cho dưới đây, cũng như axit béo D ứng với mỗi chất F2 khác nhau. Luôn nhớ rằng D không tham gia được vào cả hai quá trình oxy hóa α hay β, có thể kết luận rằng chỉ có duy nhất một sự lựa chọn thỏa mãn mà thôi (in đậm).

GENERAL FORMULA OF D

F2 COOH

HOOC

HOOC

COOH

R

R

R HOOC

POSSIBILITY OF -OXIDATION -OXIDATION

COOH

YES

YES

COOH

YES

NO

COOH

NO

NO

COOH

YES

NO

NO

YES

NO

YES

COOH R COOH

R

COOH

HOOC COOH R

COOH

HOOC

R - non-identical residues Công thức D và E có thể được suy ra bằng cách cộng thêm 14 nguyên tử cacbon (7 chu trình oxy hóa β) vào nguyên tử cacbon xa nhất trong F2. Phân tử không có sự phân nhánh ngoại trừ ở vị trí cacbon α do chỉ có sự tạo thành axetyl CoA (chứ không phải propionyl CoA, etc.) sau mỗi chu trình oxy hóa β. Như vậy,

D

COOH

HOOC

E

COOH

NH2 N O -

OOC

S

H N

H N O

OH O CH3 O O P O P O O H3C OO-

N

N

N

anion

O

O OH O P O OHOOC COOH

F1

F2

2. D không thể tham gia vào quá trình oxy hóa α- hay β do nó không có nguyên tử hydro nối với nguyên tử cacbon α. Điều này dẫn đến việc không thể tạo thành được nhóm hydroxyl hay liên kết đôi, vốn là điều kiện cần để xảy ra các con đường chuyển hóa tương ứng là oxy hóa α và β. 3. Axit béo D và đồng phân G của nó chứa 18 nguyên tử cacbon trên mạch chính. Như vậy với chất G chỉ có hai hướng phân nhánh khả thi: hai nhóm metyl hai một nhóm etyl. Cấu trúc có thể có của G với nhóm etyl ứng với quá trình oxy hóa chuyển thành axit phytanic và axit pristanic chứa nhóm thế metyl. Như đã trả lời ở câu hỏi 1 là quá trình oxy α và β không thể xảy ra đối với axit béo mang hai nhóm thế ở nguyên tử cacbon α. Trong cùng thời điểm đó quá trình α có thể khả thi nếu hai nhóm thế gắn vào nguyên tử cacbon β (xem đáp án câu 1). Như vậy chỉ có thể là axit béo chứa nhóm metyl ở cả hai nguyên tử cacbon α và β thỏa mãn mà thôi. Trong trường hợp của con đường oxy hóa β sẽ là không khả thi vì lý do tương tự như ở axit phytanic, trong khi đó quá trình oxy hóa α không thể xảy ra do trung gian xeton được tạo thành thay vì andehit (xeton không thể bị oxy hóa thành nhóm cacboxyl trong cơ thể sống) Như vậy cấu trúc của G là:

COOH

G

4. Tính toán xác đinh công thức thực nghiệm của H và I: H: n(C): n(H) : n(O) = 75.97/12.01 : 12.78/1.01 : 11.25/16.00 = 9 : 18 : 1; I: n(C) : n(H) : n(O) = 72.42/12.01 : 11.50/1.01 : 16.08/16.00 = 6: 11.33 : 1.

Công thức thực nghiệm của I là C18H34O3. Axit béo H không thể chứa ít cacbon hơn chuyển hóa chất của nó, mặt khác nó cũng phải có hai nguyên tử oxy (axit đơn chức). Như vậy công thức phân tử của H là C18H36O2. H là một axit béo bão hòa. Như vậy một nguyên tử oxy sẽ thay thế hai nguyên tử hydro trong H để cho I. Có một vài lựa chọn cho phản ứng thế này, có thể kể ra sự tạo thành: 1) carbonyl; 2) epoxide; 3) tạo thành liên kết đôi với nhóm hydroxyl ở nguyên tử cacbon khác; 4) oxy trong dị vòng. Một trong số các pic đơn ứng với nguyên tử hydro của nhóm cacboxyl (cường độ tích phân nhỏ). Như vậy I không thể có nguyên tử hydro khác có cùng cường độ, và như vậy nhóm hydroxyl, mảnh CHCH trong vòng epoxy và nhóm CH trong dị vòng không thể xảy ra. Chỉ còn lại một sự lựa chọn là nhóm cacbonyl, trong đó không thể là nhóm andehit do nó có thể tạo ra được một pic đơn với cường độ tích phân cũng tương tự như nhóm cacboxyl. Lúc này xeton là sự lựa chọn cuối cùng. Nhóm này buộc phải nằm ở nguyên tử cacbon [(ω)-1] do chỉ trong trường hợp này nhóm metyl mới cho một pic đơn với cường độ tích phân cao gấp ba lần nhóm cacboxyl. Tất cả các pic đa đều cho tin hiệu có cường độ tích phân là 2 (cao hơn 1 nhưng thấp hơn 3). Như vậy H là một axit béo mạch thẳng không phân nhánh (chỉ nhóm CH2 không tương đương hiện diện ở giữa các nguyên tử cacbon đầu mạch).

Cuối cùng,

H

COOH

I

COOH O

5. Tất cả các phản ứng trong con đường oxy hóa (ω-1) đều là sự oxy hó 2e của axit béo. Sự phân tích ngược trở lại cho thấy I được tạo thành từ ancol bậc hai sau:

COOH OH Ancol này được tạo thành (đừng quên đi 2e) trực tiếp từ axit stearic (H) bằng phản ứng xúc tác enzym oxygenase. Như vậy H chuyển hóa thành I qua hai bước. 6. Cần có ba bước để chuyển hóa I thành sản phẩm cuối J, do quá trình oxy hóa (ω-1) bao gồm 5 bước liên tục. Cũng cần phải đếm số bước của quá trình oxy hóa ω-pathway vốn dẫn đến sự tạo thành nhóm cacboxyl từ nhóm metyl đầu mạch. Tất cả các bước của quá trình oxy hóa ω đều là sự oxy hóa 2e và là một phần của con đường oxy hóa (ω-1). Ở bước đầu tiên thì axit béo chuyển hóa thành ancol bậc một bằng phản ứng oxygenase. Ancol này sau đó bị oxy hóa thành andehit, và cuối cùng thành axit cacboxylic (tương tự như sự oxy (ω-1) đã được mô tả trên). Như vậy quá trình oxy hóa ω bắt đầu từ chất I và bao gồm cả sản phẩm cuối J. Cuối cùng thì,

HOOC

J

COOH O

7. Cấu trúc của axit phytanic A:

(R)

COOH

(R)

(R,S)

Trong cơ thể những người bệnh ARD, sự oxy hóa axit béo này từ đầu cacboxyl không thể xảy ra bằng các con đường đã biết. Như vậy sự thoái phân phải bắt đầu từ đầu ω. Sự hiện diện của nhóm metyl ở nguyên tử cacbon (ω-1) không cho phép xảy ra sự oxy hóa (ω-1). Như vậy bước đầu tiên sẽ là quá trình oxy hóa ω tạo trung gian:

HOOC (R,S)

(S)

COOH

(R)

(R,S)

Lặp lại các quá trình oxy hóa ω của trung gian này sẽ dẫn đến việc tạo thành một axit tricacboxylic. Quá trình oxy hóa β tiếp theo của axit này dẫn đến sự tạo thành malonyl CoA ứng với các dữ kiện của đề bài. Như vậy quá trình oxy hóa β là quá trình duy nhất khả thi để tiếp tục chuyển hóa axit hai chức trên. Số chu trình oxy hóa β có thể được xác định bằng cách phân tích các dữ kiện của các hợp chất A và C. Do là một hỗn hợp hai đối quang nên C chỉ chứa một nguyên tử cacbon bất đối. Chỉ có hai sản phẩm của quá trình oxy hóa β thỏa mãn điều này:

