Chuyển vị Wagner-Meerwein (Wagner-Meerwein rearrangement)

Cơ chế

Chuyển vị Wagner-Meerwein diễn ra qua một carbocation trung gian. Khi một carbocation được hình thành, nếu một carbocation ổn định hơn có thể được hình thành bằng cách chuyển vị một nhóm alkyl, aryl hoặc hydride sang cacbon mang điện tích dương, thì sự chuyển vị sẽ xảy ra. Sự chuyển vị này làm thay đổi cấu trúc khung cacbon của phân tử. Sự dịch chuyển này được ưa chuộng do sự hình thành carbocation ổn định hơn, thường là carbocation bậc cao hơn (ví dụ: bậc ba ổn định hơn bậc hai, ổn định hơn bậc một).

Ví dụ về chuyển vị 1,2-alkyl

Quá trình chuyển vị Wagner-Meerwein có thể được minh họa qua các bước sau:

1. Hình thành carbocation: Một phân tử ban đầu (ví dụ, một alkyl halide) trải qua một phản ứng tạo ra một carbocation. Ví dụ:

$R-CH_2-CH_2^+ -R’ \rightarrow $

2. Chuyển vị 1,2: Một nhóm alkyl (R) từ nguyên tử cacbon lân cận di chuyển sang nguyên tử cacbon mang điện tích dương. Lưu ý rằng nhóm alkyl di chuyển cùng với cặp electron liên kết của nó.

$R-CH_2-CH_2^+ -R’ \rightarrow R-CH^+-CH(R)-R’$

3. Phản ứng tiếp theo: Carbocation mới được hình thành có thể trải qua các phản ứng tiếp theo, chẳng hạn như kết hợp với một nucleophile hoặc mất proton để tạo thành một alken. Sản phẩm cuối cùng sẽ có một bộ khung cacbon khác với phân tử ban đầu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị Wagner-Meerwein

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng xảy ra và hướng của chuyển vị Wagner-Meerwein:

• Độ ổn định của carbocation: Chuyển vị thường xảy ra để tạo thành một carbocation ổn định hơn. Carbocation bậc ba ổn định hơn carbocation bậc hai, và carbocation bậc hai ổn định hơn carbocation bậc một do hiệu ứng siêu liên hợp và hiệu ứng cảm ứng. Do đó, sự chuyển vị thường tạo ra carbocation bậc cao hơn.
• Bản chất của nhóm di chuyển: Nhóm alkyl, aryl và hydride đều có thể tham gia vào chuyển vị Wagner-Meerwein. Khả năng di chuyển của các nhóm này phụ thuộc vào độ ổn định tương đối của carbocation được hình thành sau khi chuyển vị. Nhóm aryl thường di chuyển dễ dàng hơn nhóm alkyl, và nhóm hydride thường di chuyển dễ dàng nhất khi tạo thành carbocation bậc ba.
• Điều kiện phản ứng: Nhiệt độ và dung môi có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hướng của chuyển vị. Nhiệt độ cao hơn có thể thúc đẩy chuyển vị. Bản chất của dung môi cũng có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của carbocation và do đó ảnh hưởng đến sự chuyển vị.

Ví dụ

Phản ứng của 2-methyl-2-chlorobutane với ethanol minh họa cho chuyển vị hydride:

1. $CH_3-C(CH_3)(Cl)-CH_2-CH_3 + EtOH \rightarrow CH_3-C^+(CH_3)-CH_2-CH_3 + Cl^- + EtOH$ (Hình thành carbocation bậc ba)
2. $CH_3-C^+(CH_3)-CH_2-CH_3 \rightarrow CH_3-CH(CH_3)-CH^+-CH_3$ (Chuyển vị hydride tạo carbocation bậc ba khác)
3. $CH_3-CH(CH_3)-CH^+-CH_3 + EtOH \rightarrow CH_3-CH(CH_3)-CH(OEt)-CH_3 + H^+$ (carbocation phản ứng với ethanol)

Trong ví dụ này, một carbocation bậc ba được hình thành ban đầu. Mặc dù carbocation hình thành sau chuyển vị hydride cũng là bậc ba, nó lại được ổn định hơn do tăng số lượng nhóm alkyl có thể tham gia vào siêu liên hợp. Cuối cùng, carbocation phản ứng với ethanol để tạo thành một ether.

Ứng dụng

Chuyển vị Wagner-Meerwein có vai trò quan trọng trong nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong hóa học terpenoid và steroid. Nó cũng được sử dụng để giải thích sự hình thành các sản phẩm không mong muốn trong một số phản ứng. Việc hiểu rõ về chuyển vị này giúp các nhà hóa học dự đoán và kiểm soát kết quả của các phản ứng, thiết kế các lộ trình tổng hợp hiệu quả hơn và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.

Các biến thể của Chuyển vị Wagner-Meerwein

Mặc dù nguyên tắc cơ bản của chuyển vị Wagner-Meerwein liên quan đến chuyển vị 1,2, nhưng có một số biến thể của phản ứng này, bao gồm:

• Chuyển vị pinacol: Đây là một trường hợp đặc biệt của chuyển vị Wagner-Meerwein, trong đó một diol vicina (hai nhóm hydroxyl trên các nguyên tử cacbon liền kề) được chuyển thành một ketone hoặc aldehyde. Phản ứng này thường được xúc tác bởi axit. Sự proton hóa một trong hai nhóm hydroxyl dẫn đến sự mất nước và hình thành carbocation. Sau đó, một nhóm alkyl hoặc aryl di chuyển đến cacbon mang điện tích dương, và một proton bị mất để tạo thành ketone hoặc aldehyde.

