Cơ chế phản ứng:
Phản ứng chuyển vị benzil diễn ra theo cơ chế cộng nucleophin của hydroxide (OH⁻) vào một trong hai nhóm carbonyl của benzil. Sau đó, một trong hai nhóm phenyl sẽ chuyển vị từ cacbon này sang cacbon bên cạnh mang nhóm carbonyl còn lại. Cuối cùng, sự proton hóa của chất trung gian tạo ra axit benzilic.
Các bước cụ thể như sau:
- Cộng nucleophin: Ion hydroxide tấn công cacbonyl của benzil, tạo thành một anion alkoxit.
$C_6H_5-C(=O)-C(=O)-C_6H_5 + OH^- \rightarrow C_6H_5-C(=O)-C(O^-)(OH)-C_6H_5$
- Chuyển vị: Nhóm phenyl di chuyển từ cacbon mang nhóm alkoxit sang cacbon của nhóm carbonyl liền kề. Đây là bước quyết định của phản ứng chuyển vị. Sự chuyển vị này xảy ra do sự hình thành của một cacbocation tương đối bền vững trên cacbon mang nhóm alkoxit.
$C_6H_5-C(=O)-C(O^-)(OH)-C_6H_5 \rightarrow (C_6H_5)_2C(O^-)-C(=O)OH$
- Proton hóa: Anion carboxylate được proton hóa để tạo thành axit benzilic.
$(C_6H_5)_2C(O^-)-C(=O)OH + H^+ \rightarrow (C_6H_5)_2C(OH)-COOH$
Điều kiện phản ứng
Phản ứng chuyển vị benzil thường được thực hiện trong môi trường bazơ mạnh như hydroxide kali (KOH) hoặc natri hydroxide (NaOH) trong dung môi nước hoặc cồn. Nhiệt độ phản ứng thường được nâng lên để tăng tốc độ phản ứng. Một số dung môi hữu cơ aprotic phân cực như DMSO cũng có thể được sử dụng.
Ứng dụng
Phản ứng chuyển vị benzil có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:
- Tổng hợp axit benzilic và các dẫn xuất của nó: Axit benzilic là một chất trung gian quan trọng trong việc tổng hợp các hợp chất dược phẩm, polymer và các sản phẩm tự nhiên. Ví dụ, nó được sử dụng trong sản xuất glycolate, một loại thuốc chống co giật.
- Tổng hợp các α-hydroxyaxit khác: Phản ứng này có thể được áp dụng cho các 1,2-diketon khác để tổng hợp các α-hydroxyaxit khác nhau. Điều này mở ra khả năng tổng hợp một loạt các hợp chất hữu ích.
- Tổng hợp các hợp chất dị vòng: Phản ứng chuyển vị benzil có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ và oxy.
Ví dụ:
Phản ứng của benzil ($C_6H_5COCOC_6H_5$) với KOH tạo thành axit benzilic ($(C_6H_5)_2C(OH)COOH$).
Phản ứng chuyển vị benzil là một phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ, cung cấp một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi 1,2-diketon thành α-hydroxyaxit. Phản ứng này có nhiều ứng dụng trong tổng hợp các hợp chất hữu cơ phức tạp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tốc độ của phản ứng chuyển vị benzil, bao gồm:
- Nồng độ bazơ: Nồng độ bazơ càng cao, tốc độ phản ứng càng nhanh. Tuy nhiên, nồng độ bazơ quá cao có thể dẫn đến các phản ứng phụ không mong muốn.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ cao thường làm tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao cũng có thể gây ra sự phân hủy của sản phẩm hoặc xuất hiện các sản phẩm phụ.
- Dung môi: Dung môi phân cực như nước và cồn thường được sử dụng trong phản ứng chuyển vị benzil. Dung môi không phân cực có thể làm giảm tốc độ phản ứng do khả năng hòa tan kém của các chất phản ứng và bazơ. Dung môi aprotic phân cực như DMSO và DMF cũng có thể được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng.
- Cấu trúc của diketon: Các nhóm thế trên vòng thơm của diketon có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất của phản ứng. Ví dụ, các nhóm thế hút electron thường làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách làm tăng tính electrophile của cacbon carbonyl, trong khi các nhóm thế đẩy electron có thể làm giảm tốc độ phản ứng. Kích thước của các nhóm thế cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng do hiệu ứng không gian.
Các biến thể của phản ứng
Phản ứng chuyển vị benzil có thể được mở rộng cho các diketon khác ngoài benzil. Ví dụ, phản ứng chuyển vị của các diketon mạch hở cũng có thể tạo ra α-hydroxyaxit tương ứng. Ngoài ra, một số biến thể của phản ứng chuyển vị benzil đã được phát triển, sử dụng các chất xúc tác khác nhau như axit Lewis (ví dụ: $AlCl_3$) và các hợp chất organometallic.
So sánh với các phản ứng khác
Phản ứng chuyển vị benzil có nét tương đồng với một số phản ứng sắp xếp lại khác, chẳng hạn như phản ứng chuyển vị Cannizzaro. Tuy nhiên, phản ứng chuyển vị benzil khác với phản ứng Cannizzaro ở chỗ nó liên quan đến sự chuyển vị của một nhóm aryl hoặc alkyl, trong khi phản ứng Cannizzaro liên quan đến sự chuyển vị của một hydride. Một điểm khác biệt nữa là phản ứng Cannizzaro xảy ra với aldehyde không có hydro alpha, trong khi phản ứng chuyển vị benzil xảy ra với 1,2-diketon.
Ví dụ cụ thể về ảnh hưởng của nhóm thế:
Phản ứng của p-nitrobenzil ($O_2NC_6H_4COCOC_6H_4NO_2$) với KOH sẽ diễn ra nhanh hơn so với benzil do nhóm nitro hút electron, làm tăng tính electrophile của cacbon carbonyl. Ngược lại, p-methoxybenzil ($CH_3OC_6H_4COCOC_6H_4OCH_3$) sẽ phản ứng chậm hơn do nhóm methoxy đẩy electron, làm giảm tính electrophile của cacbon carbonyl.