Phản ứng co vòng (Ring Contraction)

Cơ chế:

Phản ứng co vòng có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau, phụ thuộc vào cấu trúc của vòng ban đầu và các điều kiện phản ứng. Một số cơ chế phổ biến bao gồm:

• Sắp xếp lại Favorskii: Đây là một phản ứng co vòng của các xeton vòng α-halogen hóa trong môi trường bazơ. Sản phẩm là một axit cacboxylic với vòng nhỏ hơn. Ví dụ, α-halocyclohexanone có thể được chuyển thành cyclobutanecarboxylic acid thông qua sự sắp xếp lại Favorskii. Cơ chế thường liên quan đến việc tạo thành một xyclopropanon trung gian, sau đó mở vòng để tạo ra axit cacboxylic.
• Sắp xếp lại Demjanov: Phản ứng này liên quan đến việc chuyển đổi 1-aminomethylcycloalkanol thành cycloalkanone với vòng nhỏ hơn thông qua việc xử lý với axit nitrơ ($HNO_2$). Ví dụ, 1-aminomethylcyclohexanol ($C_7H_{15}NO$) tạo thành cyclopentanone ($C_5H_8O$). Cơ chế bao gồm việc tạo thành một carbocation trung gian, sau đó là sự di chuyển nhóm alkyl để tạo thành vòng nhỏ hơn.
• Phản ứng Wolff: Phản ứng này liên quan đến việc phân hủy $\alpha$-diazoketon thành keten dưới tác dụng của nhiệt hoặc ánh sáng, sau đó keten có thể trải qua các phản ứng khác nhau, bao gồm cả phản ứng co vòng. Ví dụ, $\alpha$-diazoketone vòng có thể chuyển thành xeton vòng nhỏ hơn thông qua sự mất nitơ ($N_2$) và sự di chuyển 1,2-alkyl.
• Các phản ứng loại bỏ và cộng: Một số phản ứng co vòng xảy ra thông qua sự loại bỏ một nhóm từ vòng, tạo ra một liên kết đôi, sau đó là phản ứng cộng đóng vòng tạo ra một vòng nhỏ hơn. Ví dụ, sự loại bỏ nhóm thế tốt (như nhóm tosyl) từ một cycloalkanone có thể dẫn đến sự hình thành một anken vòng, sau đó trải qua phản ứng đóng vòng [2+2] để tạo thành một vòng bicyclic nhỏ hơn.
• Beckmann Rearrangement: Mặc dù thường được biết đến với vai trò là một phản ứng một chiều chuyển oxime thành amit, Beckmann Rearrangement cÅ©ng có thể là một phản ứng co vòng khi ứng dụng trên các oxime vòng. Ví dụ, cyclohexanone oxime có thể trải qua phản ứng co vòng để tạo thành caprolactam.

Ứng dụng:

Phản ứng co vòng là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ, cho phép các nhà hóa học xây dựng các phân tử vòng phức tạp một cách chọn lọc. Chúng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất tự nhiên, dược phẩm và các vật liệu khác. Ví dụ, phản ứng co vòng được sử dụng trong việc tổng hợp một số loại kháng sinh β-lactam, nơi vòng β-lactam được tạo ra thông qua phản ứng co vòng. Ngoài ra, phản ứng co vòng còn được ứng dụng trong việc tổng hợp các alkaloid, steroid, và terpenoid.

Ví dụ:

Một ví dụ đơn giản về phản ứng co vòng là sự chuyển đổi cyclobutylmethanol thành cyclopropylmethyl carbocation (sau đó có thể tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện) khi xử lý với axit sulfuric đậm đặc ($H_2SO_4$). Quá trình này liên quan đến việc proton hóa nhóm hydroxyl, sau đó là sự tách nước để tạo thành carbocation, tiếp theo là sự co vòng từ vòng 4 cạnh xuống vòng 3 cạnh.