HOOC

(R,S)

COOH (1)

HOOC(R,S)

COOH

(2)

Quá trình oxy hóa β của chất (1) dẫn đến sự tạo thành chất (2). Bước chuyển hóa này được xác định bằng sự nghịch chuyển cấu hình tuyệt đối của tâm lập thể do có sự thay đổi độ hơn cấp nhóm thế.

beta-oxidation HOOC

(R)

COOH

HOOC

(S)

COOH

beta-oxidation HOOC

(S)

COOH

HOOC

(R)

COOH

Cùng thời điểm đó xảy ra 5 chu trình oxy hóa β của axit dicacboxylic (trung gian (1)) không hề dẫn đến sự nghịch chuyển cấu hình nguyên tử cacbon bất đối gần với nhóm cacboxyl ban đầu nhất. Do tỉ lệ R>S vẫn được giữ nguyên khi chuyển hóa A thành C nên sản phẩm trung gian (1) l sự lựa chọn cuối cùng. Ngay cả khi cho rằng chất trung gian (2) là cơ chất thích hợp cho AMCAR cũng không thể dẫn đến việc xử lý chất này như đề bài yêu cầu (AMCAR không cho tỉ lệ S>R). Như vậy số bước cần thiết để chuyển hóa A thành C: Oxy hóa β

5 bước

Oxy hóa ω

1 bước

0 (con đường này không xảy ra)

Oxy hóa (ω-1)

8. Enzym xúc tác cho bước đầu tiên của quá trình oxy hóa ω không đặc thù lập thể, như vậy trong trường hợp của axit phytanic sẽ nhận được một hỗn hợp các đồng phân lập thể: pro-(R)-methyl

omega-oxidation (R)

COOH

COOH

(R)

(S)

(R,S)

(R,S)

(R)

COOH (R,S)

pro-(S)-methyl

Như vậy sản phẩm axyl CoA tạo thành trong quá trình oxy hóa ω (15R-epimer) sẽ bị chuyển hóa bằng AMCAR tạo thành S-epimer tương ứng. Như đã thấy ở sơ đồ trên, quá trình oxy hóa ω làm thay đổi cấu hình tuyệt đối ở nguyên tử C-11 do có sự thay đổi độ hơn cấp, điều này làm cho quá trình xúc tác của AMCAR ở chu trình oxy hóa β thứ ba trở nên không cần thiết. Điều tương tự cũng xảy ra với C-7, với cấu hình tuyệt đối đã bị thay đổi sau chu trình oxy hóa β thứ hai: CoA S

(S)

(R)

COOH

cycle №2

CoA S

(R,S)

(S)

(S)

COOH (R,S)

O

O

Như vậy chất thích hợp nhất để làm cơ chất cho AMCAR là:

HOOC

(R)

(S)

(R)

COOH (R,S)

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Quá trình peroxi hóa lipit, đặc biệt là các lipit có trong các màng sinh học và các lipoprotein được xem như là một giai đoạn quan trọng trong sự phát triển của nhiều căn bệnh như chứng xơ vữa động mạch. Lipit chứa các axit béo chưa bão hòa (PUFA) là những thủ phạm chính của quá trình oxy hóa này. X là một trong số các sản phẩm cuối của quá trình peroxi hóa các axit béo chưa bão hòa trong cơ thể động vật có vú. X cũng có thể nhận được bằng cách ozon khử các PUFA. 1. Viết phản ứng xảy ra khi ozon hóa axit timnodonic sau đó xử lý hỗn hợp phản ứng với dimetyl sunfua.

COOH timnodonic acid (without stereochemical information)

X có khả năng phản ứng cao với rất nhiều các hợp chất có hoạt tính sinh học chẳng hạn protein. Đặc biệt nó có thể có tương tác kiểu không enzym với phần amino axit trong albumin là một loại protein quan trọng trong sự vận chuyển huyết thanh. Kết quả các nhóm chức ở nhánh các amino axit liên kết chéo với nhau. Liên kết tạo thành trong phản ứng này được miêu tả như sau (với R1 và R2 là các phân mảnh trong mạch polypeptit của protein):

R1

H N

N

HN

HN

R2

2. Vẽ cấu trúc lập thể của chất X và các amino axit tham gia quá trình này, chỉ ra các nhóm tham gia vào quá trình ghép mạch. 3. Đề nghị một cơ chế cho quá trình này, nếu biết rằng trong phản ứng chỉ có sự loại nước.

Y là một sản phẩm khác của quá trình peroxy hóa lipit. Nó có cùng số nguyên tử cacbon với X và tương tác được với cả protein và axit nucleic. Tương tác giữa Y với phần lysin trong protein dẫn đến sự tạo thành một amino axit ít gặp là Nε-(3formyl-3,4-dehydropiperidino) lysin (FDP-lysine):

OHC

COOH

N

NH2

4. Vẽ cấu trúc của Y, chú ý đến lượng nước giải phóng trong quá trình tạo thành FDP-lysin. 5. Đề nghị một cơ chế giải thích sự tạo thành phần FDP-lysine nếu biết rằng phần lysin này là một phần của một protein. Biết rằng cộng Michael là một bước quan trọng trong cơ chế. Tương tác giữa Y với nucleosit Z được tìm thấy trong các axit nucleic tạo ra sản phẩm cộng Là nucleosit Z1. Khối phổ của Z1 nhận được từ phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh (FAB-MS) cho hai pic chính ứng với dạng monoproton hóa (M+H+), với giá trị m/z lần lượt là 191 và 307. 6. Vẽ cấu trúc của Z, nếu biết chất này phản ứng với Y chỉ cho duy nhất Z1. Z1 chứa một base có cấu tạo một phần như sau:

OH N N

7. Vẽ cấu trúc Z1.

Đáp án: 1.

CH3 COOH + 5O3 + 5 H3C S O

O

O +

4 H

O

COOH + 5

+

H

H

H

H3C

S O

CH3

2. Do X là sản phẩm ozon phân khử các PUFA, nên nó chỉ có thể chứa ba nguyên tố là cacbon, hydro và oxy. Như vậy cả 4 nguyên tử nitơ trong cấu trúc liên kết nằm ở phần nhánh của hai amino axit (lưu ý rằng không thể tạo liên kết peptit ở đây được) Có thể tồn tại 6 amino axit chính chứa nitơ ở mạch nhánh bao gồm: asparagine, glutamine, lysine, histidine, arginine và tryptophan. Tryptophan không thể đưa vào cấu trúc liên kết. Còn glutamin và asparain cũng bị loại luôn do có thể tạo được liên kết peptit trong khi cấu trúc liên kết lại không có nhóm CO nối với nguyên tử nitơ cũng như các đoạn R1 và R2 (sự khử amit thành amin như là kết quả tương tác không enzym với andehit không thể xảy ra) Có hai lý do để loại bỏ histidin, cho dù có thể nhận ra được phần imidazole trong cấu trúc liên kết. Thứ nhất, không có không gian cho chất X vốn chứa từ 3 đến 5 cacbon. Và thứ hai, nguồn gốc của hai nguyên tử nitơ ở hai bên nhóm imidazole không thể giải thích được. Lysin và arginin là các amino axit còn lại chưa nhắc đến. Các amino axit này có thể tạo ra hai kiểu kết hợp: Arg-Arg và Arg-Lys (Lys-Lys có thẻ bỏ qua do nó có thể cho hai nguyên tử nitơ vào cấu trúc liên kết). Như vậy arginin chắc chắn là một trong hai amino axit chính do có thể nhận ra được phần guanidin trong cấu trúc liên kết như chỉ ra ở hình dưới:

