Chuyển vị sigmatropic (Sigmatropic rearrangement/Sigmatropic shift)

Chuyển vị sigmatropic là một loại phản ứng pericyclic, trong đó một liên kết σ di chuyển qua một hệ thống π liên hợp đến một vị trí mới, cùng với sự dịch chuyển của liên kết π. Phản ứng này là một phản ứng đồng bộ, nghĩa là sự phá vỡ liên kết và hình thành liên kết xảy ra đồng thời trong một bước duy nhất mà không có sự hình thành chất trung gian.

Phân loại

Chuyển vị sigmatropic được phân loại dựa trên hai số trong ngoặc vuông: [i,j]. Hai số này chỉ định vị trí mà liên kết σ di chuyển. Cụ thể hơn, chúng biểu thị số nguyên tử dọc theo mạch liên kết từ mỗi đầu của liên kết σ đang đứt gãy đến nguyên tử mà mỗi đầu này liên kết sau khi chuyển vị.

i: Số nguyên tử dọc theo chuỗi liên hợp từ nguyên tử ban đầu liên kết với nhóm di chuyển đến nguyên tử cuối cùng liên kết với nó sau khi chuyển vị.
j: Số nguyên tử dọc theo chuỗi liên hợp từ nguyên tử ở đầu kia của liên kết σ ban đầu đến nguyên tử cuối cùng liên kết với nó sau khi chuyển vị.

Lưu ý rằng tổng (i+j) phải là một số chẵn do bản chất của chuyển vị sigmatropic.

Ví dụ

[1,5] chuyển vị sigmatropic: Liên kết σ di chuyển qua 5 nguyên tử của hệ thống π. Nhóm di chuyển kết nối với nguyên tử liền kề.

Ví dụ, chuyển vị [1,5] của hydro trong penta-1,3-đien:

$CH_2=CH-CH=CH-CH_3 \rightarrow CH_3-CH=CH-CH=CH_2$

Trong ví dụ này, nguyên tử H di chuyển từ vị trí 1 đến vị trí 5 (tính theo hệ thống đánh số của chuyển vị sigmatropic, không phải theo danh pháp IUPAC).

[3,3] chuyển vị sigmatropic (Chuyển vị Cope và Claisen): Liên kết σ di chuyển qua 3 nguyên tử ở mỗi đầu của liên kết.
- Chuyển vị Cope: Liên quan đến sự sắp xếp lại của 1,5-đien.

$RCH_2-CH=CH-CH=CH-CH_2R \rightarrow RCH=CH-CH_2-CH=CH-CH_2R$

* Chuyển vị Claisen: Liên quan đến một allyl vinyl ete. Sản phẩm của chuyển vị Claisen là một xeton hoặc anđehit không no.

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

Cơ chế

Chuyển vị sigmatropic diễn ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng. Sự dịch chuyển của các electron trong trạng thái chuyển tiếp này tuân theo các quy tắc Woodward-Hoffmann. Các quy tắc này dự đoán rằng chuyển vị sigmatropic suprafacial là được phép nhiệt động học nếu tổng số (i+j) là một số chẵn. Còn nếu tổng (i+j) là một số lẻ, chuyển vị antarafacial là được phép nhiệt động học.

Ứng dụng

Chuyển vị sigmatropic là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các phân tử phức tạp. Chúng được sử dụng trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên, dược phẩm và các hợp chất hữu cơ khác.

Các quy tắc Woodward-Hoffmann

Như đã đề cập, chuyển vị sigmatropic tuân theo các quy tắc Woodward-Hoffmann. Các quy tắc này dựa trên sự bảo toàn đối xứng quỹ đạo và dự đoán liệu một phản ứng pericyclic sẽ xảy ra qua một cơ chế suprafacial hay antarafacial.

Đối với chuyển vị sigmatropic, các quy tắc Woodward-Hoffmann phát biểu như sau:

Nếu tổng số electron tham gia vào trạng thái chuyển tiếp vòng là 4n + 2, thì chuyển vị suprafacial được phép nhiệt động học.
Nếu tổng số electron là 4n, thì chuyển vị antarafacial được phép nhiệt động học.

Ví dụ, chuyển vị [1,5]-sigmatropic của hydro liên quan đến 6 electron (4n + 2, với n = 1), do đó chuyển vị suprafacial được phép nhiệt động học. Mặt khác, chuyển vị [1,3]-sigmatropic của hydro liên quan đến 4 electron (4n, với n = 1), do đó chuyển vị antarafacial được phép nhiệt động học. Tuy nhiên, chuyển vị antarafacial thường khó xảy ra do các hạn chế về mặt không gian, vì vậy, trong trường hợp [1,3], phản ứng thường yêu cầu xúc tác quang hóa để tiến hành.

