Chuyển vị [1,7]-sigmatropic ([1,7]-Sigmatropic Rearrangement)

7

Cơ chế phản ứng

Chuyển vị [1,7]-sigmatropic thường xảy ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng, tuân theo quy tắc Hückel (hệ thơm). Điều này có nghĩa là trạng thái chuyển tiếp có (4n + 2) electron π, với n là một số nguyên không âm (thường là n=1, tức 6 electron π trong vòng chuyển tiếp). Quá trình này có thể diễn ra theo hai con đường lập thể:

• Suprafacial (Trên cùng một mặt): Nhóm di chuyển (thường là H) và liên kết σ mới hình thành ở cùng một phía của hệ thống π. Trong chuyển vị [1,7], con đường suprafacial thường bị cản trở do yêu cầu về hình học của trạng thái chuyển tiếp.
• Antarafacial (Khác mặt): Nhóm di chuyển (thường là H) và liên kết σ mới hình thành ở hai phía khác nhau của hệ thống π. Chuyển vị [1,7] thường ưu tiên con đường antarafacial, mặc dù có vẻ “ngược” lại so với các chuyển vị [1,j] khác (ví dụ [1,3] hay [1,5]), do yếu tố orbital: sự xen phủ orbital trong trạng thái chuyển tiếp antarafacial [1,7] là thuận lợi (cùng pha), trong khi ở suprafacial thì sự xen phủ là không thuận lợi (ngược pha).

Ví dụ điển hình

Một ví dụ kinh điển của chuyển vị [1,7]-sigmatropic là sự chuyển hóa nhiệt của previtamin D3 thành vitamin D3. Trong phản ứng này, một nguyên tử hydro (liên kết C-H) di chuyển từ vị trí C9 (đánh số theo danh pháp steroid, không phải vị trí 1 và 7 trong chuyển vị) sang vị trí của nhóm methyl ban đầu (gắn ở C10, cũng theo danh pháp steroid), tạo thành một liên kết đôi C=C mới giữa C9-C10. Phản ứng này xảy ra theo cơ chế antarafacial.

$Previtamin~D_3 \xrightarrow{\Delta} Vitamin~D_3$

Điều kiện phản ứng

Chuyển vị [1,7]-sigmatropic thường cần nhiệt độ để diễn ra. Ánh sáng, mặc dù cũng có thể gây ra một số chuyển vị [1,j] sigmatropic, thường không hiệu quả với chuyển vị [1,7]. Sự có mặt của các nhóm thế đẩy electron hoặc rút electron trên hệ thống π có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc vị trí của phản ứng, nhưng ảnh hưởng này không quá lớn và thường khó dự đoán một cách chính xác.

Tính lập thể

Chuyển vị [1,7]-sigmatropic, đặc biệt là sự di chuyển của hydro, thường là một phản ứng có tính lập thể cao (stereospecific). Tính lập thể của sản phẩm phụ thuộc vào cơ chế của phản ứng (suprafacial hay antarafacial) và cấu hình của chất phản ứng. Với chuyển vị [1,7]-sigmatropic, con đường antarafacial thường được ưu tiên, dẫn đến sự nghịch đảo cấu hình (inversion) tại trung tâm di chuyển (nếu trung tâm đó là một trung tâm bất đối).

Ứng dụng

Chuyển vị [1,7]-sigmatropic là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ. Nó có thể được sử dụng để tạo thành các liên kết C-C, C-H và C-dị tố mới, cũng như để sắp xếp lại các hệ thống π phức tạp. Ngoài ứng dụng quan trọng trong tổng hợp vitamin D3, phản ứng này còn được sử dụng trong tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ khác, bao gồm các tecpen và steroid, các hợp chất có hoạt tính sinh học.

Tóm tắt

Chuyển vị [1,7]-sigmatropic là một loại phản ứng pericyclic quan trọng, với các ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ. Hiểu rõ cơ chế, tính lập thể và các yếu tố ảnh hưởng của phản ứng này là điều cần thiết để thiết kế và thực hiện các chiến lược tổng hợp hiệu quả.

So sánh với chuyển vị [1,5]-sigmatropic

Cả chuyển vị [1,5]- và [1,7]-sigmatropic đều là các phản ứng pericyclic, nhưng chúng khác nhau về một số khía cạnh quan trọng. Chuyển vị [1,5]-sigmatropic thường xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn và thường được ưu tiên về mặt nhiệt động lực học. Chúng thường xảy ra theo cơ chế suprafacial, trong khi chuyển vị [1,7]-sigmatropic, ở hệ mạch hở, lại ưu tiên cơ chế antarafacial. Sự khác biệt này là do các yêu cầu về sự xen phủ orbital trong trạng thái chuyển tiếp: [1,5] cho phép xen phủ thuận lợi khi suprafacial, còn [1,7] thì ngược lại (antarafacial mới thuận lợi). Tất nhiên, nếu hệ đủ lớn và linh động, chuyển vị [1,7]-suprafacial vẫn có thể xảy ra.

Ảnh hưởng của các nhóm thế

Các nhóm thế trên hệ thống π có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ và tính chọn lọc vị trí của chuyển vị [1,7]-sigmatropic. Các nhóm rút electron thường làm tăng tốc độ phản ứng (do làm giảm mật độ electron trên hệ, giảm năng lượng của orbital HOMO, gần hơn với năng lượng của orbital chứa cặp electron của liên kết sigma di chuyển), trong khi các nhóm đẩy electron thường làm giảm tốc độ phản ứng. Vị trí của các nhóm thế cũng có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc vị trí (regioselectivity) của phản ứng, tức là vị trí mà liên kết σ mới được hình thành.

Các biến thể của chuyển vị [1,7]-sigmatropic

Ngoài chuyển vị [1,7]-sigmatropic nhiệt cổ điển, còn có một số biến thể khác của phản ứng này, bao gồm:

• Chuyển vị [1,7]-sigmatropic xúc tác kim loại: Một số kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như palladium và rhodium, có thể xúc tác cho chuyển vị [1,7]-sigmatropic. Cơ chế thường liên quan đến sự tạo phức của kim loại với hệ π.
• Chuyển vị [1,7]-sigmatropic quang hóa: Ánh sáng có thể được sử dụng để khởi tạo chuyển vị [1,7]-sigmatropic trong một số trường hợp. Cơ chế phản ứng quang hóa thường khác với cơ chế nhiệt. Ví dụ, chuyển vị [1,7]-sigmatropic quang hóa của 1,3,5-hexatriene có thể xảy ra theo cơ chế suprafacial (do quy tắc Woodward-Hoffmann cho phép với kích thích quang hóa). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng, chuyển vị quang hóa [1,7] không phổ biến như chuyển vị nhiệt.

Ví dụ thêm về chuyển vị [1,7]-sigmatropic

Một ví dụ khác là chuyển vị của *cis*-1,3,5-heptatriene thành *trans*-1,3,5-heptatriene khi được đun nóng. Đây là một ví dụ về chuyển vị [1,7] của hydro.

$cis-1,3,5-heptatriene \xrightarrow{\Delta} trans-1,3,5-heptatriene$

Báo cáo nội dung bị lỗi