R1

H N HN

N HN

R2

Nguyên tử nitơ còn lại chỉ có thể bắt nguồn từ lysin do nó có liên kết với hai nhóm CH2 (nếu là phân tử arginin thứ hai chắc chắn sẽ tìm thấy thêm một phần guanidin nữa trong cấu trúc liên kết). Như vậy:

malondialdehyde R1

H N

N

lysine

HN

HN

R2

arginine

X chỉ có thể là diandehit malonic (xem hình trên). Sản phẩm còn lại của quá trình ozon khử axit timnodonic là propanal cũng chứa ba nguyên tử cacbon nhưng nó không thể là X do chỉ một nhóm cacbonyl không đủ để tạo thành liên kết chéo. Như vậy propanal không thể là sản phẩm chính được tạo thành trong hầu hết quá trình peroxy hóa các PUFA.

H

H O

X

O

Cấu trúc của L-lysin và L-arginine (L amino axit được tìm thấy trong các protein):

H2N

NH2

COOH HN

NH2

N H

L-lysine

COOH NH2 L-arginine

3. Cơ chế của sự tạo nối (để cho tiện có thể ký hiệu R1 cho Arg, và R2 cho Lys):

H2O H

H

H2N

+ O

Lys

O Lys

O NH2 Lys

N H

N

N

H

N H Lys

H2O

NH2 +

HN

NH

Arg

N H

Arg

NH N

N H

Arg

4. Có thể thấy rằng sản phẩm cộng của lysin với Y chứa dư 6 nguyên tử cacbon so với amino axit ban đầu. Y cũng chứa ba nguyên tử cacbon (như X). Như vậy cần phải gắn hai mảnh Y vào lysin để có thể tạo thành FDP-lysine. Do cùng lượng nước giải phóng nên cấu trúc thực nghiệm của Y là: Y = (FDP-lysine – lysine + H2O)/2 = (C12H20O3N2 – C6H14O2N2 + H2O)/2 = C3H4O. FDP-lysin chứa nhóm cacbonyl, điều đó có nghĩa Y là một andehit (như đã nói ở câu hỏi 1 andehit là sản phẩm oxy hóa thường gặp của quá trình peroxy hóa các lipit). Như vậy Y là acrolein (chỉ duy nhất nhóm vinyl có thể là nhóm C2H3 gắn vào nhóm cacbonyl).

O H

Y

Methyl xeten CH3–CH=C=O cũng có cấu trúc C3H4O. Nhưng khả năng này rất khó khả thi do tính chất hóa học của nó. Chẳng hạn trong sản phẩm cộng không hề có nhóm metyl, đây là điều không thể đạt được trong trường hợp của metyl xeten.

5.

R2 R1

C O R2

R1

R1

R1

NH2

(I)

NH

O

C O

(II) R2

NH

C O R2

R2

O

NH

N

(III)

O O

R1

N H

O

NH

C O

N

(IV)

O

- H2O

OH

NH

C O

N

O

(V)

Ở giai đoạn đầu tiên, phản ứng cộng nucleophin của nhóm ε-amino tự do trong lysin vào nối đôi (C-3) của acrolein dẫn đến sự tạo thành dẫn xuất amin bậc hai (II) với sự bảo toàn nhóm cacbonyl. II tương tác với phân tử acrolein thứ hai cũng bằng phản ứng cộng Michael để cho III, chất này chuyển thành IV bằng con đường ngưng tụ andol. Sự dehydrat hóa tiếp theo (ngưng tụ croton) cho sản phẩm FDP-lysine (V). 6. Các pic trong khối phổ của Z1 ứng với dạng monoproton hóa của nó. Việc đầu tiên là phải xác định được phần mảnh nào đã bị mất ở pic có giá trị m/z nhỏ hơn. Sự chênh lệch khối lượng ở đây là: 307 – 191 = 116. Phân tích các giá trị này bên cạnh việc xem xét cấu trúc các nucleosit dẫn đến khẳng định đây là đoạn deoxyribose, có nghĩa là liên kết dễ vỡ N-glycosit nhiều khả năng bị phân cắt (đoạn ribose cũng như các base tương tự khác có các khối lượng phân tử khác nhau). Như vậy Z là một deoxyribonucleosit được tìm thấy trong DNA. Khối lượng phân tử phần còn lại của Z1 là 191. Do đã xác định được phần deoxyribose nên cũng có thể xác định được base liên quan tới Y. Bảng sau cho biết cách xác định base này (nhớ rằng phản ứng giữa Z và Y chỉ cho duy nhất Z1).

Số đơn vị acrolein (N) (khối lượng phân tử 56) trong sản phẩm

1

2

3

135

79

23

cộng Khối lượng phân tử base trong Z (191 – N·56)

Chỉ duy nhất adenine (M = 135, N = 1) phù hợp với các giá trị trong bảng. Như vậy Z là deoxyadenin:

NH2 N N HO

N

Z

N

O OH 7. Phần mảnh cho trong bài có thể được gắn vào phân tử deoxyadenine chỉ bằng con đường duy nhất sau:

OH N N N HO

N N

Z1

O OH Do các chất tương tác tỉ lượng nên không còn cách nào khác ngoài base đã cho ở trong bài.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Các Angiotensin (Ang) tạo thành một họ các oligopeptit có hoạt tính sinh học có nhiều ảnh hưởng quan trọng đến cơ thể người. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc điều hòa áp suất máu, ổn định cân bằng nước – muối và tham gia vào các quá trình tư duy. Decapeptit angiotensin I (Ang I) là chất đầu của họ oligopeptit này. Thủy phân hoàn Ang I cho hỗn hợp của 9 amino axit: axit aspartic, arginine, valine, histidine, isoleucine, leucine, proline, tyrosine và phenylalanine. Asparagin bị thủy phân cho axit aspartic trong điều kiện thủy phân hoàn toàn peptit. 1. Viết phản ứng thủy phân asparagine. Có nhiều enzyme ở các nhóm khác nhau cũng có tham gia vào quá trình chuyển hóa các angiotensin. Nhóm đầu tiên gồm các peptidase (AMA và AMN), có khả năng cắt mạch amino axit ở đầu N của oligopeptit. Nhóm thứ hai là carboxypeptidase (Enzym chuyển hóa angiotensin, ACE và các chất tương đồng ACE2), có khả năng cắt mạch amino axit ở đuôi C của oligopeptit. Nhóm thứ ba bao gồm các peptidase (endopeptidase trung tính (NEP) và prolyl endopeptidase (PEP)), có khả năng phân cắt liên kết peptit ở một số amino axit đăc biệt.

Ang I được chuyển hóa trong cơ thể người theo con đường sau:

Nonapeptide X

1

M=1182 Da

Ang I

2

M=1295 Da ACE

3

4 Ang II

Heptapeptide Y 5

Nonapeptide Z

M = 1045 Da

1-5 là các peptidase xúc tác cho các phản ứng tương ứng. Mỗi peptidase xúc tác cho phản ứng thủy phân một liên kết peptit. Các peptidase giống nhau có thể được đánh số khác nhau. Để gọi tên các angiotensin thì một loại danh pháp đặc biệt đã ra đời. Các đơn vị amino axit của Ang I được đánh số từ đầu N đến đuôi C. Do tất cả các angiotensin đều có mảnh Ang I nên sẽ có từ «angiotensin» trong tên của chúng cùng với các số ả rập trong ngoặc đơn chỉ vị trí của phần đầu N và đuôi C nó chiếm trong Ang I. Ví dụ, Ang I gọi tên theo danh pháp này sẽ là «angiotensin (1-10)».

