Cơ chế phản ứng
Phản ứng Corey-Chaykovsky thường sử dụng một sulfur ylide, điển hình là dimethylsulfoxonium methylide ($(CH_3)_2S(O)=CH_2$) hoặc dimethylsulfonium methylide ($(CH_3)_2S=CH_2$). Ylide này được tạo ra in situ (ngay trong hỗn hợp phản ứng) từ trimethylsulfoxonium iodide ($(CH_3)_3SO^+I^-$) hoặc trimethylsulfonium iodide ($(CH_3)_3S^+I^-$) với một base mạnh như natri hydride ($NaH$) hoặc n-butyllithium ($n$-BuLi).
Phản ứng diễn ra qua cơ chế cộng nucleophile. Ylide lưu huỳnh đóng vai trò như một nucleophile tấn công vào carbon electrophile của nhóm carbonyl hoặc imine. Sau đó, một quá trình loại bỏ nội phân tử xảy ra, trong đó nhóm rời (thường là dimethyl sulfide ($(CH_3)_2S$) hoặc dimethyl sulfoxide ($(CH_3)_2SO$)) tách ra, đồng thời tạo thành vòng ba cạnh tương ứng (epoxide, aziridine hoặc cyclopropane). Sự khác biệt giữa hai loại ylide thường dẫn đến sự khác biệt trong sản phẩm tạo thành, với dimethylsulfoxonium methylide thường ưu tiên tạo epoxide, trong khi dimethylsulfonium methylide có thể tạo cả epoxide và cyclopropane tùy thuộc điều kiện.
Ứng dụng của phản ứng
- Với aldehyde và ketone: Ylide lưu huỳnh phản ứng với aldehyde và ketone để tạo thành epoxide.
$R_2C=O + (CH_3)_2S(O)=CH_2 \rightarrow R_2COCH_2 + (CH_3)_2SO$ (Với dimethylsulfoxonium methylide)
$R_2C=O + (CH_3)_2S=CH_2 \rightarrow R_2COCH_2 + (CH_3)_2S$ (Với dimethylsulfonium methylide)
- Với imine: Ylide lưu huỳnh phản ứng với imine để tạo thành aziridine.
$R_2C=NR’ + (CH_3)_2S(O)=CH_2 \rightarrow R_2CN(R’)CH_2 + (CH_3)_2SO$ (Với dimethylsulfoxonium methylide)
$R_2C=NR’ + (CH_3)_2S=CH_2 \rightarrow R_2CN(R’)CH_2 + (CH_3)_2S$ (Với dimethylsulfonium methylide) - Với α,β-ketone không no: Phản ứng với α,β-ketone không no sẽ tạo thành cyclopropane. Trong trường hợp này, ylide sẽ thực hiện phản ứng cộng Michael vào liên kết đôi C=C, sau đó một quá trình loại bỏ nội phân tử diễn ra để đóng vòng, tạo thành cyclopropane.
$RCH=CHCOR’ + (CH_3)_2S(O)=CH_2 \rightarrow \text{cyclopropyl ketone} + (CH_3)_2SO$ (Với dimethylsulfoxonium methylide)
$RCH=CHCOR’ + (CH_3)_2S=CH_2 \rightarrow \text{cyclopropyl ketone} + (CH_3)_2S$ (Với dimethylsulfonium methylide)
Ở đây, cần chú ý sự khác biệt về hóa học lập thể của sản phẩm khi sử dụng các ylide khác nhau.
Ưu điểm của phản ứng Corey-Chaykovsky:
- Điều kiện phản ứng ôn hòa: Phản ứng thường diễn ra ở nhiệt độ thấp và không yêu cầu các điều kiện quá khắc nghiệt.
- Độ chọn lọc lập thể cao: Có thể kiểm soát được hóa lập thể của sản phẩm tạo thành, đặc biệt khi sử dụng các ylide lưu huỳnh có cấu trúc phù hợp.
