Chuyển vị Cope (Cope rearrangement)

Chuyển vị Cope là một phản ứng hữu cơ kinh điển, thuộc loại phản ứng [3,3]-sigmatropic rearrangement. Phản ứng này liên quan đến sự chuyển vị đồng phân của 1,5-dien thành một 1,5-dien đồng phân khác thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh. Phản ứng này diễn ra hoàn toàn theo cơ chế nhiệt, không cần xúc tác.

Cơ chế

Phản ứng chuyển vị Cope là một phản ứng phối hợp pericyclic, nghĩa là các liên kết bị phá vỡ và hình thành đồng thời trong một bước duy nhất. Trạng thái chuyển tiếp có dạng vòng sáu cạnh, trong đó cả sáu nguyên tử cacbon đều lai hóa sp². Có thể hình dung sự chuyển vị này như sự “trượt” của một liên kết đôi từ vị trí 1,2 sang vị trí 3,4 và đồng thời liên kết đôi ở vị trí 3,4 trượt sang vị trí 5,6. Sự chuyển vị này diễn ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, thường được gọi là “ghế” hoặc “thuyền” tùy thuộc vào hình dạng không gian của nó. Trạng thái chuyển tiếp hình ghế thường được ưu tiên hơn do ít bị cản trở không gian.

Phản ứng được minh họa như sau:

$CH_2=CH-CH_2-CH_2-CH=CH_2 \xrightarrow{\Delta} CH_3-CH=CH-CH_2-CH=CH_2$

(Lưu ý: sản phẩm đã được sửa lại cho chính xác)

Trạng thái chuyển tiếp

Trạng thái chuyển tiếp của phản ứng Cope thường được biểu diễn như một vòng sáu cạnh với các liên kết đứt nét. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trạng thái chuyển tiếp là một cấu trúc duy nhất và không phải là một phân tử trung gian. Nó đại diện cho điểm năng lượng cao nhất trên đường phản ứng từ chất phản ứng đến sản phẩm. Mô tả chính xác hơn về trạng thái chuyển tiếp là một hệ thống vòng sáu với mật độ electron phân bố trên cả sáu nguyên tử cacbon.

Biểu diễn bằng hình vẽ có thể gây hiểu lầm, một biểu diễn tốt hơn sử dụng ký hiệu vòng thơm với vòng tròn bên trong:


      H     H
          /
        C---C
       /  \
      H     C---C   H
             / \
            C---C
           /  \
          H     H

Hoặc sử dụng vòng tròn bên trong để biểu diễn tính chất thơm của trạng thái chuyển tiếp:


      H     H
          /
        C---C
       /  \
      H  ⨀ C---C   H
             / \
            C---C
           /  \
          H     H

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

Nhiệt độ, cấu trúc của dien và hiệu ứng lập thể là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của phản ứng Cope.

Nhiệt độ: Phản ứng Cope yêu cầu năng lượng hoạt hóa tương đối cao và thường được thực hiện ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ cần thiết phụ thuộc vào cấu trúc của 1,5-dien.
Cấu trúc của dien: Sự thay thế trên dien có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của phản ứng. Ví dụ, các nhóm thế hút electron có thể làm giảm tốc độ phản ứng, trong khi các nhóm thế đẩy electron có thể làm tăng tốc độ phản ứng. Vị trí của các nhóm thế cũng đóng vai trò quan trọng.
Hiệu ứng lập thể: Các nhóm thế cồng kềnh có thể gây khó khăn cho việc hình thành trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, do đó làm giảm tốc độ phản ứng. Sự cản trở lập thể cũng có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc lập thể của phản ứng.

Ứng dụng

Phản ứng chuyển vị Cope có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:

Tổng hợp các dien khó tổng hợp bằng các phương pháp khác. Chuyển vị Cope cung cấp một lộ trình thay thế để tổng hợp các dien đặc biệt.
Tổng hợp các phân tử có cấu trúc phức tạp. Phản ứng này có thể được sử dụng như một bước then chốt trong việc xây dựng các khung carbon phức tạp.
Nghiên cứu cơ chế phản ứng. Phản ứng Cope là một hệ thống mẫu hữu ích để nghiên cứu các phản ứng pericyclic.

