Chuyển vị trong Hóa hữu cơ

CHUYỂN VỊ TRONG HÓA HỮU CƠ Phản ứng chuyển vị là sự dời chuyển nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí này sang vị trí khác của mạch cacbon gây ra sự thay đổi mạch cacbon hay bảo toàn mạch cacbon. Phản ứng chuyển vị rất đa dạng phong phú, thường xảy ra trong các quá trình thế, tách hay cộng qua những chất trung gian như cacbocation hay cacbanion. Có thể phân biệt 3 loại chuyển vị chủ yếu sau đây: I. Sự chuyển vị 1,2 nucleophin: Chuyển vị nucleophin là những quá trình chuyển vị trong đó nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) chuyển dịch tới một trung tâm đang thiếu hụt electron, mang theo cả cặp e liên kết. Hợp chất hữu cơ tham gia chuyển vị có thể là ion hay phân tử. Thường vị trí chuyển vị (A) là nguyên tử C, còn vị trí chuyển đến (B) có thể là C, O, N... I.1. Sự chuyển vị đến nguyên tử C: I.1.1 Chuyển vị Wagner-Meerwein: Trong quá trình thế và tách nucleophin đơn phân tử cũng như quá trình cộng electronphin vào liên kết bội đều sinh ra cacbocation. Những cacbocation đó có thể tham gia chuyển vị làm cho 1 nguyên tử H hay nhóm akyl hay aryl ở vị trí a đối với C(+) chuyển dịch đến C(+) đó. Ví dụ: Sự chuyển vị đó có thể xảy ra không ở ancol mà còn ở nhiều loại hợp chất khác như dẫn xuất halogen, amin, hidrocacbon... I.1.2. Chuyển vị pinacolic: Sự chuyển vị như ở trên có thể xảy ra đối với bất kỳ hợp chất nào có khả năng tạo ra cacbocation tương tự như (I). Ví dụ: Vì nhóm bị chuyển vị mang theo cả cặp electron liên kết như một tác nhân nucleophin cho nên khi có 2 nhóm thế, nhóm dể bị chuyển dịch hơn là nhóm có tính đẩy electron mạnh hơn. Ví dụ: 94% 6% Trong các pinacol không đối xứng hướng chuyển vị thường được qui định bởi khả năng tách nhóm OH tức là bởi độ ổn định tương đối của cacbocation trung gian. Vì vậy trong phản ứng dưới đây không phải nhóm p-anizyl mà chính nhóm phenyl chửên vị là chủ yếu. 28% 72% Ngoài ra hướng chuyển vị còn phụ thuộc vào các yếu tố không gian. Ví dụ như khả năng chuyển vị của o-anzyl kém p-anizyl hơn 1500 lần. I.1.3.Chuyển vị Vont. Xuất phát từ phương pháp điều chế chuyển hoá axit cacboxylic thành đồng đẳng. Diazometan cũng có thể kết hợp với andehit hay xeton cho phản ứng chuyển vị. I.1.4. Chuyển vị benzilic. Là phản ứng chuyển hoá a-dixeton trong môi trường bazơ thành a-hiđroxyaxit. Ngoài những xeton thơm, một số dixeton béo và xetoaxit cũng tham gia chuyển vị benzilic. I.2. Sự chuyển vị đến nguyên tử nitơ I.2.1. Các phản ứng chuyển vị Hofmann, Curtius, Lossen, Schmidt Đặc điểm chung các phản ứng chuyển vị này là tạo ra một cacbenoit trung gian và nhóm ankyl hoặc aryl trong cacbenoit đó chuyển dịch nội phân tử đến nguyên tử nitơ thiếu hụt electron. * Chuyển vị Hofmann: * Sự chuyển vị Curtus: Xảy ra khi phản ứng tách bằng nhiệt azit của axit cacboxylic: Nếu sự chuyển vị được tiến hành trong môi trường trơ ta có thể cho phản ứng dừng ở sản phẩm