2. Viết tất cả các cấu trúc amino axit hay các oligopeptit có thể tạo thành trong quá trình tạo Ang II từ Ang I. 3. Gọi tên các oligopeptit X, Y và Z theo danh pháp Angiotensin. Xác định xem enzym 1-3 là amino hay cacboxipeptidase. 4. Xác định thành phần các amino axit có trong Ang I. Chứng minh đây là câu trả lời phù hợp. Con đường chuyển hóa dẫn xuất Ang I được sơ đồ hóa như sau:

Heptapeptide Y

Ang II 5

ACE

M =1045 Da

6

Pentapeptide Y2

Oligopeptide Y1

M = 512 Da

7

8

10

Pentapeptide Y3 M = 627 Da

Tetrapeptide X1 NEP

Ang III

9

11 PEP

Ang IV

Nonapeptide Z AM-N

12

Octapeptide Z1

M=774 Da 6-12 là các peptidase xúc tác cho các phản ứng tương ứng. Các peptidase giống nhau có thể được đánh số khác nhau.

Pancreatic proteinase trypsin xúc tác cho quá trình thủy phaanliene kết peptit tạo thành từ nhóm cacboxyl của arginin hay lysin. Z1 có khối lượng phân tử lớn nhất trong các peptit sinh ra khi trypsin xúc tác cho quá trình thủy phân Ang I. 5. Xác định mảnh nào bị cắt ra khi chuyển hóa Ang II đến Ang IV.

PEP chỉ cắt chọn lọc các liên kết peptit bắt nguồn từ nhóm cacboxyl của prolin. 6. Xác định amino axit đuôi C trong Ang II và cấu trúc của dipeptit tạo thành khi xử lý heptapeptide Y bằng ACE. Pancreatic proteinase chymotrypsin xúc tác cho quá trình thủy phân liên kết peptit được hình thành bởi nhóm cacboxyl của các amino axit thơm là phenylalanine, tyrosine hay tryptophane. Bên cạnh đó chymotrypsin cũng thường thể hiện tính chọn lọc với leuxin, cũng gần như các amino axit trên về mặt kỵ nước. Khi xử lý Ang II bằng chymotrypsin chỉ thu được hai tetrapeptit

7. Viết chính xác thứ tự sắp xếp các amino axit trong Ang I.

8. Gọi tên các oligopeptit X1, Y1 và Z1 theo danh pháp Angiotensin.

Đáp án: 1.

O H2N

+

NH3

+ NH3 + H2O + H+

HOOC

COOH

+

+

NH4

COOH

2. X và Z là các nonapeptit. Để chuyển từ Ang I thành các chất này trong mỗi trường hợp cần phải cắt đi một amino axit. Ang I là một peptit mạch hở có hai đầu, trong đó chỉ có đầu N và đuôi C chịu ảnh hưởng của các phản ứng này. Heptapeptit Y được tạo thành từ Ang II vốn không phải là một nonapeptut (chỉ có thể có hai nonapeptit là X và Z). Như vậy, Ang II là một octapeptide. Do ACE thuộc nhóm carboxypeptidase, Y có thể là Ang (1-7) hay Ang (2-8). Luận điểm Y được tạo thành trực tiếp từ Ang I cho phép kết luận Y là Ang (1-7). Bằng một con đường khác có thể tạo thành trực tiếp Y từ X. Luận điểm này xác nhận cấu trúc Y và Ang I có chung một amino axit đầu N. Như vậy nonapeptide X được tạo thành bằng sự cắt đi amino axit đuôi C trong Ang I. Khối lượng phân tử của amino axit bị cắt bỏ là 1295 – 1182 + 18 = 131, ứng với leuxin hay isoleuxin. Ang II được tạo thành từ Ang I bằng cách cắt đi hai amino axit đuôi C. Khối lượng phân tử của amino axit thứ 9 (tính từ đầu N) trong Ang I là: 1182 – 1045 + 18 = 155 (histidine).

Như vậy hai dipeptit có thể bị cắt là: His-Leu và His-Ile.

3.

X – Ang (1-9) Y – Ang (1-7). Z – Ang (2-10), do được tạo thành bằng cách cắt bỏ amino axit đầu N. 2 - Amino peptidase; 1 và 3 - Carboxypeptidase.

4. Thành phần các amino axit trong Ang I có thể được xác định từ khối lượng phân tử bằng cách tính toán theo các bước sau: M(Ang I) – Tổng khối lượng các amino axit sinh ra khi thủy phân + 9M(H2O) = khối lượng của đơn vị amino axit lặp lại (điều này chỉ đúng nếu Ang I không chứa Asn). Nếu Ang I có chứa Asn thì tính toán khối lượng phân tử ở câu trên sẽ sai khác đi 1 g/mol. Do có sự khác nhau về khối lượng phân tử giữa Asn và Asp (tương ứng là 132 và 133 g/mol).

Tính toán: M (amino axit lặp lại) = 1295 – (155 + 2131 + 133 + 174 + 117 + 181 + 115 + 165 – 189) = 155. Giá trị này ứng với histidin là đơn vị amino axit lặp lại, bên cạnh đó là Asp. Như vậy thành phần amino axit có trong Ang Ià: 2His : 1Asp : 1Arg : 1Ile : 1Leu : 1Phe : 1Pro : 1Tyr. 5. Z1 được tạo thành từ hai con đường: từ Ang I bằng phản ứng xúc tác trypsin và từ nonapeptide Z (Ang (2-10)) trong phản ứng xúc tác AM-N (N-peptidase). Như vậy, Z1 là Ang (3-10), với Arg là đơn vị amino axit thứ hai trong Ang I. Nghiên cứu quá trình chuyển hóa từ Ang II thành Ang IV dẫn đến kết luận Ang III là một heptapeptit (lưu ý đến các phản ứng xúc tác bởi các enzym 7, 8, 10). Do Ang IV được tạo thành từ heptapeptide Ang III và sự thủy phân tiếp tục tạo thành pentapeptide Y3 nên nó là một hexapeptide. Lưu ý rằng Ang IV được tạo thành từ cả Ang (3-10) và Ang (1-8) nên chúng ta có thể xác nhận Ang IV là Ang (38). Như vậy trên con đường đi từ Ang II đến Ang IV thì amino axit thứ nhất và thứ hai đã hoàn toàn bị cắt bỏ. Mảnh amino axit thứ hai đã được xác định là Arg từ trước. Amino axit thứ nhất có thể được xác định dễ dàng bằng sự khác biệt khối lượng của Ang II vàAng IV: 1045 – 774 – 174 + 218 = 133, ứng với Asp.

6. PEP cắt bỏ amino axit thứ 8 từ Ang (3-8), cho thấy prolin chính là amino axit thứ 7 trong Ang I. Khối lượng phân tử của amino axit thứ 8 trong Ang I là 774 – 627 + 18 = 165 (Phe).