Các biến thể của chuyển vị Cope

Chuyển vị Cope có một số biến thể quan trọng, mở rộng phạm vi ứng dụng của phản ứng này:

Chuyển vị oxy-Cope: Một biến thể của phản ứng Cope, trong đó một trong các nguyên tử cacbon được thay thế bằng một nguyên tử oxy. Phản ứng này thường nhanh hơn phản ứng Cope thông thường do sự hình thành của một enol hoặc enolate trung gian ổn định hơn. Việc xử lý sản phẩm enol hoặc enolate bằng bazơ cho phép chuyển vị thành xeton hoặc anđehit tương ứng.
Chuyển vị Claisen: Một phản ứng tương tự liên quan đến sự chuyển vị của một allyl vinyl ether. Sự khác biệt chính nằm ở nguyên tử oxy liên kết với nhóm vinyl, dẫn đến sản phẩm là một γ,δ-unsaturated carbonyl compound.

Kết luận

Chuyển vị Cope là một phản ứng hữu cơ quan trọng với nhiều ứng dụng trong tổng hợp. Hiểu rõ cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng này là cần thiết cho việc ứng dụng hiệu quả trong tổng hợp hữu cơ. Phản ứng này cung cấp một phương pháp mạnh mẽ để tạo liên kết cacbon-cacbon và xây dựng các khung carbon phức tạp.

Các ví dụ minh họa

Để hiểu rõ hơn về phản ứng Chuyển vị Cope, ta cùng xem xét một số ví dụ cụ thể:

Chuyển vị Cope của 3-methyl-1,5-hexadien:$CH_2=CH-CH(CH_3)-CH_2-CH=CH_2 \xrightarrow{\Delta} CH_3-CH=CH-CH_2-CH=CH-CH_3$(Sản phẩm đã được sửa cho chính xác. Phản ứng tạo ra 1,5-heptadien)
Trong ví dụ này, nhóm methyl không ảnh hưởng nhiều đến tốc độ phản ứng.
Chuyển vị Cope của 2,5-dimethyl-1,5-hexadien: Phản ứng này tạo ra hai sản phẩm đồng phân do sự chuyển vị có thể xảy ra theo hai hướng khác nhau. Sự phân bố sản phẩm phụ thuộc vào sự ổn định tương đối của các đồng phân hình thành.
Chuyển vị Cope của 1,5-cyclooctadien: Phản ứng này là một ví dụ về chuyển vị Cope degenerate, tức là sản phẩm trùng với chất phản ứng. Mặc dù sản phẩm giống hệt chất phản ứng, nhưng các nguyên tử đã thay đổi vị trí trong phân tử. Điều này có thể được chứng minh bằng cách sử dụng đánh dấu đồng vị.

So sánh Chuyển vị Cope với Chuyển vị Claisen

Mặc dù cả Chuyển vị Cope và Chuyển vị Claisen đều là phản ứng [3,3]-sigmatropic rearrangement, chúng có một số điểm khác biệt quan trọng:

Chất phản ứng: Chuyển vị Cope xảy ra với 1,5-dien, trong khi Chuyển vị Claisen xảy ra với allyl vinyl ether.
Sản phẩm: Chuyển vị Cope tạo ra một 1,5-dien đồng phân, trong khi Chuyển vị Claisen tạo ra một γ,δ-unsaturated carbonyl compound.
Cơ chế: Mặc dù cả hai đều là phản ứng pericyclic, sự hiện diện của nguyên tử oxy trong chuyển vị Claisen ảnh hưởng đến sự phân bố electron trong trạng thái chuyển tiếp.

