Hydroboration-Oxi hóa (Hydroboration-Oxidation)

Hydroboration-Oxidation là một phản ứng hóa học hai bước được sử dụng để chuyển đổi anken thành ancol. Phản ứng này được phát hiện bởi Herbert C. Brown, người đã nhận giải Nobel Hóa học năm 1979 cho công trình nghiên cứu của mình về boran. Phản ứng này nổi bật với tính chất regio chọn lọc và đồng phân lập thể cao, tạo ra sản phẩm anti-Markovnikov và syn.

1. Bước Hydroboration (Hiđro hóa-Bo):

Trong bước này, anken phản ứng với boran ($BH_3$) hoặc một alkylboran được thế chỗ (như $9-BBN$). Boran thường tồn tại ở dạng dime ($B_2H_6$), nhưng nó phản ứng như thể là một monome ($BH_3$). Phản ứng diễn ra theo cơ chế cộng đồng phân, trong đó liên kết $B-H$ cộng vào liên kết đôi $C=C$. Quan trọng là, phản ứng diễn ra theo cách mà nguyên tử hydro kết hợp với cacbon mang ít hydro hơn (nguyên tắc anti-Markovnikov) và nguyên tử bo gắn với cacbon mang nhiều hydro hơn. Điều này là do hiệu ứng lập thể và sự phân cực của liên kết $B-H$.

$RCH=CH_2 + BH_3 \rightarrow RCH_2CH_2BH_2$

2. Bước Oxidation (Oxi hóa):

Trong bước thứ hai, alkylboran được tạo thành ở bước một được oxy hóa bởi hydro peroxit ($H_2O_2$) trong môi trường bazơ (thường là $NaOH$ hoặc $KOH$). Bước này thay thế nhóm $BH_2$ bằng nhóm $OH$, tạo thành ancol. Cấu hình của liên kết $C-O$ giữ nguyên cấu hình của liên kết $C-B$ ban đầu, dẫn đến việc cộng syn.

$RCH_2CH_2BH_2 + H_2O_2, NaOH \rightarrow RCH_2CH_2OH + NaBO_2$

Tính chọn lọc:

Regio chọn lọc (Anti-Markovnikov): Nhóm $OH$ được gắn vào cacbon ít bị thế hơn của anken ban đầu, trái ngược với quy tắc Markovnikov.
Đồng phân lập thể (Syn addition): Cả nguyên tử $H$ và nhóm $OH$ đều được thêm vào cùng một phía của liên kết đôi $C=C$.

Ưu điểm của Hydroboration-Oxidation:

Điều kiện phản ứng ôn hòa: Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn.
Tính chọn lọc cao: Cho sản phẩm mong muốn với hiệu suất tốt.
Ít phản ứng phụ: So với các phương pháp hydrat hóa anken khác.

Ví dụ:

Phản ứng của propen ($CH_3CH=CH_2$) với $BH_3$ theo sau là $H_2O_2/NaOH$ sẽ tạo ra propan-1-ol ($CH_3CH_2CH_2OH$) chứ không phải propan-2-ol ($CH_3CH(OH)CH_3$), sản phẩm được dự đoán theo quy tắc Markovnikov.

Ứng dụng:

Phản ứng Hydroboration-Oxidation được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để điều chế ancol từ anken một cách có kiểm soát. Nó đặc biệt hữu ích để tổng hợp ancol bậc một từ anken đầu mạch.

Cơ chế chi tiết của phản ứng Hydroboration:

Phản ứng hydroboration diễn ra qua một cơ chế cộng đồng phân bốn tâm trạng thái chuyển tiếp. Do $BH_3$ là một axit Lewis mạnh, nó dễ dàng phối trí với liên kết pi của anken. Trong trạng thái chuyển tiếp, liên kết $B-H$ và liên kết pi $C=C$ đang bị phá vỡ đồng thời với sự hình thành liên kết $C-H$ và $C-B$. Do hiệu ứng lập thể và tính electrophin mạnh hơn của cacbon ít bị thế hơn, nguyên tử bo ưu tiên gắn vào cacbon mang nhiều hydro hơn. Điều này giải thích tính chất anti-Markovnikov của phản ứng. Phản ứng cộng syn là do cả $B$ và $H$ được thêm vào cùng một phía của liên kết đôi trong trạng thái chuyển tiếp vòng bốn cạnh.

