Phản ứng chuyển vị Claisen (Claisen rearrangement)

Cơ chế

Phản ứng chuyển vị Claisen diễn ra thông qua một cơ chế đồng bộ, có nghĩa là sự phá vỡ và hình thành liên kết xảy ra đồng thời trong một bước duy nhất. Quá trình này trải qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, theo cơ chế pericyclic. Điều quan trọng là phản ứng không liên quan đến bất kỳ chất trung gian nào. Cấu trúc vòng sáu cạnh này cho phép các electron di chuyển theo một vòng kín, tạo điều kiện cho sự chuyển vị đồng bộ.

Phản ứng có thể được minh họa như sau:

$CH_2=CH-CH_2-O-CH=CH_2 \xrightarrow{\Delta} CH_2=CH-CH_2-CH_2-CH=O$

Lưu ý rằng sản phẩm là một aldehyde α,β-unsaturated (một carbonyl không no), không phải là aldehyde no như trong ví dụ ban đầu.

Ví dụ minh họa

Một ví dụ phổ biến là sự chuyển vị của allyl phenyl ether thành o-allylphenol:

      O-CH2-CH=CH2
      |
      C6H5         ----->     C6H4(OH)(CH2-CH=CH2)
                                |
                                o-

Phản ứng này minh họa rõ ràng sự chuyển vị [3,3] sigmatropic, với nhóm allyl di chuyển từ nguyên tử oxy sang vị trí ortho trên vòng thơm.

Các biến thể của phản ứng chuyển vị Claisen

Có một số biến thể của phản ứng chuyển vị Claisen, mỗi biến thể cung cấp những lợi ích riêng trong việc tổng hợp các hợp chất khác nhau. Một số biến thể quan trọng bao gồm:

• Chuyển vị Claisen của allyl vinyl ether: Đây là phản ứng Claisen cổ điển, như đã mô tả ở trên.
• Chuyển vị Ireland-Claisen: Biến thể này sử dụng silyl enol ether thay cho allyl vinyl ether. Việc sử dụng silyl enol ether cho phép phản ứng diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn và với tính chọn lọc lập thể cao hơn. Điều này là do silyl enol ether ổn định hơn allyl vinyl ether.
• Chuyển vị Johnson-Claisen: Trong biến thể này, một allyl alcohol phản ứng với một orthoester để tạo thành một γ,δ-unsaturated ester. Phản ứng này hữu ích cho việc tổng hợp các ester không no.
• Chuyển vị Eschenmoser-Claisen: Biến thể này sử dụng một N,N-dimethylallylamine-N-oxide làm chất nền.

Ứng dụng

Phản ứng chuyển vị Claisen là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ để xây dựng các liên kết C-C và tạo ra các phân tử phức tạp. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong việc tổng hợp các sản phẩm tự nhiên và các phân tử quan trọng về mặt sinh học. Tính linh hoạt và tính đặc hiệu của phản ứng này làm cho nó trở thành một phương pháp tổng hợp mạnh mẽ.

Ưu điểm

• Phản ứng thường diễn ra với hiệu suất cao. Điều này làm cho nó trở thành một phương pháp tổng hợp hữu ích.
• Nó là một phương pháp hiệu quả để tạo liên kết C-C. Việc hình thành liên kết C-C là một trong những biến đổi quan trọng nhất trong tổng hợp hữu cơ.
• Nó có thể được sử dụng để tạo ra các phân tử phức tạp. Phản ứng Claisen có thể được sử dụng trong tổng hợp nhiều loại sản phẩm tự nhiên và các phân tử quan trọng khác.

Nhược điểm

• Phản ứng yêu cầu nhiệt độ cao, có thể không phù hợp với một số chất nền nhạy cảm với nhiệt. Điều này có thể hạn chế phạm vi ứng dụng của nó.
• Một số biến thể có thể yêu cầu các thuốc thử hoặc điều kiện đặc biệt. Điều này có thể làm tăng độ phức tạp và chi phí của quá trình tổng hợp.

Điều kiện phản ứng

Phản ứng chuyển vị Claisen thường được thực hiện ở nhiệt độ cao, điển hình là từ 150-200°C. Tuy nhiên, việc sử dụng xúc tác, chẳng hạn như axit Lewis, có thể cho phép phản ứng diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn. Phản ứng thường được thực hiện trong dung môi trơ, chẳng hạn như toluene hoặc xylene. Trong trường hợp chuyển vị Ireland-Claisen, phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn, thường là nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn, nhờ vào sự hoạt hóa của silyl enol ether.