Một số lưu ý về cơ chế

Phản ứng Chuyển vị Cope thường được coi là một phản ứng concerted, tức là tất cả các liên kết bị phá vỡ và hình thành đồng thời. Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây cho thấy rằng trong một số trường hợp, phản ứng có thể diễn ra theo cơ chế stepwise, tức là thông qua một biradical trung gian. Tính chất concerted hay stepwise của phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc của chất phản ứng và các điều kiện phản ứng.

Tóm tắt về Chuyển vị Cope

Chuyển vị Cope là một phản ứng [3,3]-sigmatropic rearrangement nhiệt, liên quan đến sự chuyển vị của một 1,5-dien thành một 1,5-dien đồng phân. Phản ứng diễn ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, và không yêu cầu xúc tác. Cơ chế của phản ứng thường được coi là concerted, mặc dù trong một số trường hợp có thể diễn ra theo cơ chế stepwise.

Điểm quan trọng cần nhớ về Chuyển vị Cope là sự chuyển dịch của liên kết đôi và sự sắp xếp lại các nhóm thế. $CH_2=CH-CH_2-CH_2-CH=CH_2 \xrightarrow{\Delta} CH_2=CH-CH_2-CH=CH-CH_3$ Ví dụ trên minh họa rõ sự di chuyển của liên kết đôi từ vị trí 1,2 và 5,6 sang vị trí 3,4 và 1,6. Cần phân biệt Chuyển vị Cope với Chuyển vị Claisen, mặc dù cả hai đều là phản ứng sigmatropic. Chuyển vị Claisen xảy ra với allyl vinyl ether và tạo ra một γ,δ-unsaturated carbonyl compound.

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng Chuyển vị Cope. Phản ứng thường yêu cầu nhiệt độ cao để vượt qua hàng rào năng lượng hoạt hóa. Cấu trúc của 1,5-dien cũng ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của phản ứng. Các nhóm thế cồng kềnh có thể cản trở sự hình thành trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, làm giảm tốc độ phản ứng. Hiểu rõ các yếu tố này giúp kiểm soát và tối ưu hóa phản ứng Chuyển vị Cope trong tổng hợp hữu cơ.

Tài liệu tham khảo:

F. A. Carey, R. J. Sundberg, Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms, 5th ed., Springer, 2007.
P. Y. Bruice, Organic Chemistry, 8th ed., Pearson, 2016.
T. H. Lowry, K. S. Richardson, Mechanism and Theory in Organic Chemistry, 3rd ed., Harper & Row, 1987.
R. B. Woodward, R. Hoffmann, The Conservation of Orbital Symmetry, Verlag Chemie, 1970.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa chuyển vị Cope và chuyển vị Claisen là gì?

Trả lời: Mặc dù cả hai đều là phản ứng [3,3]-sigmatropic rearrangement, chuyển vị Cope xảy ra với 1,5-dien, trong khi chuyển vị Claisen xảy ra với allyl vinyl ether. Sản phẩm của chuyển vị Cope là một 1,5-dien đồng phân khác, trong khi sản phẩm của chuyển vị Claisen là một γ,δ-unsaturated carbonyl compound.

Tại sao chuyển vị oxy-Cope lại diễn ra nhanh hơn chuyển vị Cope thông thường?

Trả lời: Trong chuyển vị oxy-Cope, sự có mặt của nguyên tử oxy dẫn đến sự hình thành enol hoặc enolate ở trạng thái chuyển tiếp hoặc sản phẩm. Các dạng này ổn định hơn so với trạng thái chuyển tiếp của chuyển vị Cope thông thường, do đó làm giảm năng lượng hoạt hóa và tăng tốc độ phản ứng.

Ảnh hưởng của các nhóm thế đến tốc độ phản ứng chuyển vị Cope như thế nào?

Trả lời: Các nhóm thế hút electron thường làm giảm tốc độ phản ứng, trong khi các nhóm thế đẩy electron có thể làm tăng tốc độ phản ứng. Ngoài ra, các nhóm thế cồng kềnh có thể cản trở sự hình thành trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, dẫn đến giảm tốc độ phản ứng.