Heptapeptit Y là Ang (1-7). ACE xúc tác cho phản ứng thủy phân dẫn đến sự tạo thành pentapeptit duy nhất Ang (1-5). Khối lượng phân tử của amino axit thứ 6 được giải phóng từ Y như là một phần của dipeptit là 1045 – 664 – 165 – 115 + 318 = 155 (His). Như vậy amino axit đuôi C trong Ang II là Phe và dipeptit giải phóng từ Y là His-Pro. 7. Chỉ hai tetrapeptit được tạo thành khi xử lý octapeptide Ang II bằng chymotrypsin. Điều này có nghĩa là một trong số các amino axit sau nằm trong số 7 amino axit đầu tiên và chiếm vị trí thứ 4: Tyr, Phe hay Leu. Phe đã được xác định chiếm vị trí 8 nên có thể loại ra. Nếu vị trí thứ 4 là Leu thì Tyr chỉ có thể ở vị trí 3 hay 5 (vị trí thứ 10 đã được xác định là Leu hay Ile), điều này dẫn đến một kết quả phức tạp khi cắt mạch bằng chymotrypsin. Như vậy amino axit thứ 4 là. Vì lý do tương tự nên Leu không thể ở vị trí 3 hay 5 nên nó sẽ chỉ ở vị trí 10. Chỉ còn hai vị trí là thứ 3 và 5 cùng với hai amino axit là Val và Ile. Sự xác định chính xác vị trí chỉ có thể sử dụng kết quả của việc tính toán khối lượng phân của của tetrapeptit sinh ra khi cắt mạch Ang II bằng NEP.

Hướng 1. Val – 3, Ile – 5:

M(angiotensin (1-4)) = 133 + 174 + 117 + 181 – 318 = 551; M(angiotensin (5-8)) = 131 + 155 + 115 + 165 – 318 = 512;

Hướng 2. Val – 5, Ile – 3:

M(angiotensin (1-4)) = 133 + 174 + 131 + 181 – 318 = 565; M(angiotensin (5-8)) = 117 + 155 + 115 + 165 – 318 = 498.

Dễ dàng thấy rằng hướng 1 thỏa mãn điều kiện bài toán. Như vậy cấu trúc của Ang I là: Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-P ro-P he-His-Leu

8.

X1 – Ang (5-8); Y1 – Ang (2-7); Z1 – Ang (3-10).

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Quá trình polyme hóa theo cơ chế gốc tự do là một phương pháp thường dùng để tổng hợp polyme. Nó bao gồm các giai đoạn sau: Khơi mào – Ở giai đoạn này thường sử dụng các tác nhân sinh gốc từ các phản ứng hóa học hay các biến đổi vật lý của hệ thống (đun nóng hay chiếu xạ). Phát triển mạch – Gốc tự do cộng vào monome để tạo thành một gốc tự do mới lớn hơn. Thường tốc độ của giai đoạn phát triển mạch không phụ thuộc vào mức độ phát triển gốc tự do của quá trình polyme hóa (giả thiết rằng khả năng phản ứng như nhau). Tắt mạch – Giai đoạn này sự phát triển mạch bị ngừng lại do sự kết hợp của hai gốc tự do. Sự tái tổ hợp giữa các gốc giống nhau và các gốc khác nhau là các cách tắt mạch thường gặp.

Chuyển mạch – là giai đoạn hình thành phân tử polymer không hoạt động do sự tương tác của một gốc tự do đang phát triển với một tác nhân chuyển mạch. Quá trình này đi kèm với việc tạo thành một gốc tự do mới. Gốc mới có thể khơi mào cho quá trình tạo thành mạch polyme mới hay làm tắt mạch. Phân tử monome, dung môi hay các chất đặc biệt thêm vào đều có khả năng làm tác nhân chuyển mạch.

Để thu được poly-(metyl metacrylate) (poly-MMA), đun nóng 9,4g monome của nó ở 60C trong sự có mặt của 0.1 g α,α’-azodiisobutyronitrile (AIBN) và 0.5 g of α-clotoluene. Khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng là 0.91 g/cm3. Hằng số tốc độ của các giai đoạn sơ cấp lần lượt là: k in = 7.2·10–4 s –1 (khơi mào), k p = 7.1·102 l·mol–1·s –1 (phát triển mạch), k t = 2.6·107 l·mol–1·s –1 (tắt mạch). Hiệu suất khơi mào là fin = 0.8. Hằng số chuyển mạch là: CA = 4.2·10–4 (với α-clotoluene) và nồng độ monome là CM = 1.0·10–5 . Hướng dẫn: hằng số chuyển mạch được định nghĩa là tỉ lệ giữa hằng số tốc độ của quá trình chuyển mạch với giai đoạn phát triển mạch.

CH3 H2C

CH3 O

N

O

CH3

N CH3

N CH3

CH3

MMA

N

AIBN

1. Viết các phản ứng xảy ra trong quá trình khơi mào, phát triển mạch, chuyển mạch và tắt mạch trong hệ thống đã cho trên. 2. Viết các phản ứng có khả năng làm giảm hiệu suất khơi mào fin. 3. Viết biểu thức tốc độ phản ứng của các quá trình: a) tạo ra các gốc hoạt động b) tiêu thụ monome c) thay đổi nồng độ gốc tự do 4. Áp dụng nguyên lý nồng độ dừng hãy xác định nồng độ cân bằng cho các gốc tự do như là một hàm của các thông số động học của các giai đoạn sơ cấp.

5. Xác định tốc độ tiêu thụ monome (tốc độ polyme hóa) như là một hàm của nồng độ các tiểu phân trung gian của monome và các chất ban đầu, và các thông số động học của các bước sơ cấp. Xác định bậc của phản ứng polyme hóa với monome và chất khơi mào. Polyme nhận được từ các hệ thống kể trên có độ chuyển hóa thấp (nhỏ hơn 10% so với lượng monome tiêu thụ) và có độ polyme hóa Pn là 125. 6. Xác định giá trị hằng số tốc độ phản ứng tắt mạch dị ly. Sắp xếp các quá trình sau đây theo thứ tự giảm dần ảnh hưởng của nó đến giá trị Pn. a) tắt mạch b) chuyển mạch đến monomer c) chuyển mạch đến α-clotoluene Phổ 1H NMR của polyme nhận được từ con đường trên cho ở dưới. 7. Xác định cấu trúc polyme dựa vào thông số về cường độ tích phân các pic đặc trưng cho ở bảng: . Tín hiệu

