Chuyển vị [2,3]-sigmatropic ([2,3]-Sigmatropic Rearrangement)

Cơ chế

Chuyển vị [2,3]-sigmatropic diễn ra theo cơ chế đồng bộ, nghĩa là việc phá vỡ liên kết và hình thành liên kết diễn ra đồng thời trong một bước duy nhất thông qua trạng thái chuyển tiếp vòng. Phản ứng này tuân theo các quy tắc Woodward-Hoffmann, cho phép dự đoán tính lập thể của sản phẩm dựa trên số lượng electron π tham gia vào quá trình chuyển vị. Do phản ứng [2,3]-sigmatropic liên quan đến 6 electron (4n + 2 với n = 1; 2 electron từ liên kết σ và 4 electron từ hệ allylic hoặc tương đương), nó được phân loại là phản ứng nhiệt cho phép và suprafacial (xảy ra trên cùng một mặt phẳng) theo quy tắc Woodward-Hoffmann. Trạng thái chuyển tiếp thường có dạng hình học bao năm cạnh.

Ví dụ

Một ví dụ điển hình của chuyển vị [2,3]-sigmatropic là sự chuyển vị của các allyl sulfoxide thành allyl sulfenate:

$R-CH=CH-CH_2-S(=O)-R’ \rightarrow R-CH(S-O-R’)-CH=CH_2$

Trong ví dụ này, liên kết C-S là liên kết σ di chuyển, và hệ allyl (C=C-C) là hệ π ba nguyên tử. Nguyên tử lưu huỳnh (S) di chuyển từ vị trí thứ nhất sang vị trí thứ ba của hệ allyl, trong khi liên kết đôi C=C di chuyển sang vị trí thứ hai.

Một ví dụ khác là sự chuyển vị của các allyl amine oxide hoặc các nitron (chuyển vị Meisenheimer):

$R_2C=CH-CH_2-N^+(R’)-O^- \rightarrow R_2C(O-R’)-CH=CH_2$

(Với amine oxide, các nhóm R’ trên N là các gốc alkyl hoặc aryl; với nitron, một trong các nhóm R’ trên N là O)

Ngoài ra, chuyển vị [2,3]-Wittig cũng là một ví dụ quan trọng:

$R_2C=CH-CH_2-O-CHR’-Li \rightarrow R_2C(O-Li)-CH=CHR’$

Ứng dụng

Chuyển vị [2,3]-sigmatropic có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong việc tổng hợp các hợp chất dị vòng và các sản phẩm tự nhiên phức tạp. Phản ứng này được sử dụng rộng rãi để hình thành liên kết carbon-carbon và carbon-heteroatom mới một cách có chọn lọc lập thể. Tính lập thể đặc trưng của phản ứng cho phép kiểm soát tốt sự hình thành đồng phân trong sản phẩm, khiến nó trở thành một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp bất đối xứng.

Tóm tắt

• Chuyển vị [2,3]-sigmatropic là phản ứng pericyclic đồng bộ.
• Liên quan đến sự di chuyển của một liên kết σ qua hệ π ba nguyên tử.
• Tuân theo quy tắc Woodward-Hoffmann (phản ứng nhiệt cho phép, suprafacial).
• Ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong tổng hợp các hợp chất có tính lập thể xác định.

Hy vọng bài viết này cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quan về chuyển vị [2,3]-sigmatropic.

Lập thể hóa học

Chuyển vị [2,3]-sigmatropic thường diễn ra với sự ưu tiên nghịch đảo cấu hình tại nguyên tử di chuyển (thường là nguyên tử trung tâm của nhóm thế). Điều này có nghĩa là nếu nguyên tử di chuyển là một trung tâm bất đối (chiral), cấu hình của nó *có xu hướng* sẽ bị đảo ngược trong sản phẩm (tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào cấu trúc vòng của trạng thái chuyển tiếp). Ví dụ, nếu nguyên tử lưu huỳnh trong ví dụ chuyển vị allyl sulfoxide ở trên là chiral, cấu hình *R* của nó *có thể* chuyển thành cấu hình *S* trong sản phẩm allyl sulfenate (hoặc ngược lại). Sự nghịch đảo, hay không nghịch đảo, lập thể này là kết quả của trạng thái chuyển tiếp vòng năm cạnh, tuân theo quy tắc Woodward-Hoffmann, và sự tương tác của các orbital trong trạng thái chuyển tiếp. Tuy nhiên, mức độ nghịch đảo còn phụ thuộc vào các yếu tố không gian và các nhóm thế xung quanh.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất của chuyển vị [2,3]-sigmatropic, bao gồm:

• Bản chất của nhóm X di chuyển: Các nhóm có khả năng ổn định điện tích âm tốt hơn (ví dụ, do hiệu ứng rút điện tử như -SO-R, hoặc do hiệu ứng liên hợp) thường di chuyển dễ dàng hơn các nhóm đẩy điện tử, do chúng làm bền hóa trạng thái chuyển tiếp.
• Bản chất của hệ π: Hệ π liên hợp càng mở rộng, phản ứng diễn ra càng dễ dàng, do sự ổn định của trạng thái chuyển tiếp được tăng cường.
• Nhiệt độ: Phản ứng [2,3]-sigmatropic thường được thực hiện ở nhiệt độ cao để vượt qua năng lượng hoạt hóa. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến các phản ứng phụ.
• Dung môi: Sự lựa chọn dung môi cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, đặc biệt là khả năng solvat hóa các chất tham gia và trạng thái chuyển tiếp. Các dung môi phân cực thường được sử dụng.
• Xúc tác: Trong một số trường hợp, các acid Lewis có thể được sử dụng để xúc tác cho phản ứng [2,3]-sigmatropic.