Trạng thái chuyển tiếp

Trạng thái chuyển tiếp của chuyển vị sigmatropic có dạng vòng. Trong trạng thái chuyển tiếp này, liên kết σ bị phá vỡ một phần và liên kết σ mới được hình thành một phần. Các electron π được sắp xếp lại để tạo thành các liên kết mới. Hình dạng của trạng thái chuyển tiếp phụ thuộc vào việc chuyển vị là suprafacial hay antarafacial. Trong chuyển vị suprafacial, nhóm di chuyển vẫn ở cùng phía của hệ thống π, trong khi ở chuyển vị antarafacial, nhóm di chuyển chuyển sang phía đối diện của hệ thống π.

Ảnh hưởng của nhóm thế

Sự hiện diện của các nhóm thế trên hệ thống π có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của chuyển vị sigmatropic. Các nhóm thế đẩy electron thường làm tăng tốc độ phản ứng, bằng cách làm giàu mật độ electron của hệ thống π và ổn định trạng thái chuyển tiếp vòng. Trong khi các nhóm thế hút electron làm giảm tốc độ phản ứng bằng cách làm nghèo mật độ electron. Vị trí của các nhóm thế cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định regioselectivity của phản ứng, nghĩa là liên kết nào sẽ bị đứt và hình thành ưu tiên hơn.

Một số ví dụ khác về chuyển vị sigmatropic

Chuyển vị [1,7]-sigmatropic: Xảy ra trong các hệ thống 1,3,5-trien. Phản ứng này thường yêu cầu đun nóng hoặc chiếu xạ bằng ánh sáng.
Chuyển vị [2,3]-sigmatropic: Thường liên quan đến các anion allylic và các hợp chất liên quan. Chuyển vị này thường được sử dụng để hình thành các liên kết carbon-carbon và carbon-heteroatom.

Tóm tắt về Chuyển vị sigmatropic

Chuyển vị sigmatropic là một loại phản ứng pericyclic quan trọng trong hóa hữu cơ, liên quan đến sự dịch chuyển đồng bộ của một liên kết σ (sigma) qua một hệ thống π (pi) liên hợp. Điểm mấu chốt cần nhớ là sự di chuyển này xảy ra mà không có sự hình thành chất trung gian, nghĩa là việc phá vỡ liên kết và hình thành liên kết xảy ra đồng thời. Phản ứng được phân loại bằng ký hiệu [i,j], trong đó i và j biểu thị số nguyên tử dọc theo chuỗi liên hợp mà liên kết σ di chuyển qua đó. Ví dụ, trong một chuyển vị [1,5]-sigmatropic, liên kết σ di chuyển qua 5 nguyên tử của hệ thống π.

Cơ chế của chuyển vị sigmatropic liên quan đến một trạng thái chuyển tiếp vòng và tuân theo các quy tắc Woodward-Hoffmann. Những quy tắc này dự đoán khả năng xảy ra của phản ứng dựa trên số lượng electron tham gia vào trạng thái chuyển tiếp. Một quy tắc quan trọng cần nhớ là chuyển vị suprafacial được phép nhiệt nếu tổng (i + j) là một số chẵn (4n + 2). Ví dụ, chuyển vị [1,5] suprafacial (6 electron, n=1) và [3,3] suprafacial (6 electron, n=1) được cho phép nhiệt, trong khi chuyển vị [1,3] suprafacial (4 electron) không được phép nhiệt.

Các ví dụ nổi bật của chuyển vị sigmatropic bao gồm chuyển vị Cope ([3,3]) và chuyển vị Claisen ([3,3]). Chuyển vị Cope liên quan đến sự sắp xếp lại của 1,5-đien, trong khi chuyển vị Claisen liên quan đến một allyl vinyl ete. Hiểu được sự khác biệt giữa hai loại chuyển vị [3,3] này là rất quan trọng. Cả hai đều là các công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ.

Cuối cùng, nhóm thế có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của chuyển vị sigmatropic. Nhóm thế đẩy electron thường làm tăng tốc độ, trong khi nhóm thế hút electron làm giảm tốc độ phản ứng. Ghi nhớ ảnh hưởng của các nhóm thế là rất quan trọng khi thiết kế tổng hợp hữu cơ sử dụng chuyển vị sigmatropic.

Tài liệu tham khảo:

Woodward, R. B.; Hoffmann, R. The Conservation of Orbital Symmetry. Verlag Chemie, Weinheim, 1970.
Fleming, I. Pericyclic Reactions. Oxford University Press, Oxford, 1999.
Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms. Springer, New York, 2007.
Anslyn, E. V.; Dougherty, D. A. Modern Physical Organic Chemistry. University Science Books, Sausalito, CA, 2006.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa chuyển vị [1,3] và [1,5] sigmatropic là gì?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở số lượng nguyên tử tham gia vào sự sắp xếp lại và kết quả là tính lập thể của phản ứng. Chuyển vị [1,3] liên quan đến sự dịch chuyển của một liên kết σ qua ba nguyên tử. Theo quy tắc Woodward-Hoffmann, chuyển vị suprafacial [1,3] bị cấm nhiệt động lực học, trong khi chuyển vị antarafacial được phép về mặt lý thuyết nhưng hiếm khi được quan sát thấy do hạn chế về mặt không gian. Chuyển vị [1,5] liên quan đến sự dịch chuyển trên năm nguyên tử và chuyển vị suprafacial được phép nhiệt động lực học.

