Phản ứng khử Birch (Birch reduction)

Cơ chế phản ứng

Phản ứng khử Birch diễn ra qua một cơ chế gốc anion. Các bước chính bao gồm:

1. Chuyển electron vào vòng thơm: Kim loại kiềm hòa tan trong amoniac lỏng tạo ra electron solvat hóa (e^–_(solv)) có màu xanh lam đặc trưng. Electron này tấn công vòng thơm, tạo thành một anion gốc.

$ Ar + e^-_{(solv)} \rightarrow Ar^{\bullet -} $

2. Proton hóa anion gốc: Anion gốc nhận một proton từ ancol, tạo thành một gốc tự do. Bước này xảy ra do anion gốc có tính bazơ.

$ Ar^{\bullet -} + ROH \rightarrow ArH^{\bullet} + RO^- $

3. Chuyển electron thứ hai vào gốc tự do: Một electron solvat hóa thứ hai tấn công gốc tự do, tạo thành một anion. Gốc tự do dễ dàng nhận electron hơn so với vòng thơm ban đầu.

$ ArH^{\bullet} + e^-_{(solv)} \rightarrow ArH^- $

4. Proton hóa anion: Anion nhận một proton thứ hai từ ancol, tạo thành sản phẩm 1,4-cyclohexadien. Anion này cũng có tính bazơ và dễ dàng nhận proton từ ancol.

$ ArH^- + ROH \rightarrow ArH_2 + RO^- $

Ví dụ

Khử benzen bằng Na trong NH₃ lỏng với etanol sẽ tạo ra 1,4-cyclohexadien:

$ C_6H_6 + 2Na + 2C_2H_5OH \xrightarrow{NH_3(l)} C_6H_8 + 2C_2H_5ONa $

Ảnh hưởng của nhóm thế

Sự có mặt của các nhóm thế trên vòng benzen ảnh hưởng đến vị trí proton hóa và do đó ảnh hưởng đến sản phẩm tạo thành. Nguyên tắc chung là các nhóm thế đẩy electron sẽ hướng phản ứng đến vị trí ortho và meta so với nhóm thế, trong khi các nhóm thế hút electron sẽ hướng phản ứng đến vị trí ipso và para.

• Nhóm thế đẩy electron (như -OCH₃, -NH₂): Định hướng khử vào vị trí ortho và meta so với nhóm thế. Ví dụ, khử anisol (methoxybenzen) sẽ tạo ra chủ yếu 1-methoxy-1,4-cyclohexadien. Điều này là do nhóm thế đẩy electron làm tăng mật độ electron tại các vị trí ortho và meta, khiến chúng dễ bị tấn công bởi electron solvat hóa hơn.
• Nhóm thế hút electron (như -COOH, -COCH₃): Định hướng khử vào vị trí ipso và para so với nhóm thế. Ví dụ, khử axit benzoic sẽ tạo ra chủ yếu 2,5-cyclohexadien-1-carboxylic acid. Điều này xảy ra vì các nhóm thế hút electron làm giảm mật độ electron tại vị trí ortho và meta, trong khi vị trí ipso và para ít bị ảnh hưởng hơn.

Ứng dụng

Phản ứng khử Birch được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để:

• Tổng hợp các hợp chất alicyclic từ các hợp chất thơm: Phản ứng cung cấp một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi vòng thơm thành vòng no một phần, mở ra nhiều khả năng cho các biến đổi hóa học tiếp theo.
• Giảm độ thơm của các hệ thống vòng: Việc khử vòng thơm có thể làm thay đổi đáng kể tính chất hóa học và vật lý của phân tử.
• Tổng hợp các chất trung gian quan trọng cho các phản ứng khác: Các sản phẩm 1,4-cyclohexadien có thể được sử dụng làm tiền chất cho nhiều hợp chất khác nhau.

Lưu ý

• Phản ứng phải được thực hiện trong điều kiện khan nước: Nước có thể phản ứng mạnh với kim loại kiềm, tạo ra khí hydro và nhiệt, gây nguy hiểm.
• Amoniac lỏng cần được xử lý cẩn thận: Do tính ăn mòn và độc hại của nó, cần thực hiện phản ứng trong điều kiện thông gió tốt và sử dụng thiết bị bảo hộ cá nhân phù hợp.

Phản ứng khử Birch là một công cụ mạnh mẽ trong hóa học hữu cơ, cho phép biến đổi các hợp chất thơm thành các sản phẩm hữu ích. Việc hiểu rõ cơ chế và ảnh hưởng của các nhóm thế sẽ giúp điều khiển phản ứng để đạt được sản phẩm mong muốn.

Khử Birch từng phần (Partial Birch Reduction)

Trong một số trường hợp, việc kiểm soát lượng kim loại kiềm và thời gian phản ứng cho phép khử Birch từng phần, tạo ra các sản phẩm không bão hòa như cyclohexen và cyclohexadien. Điều này đặc biệt hữu ích khi muốn tổng hợp các sản phẩm trung gian cụ thể. Việc dừng phản ứng ở giai đoạn mong muốn có thể khó khăn và đòi hỏi theo dõi cẩn thận.

Điều kiện phản ứng

Bên cạnh việc sử dụng amoniac lỏng làm dung môi, một số amin khác như metylamin và etylamin cũng có thể được sử dụng. Sự lựa chọn dung môi và ancol (nguồn proton) có thể ảnh hưởng đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng. Ví dụ, tert-butanol thường được ưa chuộng hơn etanol khi muốn giảm thiểu sự khử của các nhóm chức khác trong phân tử. Lựa chọn dung môi và ancol phụ thuộc vào tính chất của cơ chất và sản phẩm mong muốn.