- Khả năng tổng hợp nhiều loại vòng ba cạnh khác nhau: Không chỉ giới hạn ở epoxide, phản ứng còn có thể tạo ra aziridine và cyclopropane.
- Tính chọn lọc hóa học tốt: Phản ứng thường ưu tiên với nhóm carbonyl hoặc imine, ít ảnh hưởng đến các nhóm chức khác trong phân tử.
Ứng dụng
Phản ứng Corey-Chaykovsky được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong việc tổng hợp các hợp chất có hoạt tính sinh học, vật liệu mới và các sản phẩm tự nhiên.
Ví dụ
Tổng hợp oxirane từ benzaldehyde:
$C_6H_5CHO + (CH_3)_2S(O)=CH_2 \rightarrow C_6H_5CH-O-CH_2 + (CH_3)_2SO$ (Với dimethylsulfoxonium methylide)
Lưu ý
Phản ứng Corey-Chaykovsky có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như bản chất của ylide, dung môi và nhiệt độ. Việc lựa chọn điều kiện phản ứng phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất và độ chọn lọc cao.
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
Như đã đề cập, một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng Corey-Chaykovsky. Dưới đây là một số yếu tố quan trọng cần xem xét:
- Bản chất của ylide: Dimethylsulfoxonium methylide ($(CH_3)_2S(O)=CH_2$) thường phản ứng chậm hơn nhưng cho độ chọn lọc lập thể cao hơn so với dimethylsulfonium methylide ($(CH_3)_2S=CH_2$). Sự khác biệt này là do tính nucleophile mạnh hơn của dimethylsulfonium methylide và khả năng ổn định điện tích dương trên nguyên tử lưu huỳnh tốt hơn của dimethylsulfoxonium methylide.
- Dung môi: Phản ứng thường được thực hiện trong các dung môi aprotic phân cực như DMSO, DMF hoặc THF. Sự lựa chọn dung môi có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và độ chọn lọc do khả năng solvat hóa các chất tham gia và trung gian khác nhau.
- Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp (0°C đến nhiệt độ phòng) để tránh các phản ứng phụ, chẳng hạn như phân hủy ylide hoặc phản ứng của sản phẩm.
- Bản chất của cơ chất: Cấu trúc của aldehyde, ketone hoặc imine cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ và độ chọn lọc của phản ứng. Ví dụ, các nhóm thế cồng kềnh có thể làm giảm tốc độ phản ứng do hiệu ứng không gian.
Các biến thể của phản ứng
Bên cạnh việc sử dụng dimethylsulfoxonium methylide và dimethylsulfonium methylide, còn có nhiều loại ylide lưu huỳnh khác có thể được sử dụng trong phản ứng Corey-Chaykovsky, cho phép tổng hợp các vòng ba cạnh phức tạp hơn. Ví dụ, các ylide được thế với các nhóm alkyl hoặc aryl có thể được sử dụng để tạo ra các epoxide, aziridine và cyclopropane được thế, tăng tính đa dạng của sản phẩm. Ngoài ra, các ylide bất đối xứng cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các sản phẩm vòng ba cạnh có tính chất quang hoạt.
So sánh với các phương pháp tổng hợp epoxide khác
Phản ứng Corey-Chaykovsky cung cấp một phương pháp thay thế cho các phản ứng epoxide hóa khác như phản ứng với peroxyacid (ví dụ: mCPBA). Một ưu điểm quan trọng của phản ứng Corey-Chaykovsky là tính chọn lọc lập thể cao hơn, đặc biệt là khi xử lý các enone không đối xứng, nơi mà phản ứng với peracid thường cho hỗn hợp các đồng phân lập thể. Hơn nữa, phản ứng Corey-Chaykovsky thường có tính chọn lọc hóa học tốt hơn, ít gây oxi hóa các nhóm chức nhạy cảm khác trong phân tử.