Cơ chế phản ứng
- Tạo ylide: Muối amoni bậc bốn (thường là clorua hoặc bromua) phản ứng với một bazơ mạnh (như amid natri ($NaNH_2$) hoặc lithi diisopropylamid ($LDA$)) để tạo thành một ylide. Ylide là một phân tử trung hòa về điện với các điện tích hình thức dương và âm liền kề. Phương trình tổng quát có thể được biểu diễn như sau:
$RCH_2N^+(CH_3)_3 X^- + B^- \rightarrow R\overline{C}HN^+(CH_3)_3 + BH$ (trong đó, B là base)
- Chuyển vị [2,3]-sigmatropic: Ylide trải qua một chuyển vị [2,3]-sigmatropic. Điều này liên quan đến sự di chuyển đồng bộ của nhóm benzyl từ nguyên tử nitơ sang nguyên tử cacbon *ortho* của vòng thơm, thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng. Quá trình này vừa cắt đứt liên kết C-N cũ, vừa hình thành liên kết C-C mới.
- Tạo sản phẩm: Sau chuyển vị, sản phẩm trung gian nhanh chóng bị khử proton (thường bởi base đã dùng) để tạo thành sản phẩm cuối cùng là một amin bậc ba đã được thế nhóm benzyl ở vị trí *ortho*.
Ví dụ
Một ví dụ điển hình là phản ứng của benzyltrimethylammonium clorua ($C_6H_5CH_2N^+(CH_3)_3 Cl^-$) với amid natri ($NaNH_2$) trong amoniac lỏng ($NH_3$) tạo ra *o*-methylbenzyldimethylamine. Phản ứng cụ thể có thể được mô tả như sau:
$C_6H_5CH_2N^+(CH_3)_3 Cl^- + NaNH_2 \xrightarrow{NH_3 (l)} o-CH_3C_6H_4CH_2N(CH_3)_2$
Yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
- Bản chất của nhóm thế: Các nhóm thế rút electron trên vòng benzen thường làm tăng tốc độ phản ứng, trong khi các nhóm thế đẩy electron có thể làm giảm tốc độ. Điều này là do các nhóm rút electron làm tăng độ dương điện tích trên nguyên tử cacbon benzyl, làm cho nó dễ bị tấn công bởi base hơn.
- Bản chất của bazơ: Bazơ mạnh, chẳng hạn như amid natri ($NaNH_2$), lithi diisopropylamid (LDA), hay các bazơ hữu cơ khác, thường được sử dụng để đảm bảo sự tạo thành ylide một cách hiệu quả.
- Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp (thường là -33°C hoặc thấp hơn, tùy thuộc vào dung môi) để tránh các phản ứng phụ, bao gồm cả chuyển vị Stevens.
- Dung môi: Amoniac lỏng là dung môi phổ biến cho phản ứng này, mặc dù các dung môi aprotic khác như tetrahydrofuran (THF) cũng có thể được sử dụng.
Ứng dụng
Chuyển vị Sommelet-Hauser được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các amin bậc ba được thế ở vị trí *ortho*. Nó đặc biệt hữu ích cho việc tổng hợp các hợp chất khó tổng hợp bằng các phương pháp khác, ví dụ như các hợp chất có chứa các nhóm thế cồng kềnh ở vị trí *ortho*. Tuy nhiên, phản ứng cạnh tranh, Chuyển vị Stevens, có thể xảy ra, làm giảm tính hữu ích của phản ứng này trong một số trường hợp. Việc kiểm soát điều kiện phản ứng, đặc biệt là nhiệt độ và sự lựa chọn bazơ, có thể ảnh hưởng đến sản phẩm chính thu được.
So sánh với Chuyển vị Stevens
Cả chuyển vị Sommelet-Hauser và chuyển vị Stevens đều liên quan đến sự chuyển vị của ylide amoni bậc bốn. Tuy nhiên, có sự khác biệt quan trọng về vị trí nhóm di chuyển tấn công:
- Chuyển vị Sommelet-Hauser: Nhóm di chuyển (nhóm benzyl) tấn công vào vị trí *ortho* của vòng thơm, tạo ra sản phẩm là amin bậc ba có nhóm thế benzyl ở vị trí *ortho*. Đây là một chuyển vị [2,3]-sigmatropic.
- Chuyển vị Stevens: Nhóm di chuyển tấn công vào nguyên tử cacbon *alpha* liền kề với nguyên tử nitơ mang điện tích dương (thường là nhóm methyl), tạo ra sản phẩm amin bậc ba. Đây là một chuyển vị [1,2].
Sự cạnh tranh với Chuyển vị Stevens
Một yếu tố quan trọng cần xem xét trong Chuyển vị Sommelet-Hauser là sự cạnh tranh của nó với Chuyển vị Stevens. Cả hai phản ứng đều bắt đầu từ cùng một loại ylide, $R\overline{C}HN^+(CH_3)_3$. Chuyển vị Stevens liên quan đến sự di chuyển [1,2] của nhóm R đến một nguyên tử cacbon alpha của một trong các nhóm methyl, tạo thành một amin bậc ba khác.
Phản ứng cạnh tranh này có thể được minh họa như sau (lưu ý Ar là vòng thơm, R là nhóm alkyl hoặc aryl):
- Sommelet-Hauser: $ArCH_2N^+(CH_3)_3 \xrightarrow{base} Ar(\overline{C}H)N^+(CH_3)_3 \rightarrow o-Ar(CH_2)C_6H_4N(CH_3)_2$ (chuyển vị [2,3] đến vòng thơm)
- Stevens: $RCH_2N^+(CH_3)_3 \xrightarrow{base} R\overline{C}HN^+(CH_3)_3 \rightarrow RCH(CH_3)N(CH_3)_2$ (chuyển vị [1,2] đến nhóm alkyl)
Việc chuyển vị ưu tiên theo hướng Sommelet-Hauser hay Stevens phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm bản chất của nhóm R, bazơ được sử dụng, dung môi và nhiệt độ. Nói chung, nhiệt độ thấp hơn có lợi cho chuyển vị Sommelet-Hauser (do năng lượng hoạt hóa của chuyển vị [2,3]-sigmatropic thường cao hơn), trong khi nhiệt độ cao hơn có lợi cho chuyển vị Stevens. Sự hiện diện của các nhóm thế rút electron trên vòng thơm cũng làm tăng tính chọn lọc cho chuyển vị Sommelet-Hauser (do làm tăng độ dương điện tích trên carbon benzyl).
Điều khiển Chuyển vị Sommelet-Hauser
Để tối đa hóa sản phẩm chuyển vị Sommelet-Hauser và giảm thiểu sự hình thành sản phẩm chuyển vị Stevens, một số chiến lược có thể được sử dụng:
- Sử dụng nhiệt độ thấp: Thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp (ví dụ: -78°C hoặc nhiệt độ của amoniac lỏng -33°C) thường ưu tiên chuyển vị Sommelet-Hauser.
- Lựa chọn bazơ: Các bazơ mạnh và ít bị cản trở không gian như amid natri ($NaNH_2$) thường được sử dụng. Các base như LDA có thể làm tăng sản phẩm Stevens do hiệu ứng không gian.
- Dung môi: Amoniac lỏng ($NH_3$) là dung môi phổ biến, ngoài ra các dung môi aprotic phân cực như THF cũng có thể được sử dụng.
- Tối ưu hóa các nhóm thế: Các nhóm thế rút electron trên vòng thơm có thể tăng cường chuyển vị Sommelet-Hauser bằng cách làm tăng độ dương điện tích của carbon benzyl.