izoxyanat, nhưng nếu thực hiện trong dung môi có hidro linh động ta sẽ được sản phẩm chuyển hoá izoxyanat (thường là amin) Curtius Rearrangement The Curtius Rearrangement is the thermal decomposition of carboxylic azides to produce an isocyanate. These intermediates may be isolated, or their corresponding reaction or hydrolysis products may be obtained. The reaction sequence - including subsequent reaction with water which leads to amines - is named the Curtius Reaction. This reaction is similar to the Schmidt Reaction with acids, differing in that the acyl azide in the present case is prepared from the acyl halide and an azide salt. Mechanism of the Curtius Rearrangement Preparation of azides: Decomposition: Reaction with water to the unstable carbamic acid derivative which will undergo spontaneous decarboxylation: Isocyanates are versatile starting materials: * Sự chuyển vị Lossen: Tương tự như trong phản ứng Hofmann, trong sự chuyển vị Lossen muối của axit hydroxamic hoặc hợp chất tương tự bị phân tích trong môi trường kiềm thành izoxyanat. * Chuyển vị Schmidt: Là một biến dạng của chuyển vị Hofmann và Curtus nhưng đi từ sản phẩm cộng của azit và olefin hoặc giữa axit cacboxylic với axit hidrazoic. Ngay sản phẩm cộng của azit với anđehit hay xeton cũng chuyển thành azometin và chịu chuyển hóa tiếp theo trong môi trường khác nhau. Sản phẩm cộng azit với axit cacboxylic cũng qua phản ứng chuyển vị trên cho amin kém một cacbon so với axit. I.2.2. Chuyển vị Beckmann: Chuyển vị Bekman là quá trinh chuyển hóa xetoxim hoặc các dẫn xuất O – axyl của chúng tạo thành amit thế: Ta có thể mô tả cơ chế của sự chuyển vị Beckmann bằng sơ đồ sau: Những dẫn xuất loại R2C=N-X (X là OCOR, OTs ...) tham gia phản ứng chuyển vị dể hơn, do dể tách anion axit bền hơn. I.3. Sự chuyển vị đến nguyên tử oxi: I.3.1 Chuyển vị Bayer – Villiger Trong phản ứng oxi hóa xeton bằng peaxit xúc tác bằng axit: Cơ chế phản ứng đựợc mô tả như sau: I.3.2. Chuyển vị peoxit: Khi phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ peoxit trong môi trường axit người ta thấy có hiện tượng chuyển vị tương tự chuyển vị Bayer – Villiger. Phản ứng tiêu biểu là phản ứng oxi hoá cumen: Phản ứng oxi hóa một dẫn xuất hiđroxy hoặc dẫn xuất amino của benzandehit nhờ peoxit hiđro để thay thế nhóm –CHO bằng nhóm –OH cũng là một trường hợp của chuyển vị peoxit. II. Sự chuyển vị 1, 2 electrophin và đồng ly: II.1. Sự chuyển vị 1,2 electrophin: Phản ứng chuyển vị electrophin là những quá trình xảy ra với nhóm chuyển vị thiếu electron hay mang điện tích dương tới trung tâm có mật độ electron lớn hay mang điện tích âm. Phản ứng thường có tác dụng của bazơ và theo cơ chế electrophin do tấn công của trung tâm electrophin vào trung tâm nucleophin. Nhóm chuyển dịch đó sẽ tạo liên kết mới bằng cách phối trí với cặp electron chưa sử dụng ở trung tâm chuyển đến (B) trong khi đó cặp electron ở lại trung