Làm thế nào để các nhóm thế ảnh hưởng đến tốc độ của chuyển vị Claisen?

Trả lời: Các nhóm thế đẩy electron ở vị trí para của nhóm aryl di chuyển thường làm tăng tốc độ của chuyển vị Claisen. Ngược lại, các nhóm thế hút electron làm giảm tốc độ. Điều này là do các nhóm thế đẩy electron làm ổn định trạng thái chuyển tiếp, trong khi các nhóm thế hút electron làm mất ổn định nó.

Chuyển vị Cope có thể được sử dụng để tổng hợp những loại phân tử nào?

Trả lời: Chuyển vị Cope đặc biệt hữu ích trong việc tổng hợp các cyclohexen. Nó cho phép sắp xếp lại 1,5-dien thành một cấu trúc dị vòng sáu cạnh. Hơn nữa, chuyển vị Cope có thể được sử dụng để tổng hợp các phân tử phức tạp hơn bằng cách kết hợp nó với các phản ứng khác.

Có thể đưa ra một ví dụ cụ thể về chuyển vị sigmatropic trong một hệ thống sinh học không?

Trả lời: Một ví dụ cổ điển là quá trình sinh tổng hợp của vitamin D trong da. Khi tiếp xúc với ánh sáng tia cực tím, previtamin D3 trải qua một chuyển vị [1,7]-sigmatropic để tạo thành vitamin D3. Phản ứng này là một ví dụ về cách chuyển vị sigmatropic đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học.

Ngoài chuyển vị Cope và Claisen, còn có những loại chuyển vị sigmatropic quan trọng nào khác?

Trả lời: Có nhiều loại chuyển vị sigmatropic khác, bao gồm chuyển vị [1,7]-sigmatropic trong các hệ thống trien, chuyển vị [2,3]-sigmatropic liên quan đến các anion allylic và chuyển vị [5,5]-sigmatropic. Mỗi loại có những đặc điểm cơ học và ứng dụng tổng hợp riêng. Một ví dụ về chuyển vị [2,3]-sigmatropic là phản ứng của một anion allylic sunfua với một allene để tạo ra một thioete allylic.

Một số điều thú vị về Chuyển vị sigmatropic

Sự dịch chuyển “ma quái”: Trong chuyển vị sigmatropic, liên kết σ dường như “nhảy” từ vị trí này sang vị trí khác dọc theo hệ thống π. Điều này làm cho nó trở nên khác biệt so với các phản ứng khác, nơi các liên kết bị phá vỡ và hình thành theo từng bước. Tính chất “nhảy” này là do bản chất đồng bộ của phản ứng.
Tên gọi “sigmatropic”: Cái tên “sigmatropic” xuất phát từ tiếng Hy Lạp “sigma” (σ), chỉ liên kết sigma, và “tropos” (τροπος), có nghĩa là “chuyển đổi” hoặc “thay đổi”. Nó phản ánh chính xác bản chất của phản ứng: sự thay đổi vị trí của liên kết σ.
Cope “đua” với Claisen: Mặc dù cả chuyển vị Cope và Claisen đều là chuyển vị [3,3]-sigmatropic, chúng có những đặc điểm riêng biệt. Chuyển vị Cope liên quan đến tất cả các cacbon, trong khi chuyển vị Claisen liên quan đến một nguyên tử oxy. Điều này dẫn đến các sản phẩm và ứng dụng khác nhau trong tổng hợp. Sự tương đồng về mặt phân loại nhưng khác biệt về cấu trúc này là một điểm thú vị.
Woodward và Hoffmann – bộ đôi đoạt giải Nobel: Roald Hoffmann đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1981 cho công trình nghiên cứu về các quy tắc chi phối các phản ứng pericyclic, bao gồm cả chuyển vị sigmatropic. Mặc dù Robert B. Woodward, người cùng phát triển các quy tắc này, đã qua đời hai năm trước đó và không đủ điều kiện nhận giải, ông được coi là một trong những nhà hóa học hữu cơ vĩ đại nhất mọi thời đại.
Ứng dụng trong sinh học: Chuyển vị sigmatropic không chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm. Chúng cũng xảy ra trong các hệ thống sinh học. Ví dụ, sự sinh tổng hợp của cholesterol liên quan đến một chuyển vị sigmatropic. Điều này cho thấy tầm quan trọng của các phản ứng này trong tự nhiên.
Tính linh hoạt của chuyển vị sigmatropic: Chuyển vị sigmatropic có thể liên quan đến nhiều loại nhóm di chuyển, không chỉ hydro. Các nhóm alkyl, aryl và thậm chí cả các heteroatom có thể tham gia vào các phản ứng này, mở ra nhiều khả năng tổng hợp.
Khám phá liên tục: Mặc dù chuyển vị sigmatropic đã được nghiên cứu rộng rãi, các nhà hóa học vẫn đang khám phá những biến thể và ứng dụng mới của chúng. Điều này làm cho nó trở thành một lĩnh vực nghiên cứu năng động và thú vị.