Lập thể hóa học

Phản ứng chuyển vị Claisen thường diễn ra với tính chọn lọc lập thể cao. Trong trường hợp chất nền mạch vòng, phản ứng ưu tiên tạo ra sản phẩm chair-like transition state dẫn đến sản phẩm có cấu hình cis.

Ví dụ thêm về Chuyển vị Ireland-Claisen

Phản ứng giữa silyl enol ether và allyl bromide với sự hiện diện của bazơ mạnh (như LDA) và sau đó là quá trình thủy phân sẽ tạo ra γ,δ-unsaturated carbonyl compound:

       OSiR3
        |
CH3-C=CH2   +   CH2=CH-CH2Br   ---LDA--->   CH3-C-CH2-CH2-CH=CH2
                                               |
                                               O

So sánh Chuyển vị Claisen và Chuyển vị Cope

Cả chuyển vị Claisen và Cope đều là phản ứng sigmatropic [3,3]. Tuy nhiên, chuyển vị Claisen liên quan đến một allyl vinyl ether, trong khi chuyển vị Cope liên quan đến một 1,5-diene. Sản phẩm của chuyển vị Claisen là một carbonyl, trong khi sản phẩm của chuyển vị Cope là một alkene.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn thường dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn.
• Xúc tác: Axit Lewis có thể được sử dụng để xúc tác phản ứng và cho phép nó diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn.
• Các nhóm thế: Các nhóm thế trên chất nền có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của phản ứng. Ví dụ, các nhóm thế đẩy electron có thể làm tăng tốc độ phản ứng.

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

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài nhiệt độ, còn yếu tố nào khác có thể ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng chuyển vị Claisen?

Trả lời: Ngoài nhiệt độ, các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng chuyển vị Claisen bao gồm: xúc tác (ví dụ: axit Lewis), dung môi, và các nhóm thế trên chất nền. Xúc tác có thể làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, trong khi các nhóm thế có thể làm tăng hoặc giảm mật độ electron của liên kết đôi, ảnh hưởng đến khả năng phản ứng. Dung môi cũng đóng vai trò quan trọng, dung môi phân cực có thể ổn định trạng thái chuyển tiếp và tăng tốc độ phản ứng.

So sánh và đối chiếu cơ chế của chuyển vị Claisen và chuyển vị Cope. Điểm giống và khác nhau chính là gì?

Trả lời: Cả chuyển vị Claisen và Cope đều là phản ứng pericyclic [3,3]-sigmatropic, nghĩa là chúng diễn ra qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh. Điểm giống nhau: Cả hai đều là phản ứng đồng bộ và không liên quan đến chất trung gian. Điểm khác nhau: Chuyển vị Claisen liên quan đến một allyl vinyl ether và tạo ra một carbonyl, trong khi chuyển vị Cope liên quan đến một 1,5-diene và tạo ra một alkene khác.

Tại sao chuyển vị Ireland-Claisen thường được ưa chuộng hơn chuyển vị Claisen cổ điển trong một số tổng hợp hữu cơ?

Trả lời: Chuyển vị Ireland-Claisen sử dụng silyl enol ether, cho phép phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với chuyển vị Claisen cổ điển. Điều này rất hữu ích khi làm việc với các chất nền nhạy cảm với nhiệt. Hơn nữa, chuyển vị Ireland-Claisen thường cho thấy tính chọn lọc lập thể cao hơn.

Giả sử bạn có một allyl vinyl ether mạch vòng. Vẽ sản phẩm của phản ứng chuyển vị Claisen và giải thích lập thể hóa học của sản phẩm.

Trả lời:

       O
      / 
     /   
    /     
   /       
  /                ----->      /         
 |           |                 |           |
CH2=CH-CH2  CH=CH2            CH2=CH-CH2  C=O
                                         |
                                        CH2
                                         
                                          CH2
                                           
                                            CH2

Sản phẩm sẽ là một xicloalkanon với nhóm aldehyde ở vị trí alpha. Lập thể hóa học thường là cis do trạng thái chuyển tiếp vòng sáu trong cơ chế phản ứng.

Làm thế nào để xác định sản phẩm của phản ứng chuyển vị Claisen khi chất nền phức tạp hơn, ví dụ, có nhiều nhóm thế khác nhau?

Trả lời: Khi chất nền phức tạp, việc xác định sản phẩm cần xem xét kỹ các quy tắc chung của chuyển vị Claisen và ảnh hưởng của các nhóm thế. Vẽ cơ chế vòng sáu cạnh sẽ giúp hình dung sự di chuyển của các nhóm và xác định chính xác vị trí của liên kết đôi và nhóm carbonyl trong sản phẩm. Cần lưu ý đến các hiệu ứng lập thể và điện tử của các nhóm thế để dự đoán sản phẩm chính.