Ví dụ:

$R-C(OH)(CH_3)-C(OH)(CH_3)-R + H^+ \rightarrow R-C(CH_3)_2-C^+(OH)-R + H_2O \rightarrow R-C(CH_3)_2-C(=O)-R + H^+$

• Chuyển vị Nametkin: Đây là một chuyển vị vòng mở rộng, xảy ra trong các cycloalkyl methyl carbocation. Một nhóm alkyl từ vòng di chuyển đến nguyên tử cacbon methyl, dẫn đến việc mở rộng vòng. Chuyển vị này thường tạo ra vòng ổn định hơn.

Ví dụ (chuyển vị từ cyclobutyl sang cyclopentyl):

$(CH_2)_3C^+CH_3 \rightarrow (CH_2)_4CH^+$

• Chuyển vị Demjanov: Chuyển vị này liên quan đến việc mở rộng vòng của một aminocyclic bậc một thành một aminocyclic lớn hơn. Nó thường được thực hiện bằng cách xử lý aminocyclic với axit nitrous. Phản ứng này tạo ra carbocation, sau đó trải qua chuyển vị vòng mở rộng tương tự như chuyển vị Nametkin.

Phân biệt Chuyển vị Wagner-Meerwein với các phản ứng chuyển vị khác

Điều quan trọng là phải phân biệt chuyển vị Wagner-Meerwein với các phản ứng chuyển vị khác, chẳng hạn như chuyển vị Beckmann, chuyển vị Hofmann và chuyển vị Curtius. Mặc dù tất cả các phản ứng này đều liên quan đến sự chuyển vị của một nhóm, nhưng cơ chế và điều kiện phản ứng khác nhau. Điểm khác biệt chính là chuyển vị Wagner-Meerwein diễn ra thông qua carbocation trung gian, trong khi các chuyển vị khác diễn ra thông qua các chất trung gian khác như isocyanate (Hofmann và Curtius) hoặc oxime proton hóa (Beckmann).

Ví dụ phức tạp hơn

Trong các hệ thống phức tạp hơn, chuyển vị Wagner-Meerwein có thể xảy ra nhiều lần, dẫn đến sự thay đổi đáng kể cấu trúc khung carbon. Điều này thường xảy ra trong hóa học terpenoid, nơi chuyển vị Wagner-Meerwein đóng vai trò quan trọng trong sinh tổng hợp của nhiều hợp chất tự nhiên. Sự chuyển vị nhiều lần này có thể dẫn đến sự đa dạng cấu trúc đáng kể trong các sản phẩm tự nhiên.

• Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, 7th ed.; Wiley: Hoboken, NJ, 2013.
• Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms, 5th ed.; Springer: New York, 2007.
• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function, 8th ed.; W. H. Freeman: New York, 2018.
• Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry, 2nd ed.; Oxford University Press: Oxford, 2012.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt chuyển vị Wagner-Meerwein với chuyển vị carbocation khác, ví dụ như chuyển vị pinacol?

Trả lời: Mặc dù chuyển vị pinacol được coi là một trường hợp đặc biệt của chuyển vị Wagner-Meerwein, điểm khác biệt chính nằm ở chất nền. Chuyển vị Wagner-Meerwein nói chung có thể xảy ra với nhiều loại carbocation, trong khi chuyển vị pinacol đặc trưng cho các diol vicina. Sản phẩm của chuyển vị pinacol là ketone hoặc aldehyde, trong khi chuyển vị Wagner-Meerwein tổng quát hơn có thể dẫn đến nhiều loại sản phẩm khác nhau.

Ngoài nhóm alkyl, aryl và hydride, còn nhóm nào khác có thể di chuyển trong chuyển vị Wagner-Meerwein không?

Trả lời: Đúng vậy. Mặc dù ít phổ biến hơn, các nhóm khác như acyl và vinyl cũng có thể di chuyển trong một số trường hợp đặc biệt. Điều quan trọng là nhóm di chuyển phải có khả năng ổn định điện tích dương phát triển trong quá trình chuyển vị.

Điều gì xảy ra nếu có nhiều hơn một con đường chuyển vị có thể xảy ra? Làm thế nào để dự đoán sản phẩm chính?

Trả lời: Nếu có nhiều con đường chuyển vị có thể xảy ra, sản phẩm chính thường là sản phẩm được tạo thành từ carbocation ổn định nhất. Các yếu tố khác như hiệu ứng lập thể cũng có thể đóng vai trò. Trong các hệ thống phức tạp, việc dự đoán sản phẩm chính có thể đòi hỏi các tính toán hoặc thí nghiệm phức tạp.

Có thể sử dụng chuyển vị Wagner-Meerwein để tổng hợp các hợp chất vòng không? Nếu có, hãy cho ví dụ.

Trả lời: Có. Chuyển vị Nametkin là một ví dụ về việc sử dụng chuyển vị Wagner-Meerwein để tổng hợp các hợp chất vòng. Ví dụ, cyclobutylmethyl carbocation có thể chuyển vị thành cyclopentyl carbocation, mở rộng vòng từ bốn lên năm cạnh.

$(CH_2)_3C^+CH_3 \rightarrow (CH_2)_4CH^+$

Làm thế nào để ngăn chuyển vị Wagner-Meerwein xảy ra nếu không mong muốn?

Trả lời: Để ngăn chuyển vị Wagner-Meerwein, ta có thể điều chỉnh các điều kiện phản ứng. Ví dụ, việc sử dụng nhiệt độ thấp hơn có thể làm giảm khả năng xảy ra chuyển vị. Ngoài ra, việc lựa chọn cẩn thận dung môi và nucleophile cũng có thể ảnh hưởng đến hướng của phản ứng và hạn chế sự hình thành carbocation có khả năng chuyển vị. Một chiến lược khác là thay đổi cấu trúc của chất nền để hạn chế sự hình thành carbocation ở vị trí dễ bị chuyển vị.