Làm thế nào để phân biệt sản phẩm của chuyển vị Cope thoái hóa với chất phản ứng ban đầu?

Trả lời: Trong chuyển vị Cope thoái hóa, sản phẩm giống hệt chất phản ứng về mặt cấu trúc. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng kỹ thuật đánh dấu đồng vị, ta có thể theo dõi sự di chuyển của các nguyên tử trong phân tử. Ví dụ, nếu một nguyên tử hydro trong chất phản ứng được thay thế bằng deuteri ($^2H$), vị trí của deuteri trong sản phẩm sẽ khác so với chất phản ứng ban đầu, chứng minh rằng chuyển vị đã xảy ra.

Cơ chế của chuyển vị Cope luôn là concerted hay có thể là stepwise?

Trả lời: Mặc dù chuyển vị Cope thường được mô tả là một phản ứng concerted, một số nghiên cứu cho thấy rằng trong một số trường hợp, phản ứng có thể diễn ra theo cơ chế stepwise thông qua một biradical trung gian. Điều này phụ thuộc vào cấu trúc của chất phản ứng và điều kiện phản ứng. Ví dụ, ở nhiệt độ cao hoặc với các chất phản ứng đặc biệt, cơ chế stepwise có thể được ưu tiên.

Một số điều thú vị về Chuyển vị Cope

“Vũ điệu” của các nguyên tử: Trong chuyển vị Cope, sáu nguyên tử cacbon tham gia vào một “vũ điệu” đồng bộ, di chuyển vị trí của chúng một cách phối hợp để tạo thành một phân tử mới. Hãy tưởng tượng như một nhóm nhảy sáu người đổi vị trí theo một đội hình vòng tròn, mượt mà và chính xác.
“Thoắt ẩn thoắt hiện” của trạng thái chuyển tiếp: Trạng thái chuyển tiếp vòng sáu trong chuyển vị Cope tồn tại trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn, giống như một bóng ma. Nó không phải là một phân tử trung gian ổn định mà là một trạng thái năng lượng cao mà phản ứng phải vượt qua để chuyển từ chất phản ứng sang sản phẩm.
Chuyển vị Cope thoái hóa – một “vòng lặp” hoá học: Trong trường hợp chuyển vị Cope thoái hóa (degenerate Cope rearrangement), phân tử sản phẩm giống hệt phân tử chất phản ứng. Điều này giống như việc bạn xoay một hình vuông 90 độ – hình dạng vẫn giữ nguyên, nhưng các góc đã đổi chỗ. Vậy nên, mặc dù nhìn bề ngoài không có gì thay đổi, nhưng các nguyên tử đã “đi du lịch” một vòng trong phân tử.
Oxy-Cope – “người anh em họ” nhanh nhẹn: Chuyển vị oxy-Cope, với sự hiện diện của nguyên tử oxy, diễn ra nhanh hơn đáng kể so với chuyển vị Cope thông thường. Nguyên tử oxy đóng vai trò như một “ch chất xúc tác” nội phân tử, giúp giảm năng lượng hoạt hóa và đẩy nhanh phản ứng.
Ứng dụng trong thế giới tự nhiên: Chuyển vị Cope không chỉ là một phản ứng trong phòng thí nghiệm. Nó cũng xuất hiện trong một số quá trình sinh học, ví dụ như trong quá trình sinh tổng hợp một số hợp chất tự nhiên. Điều này cho thấy sự tinh tế và hiệu quả của các phản ứng pericyclic trong tự nhiên.
Từ “Cope” – vinh danh một nhà hoá học lỗi lạc: Phản ứng này được đặt tên theo Arthur C. Cope, một nhà hoá học hữu cơ người Mỹ, để ghi nhận những đóng góp quan trọng của ông trong lĩnh vực này. Đây là một minh chứng cho việc các phản ứng hoá học thường được đặt tên theo những nhà khoa học đã phát hiện hoặc nghiên cứu chúng.