Một số lưu ý quan trọng:

Dung môi: Phản ứng hydroboration thường được thực hiện trong dung môi ether như THF (tetrahydrofuran) để ổn định $BH_3$ và ngăn chặn sự dimer hóa của nó thành $B_2H_6$.
Các tác nhân hydroboration khác: Ngoài $BH_3$, một số alkylboran được thế chỗ như 9-BBN (9-borabicyclo[3.3.1]nonane) và disiamylborane cũng được sử dụng. Những tác nhân này cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn về tính chọn lọc và có thể giảm thiểu các phản ứng phụ.
Oxi hóa với các tác nhân khác: Mặc dù $H_2O_2$ trong môi trường bazơ là tác nhân oxi hóa phổ biến nhất, các tác nhân oxi hóa khác như $NaBO_3$ cũng có thể được sử dụng.

So sánh với phản ứng hydrat hóa theo Markovnikov:

Khác với phản ứng hydroboration-oxidation, phản ứng hydrat hóa anken theo Markovnikov (ví dụ: sử dụng $H_2O$ với xúc tác axit) dẫn đến việc cộng $H$ và $OH$ theo quy tắc Markovnikov, tức là $OH$ được gắn vào cacbon mang ít hydro hơn. Hơn nữa, phản ứng hydrat hóa theo Markovnikov có thể diễn ra qua cơ chế carbocation trung gian, dẫn đến sự tạo thành sản phẩm racemic nếu cacbon mang điện tích dương là cacbon bất đối.

Ví dụ cụ thể về ứng dụng:

Tổng hợp 1-hexanol từ 1-hexene:

$CH_3(CH_2)_3CH=CH_2 + BH_3 \xrightarrow{THF} CH_3(CH_2)_3CH_2CH_2BH_2$
$CH_3(CH_2)_3CH_2CH_2BH_2 + H_2O_2, NaOH \rightarrow CH_3(CH_2)_4CH_2OH + NaBO_2$

Tóm tắt về Hydroboration-Oxi hóa

Phản ứng Hydroboration-Oxidation là một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ, cho phép chuyển đổi anken thành ancol với tính chọn lọc cao. Điểm mấu chốt cần nhớ đầu tiên là tính chất anti-Markovnikov của phản ứng. Điều này có nghĩa là nhóm hydroxyl ($OH$) sẽ được gắn vào cacbon ít bị thế hơn của liên kết đôi $C=C$, trái ngược với những gì được dự đoán bởi quy tắc Markovnikov. Ví dụ, phản ứng của 1-butene ($CH_3CH_2CH=CH_2$) với $BH_3$, sau đó là $H_2O_2/NaOH$, sẽ tạo ra 1-butanol ($CH_3CH_2CH_2CH_2OH$) chứ không phải 2-butanol.

Thứ hai, phản ứng diễn ra với sự cộng syn. Cả hai nguyên tử, hydro ($H$) và nhóm hydroxyl ($OH$), được thêm vào cùng một phía của liên kết đôi. Điều này dẫn đến sự hình thành một đồng phân lập thể cụ thể của sản phẩm, khác với các phản ứng cộng khác có thể tạo ra hỗn hợp đồng phân.

Cuối cùng, điều quan trọng cần nhớ là vai trò của boran ($BH_3$) và hydro peroxit ($H_2O_2$). Boran hoạt động như một tác nhân electrophin, khởi đầu phản ứng cộng vào liên kết đôi. Hydro peroxit, trong môi trường bazơ, sau đó oxy hóa liên kết $C-B$ thành liên kết $C-O$, hoàn thành việc chuyển đổi thành ancol. Việc hiểu các bước này và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chọn lọc là điều cần thiết để áp dụng thành công phản ứng Hydroboration-Oxidation trong tổng hợp hữu cơ.

Tài liệu tham khảo:

Brown, H. C. “Hydroboration.” Tetrahedron 1961, 17, 201–222.
Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
Wade, L. G. Organic Chemistry; Pearson Education: New Jersey, 2013.
Carey, F. A.; Giuliano, R. M. Organic Chemistry; McGraw-Hill Education: New York, 2016.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phản ứng hydroboration lại diễn ra theo cơ chế cộng syn chứ không phải anti?

Trả lời: Phản ứng hydroboration diễn ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng bốn cạnh, trong đó cả nguyên tử bo ($B$) và hydro ($H$) được thêm vào cùng một phía của liên kết đôi $C=C$. Cơ chế cộng đồng phân này không cho phép sự quay quanh liên kết C-C trong trạng thái chuyển tiếp, do đó dẫn đến sự cộng syn.

Ngoài $BH_3$, còn những tác nhân hydroboration nào khác và ưu điểm của chúng là gì?

