Chuyển vị Schmidt (Schmidt Reaction)

6

Cơ chế phản ứng

Phản ứng Schmidt được cho là diễn ra qua một cơ chế tương tự như chuyển vị Hofmann và chuyển vị Curtius. Nó bắt đầu bằng sự proton hóa của nhóm carbonyl, tiếp theo là sự tấn công nucleophile của azide ($N_3^-$). Sau đó, một phân tử nước được tách ra, tạo thành một azido ketone/aldehyde trung gian. Trung gian này trải qua quá trình chuyển vị, trong đó nhóm alkyl hoặc aryl di chuyển từ cacbon carbonyl sang nguyên tử nitơ, đồng thời giải phóng nitơ ($N_2$). Sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào loại hợp chất carbonyl ban đầu:

• Ketone: Chuyển vị Schmidt của ketone tạo ra amide.
  <br>
  $R_2C=O + HN_3 \xrightarrow{H^+} RCONHR’ + N_2$
  <br>
  (R và R’ có thể là nhóm alkyl hoặc aryl, có thể giống hoặc khác nhau)
• Aldehyde: Chuyển vị Schmidt của aldehyde thường tạo ra nitrile. Sự hình thành formamide là sản phẩm phụ, thường không đáng kể trong điều kiện phản ứng chuẩn.
  <br>
  $RCHO + HN_3 \xrightarrow{H^+} RCN + N_2 (+ HCONH_2)$
• Axit cacboxylic: Chuyển vị Schmidt của axit cacboxylic tạo ra amine, giải phóng $CO_2$.
  <br>
  $RCOOH + HN_3 \xrightarrow{H^+} RNH_2 + CO_2 + N_2$

Ứng dụng

Phản ứng Schmidt có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:

• Tổng hợp amide, nitrile và amine: Đây là ứng dụng chính của phản ứng Schmidt, cho phép tổng hợp các hợp chất chứa nitơ quan trọng từ các hợp chất carbonyl dễ kiếm.
• Tổng hợp lactam: Xử lý các ketone mạch vòng với axit hydrazoic ($HN_3$) tạo ra lactam, là các amit mạch vòng. Đây là một phương pháp quan trọng để tổng hợp các lactam, đặc biệt là các lactam vòng lớn.
• Mở rộng vòng: Phản ứng Schmidt có thể được sử dụng để mở rộng vòng của các ketone mạch vòng, tạo ra các vòng lớn hơn.
• Tổng hợp các hợp chất dị vòng: Chuyển vị Schmidt có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ, chẳng hạn như tetrazole.
• Tổng hợp các amino acid: Phản ứng Schmidt có thể được sử dụng để tổng hợp một số amino acid không tự nhiên.

Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm:

• Điều kiện phản ứng tương đối đơn giản và thường không đòi hỏi các thiết bị đặc biệt.
• Khả năng tổng hợp nhiều loại hợp chất chứa nitơ khác nhau, làm cho nó trở thành một công cụ linh hoạt trong tổng hợp hữu cơ.
• Hiệu suất phản ứng thường từ trung bình đến cao.
• Phản ứng có tính chọn lọc lập thể trong một số trường hợp, đặc biệt khi sử dụng các chất xúc tác bất đối.

Nhược điểm

• Axit hydrazoic ($HN_3$) là một chất rất độc, dễ nổ và dễ bay hơi, cần được xử lý cẩn thận trong các tủ hút khí và với các biện pháp bảo vệ thích hợp. Các muối azide kim loại nặng (ví dụ: chì azide) cũng độc và dễ nổ.
• Phản ứng thường yêu cầu sử dụng một lượng lớn axit mạnh, có thể gây ra các vấn đề về ăn mòn và xử lý chất thải.
• Tính chọn lọc khu vực có thể là một vấn đề, đặc biệt là với các ketone không đối xứng, có thể dẫn đến hỗn hợp các sản phẩm.

So sánh với các phản ứng khác

Chuyển vị Schmidt tương tự như chuyển vị Hofmann, chuyển vị Curtius và chuyển vị Beckmann về cơ chế và sản phẩm tạo thành (đều liên quan đến sự di chuyển nhóm alkyl/aryl). Tuy nhiên, chuyển vị Schmidt có ưu điểm là có thể được sử dụng với nhiều loại hợp chất carbonyl, bao gồm cả ketone, aldehyde và axit cacboxylic, trong khi chuyển vị Hofmann và Curtius thường giới hạn ở amide và acyl azide, tương ứng. Chuyển vị Beckmann cũng áp dụng cho ketone, nhưng sử dụng các oxime thay vì azide.

