Chuyển vị Curtius (Curtius rearrangement)

Cơ chế phản ứng:

Chuyển vị Curtius diễn ra theo một cơ chế nhiều bước:

1. Sự phân hủy acyl azide: Bước đầu tiên liên quan đến sự phân hủy nhiệt hoặc quang hóa của acyl azide để tạo ra nitơ ($N_2$) và một nitrene acyl. Đây là bước quyết định tốc độ của phản ứng.

$R-C(=O)-N_3 \xrightarrow{\Delta \text{ hoặc } h\nu} R-C(=O)-N: + N_2$

2. Chuyển vị: Nitrene acyl rất không bền và trải qua quá trình chuyển vị nhanh chóng, trong đó nhóm R di chuyển từ carbon carbonyl sang nguyên tử nitơ, tạo thành isocyanate.

$R-C(=O)-N: \xrightarrow{\text{chuyển vị}} R-N=C=O$

3. Phản ứng tiếp theo: Isocyanate được tạo thành là một chất trung gian rất linh hoạt và có thể phản ứng với nhiều nucleophile khác nhau để tạo ra các sản phẩm khác nhau. Một số ví dụ bao gồm:

• Phản ứng với nước: Isocyanate phản ứng với nước tạo thành axit carbamic, sau đó nhanh chóng bị decarboxyl hóa để tạo thành amin bậc một.

$R-N=C=O + H_2O \rightarrow R-NH-C(=O)-OH \rightarrow R-NH_2 + CO_2$

• Phản ứng với rượu: Isocyanate phản ứng với rượu tạo thành carbamat.

$R-N=C=O + R’OH \rightarrow R-NH-C(=O)-OR’$

• Phản ứng với amin: Isocyanate phản ứng với amin tạo thành urea thế.

$R-N=C=O + R’NH_2 \rightarrow R-NH-C(=O)-NHR’$

Ứng dụng

Chuyển vị Curtius là một phản ứng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ vì nó cung cấp một phương pháp hiệu quả để tổng hợp amin bậc một, carbamat và urea thế từ axit cacboxylic. Nó đặc biệt hữu ích cho việc tổng hợp amin bậc một mà không cần phải trải qua quá trình alkyl hóa của amoniac, phương pháp này thường dẫn đến hỗn hợp các amin bậc khác nhau. Việc chuyển đổi axit cacboxylic thành amin bậc một với số nguyên tử carbon ít hơn một là một ứng dụng mạnh mẽ của phản ứng này.

Điều kiện phản ứng

Phản ứng chuyển vị Curtius thường được thực hiện bằng cách đun nóng acyl azide trong dung môi trơ như benzen, toluen, hoặc chloroform. Phản ứng cũng có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng bằng cách sử dụng xúc tác như triphenylphosphine hoặc các xúc tác kim loại chuyển tiếp khác. Việc lựa chọn điều kiện phản ứng phụ thuộc vào độ nhạy cảm của các chất phản ứng và sản phẩm.

So sánh với chuyển vị Hofmann và Schmidt

Chuyển vị Curtius có liên quan đến chuyển vị Hofmann và Schmidt, cả hai đều cũng liên quan đến sự hình thành isocyanate như một chất trung gian then chốt. Tuy nhiên, chuyển vị Hofmann bắt đầu từ amide, trong khi chuyển vị Schmidt bắt đầu từ ketone hoặc aldehyde. Cả ba phản ứng đều hữu ích cho việc tổng hợp amin và các dẫn xuất của chúng, nhưng chúng khác nhau về chất ban đầu và điều kiện phản ứng. Lựa chọn phản ứng phù hợp phụ thuộc vào các chất ban đầu có sẵn và sản phẩm mong muốn.

Ưu điểm

• Điều kiện phản ứng nhẹ nhàng.
• Sản phẩm phụ là khí nitơ, dễ dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng.
• Có thể tổng hợp amin bậc một với hiệu suất cao.
• Cho phép tổng hợp amin có số nguyên tử carbon ít hơn axit cacboxylic ban đầu một nguyên tử.

Nhược điểm

• Acyl azide là chất trung gian có thể gây nổ, cần được xử lý cẩn thận.

Tóm tắt

Tóm lại, chuyển vị Curtius là một phản ứng hữu ích và linh hoạt trong tổng hợp hữu cơ, cung cấp một con đường đáng tin cậy để tổng hợp amin bậc một và các dẫn xuất của chúng từ axit cacboxylic.

Ví dụ về phản ứng Chuyển vị Curtius

Giả sử ta muốn tổng hợp benzylamine ($C_6H_5CH_2NH_2$) từ axit phenylacetic ($C_6H_5CH_2COOH$). Quá trình tổng hợp sẽ diễn ra như sau:

1. Chuyển axit cacboxylic thành acyl chloride: Axit phenylacetic phản ứng với thionyl chloride ($SOCl_2$) tạo thành phenylacetyl chloride.

$C_6H_5CH_2COOH + SOCl_2 \rightarrow C_6H_5CH_2COCl + SO_2 + HCl$

2. Chuyển acyl chloride thành acyl azide: Phenylacetyl chloride phản ứng với natri azide ($NaN_3$) tạo thành phenylacetyl azide.