So sánh với các chuyển vị sigmatropic khác

Chuyển vị [2,3]-sigmatropic khác với các chuyển vị sigmatropic khác, chẳng hạn như chuyển vị [1,3]-sigmatropic và chuyển vị [3,3]-sigmatropic (như chuyển vị Cope và Claisen), về số lượng nguyên tử tham gia vào quá trình chuyển vị và các quy tắc Woodward-Hoffmann chi phối chúng. Chuyển vị [1,3]-sigmatropic là phản ứng nhiệt bị cấm (forbidden) theo quy tắc Woodward-Hoffmann và thường yêu cầu xúc tác quang hóa để xảy ra (hoặc qua các con đường không pericyclic), trong khi chuyển vị [3,3]-sigmatropic là phản ứng nhiệt cho phép (allowed). Chuyển vị [2,3]-sigmatropic, như đã đề cập, là phản ứng nhiệt cho phép.

Ví dụ bổ sung về chuyển vị [2,3]-sigmatropic trong tổng hợp hữu cơ

• Tổng hợp các alkaloid: Chuyển vị [2,3]-sigmatropic đã được sử dụng để tổng hợp các alkaloid phức tạp, như morpholine, piperidine, và các alkaloid khác có khung dị vòng.
• Tổng hợp các sản phẩm tự nhiên: Nhiều sản phẩm tự nhiên, bao gồm terpenoid, steroid, prostaglandin, và các hợp chất khác, có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng chuyển vị [2,3]-sigmatropic như một bước then chốt trong quá trình tổng hợp. Phản ứng này cho phép tạo ra các trung tâm bất đối mới một cách có kiểm soát.
• Tổng hợp các hợp chất dị vòng: Như đã đề cập, đây là ứng dụng rất phổ biến của chuyển vị [2,3].

• Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, 7th ed.; Wiley: Hoboken, NJ, 2013.
• Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms, 5th ed.; Springer: New York, 2007.
• Anslyn, E. V.; Dougherty, D. A. Modern Physical Organic Chemistry; University Science Books: Sausalito, CA, 2006.
• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function, 8th ed.; W. H. Freeman: New York, 2018.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài các allyl sulfoxide và amin ylid, còn có những loại hợp chất nào khác có thể trải qua chuyển vị [2,3]-sigmatropic?

Trả lời: Nhiều loại hợp chất khác cũng có thể trải qua chuyển vị [2,3]-sigmatropic, bao gồm allyl selenoxide, allyl telluroxide, propargyl sulfoxide, allyl ammonium ylid, và các carbanion allylic được ổn định bởi các nhóm rút electron.

Trạng thái chuyển tiếp của chuyển vị [2,3]-sigmatropic có dạng như thế nào và tại sao nó lại dẫn đến sự đảo ngược lập thể tại nguyên tử di chuyển?

Trả lời: Trạng thái chuyển tiếp là một vòng sáu cạnh với sự chồng chéo orbital giữa liên kết σ di chuyển và hệ π ba nguyên tử. Sự chồng chéo này diễn ra theo kiểu suprafacial đối với liên kết σ và antarafacial đối với hệ π (hoặc ngược lại, nhưng ít phổ biến hơn). Chính sự sắp xếp antarafacial này, yêu cầu sự tấn công từ phía đối diện của hệ π, dẫn đến sự đảo ngược lập thể tại nguyên tử di chuyển.

Làm thế nào để phân biệt giữa chuyển vị [2,3]-sigmatropic và chuyển vị [1,3]-sigmatropic trong một phản ứng cụ thể?

Trả lời: Có thể phân biệt dựa trên số lượng nguyên tử giữa vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của nhóm di chuyển. Trong chuyển vị [2,3]-sigmatropic, nhóm di chuyển hai nguyên tử trong một phần và ba nguyên tử trong phần còn lại. Trong chuyển vị [1,3]-sigmatropic, nhóm di chuyển một nguyên tử trong một phần và ba nguyên tử trong phần còn lại. Ngoài ra, chuyển vị [1,3] thường yêu cầu xúc tác quang hóa, trong khi [2,3] thường là phản ứng nhiệt.

Có những phương pháp nào để xúc tác chuyển vị [2,3]-sigmatropic? Và tại sao chúng ta lại cần xúc tác?

Trả lời: Mặc dù chuyển vị [2,3]-sigmatropic thường diễn ra dưới điều kiện nhiệt, xúc tác kim loại chuyển tiếp, đặc biệt là các phức palladium và rhodium, có thể được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng hoặc thay đổi tính chọn lọc lập thể. Xúc tác có thể làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, cho phép nó diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn hoặc với hiệu suất cao hơn.

Chuyển vị [2,3]-sigmatropic có ứng dụng gì trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên? Cho một vài ví dụ cụ thể.

Trả lời: Chuyển vị [2,3]-sigmatropic là một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên. Nó được sử dụng trong việc tổng hợp nhiều alkaloid, terpenoid và các sản phẩm tự nhiên khác. Ví dụ, nó được sử dụng trong tổng hợp (+)-aspidospermidine, một alkaloid indole phức tạp, và trong tổng hợp một số prostaglandin, một nhóm các hormone lipid có hoạt tính sinh học cao.