Tổng kết

Chuyển vị Schmidt là một phản ứng hữu cơ hữu ích cho phép tổng hợp amit, nitriles và amin từ các hợp chất carbonyl. Mặc dù axit hydrazoic là một chất nguy hiểm, phản ứng này vẫn được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ do tính linh hoạt và hiệu quả của nó. Việc xử lý cẩn thận và tuân thủ các quy trình an toàn là rất quan trọng khi thực hiện phản ứng này.

Các biến thể của phản ứng Schmidt

Bên cạnh phản ứng Schmidt cổ điển sử dụng $HN_3$, một số biến thể đã được phát triển để cải thiện tính an toàn và hiệu quả của phản ứng. Một số biến thể đáng chú ý bao gồm:

• Sử dụng alkyl azit: Thay vì $HN_3$, có thể sử dụng alkyl azit ($RN_3$) để tổng hợp amit thế. Phản ứng này thường được xúc tác bởi axit Lewis như $AlCl_3$ hoặc $TiCl_4$.
  <br>
  $R_2C=O + R’N_3 \xrightarrow{Lewis\ Acid} RCON(R’)R + N_2$
• Sử dụng trimethylsilyl azit (TMSN$_3$): $TMSN_3$ là một nguồn azit an toàn và dễ xử lý hơn so với $HN_3$. Phản ứng này thường được thực hiện trong điều kiện không nước, với xúc tác axit Lewis hoặc axit Brønsted. $TMSN_3$ phản ứng như một nguồn cung cấp $N_3^-$ trong phản ứng.
• Phản ứng Schmidt xúc tác kim loại: Các phức kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như các phức của rutheni, rhodi, hoặc iridi, đã được chứng minh là có khả năng xúc tác phản ứng Schmidt với các ketone và aldehyde, thường với độ chọn lọc cao hơn và trong điều kiện êm dịu hơn.
• Phản ứng Schmidt nội phân tử: Phiên bản nội phân tử của phản ứng Schmidt cho phép tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Schmidt

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng Schmidt, bao gồm:

• Bản chất của hợp chất carbonyl: Khả năng phản ứng của các hợp chất carbonyl khác nhau theo thứ tự: aldehyde &gt; ketone mạch hở &gt; ketone mạch vòng &gt; axit carboxylic. Các nhóm thế hút electron ở vị trí alpha của carbonyl làm tăng hoạt tính, trong khi các nhóm thế đẩy electron làm giảm hoạt tính.
• Nồng độ axit: Nồng độ axit cao thường làm tăng tốc độ phản ứng nhưng cũng có thể dẫn đến các phản ứng phụ, chẳng hạn như sự phân hủy của azide hoặc sản phẩm.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ phản ứng thường được giữ ở mức vừa phải (thường từ 0°C đến nhiệt độ phòng) để tránh sự phân hủy của $HN_3$ và các sản phẩm, cũng như để kiểm soát tính chọn lọc của phản ứng.
• Dung môi: Dung môi thường được sử dụng là các dung môi aprotic phân cực, chẳng hạn như dichloromethane, chloroform, hoặc acetonitrile. Việc lựa chọn dung môi có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan của các chất phản ứng, tốc độ phản ứng và tính chọn lọc.
• Ảnh hưởng của nhóm thế: Các nhóm thế trên phân tử carbonyl có thể ảnh hưởng đến khả năng di chuyển của nhóm alkyl hoặc aryl trong quá trình chuyển vị. Các nhóm thế có khả năng cho electron tốt hơn thường di chuyển ưu tiên hơn.

Ví dụ về phản ứng Schmidt

• Chuyển vị cyclohexanone thành caprolactam:
  <br> $C_6H_{10}O + HN_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_{11}NO + N_2$
• Chuyển vị benzophenone thành benzanilide:
  <br> $(C_6H_5)_2CO + HN_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5CONHC_6H_5 + N_2$
• Chuyển vị axit benzoic thành anilin
  <br> $C_6H_5COOH + HN_3 \xrightarrow{H_2SO_4} C_6H_5NH_2 + CO_2 + N_2$

Báo cáo nội dung bị lỗi