Cơ chế phản ứng:
Phản ứng diễn ra qua một cơ chế chuyển vị phối hợp, không có sự hình thành các chất trung gian ion. Cụ thể, liên kết C-O của nhóm allyl ether bị cắt đứt đồng thời với sự hình thành liên kết C-C mới giữa nhóm allyl và nhóm cacbonyl, dẫn đến sự hình thành một ester không no. Phản ứng này là suprafacial và tuân theo các quy tắc Woodward-Hoffmann.
$R_1-O-CH_2-CH=CH_2 + R_2-C(=O)-OR_3 \xrightarrow{\Delta} R_2-C(=O)-CH_2-CH=CH-CH_2-R_1 + R_3OH$
Trong đó:
- $R_1$ thường là một nhóm alkyl.
- $R_2$ có thể là H, alkyl, hoặc aryl.
- $R_3$ thường là H (tạo thành axit cacboxylic) hoặc alkyl (tạo thành ester). Khi $R_3$ là H, phản ứng thường yêu cầu xúc tác axit.
Điều kiện phản ứng:
Phản ứng Johnson-Claisen thường được thực hiện bằng cách đun nóng allyl vinyl ether ở nhiệt độ cao (thường trên 150°C). Tuy nhiên, sự hiện diện của các chất xúc tác như axit Lewis (ví dụ: $ZnCl_2$, $BF_3$) hoặc axit Brønsted có thể làm giảm nhiệt độ phản ứng đáng kể.
Ưu điểm của phản ứng Johnson-Claisen:
- Phản ứng diễn ra với hiệu suất cao và tính chọn lọc regio tốt.
- Phản ứng có thể được sử dụng để tổng hợp nhiều γ,δ-unsaturated ester khác nhau.
- Phản ứng là một phương pháp hữu ích để tạo liên kết C-C.
Nhược điểm:
- Nhiệt độ phản ứng cao có thể gây ra sự phân hủy của một số chất nền nhạy cảm với nhiệt.
- Phản ứng có thể bị cạnh tranh bởi các phản ứng phụ khác, chẳng hạn như phản ứng Claisen cổ điển.
Ứng dụng:
Phản ứng Johnson-Claisen có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:
- Tổng hợp các sản phẩm tự nhiên, ví dụ như các prostaglandin và các terpenoid.
- Tổng hợp các dược phẩm và các hợp chất hoạt tính sinh học khác.
- Tổng hợp các vật liệu polymer.
Biến thể:
Có một số biến thể của phản ứng Johnson-Claisen, bao gồm:
- Phản ứng Ireland-Claisen: Sử dụng silyl ketene acetal thay cho allyl vinyl ether.
- Phản ứng Eschenmoser-Claisen: Sử dụng amide allylic thay cho allyl vinyl ether.
Tóm lại, phản ứng Johnson-Claisen là một phản ứng chuyển vị [3,3]-sigmatropic mạnh mẽ và linh hoạt có nhiều ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ. Nó cung cấp một phương pháp hiệu quả để tổng hợp γ,δ-unsaturated ester từ allyl vinyl ether.
Ví dụ minh họa:
Một ví dụ điển hình về phản ứng Johnson-Claisen là phản ứng giữa allyl vinyl ether và axit axetic:
$CH_2=CH-CH_2-O-CH=CH_2 + CH_3COOH \xrightarrow{\Delta} CH_3-C(=O)-CH_2-CH=CH-CH_2-CH=CH_2 + H_2O$
Trong ví dụ này, allyl vinyl ether phản ứng với axit axetic để tạo thành γ,δ-unsaturated ester tương ứng.
So sánh với Phản ứng Claisen cổ điển:
Mặc dù cả hai phản ứng đều mang tên Claisen, phản ứng Johnson-Claisen và phản ứng Claisen cổ điển có sự khác biệt quan trọng. Phản ứng Claisen cổ điển là một phản ứng ngưng tụ giữa hai ester hoặc giữa một ester và một xeton, trong khi phản ứng Johnson-Claisen là một phản ứng chuyển vị [3,3]-sigmatropic của một allyl vinyl ether. Phản ứng Claisen cổ điển tạo thành β-keto ester hoặc β-diketone, trong khi phản ứng Johnson-Claisen tạo thành γ,δ-unsaturated ester.
$2 R_1-CH_2-C(=O)-OR_2 \xrightarrow{base} R_1-CH_2-C(=O)-CH(R_1)-C(=O)-OR_2 + R_2OH$ (Phản ứng Claisen cổ điển)
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng:
- Bản chất của các nhóm thế: Các nhóm thế electron-donating trên nhóm allyl sẽ làm tăng tốc độ phản ứng, trong khi các nhóm thế electron-withdrawing sẽ làm giảm tốc độ phản ứng.
- Xúc tác: Sự hiện diện của các chất xúc tác axit Lewis hoặc axit Brønsted có thể làm giảm nhiệt độ phản ứng và tăng hiệu suất.
- Dung môi: Phản ứng thường được thực hiện trong dung môi trơ như toluene hoặc xylene.
Cơ chế chi tiết (với trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh):
Phản ứng diễn ra qua một trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh, trong đó sự phá vỡ liên kết C-O và sự hình thành liên kết C-C mới xảy ra đồng thời. Quá trình này tuân theo sự sắp xếp suprafacial, nghĩa là các orbital tham gia phản ứng chồng chéo trên cùng một mặt của hệ thống π.
(Hình vẽ sơ đồ trạng thái chuyển tiếp vòng sáu cạnh sẽ được chèn tại đây nếu có thể sử dụng các gói LaTeX chuyên sâu)
[/custom_textbox]