Biến thể của phản ứng khử Birch

• Khử Benkeser: Sử dụng liti trong các amin bậc thấp (như metylamin hoặc etylamin) làm dung môi và silan (như trimetylsilan) làm nguồn proton. Phản ứng này thường cho hiệu suất cao hơn và điều kiện phản ứng nhẹ nhàng hơn so với khử Birch truyền thống.
• Khử Birch bằng điện phân: Sử dụng điện phân để tạo ra các electron cần thiết cho phản ứng, loại bỏ việc sử dụng kim loại kiềm. Phương pháp này thân thiện với môi trường hơn và có thể dễ dàng kiểm soát hơn.

Một số ví dụ minh họa

• Khử anisol (methoxybenzen): Sản phẩm chính là 1-methoxy-1,4-cyclohexadien.

$ C_6H_5OCH_3 + 2Na + 2C_2H_5OH \xrightarrow{NH_3(l)} C_6H_7OCH_3 + 2C_2H_5ONa $

• Khử axit benzoic: Sản phẩm chính là 1,4-dihydrobenzoic acid (và không phải 2,5-cyclohexadien-1-carboxylic acid như đã đề cập ở phần trước. Điều này là do proton hóa xảy ra ở vị trí para so với nhóm carboxyl trong điều kiện phản ứng Birch thông thường).

$ C_6H_5COOH + 2Na + 2NH_3 \rightarrow C_6H_7COOH + 2NaNH_2 $

• Khử naphthalene: Tạo ra 1,4-dihydronaphthalene.

Ưu điểm và nhược điểm của phản ứng khử Birch

• Ưu điểm: Phản ứng có tính chọn lọc cao, dễ thực hiện và có thể áp dụng cho nhiều loại hợp chất thơm.
• Nhược điểm: Cần sử dụng kim loại kiềm và amoniac lỏng, đòi hỏi điều kiện phản ứng khan nước và nhiệt độ thấp. Phản ứng cũng có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn trong một số trường hợp. Việc kiểm soát phản ứng để đạt được sản phẩm mong muốn có thể đòi hỏi kinh nghiệm và tối ưu hóa cẩn thận.

• M. Smith, J. March. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. Wiley, 2007.
• P. Y. Bruice. Organic Chemistry. Pearson, 2017.
• F. A. Carey, R. J. Sundberg. Advanced Organic Chemistry, Part B: Reactions and Synthesis. Springer, 2007.
• W. Carruthers. Some Modern Methods of Organic Synthesis. Cambridge University Press, 1986.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao amoniac lỏng được sử dụng làm dung môi trong phản ứng khử Birch?

Trả lời: Amoniac lỏng có một số đặc tính làm cho nó trở thành dung môi lý tưởng cho phản ứng khử Birch. Thứ nhất, nó hòa tan kim loại kiềm, tạo ra các electron solvat hóa cần thiết cho phản ứng. Thứ hai, nó là một base yếu, cho phép proton hóa các anion trung gian một cách có kiểm soát. Thứ ba, nhiệt độ sôi thấp của amoniac lỏng (-33°C) cho phép phản ứng diễn ra ở nhiệt độ thấp, giảm thiểu các phản ứng phụ không mong muốn.

Sự khác biệt giữa việc sử dụng etanol và tert-butanol làm nguồn proton trong phản ứng khử Birch là gì?

Trả lời: Etanol là một nguồn proton mạnh hơn tert-butanol. Do đó, khi sử dụng etanol, quá trình proton hóa diễn ra nhanh hơn và có thể dẫn đến sự khử quá mức của các nhóm chức khác trong phân tử. Tert-butanol, với tính cồng kềnh, là một nguồn proton yếu hơn, cho phép kiểm soát tốt hơn tính chọn lọc của phản ứng và bảo vệ các nhóm chức nhạy cảm.

Làm thế nào để điều khiển tính chọn lọc vị trí trong phản ứng khử Birch với các hợp chất thơm đã được thế?

Trả lời: Tính chọn lọc vị trí được điều khiển bởi bản chất của nhóm thế trên vòng thơm. Nhóm đẩy electron (như -OCH$_3$, -NH$_2$) hướng phản ứng về vị trí ortho và meta, trong khi nhóm hút electron (như -COOH, -CN) hướng phản ứng về vị trí ipso và para.

Khử Benkeser khác với khử Birch truyền thống như thế nào?

Trả lời: Khử Benkeser sử dụng liti trong amin bậc thấp (như metylamin, etylamin) làm dung môi và silan (như trimetylsilan) làm nguồn proton. Điều này khác với khử Birch truyền thống, sử dụng natri hoặc liti trong amoniac lỏng và ancol làm nguồn proton. Khử Benkeser thường cho hiệu suất cao hơn và diễn ra trong điều kiện phản ứng nhẹ nhàng hơn.

Tại sao phản ứng khử Birch cần được thực hiện trong điều kiện khan nước?

Trả lời: Kim loại kiềm (Li, Na, K) phản ứng mạnh với nước, tạo ra hydro và hydroxit kim loại. Phản ứng này tỏa nhiều nhiệt và có thể gây nguy hiểm. Do đó, điều kiện khan nước là cần thiết để đảm bảo rằng kim loại kiềm phản ứng với hợp chất thơm chứ không phải với nước. Nước cũng có thể proton hóa các anion trung gian, dẫn đến các sản phẩm không mong muốn.