Phản ứng Bamford-Stevens (Bamford-Stevens Reaction)

Cơ chế phản ứng

Phản ứng Bamford-Stevens tiến hành qua hai cơ chế chính, phụ thuộc vào dung môi sử dụng:

• Cơ chế ion cacbanion (trong dung môi protic như $C_2H_5OH$):
  • Base mạnh deproton hóa tosylhydrazone ($RCH_2C(N_2HSO_2C_7H_7)R’$) tạo thành một cacbanion.
  • Cacbanion này loại bỏ nhóm tosyl ($-SO_2C_7H_7$) tạo thành diazoalkane ($RCH=C(N_2)R’$).
  • Diazoalkane bị phân hủy trong điều kiện protic, tạo ra một ion cacbenium ($RCH_2C^+R’$) và khí nitơ ($N_2$).
  • Ion cacbenium sau đó trải qua sự chuyển vị 1,2-hydride hoặc alkyl để tạo thành alken ổn định hơn.
• Cơ chế carben (trong dung môi aprotic như $C_6H_6$ với NaH làm base):
  • Tương tự như cơ chế ion cacbanion, tosylhydrazone bị deproton hóa bởi base mạnh tạo thành cacbanion.
  • Cacbanion này phân hủy đồng thời, loại bỏ nhóm tosylate và tạo ra một carben ($RCH=CR’$:) và khí nitơ ($N_2$).
  • Carben sau đó trải qua sự chuyển vị 1,2-hydride hoặc 1,2-alkyl để tạo ra alken.

Tổng quát:

$RCH_2C(N_2HSO_2C_7H_7)R’ + Base \rightarrow RCH=CHR’ + N_2 + ^-OTs$

Trong đó:

• R và R’ là nhóm alkyl hoặc aryl.
• $^-OTs$ là anion tosylate ($-SO_2C_7H_7$).

Ưu điểm của phản ứng Bamford-Stevens:

• Tổng hợp alken từ các hợp chất carbonyl dễ dàng có sẵn (thông qua việc hình thành tosylhydrazone).
• Điều kiện phản ứng tương đối nhẹ.
• Khả năng tạo ra cả alken mạch thẳng và mạch nhánh.

Nhược điểm:

• Sự hình thành carben đôi khi có thể dẫn đến các phản ứng phụ không mong muốn, chẳng hạn như chèn carben.
• Việc lựa chọn dung môi ảnh hưởng đến cơ chế và do đó ảnh hưởng đến sản phẩm tạo thành.

Ứng dụng

Phản ứng Bamford-Stevens được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để điều chế nhiều loại alken, bao gồm cả những alken khó tổng hợp bằng các phương pháp khác. Nó đặc biệt hữu ích cho việc tổng hợp các alken vòng, exocyclic alken và các alken bị cản trở lập thể.

So sánh giữa hai cơ chế

Sự khác biệt chính giữa hai cơ chế nằm ở bản chất của chất trung gian phản ứng. Trong dung môi protic, phản ứng tiến hành qua ion cacbenium, trong khi ở dung môi aprotic, carben là chất trung gian. Điều này dẫn đến sự khác biệt về tính chọn lọc và sản phẩm tạo thành. Phản ứng trong dung môi protic thường tạo ra alken ổn định hơn theo quy tắc Zaitsev, trong khi phản ứng trong dung môi aprotic có thể tạo ra hỗn hợp các alken đồng phân.

Ví dụ minh họa

Phản ứng của cyclohexanone tosylhydrazone với natri methoxide ($CH_3ONa$) trong methanol ($CH_3OH$) tạo ra methylenecyclohexane, một alken ngoại vòng (exocyclic alkene):

$C_6H_{10}(NNHSO_2C_7H_7) + CH_3ONa/CH_3OH \rightarrow C_6H_{10}=CH_2 + N_2 + ^-OTs + CH_3OH$

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

• Bản chất của base: Base mạnh hơn thường dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn.
• Dung môi: Như đã thảo luận, dung môi ảnh hưởng đến cơ chế và do đó ảnh hưởng đến sản phẩm.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn thường ưu chuộng sự hình thành carben.
• Cấu trúc của tosylhydrazone: Sự cản trở lập thể xung quanh nhóm tosylhydrazone có thể ảnh hưởng đến cơ chế và tính chọn lọc của phản ứng.