Tóm lại:

Phản ứng co vòng là một phản ứng quan trọng trong hóa hữu cơ, cho phép biến đổi cấu trúc vòng của các phân tử. Sự hiểu biết về các cơ chế và ứng dụng của các phản ứng này là cần thiết cho việc thiết kế và tổng hợp các hợp chất phức tạp, từ các phân tử nhỏ đến các đại phân tử sinh học. Phản ứng co vòng cung cấp một con đường linh hoạt để tiếp cận các cấu trúc vòng khác nhau, đóng vai trò quan trọng trong cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng co vòng:

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất của phản ứng co vòng, bao gồm:

• Kích thước vòng: Kích thước của vòng ban đầu có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng xảy ra phản ứng co vòng. Vòng có sức căng lớn hơn, chẳng hạn như vòng ba và bốn cạnh, dễ bị co vòng hơn vòng lớn hơn (5, 6 cạnh) do giải tỏa sức căng vòng. Tuy nhiên, vòng 7 cạnh trở lên cũng có thể dễ dàng co vòng do hiệu ứng Thorpe–Ingold.
• Bản chất của các nhóm thế: Các nhóm thế trên vòng có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của các trạng thái chuyển tiếp và do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Ví dụ, các nhóm thế hút electron có thể làm ổn định carbocation hình thành trong một số cơ chế co vòng, trong khi các nhóm thế đẩy electron có thể làm tăng tốc độ phản ứng trong các trường hợp khác.
• Điều kiện phản ứng: Nhiệt độ, dung môi và các chất xúc tác có thể đóng vai trò quan trọng trong việc xác định cơ chế và kết quả của phản ứng co vòng. Ví dụ, nhiệt độ cao thường thúc đẩy phản ứng co vòng, trong khi dung môi phân cực có thể ổn định các carbocation trung gian.
• Độ bất bão hòa: Sự có mặt của liên kết đôi hoặc liên kết ba trong vòng có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng phản ứng và cơ chế co vòng.

Một số ví dụ cụ thể hơn về phản ứng co vòng:

• Sắp xếp lại Favorskii: Xeton vòng ($C_nH_{2n-2}O$) α-halogen hóa, khi xử lý với bazơ (ví dụ $NaOH$, $KOH$, $NaOMe$), tạo thành axit cacboxylic vòng ($C_{n-1}H_{2n-4}O_2$).
• Sắp xếp lại Demjanov: Aminomethylcycloalkanol ($C_nH_{2n+1}NO$) phản ứng với $HNO_2$ tạo thành cycloalkanone ($C_{n-1}H_{2n-4}O$) và giải phóng khí $N_2$.
• Phản ứng Wolff: $\alpha$-Diazoketone vòng khi được chiếu xạ (thường là tia UV) hoặc đun nóng với xúc tác kim loại chuyển tiếp (ví dụ: $Ag_2O$, $CuO$) tạo thành keten, sau đó có thể trải qua các phản ứng khác nhau, bao gồm cả phản ứng co vòng tạo thành xeton vòng nhỏ hơn, hoặc phản ứng với các nucleophile khác như nước, alcohol để tạo thành acid hoặc ester.

Hạn chế của phản ứng co vòng:

Mặc dù phản ứng co vòng là một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ, nhưng nó cũng có một số hạn chế. Một số phản ứng co vòng có thể tạo ra hỗn hợp sản phẩm, gây khó khăn cho việc phân lập sản phẩm mong muốn, đặc biệt là khi có nhiều trung tâm bất đối xứng trong phân tử. Ngoài ra, một số phản ứng co vòng có thể yêu cầu các điều kiện phản ứng khắc nghiệt (nhiệt độ cao, axit/bazơ mạnh), có thể không phù hợp với tất cả các chất nền hoặc nhóm chức nhạy cảm trong phân tử.

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

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài các cơ chế Favorskii, Demjanov và Wolff, còn có những loại phản ứng co vòng nào khác?