Cường độ tích phân

a

5.0

b

1.0

c

1.0

d

42

e

2.0

f

27

g

39

h

4.5

Đáp án: 1. Khơi mào: N

H3C

H3C

H3C

N N CH3

N

+

C

2 CH3

N

N2

CH3

N C

CH3 CH3

H2C

C C N

CH3

C

+

CH3

CH3

C H3C C

O

CH2

C C

O CH3

O CH3

O

Phát triển mạch: N

N

C C

C H 3

C

C H 3

H C 3

C H 3

C H 3 C H 2C

C H 2 C n

C

C

H C 3

C

+

C

O

C H 3 C H 3

C H 3

O

C H 2C

C H 2 C n+1

O C

O

O

H C 2

C

O

C H 3

C H 3

C H 3

O

O

C

O C H 3

C H 3

Tắt mạch do tổ hợp các gốc giống nhau: N

N

N C C

CH3

H3C

C CH3

CH2 C

CH2 n

C

+ C

CH3

CH3 CH2 C

CH2 m

O

O CH3

CH3

O

O

H3C

CH3

C

C n+m+2

O

C O

O

O

N CH3

CH3

CH3

CH2 C

C

C

O

CH3

C

H3C

C

C O

C

CH3

CH3

CH3

Ngắt mạch do tổ hợp các gốc khác nhau: N

N C C

CH3

H3C

C CH3

CH2 C

CH2 n O

CH3

H3C

+

C C

C O

C

CH3

H3C

CH3 CH2 C

CH2 m

O

C C

C O

O

O CH3

CH3

O CH3

CH3

N

O

N C C

CH3

C C

H3C

CH3 CH2 C C O CH3

H3C

CH3 CH2 HC n O

+ C

CH3 CH3 CH2 C

O

CH3 CH m

C

O

O

C

C O

O CH3

CH3

CH3

O

CH3

O

Chuyển mạch đến α-clotoluene: N

N C C

C

CH3

Cl

H3C

CH2 C

CH2 n

C

C

Cl CH3

+

C

O

CH3

H3C

CH3

CH3

O

C

CH2 C

O

C

CH3

CH3

CH3 CH2 HC n O

O

O

HC

+ C

O

O CH3

CH3

Cl Cl

CH3

HC

CH3

H2C

+

C O

O

O

O CH3

CH3

Chuyển mạch đến monome: N

N C C

C

CH3

C

CH3

H3C

CH3 CH2 C

CH3 CH2 n

C

O

C

O

CH3 CH2 C

O

CH2 HC n O

O CH3

C

+ C

C

O

O

O

CH3

O CH3

CH3

CH3

H2C

CH3

C

O

O

CH3

CH2

H3C

C

+

C

C O

H2C

CH3

2. C H 3

C H 3 C C

C H 3

C H H 3C 3

C

+

C

N

N

C H 3

N

N

C H H 3C 3

C H 3

C H 3

C N

C H 3

C H 3

C

C

C H 3

+

C

H 3C

H 2C

+

C H 3

N N

N

3. Tốc độ sinh gốc tự do:

d [P ] = 2  kin  fin  [In] dt Tốc độ tiêu thụ monome:

d [M] =  kp  [P ]  [M]  ktr,M [P. ][M] dt Biến đổi nồng độ gốc tự do:

d [P ] = 2  kin  fin  [In]  2kt  [P ]2 dt

4.

d [P ] = 2  kin  fin  [In]  2kt  [P ]2 = 0 dt 1/ 2

 k  f  [In]  [P ] =  in in  kt   

1/ 2

 k  f  [In]  d [M]  = Rp = kp  [P ]  [M] = kp   in in  dt kt  

5.

 [M]

Như vậy phản ứng có bậc 1 với monomer, bậc ½ với chất khơi mào. 6. Số độ polyme hóa trung bình Pn có thể được biểu diễn dưới dạng tỉ số đơn vị monome đã polyme hóa trên số mạch polyme hóa xuất hiện trong cùng đơn vị thời gian. Giá trị sau vào khoảng ½ số nhóm cuối của polyme không tham gia vào quá trình polyme hóa (nhóm cuối không hoạt động của polyme). .

Pn =

n(M) 1 n(tails) 2

Các giai đoạn khác nhau có thể làm tăng hoặc không làm thay đổi số nhóm cuối. Bao gồm: Khơi mào: + 1 nhóm cuối / mỗi gốc tự do tạo thành Phát triển mạch: 0 nhóm cuối, Chuyển mạch: + 2 nhóm cuối Tổ hợp các gốc khác nhau: + 1 nhóm cuối Tổ hợp các gốc giống nhau: + 0 nhóm cuối.

Vậy,

Pn =

Rp  dt

=

1  Ri  Rt,d  2Rtr   dt 2

Rp 1  Ri  Rt,d  2Rtr  2

,

Với Rp, Ri, Rt,d, Rtr là tốc độ tương ứng của các giai đoạn phát triển mạch, khơi mào, tổ hợp các nhóm khác nhau và chuyển mạch.

Ri = 2 fin  kin  [In] = 2   kt,d  kt,c   [P ]2 Rt,d = 2kt,d  [P ]2 Rtr = ktrM [P ][M]  ktrA [P ][A] Với

ktrM

và

ktrA

,

là hằng số tốc độ tương ứng giai đoạn chuyển mạch đến monome và chất A (trong

bài này chất A là α-clotoluen). (Theo định nghĩa hằng số chuyển mạch thì

ktrM = CM  kp

và

ktrA = CA  kp .) Rp = kp  [M][P ] Sử dụng biểu thức cho tốc độ phản ứng tương ứng trong phương trình Pn và thực hiện một số biến đổi ta được:

 2kt,d  kt,c   kin  fin [In]  1 =   Pn kp [M]  kt,d  kt,c 

1/ 2

Với

kt,d

và

kt,c

 CM  CA

[A] [M]

là hằng số tốc độ phản ứng tắt mạch cho các giai đoạn tương ứng là tổ hợp các gốc

khác nhau và giống nhau. Nồng độ monome [M] = 9.4 g / (100.1 g/mol) / (10 g / 0.91 g/ml) = 8.5 mol/l. Nồng độ chất khơi mào [In] = 0.1 g / (164.2 g/mol) / (10 g / 0.91 g/ml) = 0.055 mol/l. Nồng độ tác nhân chuyển mạch [A] = 0.5 g / (98.96 g/mol) / (10 g / 0.91 g/ml) = 0.46 mol/l. Các giá trị khác đã cho ở đề bài. Thay thế số hạng thứ hai và thứ ba bằng các giá trị tương ứng ta có:

 2kt,d  kt,c   kin  fin [In]  1 =   Pn kp [M]  kt,d  kt,c 

1/ 2

 1.0  105  2.26  105

Đối với quá trình tổ hợp các gốc khác nhau và giống nhau đã được mô tả bằng các phương trình động học tương tự nhau (chỉ khác nhau giá trị hằng số tốc độ) ta có thể thay thế tổng bằng giá trị hằng số tốc độ quan sát được

kt,d  kt,c

kt . Tức là,

 kt,d  kt   kin  fin [In]  1 =   Pn kp [M]  kt,d  kt,c 

1/ 2

 1.0  105  2.26  105 =

=  kt,d  2.6  107   1.8  1010  1.0  105  2.26  105 Thay thế Pn = 125, ta được: k t,d = 1.8·107 lmol –1s–1. Đại lượng đầu tiên đóng góp nhiều nhất vào giá trị 1/Pn, trong khi đó đại lượng thứ hai và thứ ba đóng góp gần như nhau (đại lượng thứ hai ít hơn thứ ba một chút). Như vậy đóng góp của các quá trình vào gái trị Pn quan sát được giảm theo thứ tự: Tắt mạch >> chuyển mạch đến clotoluen > chuyển mạch đến monome. 7. Tín hiệul a ứng với proton trong vòng thơm. Điều này dẫn đến kết luận vòng benzen sẽ nằm ở một đầu của polyme, điều này có được do sự chuyển mạch đến clotoluene. Như vậy một đầu (hoặc cả hai đầu) sẽ có cấu trúc.