Trả lời: Một số tác nhân hydroboration phổ biến khác bao gồm 9-BBN (9-borabicyclo[3.3.1]nonane), disiamylborane và thexylborane. Những tác nhân này thường ít phản ứng mạnh hơn $BH_3$, cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn tính chọn lọc và có thể giảm thiểu các phản ứng phụ. Ví dụ, 9-BBN đặc biệt hữu ích cho các hydroboration chọn lọc lập thể.

Điều gì sẽ xảy ra nếu sử dụng một anken không đối xứng trong phản ứng hydroboration-oxidation? Sản phẩm thu được có phải là hỗn hợp racemic không?

Trả lời: Nếu anken không đối xứng và phản ứng tạo ra một trung tâm chiral mới, thì sản phẩm sẽ là một cặp enantiomer. Tuy nhiên, do tính chất cộng syn của phản ứng hydroboration, thường chỉ tạo ra một enantiomer là sản phẩm chính, chứ không phải hỗn hợp racemic. Tỷ lệ enantiomer phụ thuộc vào cấu trúc của anken ban đầu.

Có thể sử dụng các tác nhân oxi hóa nào khác ngoài $H_2O_2$ trong bước oxi hóa?

Trả lời: Mặc dù $H_2O_2$ trong môi trường bazơ là tác nhân oxi hóa phổ biến nhất, các chất oxi hóa khác như $NaBO_3$ (natri perborat) và $NaOCl$ (natri hypoclorit) cũng có thể được sử dụng. Những tác nhân này đôi khi có thể cung cấp lợi thế về điều kiện phản ứng ôn hòa hơn hoặc cải thiện hiệu suất.

Làm thế nào để phân biệt sản phẩm của phản ứng hydroboration-oxidation với sản phẩm của phản ứng hydrat hóa theo Markovnikov?

Trả lời: Có thể phân biệt sản phẩm bằng cách phân tích cấu trúc của ancol thu được. Phản ứng hydroboration-oxidation tạo ra ancol anti-Markovnikov, trong khi phản ứng hydrat hóa theo Markovnikov tạo ra ancol Markovnikov. Các kỹ thuật phân tích như phổ NMR ($^1H$ NMR và $^{13}C$ NMR) có thể được sử dụng để xác định vị trí của nhóm hydroxyl và xác nhận cấu trúc của sản phẩm.

Một số điều thú vị về Hydroboration-Oxi hóa

Giải Nobel cho Herbert C. Brown: Phát hiện và phát triển phản ứng hydroboration đã mang lại cho Herbert C. Brown giải Nobel Hóa học năm 1979. Đây là minh chứng cho tầm quan trọng và ảnh hưởng của phản ứng này trong hóa học hữu cơ.

Boran là một chất khí độc: $BH_3$ (boran) nguyên chất là một chất khí rất độc và phản ứng mạnh. Tuy nhiên, nó thường được sử dụng dưới dạng phức chất với dung môi như THF (tetrahydrofuran), làm cho nó an toàn và dễ xử lý hơn.

Tính linh hoạt của phản ứng: Phản ứng hydroboration không chỉ giới hạn trong việc tạo ra ancol. Nó cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ khác như amin, alkyl halide và thậm chí cả các hợp chất cơ kim. Sự linh hoạt này làm cho nó trở thành một công cụ vô giá trong hộp công cụ của các nhà hóa học tổng hợp.

“Anti-Markovnikov” không phải lúc nào cũng đúng tuyệt đối: Mặc dù phản ứng hydroboration thường được mô tả là anti-Markovnikov, nhưng trong một số trường hợp nhất định, với các anken được thế đặc biệt, một lượng nhỏ sản phẩm Markovnikov vẫn có thể được tạo thành. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc xem xét cấu trúc của anken khi dự đoán sản phẩm.

Hiệu ứng lập thể đóng vai trò quan trọng: Kích thước lớn của nhóm boran ($BR_2$) trong tác nhân hydroboration góp phần vào tính chọn lọc regio của phản ứng. Nó ưu tiên cộng vào cacbon ít bị cản trở hơn, dẫn đến sản phẩm anti-Markovnikov.

Phản ứng xanh: Phản ứng hydroboration được coi là một phản ứng “xanh” vì nó tạo ra rất ít sản phẩm phụ và sử dụng các thuốc thử tương đối không độc hại. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho hóa học bền vững.

Ứng dụng trong công nghiệp: Phản ứng hydroboration-oxidation không chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm mà còn được ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất nhiều hợp chất hóa học quan trọng, bao gồm dược phẩm và polyme.