Phản ứng chuyển vị pinacol (Pinacol rearrangement)

Ví dụ:

Phản ứng của pinacol (2,3-dimethylbutan-2,3-diol) tạo thành pinacolone (3,3-dimethylbutan-2-on):

$(CH_3)_2C(OH)-C(OH)(CH_3)_2 \xrightarrow{H^+} (CH_3)_3C-C(O)CH_3 + H_2O$

Lưu ý rằng $H^+$ là chất xúc tác nên không ghi vào sản phẩm. Tôi cũng đã sửa lại công thức của pinacolone cho chính xác.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng:

• Nồng độ axit: Nồng độ axit cao hơn thường làm tăng tốc độ phản ứng.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn cũng có thể đẩy nhanh phản ứng.
• Cấu trúc của 1,2-diol: Khả năng tạo carbocation ổn định sẽ ảnh hưởng đến hướng của phản ứng. Nhóm nào dễ dàng di chuyển hơn (nhóm alkyl bậc cao, nhóm aryl…) sẽ quyết định sản phẩm chính. Sự khác biệt về khả năng di chuyển của các nhóm thế có thể do các yếu tố điện tử và không gian.

Ứng dụng:

Phản ứng chuyển vị pinacol là một phương pháp hữu ích để tổng hợp các hợp chất carbonyl từ 1,2-diol. Nó cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất vòng. Ví dụ, phản ứng chuyển vị pinacol có thể được sử dụng để tạo các vòng xiclobutan, xiclopentan và xiclohexan.

Lưu ý:

Một số 1,2-diol có thể trải qua các phản ứng cạnh tranh khác, chẳng hạn như khử nước để tạo thành anken, tùy thuộc vào điều kiện phản ứng. Việc lựa chọn điều kiện phản ứng thích hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa sản phẩm mong muốn và giảm thiểu các sản phẩm phụ.

Sự chuyển vị bán pinacol (Semipinacol rearrangement):

Một biến thể quan trọng của phản ứng chuyển vị pinacol là chuyển vị bán pinacol. Trong phản ứng này, một nhóm rời tốt (như tosylate (OTs), mesylate (OMs), hay halide) nằm trên carbon kề với nhóm hydroxyl. Dưới tác dụng của base hoặc axit Lewis, nhóm rời tốt bị tách ra, tạo carbocation và tiếp tục chuyển vị giống như chuyển vị pinacol. Ưu điểm của phản ứng này là nó có thể xảy ra dưới điều kiện phản ứng nhẹ nhàng hơn và có tính chọn lọc lập thể cao hơn so với chuyển vị pinacol truyền thống.

Ví dụ:

$R_1R_2C(OH)-C(OTs)R_3R_4 + Base \rightarrow R_1R_2C(OH)-C^+R_3R_4 + TsO^- \rightarrow R_1C^+(R_2)-C(OH)R_3R_4 \rightarrow R_1C(R_2)=O$ (sau chuyển vị và tách proton)

Tôi đã bổ sung bước tạo carbocation và viết lại cho rõ ràng hơn.

Chuyển vị pinacol mở rộng vòng:

Phản ứng này áp dụng cho các hệ thống vòng chứa 1,2-diol. Khi xảy ra chuyển vị, vòng sẽ mở rộng, tạo thành xeton vòng lớn hơn. Phản ứng này hữu ích trong việc tổng hợp các hợp chất vòng phức tạp.

Lập thể hóa học:

Phản ứng chuyển vị pinacol thường diễn ra với sự giữ nguyên lập thể ở carbon di chuyển. Điều này nghĩa là nếu nhóm alkyl hoặc aryl di chuyển từ một carbon bất đối, thì cấu hình của carbon đó sẽ được giữ nguyên trong sản phẩm. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, có thể xảy ra sự đảo ngược lập thể, đặc biệt là khi carbocation trung gian có thể trải qua sự quay vòng trước khi chuyển vị.

Các phản ứng cạnh tranh:

Như đã đề cập trước đó, phản ứng chuyển vị pinacol có thể cạnh tranh với các phản ứng khác, đặc biệt là phản ứng khử nước tạo thành anken. Điều kiện phản ứng (nồng độ axit, nhiệt độ) đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định sản phẩm chính. Cấu trúc của 1,2-diol cũng ảnh hưởng đến khả năng xảy ra phản ứng cạnh tranh.

• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function, 8th ed.; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
• Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure, 7th ed.; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, 2013.
• Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms, 5th ed.; Springer: New York, 2007.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài H₂SO₄, còn axit nào khác có thể được sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng chuyển vị pinacol? Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng các axit khác nhau là gì?

Trả lời: Ngoài H₂SO₄, các axit Lewis như AlCl₃, BF₃, ZnCl₂, và các axit Brønsted khác như H₃PO₄ cũng có thể được sử dụng. Ưu điểm của axit Lewis là chúng có thể xúc tác phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn, hạn chế các phản ứng phụ. Tuy nhiên, axit Lewis có thể tạo phức với sản phẩm carbonyl, làm phức tạp quá trình tinh chế. H₃PO₄ ít ăn mòn hơn H₂SO₄, nhưng tốc độ phản ứng có thể chậm hơn.

Ảnh hưởng của nhóm thế trên vòng thơm đến hướng chuyển vị trong trường hợp 1,2-diaryl-1,2-diol là gì?

Trả lời: Nhóm thế đẩy electron (như -OCH₃, -CH₃) trên vòng thơm sẽ làm tăng tốc độ chuyển vị của aryl mang nhóm thế đó. Ngược lại, nhóm thế hút electron (như -NO₂, -CN) sẽ làm giảm tốc độ chuyển vị của aryl mang nhóm thế đó. Vị trí của nhóm thế trên vòng thơm (ortho, meta, para) cũng ảnh hưởng đến tốc độ và hướng chuyển vị.

Làm thế nào để phân biệt sản phẩm của phản ứng chuyển vị pinacol với sản phẩm của phản ứng khử nước?

Trả lời: Sản phẩm của phản ứng chuyển vị pinacol là xeton, trong khi sản phẩm của phản ứng khử nước là anken. Có thể sử dụng các phương pháp phổ học như phổ IR (xeton có peak C=O đặc trưng) và phổ NMR để phân biệt hai loại sản phẩm này. Ngoài ra, các phản ứng hóa học đặc trưng cho xeton (ví dụ phản ứng với 2,4-DNP) cũng có thể được sử dụng.

Nếu cả hai nhóm hydroxyl trong 1,2-diol được gắn với carbon bậc ba, sản phẩm của phản ứng chuyển vị pinacol sẽ là gì?

Trả lời: Nếu cả hai nhóm hydroxyl đều gắn với carbon bậc ba, phản ứng chuyển vị pinacol sẽ tạo ra hỗn hợp sản phẩm, do cả hai nhóm alkyl bậc ba đều có khả năng chuyển vị tương đương. Tỷ lệ sản phẩm sẽ phụ thuộc vào các yếu tố lập thể và điện tử.

Có thể áp dụng phản ứng chuyển vị pinacol cho các diol vòng không? Nếu có, cơ chế và sản phẩm sẽ như thế nào?

Trả lời: Có, phản ứng chuyển vị pinacol có thể áp dụng cho các diol vòng, tạo ra phản ứng mở rộng vòng. Cơ chế tương tự như chuyển vị pinacol thông thường, nhưng sau khi chuyển vị, vòng sẽ mở rộng. Sản phẩm sẽ là xeton vòng lớn hơn. Ví dụ, chuyển vị pinacol của cyclohexane-1,2-diol sẽ tạo thành cycloheptanone.