Phản ứng chuyển vị 1,2 (1,2-shift/1,2-migration/1,2-rearrangement)

Phản ứng chuyển vị 1,2, còn được gọi là chuyển vị 1,2, di chuyển 1,2 hoặc sắp xếp lại 1,2, là một loại phản ứng hữu cơ trong đó một nhóm thế di chuyển từ một nguyên tử sang một nguyên tử liền kề trong một phân tử. Nguyên tử mà nhóm thế rời đi thường được gọi là trung tâm di chuyển, còn nguyên tử mà nhóm thế gắn vào được gọi là trung tâm tiếp nhận.

Cơ chế chung

Cơ chế chung của phản ứng chuyển vị 1,2 liên quan đến việc di chuyển đồng thời của nhóm thế và một cặp electron. Quá trình này thường xảy ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp vòng, trong đó nhóm thế và cặp electron đang di chuyển đồng thời liên kết với cả trung tâm di chuyển và trung tâm tiếp nhận. Sự hình thành trạng thái chuyển tiếp vòng này thường đòi hỏi sự sắp xếp không gian phù hợp giữa nhóm di chuyển và trung tâm tiếp nhận.

Phản ứng có thể được biểu diễn bằng phương trình tổng quát sau:

$A-B-C \rightarrow A-C-B$

Trong đó, B là trung tâm di chuyển và C là trung tâm tiếp nhận. Nhóm thế A di chuyển từ B sang C. Lưu ý rằng, bản chất của nhóm A, B, và C có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ và khả năng xảy ra của phản ứng. Ví dụ, sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử và khả năng ổn định điện tích của các nhóm thế đóng vai trò quan trọng.

Các loại phản ứng chuyển vị 1,2

Có nhiều loại phản ứng chuyển vị 1,2 khác nhau, mỗi loại được đặc trưng bởi loại nhóm thế di chuyển. Một số ví dụ phổ biến bao gồm:

Chuyển vị Wagner-Meerwein: Đây là một loại chuyển vị carbocation, trong đó một alkyl, aryl hoặc hydride chuyển vị từ một carbon sang một carbon lân cận mang điện tích dương. Sự chuyển vị này thường xảy ra để tạo thành một carbocation ổn định hơn (ví dụ: từ bậc 2 sang bậc 3).
- Ví dụ: Trong phản ứng cộng HX vào anken, nếu carbocation trung gian có thể tạo thành một carbocation bền hơn bằng chuyển vị 1,2, phản ứng chuyển vị sẽ xảy ra.
Chuyển vị Pinacol: Đây là một loại chuyển vị 1,2 của 1,2-diol dưới xúc tác axit, tạo thành một xeton hoặc aldehyde. Phản ứng này thường được sử dụng để chuyển đổi một 1,2-diol thành một carbonyl.
- Ví dụ: Chuyển vị pinacol-pinacolone.
Chuyển vị Hofmann: Một amit phản ứng với halogen (X₂) và bazơ (thường là NaOH hoặc KOH) để tạo thành amin bậc một. Phản ứng liên quan đến sự chuyển vị 1,2 của nhóm alkyl từ carbon carbonyl sang nguyên tử nitơ. Sản phẩm amin bậc một thường có ít hơn một nguyên tử carbon so với amit ban đầu.
Chuyển vị Curtius: Sự chuyển vị của một acyl azide để tạo ra một isocyanate. Sự chuyển vị tương tự như phản ứng chuyển vị Hofmann, nhưng với sự tham gia của một nhóm azide. Isocyanate tạo thành có thể tiếp tục phản ứng với nước để tạo ra amin bậc một và carbon dioxide.
Chuyển vị Beckmann: Một oxime được chuyển vị thành amit được thế bằng xúc tác axit. Phản ứng này thường được sử dụng để tổng hợp các amit được thế từ xeton hoặc aldehyde.

Ứng dụng

Phản ứng chuyển vị 1,2 được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các phân tử phức tạp. Chúng đặc biệt hữu ích để tạo ra các liên kết carbon-carbon và carbon-heteroatom mới.

Yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến phản ứng chuyển vị 1,2, bao gồm:

Bản chất của nhóm thế di chuyển: Nhóm thế càng ổn định thì càng dễ di chuyển. Ví dụ, nhóm aryl thường di chuyển dễ dàng hơn nhóm alkyl.
Bản chất của trung tâm di chuyển và trung tâm tiếp nhận: Sự khác biệt về độ âm điện giữa trung tâm di chuyển và trung tâm tiếp nhận có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
Sự hiện diện của các chất xúc tác: Một số phản ứng chuyển vị 1,2 yêu cầu chất xúc tác để tiến hành. Ví dụ, chuyển vị Pinacol yêu cầu xúc tác axit.
Nhiệt độ và dung môi: Nhiệt độ và dung môi có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng.

Cơ chế chi tiết của một số phản ứng chuyển vị 1,2 quan trọng

Chuyển vị Wagner-Meerwein: Phản ứng bắt đầu bằng sự hình thành carbocation. Sau đó, một nhóm alkyl, aryl hoặc hydride liền kề di chuyển sang carbocation, tạo thành một carbocation mới ổn định hơn. Sự chuyển vị này thường xảy ra từ một carbon bậc thấp hơn sang một carbon bậc cao hơn, ví dụ từ carbocation bậc hai sang bậc ba.Ví dụ chuyển vị hydride:
$R-CH_2-CH^+-CH_3 \rightarrow R-CH^+-CH_2-CH_3$
Chuyển vị Pinacol: Phản ứng này xảy ra dưới xúc tác axit. Đầu tiên, một trong hai nhóm hydroxyl của 1,2-diol được proton hóa. Sau đó, nước bị loại bỏ, tạo thành carbocation. Tiếp theo, một nhóm alkyl di chuyển sang carbocation, và cuối cùng, deproton hóa xảy ra để tạo thành xeton hoặc aldehyde. Nhóm alkyl di chuyển thường là nhóm có khả năng ổn định carbocation tốt nhất.
Chuyển vị Hofmann: Amid phản ứng với halogen trong môi trường bazơ để tạo thành N-haloamid. N-haloamid sau đó phản ứng với bazơ để tạo thành isocyanate, trải qua sự chuyển vị alkyl. Cuối cùng, isocyanate bị thủy phân để tạo thành amin bậc một và carbon dioxide. Phản ứng này thường được thực hiện với bromine hoặc chlorine làm halogen.
Chuyển vị Curtius: Acyl azide bị phân hủy nhiệt hoặc quang hóa để tạo thành isocyanate, trải qua sự chuyển vị alkyl tương tự như chuyển vị Hofmann. Isocyanate sau đó có thể phản ứng tiếp với nhiều nucleophile khác nhau.
Chuyển vị Beckmann: Oxime được proton hóa bởi xúc tác axit. Sau đó, nhóm anti-periplanar đối với nhóm hydroxyl rời đi cùng với cặp electron liên kết. Một nhóm alkyl hoặc aryl di chuyển đến nitơ mang điện tích dương, và cuối cùng, nước tấn công vào carbocation để tạo thành amit. Vị trí của nhóm thế trên amit được xác định bởi nhóm nào anti đối với nhóm hydroxyl trong oxime ban đầu.

Ví dụ cụ thể

Chuyển vị Wagner-Meerwein trong phản ứng cộng HCl vào 3-methyl-1-buten: Carbocation thứ cấp ban đầu chuyển vị thành carbocation bậc ba ổn định hơn thông qua chuyển vị 1,2 của nhóm hydride.
Chuyển vị Pinacol của pinacol: Pinacol (2,3-dimethylbutane-2,3-diol) chuyển vị thành pinacolone (3,3-dimethyl-2-butanone) dưới xúc tác axit.

Lưu ý: Phản ứng chuyển vị 1,2 có thể cạnh tranh với các phản ứng khác, chẳng hạn như phản ứng thế hoặc phản ứng tách. Tính chọn lọc của phản ứng chuyển vị 1,2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc của chất nền, bản chất của nhóm di chuyển, và điều kiện phản ứng.