$C_6H_5CH_2COCl + NaN_3 \rightarrow C_6H_5CH_2CON_3 + NaCl$

3. Chuyển vị Curtius: Phenylacetyl azide được đun nóng trong dung môi trơ như benzen hoặc toluen để tạo thành benzyl isocyanate.

$C_6H_5CH_2CON_3 \xrightarrow{\Delta} C_6H_5CH_2N=C=O + N_2$

4. Thủy phân isocyanate thành amin: Benzyl isocyanate phản ứng với nước tạo thành benzylamine.

$C_6H_5CH_2N=C=O + H_2O \rightarrow C_6H_5CH_2NH_2 + CO_2$

Biến thể của phản ứng Chuyển vị Curtius

• Chuyển vị Curtius xúc tác quang hóa: Sử dụng ánh sáng để kích hoạt sự phân hủy acyl azide. Phương pháp này có thể hữu ích cho các acyl azide nhạy với nhiệt.
• Chuyển vị Curtius xúc tác kim loại chuyển tiếp: Sử dụng các chất xúc tác kim loại chuyển tiếp như rhodium hoặc ruthenium để xúc tác phản ứng. Phương pháp này có thể cho phép phản ứng diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn và có thể có tính chọn lọc cao hơn.

Hạn chế của phản ứng Chuyển vị Curtius

Mặc dù phản ứng Chuyển vị Curtius là một phương pháp hữu ích, nhưng nó cũng có một số hạn chế:

• Sự hình thành isocyanate: Isocyanate là chất trung gian rất phản ứng và có thể phản ứng với nhiều nucleophile khác nhau, đôi khi dẫn đến sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn. Cần kiểm soát cẩn thận các điều kiện phản ứng để tối ưu hóa sản phẩm mong muốn.
• Tính an toàn của acyl azide: Acyl azide, đặc biệt là các azide có phân tử lượng thấp, có thể nổ và cần được xử lý cẩn thận trong điều kiện được kiểm soát.

• Smith, M. B.; March, J. Advanced Organic Chemistry, 5th ed.; Wiley: New York, 2001.
• Kürti, L.; Czakó, B. Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis; Elsevier: Amsterdam, 2005.
• Li, J. J. Name Reactions: A Collection of Detailed Reaction Mechanisms; Springer: Berlin, 2006.
• Curtius, T. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1890, 23, 3023.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài nhiệt và ánh sáng, còn phương pháp nào khác để khởi tạo chuyển vị Curtius?

Trả lời: Có, bên cạnh việc sử dụng nhiệt hoặc ánh sáng, chuyển vị Curtius cũng có thể được khởi tạo bằng xúc tác. Các xúc tác kim loại chuyển tiếp như rhodium và ruthenium đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc xúc tác phản ứng này, cho phép phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn và đôi khi tăng tính chọn lọc.

Tại sao acyl azide được coi là chất nguy hiểm và cần được xử lý cẩn thận?

Trả lời: Acyl azide, đặc biệt là các azide có phân tử lượng thấp, không ổn định và có thể phân hủy mạnh mẽ, thậm chí gây nổ khi bị sốc, nhiệt độ cao hoặc ma sát. Cần phải tuân thủ các quy trình an toàn nghiêm ngặt khi làm việc với các hợp chất này.

So sánh ưu điểm và nhược điểm của chuyển vị Curtius so với chuyển vị Hofmann trong tổng hợp amin bậc một?

Trả lời: Cả hai phản ứng đều tạo ra amin bậc một. Chuyển vị Curtius thường có điều kiện phản ứng nhẹ nhàng hơn và sử dụng acyl azide làm chất ban đầu, trong khi chuyển vị Hofmann sử dụng amide và yêu cầu điều kiện bazơ mạnh. Chuyển vị Hofmann có thể tạo ra sản phẩm phụ urea, trong khi chuyển vị Curtius tạo ra khí $N_2$ dễ dàng loại bỏ. Lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào chất ban đầu và điều kiện phản ứng mong muốn.

Cơ chế của chuyển vị Curtius diễn ra như thế nào trong trường hợp acyl azide được thế? Ví dụ, nếu nhóm R trong $R-C(=O)-N_3$ là một nhóm chiral?

Trả lời: Chuyển vị Curtius diễn ra với sự giữ nguyên cấu hình. Nếu nhóm R là chiral, thì cấu hình của nó sẽ được giữ nguyên trong isocyanate được tạo thành. Điều này là do quá trình chuyển vị xảy ra đồng bộ, nhóm R di chuyển cùng lúc với việc nitơ bị đẩy ra.

Ngoài việc tổng hợp amin, isocyanate được tạo thành từ chuyển vị Curtius còn có thể được sử dụng để tổng hợp những loại hợp chất nào khác? Cho ví dụ cụ thể.

Trả lời: Isocyanate rất linh hoạt và có thể phản ứng với nhiều nucleophile khác nhau. Ví dụ, phản ứng với rượu tạo ra carbamate ($R-N=C=O + R’OH \rightarrow R-NH-C(=O)-OR’$), phản ứng với amin tạo ra urea thế ($R-N=C=O + R’NH_2 \rightarrow R-NH-C(=O)-NHR’$). Những phản ứng này mở rộng ứng dụng của chuyển vị Curtius trong tổng hợp hữu cơ.