Cl R

Như vậy có thể pic b hay c có thể được gán cho proton của nhóm clometyl (điều này được xác nhận bằng giá trị độ chuyển dịch hóa học của b và c và bằng tỉ lệ b/c và a/c đều bằng 1:5). Nếu đoạn clotoluen được tìm thấy ở cả hai đầu của polyme thì công thức phân tử của polyme có thể được viết ở dạng: (C7H6Cl)(C5H8O2)n(C7H6Cl). Tỉ lệ của các cường độ tích phân của pic a và (b hay c) so với tổng cường độ tích phân các pic (c hay b) + d + e + f + g (pic h của TMS không tính) bằng 6:111. Như vậy tổng các tín hiệu của (C5H8O2)n ứng với 11112/6 = 222 proton. Chia giá trị này cho số proton của mỗi đoạn lặp sẽ nhận được giá trị độ polyme hóa bằng 27.75. Độ polyme hóa luôn là số nguyên nên phần dư 0.25 chắc chắn do lỗi. Điều đó có nghĩa là đoạn clotoluen chỉ có thể ở một đầu. Hơn thế nữa, do chỉ có 1 proton ở vùng trường yếu (ở 5 ppm), có thể nhận thấy điều này khi xem xét tỉ lệ cường độ tích phân của a:b:c. Độ chuyển dịch hóa học này khó có thể xem là của proton thơm nên chỉ có thể là proton nằm gần liên kết đôi. Phân tích tất cả các khả năng tắt mạch và chuyển mạch có thể có suy ra cấu trúc có sự tổ hợp của các gốc khác nhau phù hợp nhất với các dữ kiện. Như vậy cấu trúc của polyme sẽ là:

Cl CH3

R O

O

CH3

Công thức phân tử của nó có dạng (C7H6Cl)(C5H8O2)n(C5H7O2) hay (C7H6Cl)(C5n+5H8n+7O2n+2). Từ giá trị tỉ lệ các cường độ tích phân của a + (b hay c) so với (c hay b) + d + e + f + g = 6:111 có thể kết luận rằng pic của nhóm (C5n+5H8n+7O2n+2) ứng với 1116/6 = 111 proton. Như vậy, 8n + 7 = 111, hay n = 13. Vậy cấu trúc của polyme cuối cùng sẽ là: CH3

Cl

CH3

13 O

O

CH3

O

O CH3

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Phản ứng polyme hóa có thể được khơi mào bằng ion. Phụ thuộc vào điện tích của nhóm cuối mạch trong giai đoạn phát triển mạch mà có thể phân biệt được trùng hợp anion hay trùng hợp cation. Phản ứng trùng hợp theo cơ chế ion cũng xảy ra tương tự như gốc tự do, tức gồm các giai đoạn khơi mào, phát triển mạch, tắt mạch và chuyển mạch. Quá trình polyme hóa cationic được khơi mào bằng axit mạnh hay các tác nhân electrophin, trong khi quá trình anionic lại được khơi mào bằng base mạnh và các chất cho electron.

1. Với các monome sau hãy cho biết kiểu trùng hợp mà chúng có thể tham gia (gốc tự do, cactionic hay anionic).

O N

O

O CH3

H2C

H2C

a

O

CH3

H2C

b

N

c

CH2

CH3 H2C

H2C

O

O O

CH3

O

S

CH3

d

e

f

O

g

NO 2

CH3

h

O

H2C

H2C CH3

i

j

k

l

Phản ứng trùng hợp anioic được khơi mào bởi các cơ kim và có thể được mô tả theo sơ đồ động học bao gồm các bước khơi mào, phát triển mạch và tắt mạch. Giai đoạn sau cùng là kết quả của quá trình phản ứng giữa cacbanion với tác nhân tắt mạch là axit HA.

-

C4H9 Li

C4H9Li

-

C4H9 Li

+

+

H9C4

+

Li

H2C

+

H9C4

-

H2C

Li

R

-

CH

CH R

kin

n

kp

R

R HA

kt H9C4

+

LiA

n R 2.

R

a) Viết biểu thức tốc độ phản ứng biểu diễn sự tiêu thụ monome và các chuỗi hoạt động (các anion lớn) được ký hiệu lần lượt là [M] và [M–] b) Quá trình polyme hóa anionic cho phép tổng hợp các polyme có cấu trúc gần như đồng nhất. Dựa vào luận điểm này hãy so sánh định tính hằng số tốc độ phản ứng của giai đoạn khơi mào và phát triển mạch. c) Tính khối lượng phân tử của polyme nhận được khi polyme hóa 100 g styren trong 600 ml 1,4-dioxan trong sự có mặt của 0.234 g naphtalen và 0.042 g natri kim loại. Biết rằng 58.9% lượng monome đã bị chuyển hóa trong quá trình này.

Polyme hóa là cả một quá trình nghệ thuật thiết kế mạch phân tử thành các hình dạng và kích thước khác nhau. Sự tắt mạch vẫn là một trở ngại của phương pháp do nó tạo thành tiểu phân không có khả năng găn thêm đơn vị monome mới.

3.

a) Những quá trình tắt mạch nà có thể xảy ra trong quá trình polyme hóa theo cơ chế gốc và ion? Điền vào bảng dưới.

Kiểu tắt mạch

Gốc tự do

Anionic

Các phần khác nhau tổ hợp lại Các phần giống nhau tổ hợp lại Chuyển mạch đến dung môi Chuyển mạch đến monome

b) Giải thích tại sao một polyme nhận được trong quá trình polyme hóa anionic có sự phân bố khối lượng phân tử hẹp hơn so với polyme hóa theo cơ chế gốc.

R

+

c) Dung môi nào sau đây thích hợp làm môi trường cho phản ứng polyme hóa anionic: (a) benzene; (b) 1,4-dioxane; (c) tetrahydrofuran; (d) 1,2-dimethoxyethane. Sắp xếp các dung môi này theo thứ tự tăng dần tốc độ polyme hóa. d) So sánh tốc độ của quá trình polyme hóa anionic với các chất khơi mào lần lượt la natri, kali và xesi naphthalenua.

Đáp án: 1. Tất cả các chất đều chứa nối đôi (kể cả các hệ vòng chưa no thiophene (e) và pirole (l)) có thể được polyme hóa bằng cơ chế gốc tự do. Trong trường hợp các dị vòng thơm thì gốc tự do sinh ra trong quá trình phát triển mạch có thể được bền hóa bằng tương tác với hệ thống nối đôi liên hợp.

R• S

S

R

S

R

C

S

S S

S

Như vậy sự polyme hóa gốc tự do phù hợp với các hợp chất a-f, h, j-l. Các chất nhận electron như nitrile (a), carbonyl (f), hay nitro (k) làm bền các ion lớn tích điện âm (xem cấu trúc dưới). Hợp chất chứa các nhóm này có thể được polume hóa theo cơ chế anionic. N

R

C

C-

C

N

Trái lại, hợp chất chứa các nhóm thế cho electron gần với liên kết đôi (isobutylene (j)) tạo cacbocation bền. Hợp chất này sẽ được polyme hóa theo cơ chế cationic. R

CH3 C+

CH3

Các vinyl ete có thể tham gia vào quá trình polyme hóa cationic do trong trường hợp này nhóm ankoxy gây +C làm bền các cation lớn. Các vòng căng epoxy có thể bị mở vòng bằng cách tạo thành cacbanion. Như vậy (g) có thể là monome trong quá trình polyme hóa mở vòng theo cơ chế anionic. Tương tác của epoxy với axit

C

mạnh dẫn đến sự mở vòng tạo cacbocation, điều này dẫn đến việc polyme hóa vòng epoxy theo cơ chế cationic. Tetrahydrofuran (i) không thể tham gia vào quá trình polyme hóa anionic do vòng này ít căng và không chịu ảnh hưởng bởi base. Tuy nhiên các axit mạnh có thể proton hóa nguyên tử oxy ete của vòng này dẫn đến sự cắt đứt liên kết C–O. Kết quả là cacbocation tạo thành sẽ khơi mà quá trình polyme hóa mở vòng. Hiệu ứng cộng hưởng của nhóm phenyl làm bền vững cả cacbocation lẫn cacbanion. Như vậy styren (d) có thể bị polyme hóa theo cả hai cơ chế ion. Điều tương tự cũng xảy ra với thiophen và furan (e và l).

R

R C+

C-

Như vậy phản ứng polyme hóa theo cơ chế anion có thẻ xảy ra đối với a, d, e, f, g, k, l Phản ứng polyme hóa cationic có thể xảy ra đối với d, e, h, j, l.