tâm chuyển đi (A) sẽ kết hợp với proton, phản ứng thường có tác dụng của bazơ. Dưới đây là một số phản ứng chuyển vị electrophin quan trọng: II.1.1 Chuyển vị Stevens: Sự chuyển vị nhóm ankyl hoặc aryl từ nguyên tử nitơ (hoặc lưu huỳnh) của nhóm amoni (hoặc sunfoni) sang nguyên tử C bên cạnh gọi là sự chuyển vị Stevens. Z thường là những nhóm hút electron như R’CO, R’OOC, ...Còn nhóm chuyển dịch R thường là alyl, benzyl... Phản ứng xảy ra như là thế electrophin nội phân tử qua chất trung gian cacbanion, phản ứng xảy ra với sự bảo toàn cấu hình dời chuyển, với sự tạo thành liên kết C – C và phân cắt liên kết C – N đồng thời. II.1.2. Chuyển vị Wittig: Sự chuyển vị ở một ête làm đứt liên kết C – C được gọi là chuyển vị Wittig. Để thực hiện quá trình này ta phải dùng những bazơ mạnh như phenyl liti, amiđua natri, ... Sự dời chuyển giảm dần theo dãy các nhóm thế sau: CH2=CHCH3, C6H5CH2 > CH3, C2H5, p-O2NC6H4 > C6H5 II.2. Sự chuyển vị 1,2 đồng ly: Tương tự sự chuyển vị ở một cacbocation, ta có thể khái quát hoá sự chuyển vị ở một gốc tự do bằng sơ đồ: Gốc tự do mới sinh ra phải tự bền vững hoá bằng các phản ứng tiếp theo. Hướng chuyển vị là tạo ra các gốc tự do tương đối bền vững hơn. II.2.1. Chuyển vị aryl 1,2: Loại chuyển vị gốc tự do tương đối phổ biến hơn cả là chuyển vị nhóm aryl từ vị trí 1 sang vị trí 2. Ví dụ: Khi có mặt chất khơi mào, (CH3)3C-O-O-(CH3)3 trong clobenzen sẽ bị phân huỷ đồng thời làm chuyển dịch nhóm phenyl: Khơi mào: (CH3)3C-O-O-(CH3)3 (CH3)3C-O. (RO.) Phản ứng: Chuyển vị: Bền vững hóa: Hoặc Ngoài các sản phẩm trên trong một số trường hợp còn thu được cả sản phẩm đime hóa gốc (A). II.2.2. Chuyển vị halogen 1,2: Khi clo hóa bromua izopropyl bằng t – C4H9OCl ta được hỗn hợp sản phẩm gồm CH3CHClCH2Br và (CH3)2CClBr: Sự tạo thành CH3CHClCH2Br cho thấy có sự chuyển vị gốc tự do trung gian theo sơ đồ: III. Sự chuyển vị từ nhóm thế vào vòng thơm: Phần lớn những phản ứng chuyển vị vào vòng thơm là những phản ứng chuyển dịch một nhóm X từ dị nguyên tử Z vào vị trí ortho hoặc para vủa vòng. Ở đây Z = O khi X = ankyl, aryl, . Z = N khi X = ankyl, halogen, hiđroxy, nitro, nitrozo, azo, sunfo, Hầu hết các phản ứng chuyển vị trên được xúc tác bằng axit và sự tấn công của nhóm X vào vòng thơm có tính cách một phản ứng thế electrophin. Ta gọi đó là phản ứng chuyển vị electrophin vào vòng thơm. Những phản ứng chuyển vị nucleophin vào vòng thơm (ví dụ chuyển vị nhóm OH ở phenylhiđroxylamin) tương đối ít gặp. III.1. Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm: III.1.1 Chuyển vị Frai: Khi có tác dụng của axit Lewis (AlCl3, ZnCl2, FeCl3.) nhóm axyl trong este của phenol chuyển dịch vào vị trí ortho, para của vòng: R là ankyl hoặc alyl Người ta cho rằng quá trình chuyển vị Frai tương tự quá trình axyl hóa theo Friden – Crap. Dưới tác dụng của chất xúc tác, este tạo ra cation axyli , cation này sẽ tấn công vào các vị trí ortho, para của vòng thơm: Phản ứng Frai luôn tạo ra hỗn hợp hai sản phẩm đồng phân. Nhiệt độ thấp thuận lợi cho sự tạo thành đồng phân para. Ví dụ: Khi vị trí para đã bị chiếm thì chỉ tạo thành sản phẩm ortho. Ví dụ: III.1.2. Chuyển vị Claizen Khi đun nóng các alyl aryl ete sẽ chuyển thành ortho-alylphenol theo một phản ứng gọi là chuyển vị Claizen. Ví dụ: Phản ứng theo cơ chế nội phân tử như sau: III.2. Sự chuyển vị nguyên tử nitơ vào vòng thơm III.2.1. Chuyển vị nhóm ankyl Khi đun nóng các muối halogenhiđrat của arylankylamin, nhóm ankyl sẽ chuyển dịch đến vị trí ortho hoặc para của nhân thơm. Ví dụ: Có lẽ phản ứng bắt đầu bằng một quá trình thế nucleophin dể tách dẫn xuất halogen RHal ra khỏi muối halogenhydrat, sau đó RHal sẽ tác dụng với nhân thơm theo cơ chế thế electrophin. Ví dụ: III.2.2 Chuyển vị nguyên tử halogen Sự chuyển vị nguyên tử halogen từ nguyên tử nitơ vào vòng benzen gọi là chuyển vị Octơn. Khi đun nóng N-cloaxetanilit trong axit axetic hoặc nước có mặt hidro clorua ta được octo và p-cloaxetanilit Phản ứng xảy ra theo cơ chế: III.2.3. Chuyển vị nhóm aylazo Phản ứng tiêu biểu của chuyển vị nhóm arylazo là phản ứng chuyển hoá điazoaminobenzen thành p-aminoazobenzen. Phản ứng xảy ra theo cơ chế electrophin như sau: III.2.4. Chuyển vị nhóm nitrozo (chuyển vị Fisơ – Hep) Khi có mặt của axit clohiđric, nhóm nitrozo của nitrozamin thơm chuyển dịch vào nhân thơm. Cơ chế của chuyển vị Fisơ-Hep tương tự cơ chế của chuyển vị Octon: III.2.5. Chuyển vị benziđin Khi cho axit mạnh tác dụng lên hyđrazobenzen sẽ xảy ra sự chuyển vị làm đứt liên kết N-N và hình thành liên kết C – C tạo ra benziđin. Trong phản ứng chuyển vị hiđrazobenzen ngoài benziđin là sản phẩm của sự tổ hợp p, p’ ta còn được sản phẩm của sự tổ hợp o, p’ và những lượng rất nhỏ các sản phẩm tổ hợp khác. Phản ứng xảy ra theo cơ chế đề nghị như sau: I. Sự chuyển vị 1,2 nucleophin. I.1. Sự chuyển vị đến nguyên tử C. I.1.1 Chuyển vị Wagner-Meerwein. I.1.2. Chuyển vị pinacolic. I.1.3.Chuyển vị Vontơ. I.1.4. Chuyển vị enzilic. I.1.5. Chuyển vị benzilic. I.2. Sự chuyển vị đến nguyên tử nitơ I.2.1. Các phản ứng chuyển vị Hofmann, Curtius, Lossen, Schmidt I.2.2. Sự chuyển vị Beckmann I.3. Sự chuyển vị đến nguyên tử oxi. I.3.1 Chuyển vị Bayer – Villiger I.3.2. Chuyển vị peoxit. II. Sự chuyển vị 1, 2 electrophin và đồng ly. II.1. Sự chuyển vị 1,2 electrophin. II.1.1 Chuyển vị Stevens. II.1.2. Chuyển vị Wittig. II.2. Sự chuyển vị 1,2 đồng ly. II.2.1. Chuyển vị aryl 1,2. II.2.2. Chuyển vị halogen 1,2. III. Sự chuyển vị từ nhóm thế vào vòng thơm. III.1. Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm. III.1.1 Chuyển vị Frai. III.1.2. Chuyển vị Claizen. III.2. Sự chuyển vị nguyên tử nitơ vào vòng thơm. III.2.1. Chuyển vị nhóm ankyl. III.2.2 Chuyển vị nguyên tử halogen. III.2.3. Chuyển vị nhóm aylazo. III.2.4. Chuyển vị nhóm nitrozo (chuyển vị Fisơ – Hep). III.2.5. Chuyển vị benziđin.