Biến thể của phản ứng Bamford-Stevens

Một số biến thể của phản ứng Bamford-Stevens đã được phát triển để cải thiện tính chọn lọc và mở rộng phạm vi ứng dụng. Ví dụ, việc sử dụng các base khác nhau, như lithium diisopropylamide (LDA) hay alkyllithium, có thể dẫn đến sự hình thành các alken đặc biệt.

• W. R. Bamford and T. S. Stevens, J. Chem. Soc., 1952, 4735.
• J. March, Advanced Organic Chemistry, 4th ed., Wiley, New York, 1992, pp. 990-992.
• K. Peter C. Vollhardt and Neil E. Schore, Organic Chemistry, 7th ed., W. H. Freeman and Company, New York, 2014, pp. 948-949.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài tosylhydrazone, còn có thể sử dụng các loại hydrazone nào khác trong phản ứng Bamford-Stevens?

Trả lời: Mặc dù tosylhydrazone là loại hydrazone phổ biến nhất được sử dụng, các loại hydrazone khác như benzenesulfonylhydrazone và mesylhydrazone cũng có thể được sử dụng trong phản ứng Bamford-Stevens. Tuy nhiên, hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng có thể thay đổi tùy thuộc vào loại hydrazone được sử dụng.

Làm thế nào để phân biệt sản phẩm tạo thành từ hai cơ chế của phản ứng Bamford-Stevens?

Trả lời: Sản phẩm alken tạo thành từ cơ chế ion cacbenium (trong dung môi protic) thường tuân theo quy tắc Zaitsev, tức là alken được ưu tiên hình thành là alken có nhiều nhóm alkyl gắn vào cacbon mang nối đôi nhất. Trong khi đó, sản phẩm tạo thành từ cơ chế carben (trong dung môi aprotic) có thể là hỗn hợp của các đồng phân alken, không nhất thiết tuân theo quy tắc Zaitsev. Phân tích sản phẩm bằng các phương pháp phổ học như NMR và GC-MS có thể giúp xác định cấu trúc và tỷ lệ các đồng phân alken tạo thành.

Phản ứng Shapiro là gì và nó có liên quan gì đến phản ứng Bamford-Stevens?

Trả lời: Phản ứng Shapiro cũng là một phương pháp tổng hợp alken từ tosylhydrazone. Tuy nhiên, khác với Bamford-Stevens, phản ứng Shapiro sử dụng 2 đương lượng alkyllithium làm base mạnh và thường tạo ra alken ít bị thế hơn (theo quy tắc Hofmann), trái ngược với quy tắc Zaitsev. Cả hai phản ứng đều liên quan đến việc hình thành chất trung gian carbanion từ tosylhydrazone.

Có những phản ứng phụ nào có thể xảy ra trong phản ứng Bamford-Stevens?

Trả lời: Một số phản ứng phụ có thể xảy ra bao gồm sự hình thành các sản phẩm chèn carben, phản ứng cộng của carben vào liên kết đôi, và sự hình thành azine. Việc kiểm soát điều kiện phản ứng, đặc biệt là lựa chọn base và dung môi, có thể giúp giảm thiểu các phản ứng phụ này.

Tại sao $N_2$ lại là một nhóm rời tốt trong phản ứng Bamford-Stevens?

Trả lời: $N_2$ là một nhóm rời rất tốt do tính ổn định cao của phân tử nitơ ($N_2$). Sự hình thành liên kết ba bền vững giữa hai nguyên tử nitơ giải phóng một năng lượng lớn, làm cho quá trình loại bỏ $N_2$ diễn ra thuận lợi về mặt nhiệt động lực học. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành carben hoặc ion cacbenium, các chất trung gian chính của phản ứng Bamford-Stevens.