2. a)

rP = 

d [M] = kp  [M  ]  [M] dt

2. b) Tất cả mạch của polyme đơn phân tán đều có chiều dài bằng nhau, điều này chỉ có thể đạt được nếu như tất cả các mạch được khơi mào cùng lúc rồi mới đến phát triển mạch. Như vậy quá trình khơi mào phải xảy ra rất nhanh hơn phát triển mạch. k in >> k p. 2. c) Tương tác giữa naphtalen với natri trong dung môi dioxan dẫn đến việc tạo thành anion-gốc natri naphtalenua, chất này khử styren theo cơ chế 1e để tạo thành anion-gốc styren.

[

Na +

.

[

.

.

  Na+ CH2=CH

]

CH2 CHNa+ C6H5

C6H5

.

2CH2 CHNa

]Na

NaCH CH2 CH2 CHNa

C6H5

C6H5

C6H5

Sự kết hợp hai anion gốc dẫn đến sự tạo thành dianion, có khả năng phát triển mạch ở cả hai hướng. Như vậy natri trong naphtalen có thể khơi mào cho quá trình polyme hóa anionic. Để tìm mối quan hệ giữa độ polyme hóa (Pn) và phần mol monome tiêu thụ (q), cần phải viết phương trình tổng nồng độ monome dựa trên nồng độ hiện tại của monome, anion lớn và chất khơi mào).

[M]0 = [M]  Pn ([M ]  [In]) / 2 = [M]  Pn[In]0 / 2 [In] 0 là nồng độ đầu cua natri naphtalenua. Giờ đã có thể khai triển [M] như một hàm của q:

q=

[M]0  [M] [M] = 1 [M]0 [M]0

=>

[M] = [M]0 (1  q)

=>

[M]0 = [M]0 (1  q)  Pn[In]0 / 2 Và cuối cùng,

Pn = 2

[M]0 q [In]0

Nồng độ monomer [M] 0 =

Nồng độ chất khơi mào

100  1.60 mol/l. 0.600  104

[In]0 =

0.234 0.042 = = 3.04 103 0.600  128 0.600  22.99

Thay thế các giá trị này vào ta được

Pn = 2

q[ M ]0 0.589 1.60 =2 = 620 , [ In]0 3.04 103

Khối lượng phân tử của polyme tổng hợp là Pn∙104 = 64480 g/mol.

mol/l.

3. a) Kiểu tắt mạch

Cơ chế gốc tự do

Các phần khác nhau tổ hợp lại

+

Các phần giống nhau tổ hợp lại

+

Cơ chế anionic Không khả thi với hầu hết monome – Khả thi với hầu hết các dung môi, ví

Chuyển mạch đến dung môi

+

dụ amoniac lỏng. Lượng vết nước và axit trong hỗn hợp phản ứng có thể làm ngưng sự phát triển mạch.

Chuyển mạch đến monome

+

–

3. b) Khác với gốc tự do, quá trình polyme hóa anionic có thể xảy ra mà không cần đến sự tát mạch. Như vậy các tâm hoạt động ở mỗi đầu đều vẫn còn nguyên vẹn cho đến khi hoàn tất quá trình. Nếu sự khơi mào nhanh hơn phát triển mạch thì tất cả các đoạn mạch đều có cùng độ dài, điều này sẽ làm hẹp lại khoảng phân bố khối lượng phân tử. 3. c) Tốc độ của quá trình polyme hóa anionic phụ thuộc vào độ mạnh của tương tác gữa cacbanion phát triển mạch và đối ion của nó. Khả năng tương tác của dung môi với đối ion càng thấp thì tốc độ phản ứng polyme hóa càng giảm. Benzen có ái lực thấp nhất đối với việc solvat hóa các ion kim loại kiềm. Kết quả là nó khó solvat hóa ion kim loại kiềm.1,4-Dioxan có cấu trúc đối xứng và momen lưỡng cực bằng 0 nên khả năng solvat hóa chỉ có thẻ khá hơn benzen một chút. THF có 1 nguyên tử oxy nên có độ phân cực cao kết quả là nó solvat hóa ion kim loại kiềm tốt hơn dioxan. Dimetoxyetan là phân tử kém bền có hai chức ete nên có khả năng tạo phức chelat với ion kim loại kiềm. Như vậy tốc độ của phản ứng polyme hóa anionic tăng theo thứ tự. benzene < 1,4-dioxane < tetrahydrofuran < dimethoxyethane 3. d) Tương tác tĩnh điện mạnh giữa cation kim loại kiềm và anion lớn sẽ làm giảm khả năng phát triển mạch. Giá trị hằng số tương tác phụ thuộc vào kích thước đối ion, cation có bán kính lớn sẽ có tương tác nhỏ. Bán kính anion tăng theo chiều Na+ < K+ < Cs +. Tốc độ của quá trình trùng hợp anionic cũng tăng theo chiều đó.

Olympic Hóa học quốc tế lần thứ 39 năm 2007 Để tổng hợp các đại phân tử có cấu trúc phức tạp cần phải sử dụng nhiều cách khác nhau: dùng các kiểu polyme hóa khác nhau, các chất khơi mào khác, dung môi khác và điều kiện khác, đồng trùng hợp các monome khác nhau cũng như thay đổi polyme thu được. Một số thí dụ về các polyme đồng trùng hợp cho ở bảng dưới.

Kiểu đồng trùng hợp

Mô hình cấu trúc

Khối

AAAAAAAAAAAABBBBBBBBBBBBBB

Luân phiên

ABABABABABABABAB

Ký hiệu viết tắt poly(A)-block-poly(B) poly(A-alt-B), poly(AB)

Thống kê

AABABAABBBAABBBABAABABAAB

poly(A-stat-B)

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

Nhánh

Gradient

B B B B B B

B B B B B B

B B B B B B

poly(A)-graft-poly(B)

AAAAABAAABAABBABABBBBABBBB

poly(A-grad-B)

Khi phát triển kỹ thuật đồng trùng hợp điều quan trọng là phải lưu ý đến khả năng phản ứng của các monome. Động học phản ứng đồng trùng hợp có thể được mô tả bằng một dãy các phản ứng sơ cấp với các hằng số tốc độ cho trước. Trong trường hợp phản ứng đồng trùng hợp hai gốc tự do sẽ xảy ra bốn phản ứng sơ cấp của quá trình phát triển mạch (mô hình đơn vị cuối).

k11 R1

+

M1

R1

k21 R2

+

M1

R1

k12 R1

+

M2

R2

k22 R2

+

M2

R2

Tốc độ tương đối của các monome trong quá trình đồng trùng hợp được đặc trưng bởi tỉ số giữa hằng số tốc độ của sự thêm vào chúng với gốc lớn đã có: r1



k11 k12

, và r2



k22 k21

. Các tỉ lệ này còn

được xem như là hằng số đồng trùng hơp (giá trị r luôn nằm giữa zero và đơn vị). Ví dụ đối với styren và anhydrit maleic hằng số đồng trùng hợp tương ứng là 0.04 và 0.01. Thỉnh thoảng có sự áp dụng cách tương tự để định nghĩa hằng số đồng trùng hợp của hai ion. 1. Hoàn thành các phản ứng polyme hóa sau và vẽ cấu trúc các chất từ X1 – X7. Cho biết cấu trúc đầy đủ cũng như cấu trúc thu gọn của tất cả các polyme đồng trùng hợp. Ở cấu trúc thu gọn ký hiệu đơn vị styren là St, đơn vị etylen oxit EO, đơn vị vinyl alcol units là VA, và anhydrit maleic là MA. Sử dụng các ký hiệu viết tắt cho trên nếu cần. a)

H2C H2C

O Na X1

X2

X3

X4

b)

1) a Na (a