Phản ứng McMurry (McMurry Reaction)

Phản ứng McMurry, còn được gọi là phản ứng ghép đôi McMurry, là một phản ứng hữu cơ trong đó hai nhóm carbonyl, thường là aldehyde hoặc ketone, được ghép đôi để tạo thành một alkene, sử dụng titan(IV) clorua ($TiCl_4$) hoặc titan(III) clorua ($TiCl_3$) kết hợp với một chất khử. Chất khử thường dùng là kẽm (Zn), kali (K), hỗn hống kali-graphite ($KC_8$), hoặc lithi nhôm hydride ($LiAlH_4$).

Cơ chế phản ứng

Mặc dù cơ chế chính xác của phản ứng McMurry vẫn còn đang được tranh luận, cơ chế được chấp nhận rộng rãi nhất liên quan đến việc hình thành một chất trung gian là pinacol (1,2-diol) thông qua sự ghép đôi gốc tự do. Các bước chính bao gồm:

Tạo phức titan hóa trị thấp: $TiCl_4$ hoặc $TiCl_3$ phản ứng với chất khử để tạo thành một phức hợp titan có số oxy hóa thấp, thường là Ti(II) hoặc Ti(0), đây là tác nhân hoạt động thực sự của phản ứng. Phức chất này thường không ổn định và được tạo thành *in situ*.

Phối hợp carbonyl: Hai phân tử carbonyl phối hợp với tâm kim loại titan.

Ghép đôi gốc: Mỗi nhóm carbonyl nhận một electron từ titan, tạo thành hai gốc ketyl liên kết với titan. Các gốc này sau đó ghép đôi lại với nhau, tạo thành một liên kết C-C và hình thành chất trung gian pinacolate.

Khử oxy hóa: Chất trung gian pinacolate trải qua quá trình khử oxy hóa bởi titan, giải phóng alkene mong muốn và tạo thành titan oxit.

Phản ứng có thể được biểu diễn đơn giản như sau:

$2 R_2C=O + Ti[0] \longrightarrow R_2C=CR_2 + TiO_2$

trong đó R có thể là nhóm alkyl, aryl, hoặc hydro.

Title

Lưu ý quan trọng là sản phẩm phụ TiO$ _2 $ thường là hỗn hợp phức tạp của các oxit titan với các số oxi hóa khác nhau.

Ứng dụng

Phản ứng McMurry có nhiều ứng dụng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ, bao gồm:

Tổng hợp alkene đối xứng: Phản ứng này đặc biệt hiệu quả trong việc tạo ra các alkene đối xứng từ hai phân tử aldehyde hoặc ketone giống nhau.
Tổng hợp alkene vòng: Phản ứng McMurry có thể được sử dụng để tạo thành các vòng có kích thước khác nhau, bao gồm cả các vòng lớn (macrocycle) khó tổng hợp bằng các phương pháp khác. Điều này đạt được bằng cách sử dụng các phân tử dicarbonyl.
Tổng hợp các hợp chất tự nhiên: Phản ứng McMurry đã được sử dụng trong tổng hợp toàn phần (total synthesis) của nhiều sản phẩm tự nhiên phức tạp, bao gồm các steroid, terpenoid, và các alkaloid.
Tổng hợp các vật liệu mới: Phản ứng McMurry được sử dụng để tổng hợp các polymer và các vật liệu có cấu trúc đặc biệt.

Ưu điểm

Điều kiện phản ứng tương đối nhẹ: So với một số phương pháp ghép đôi carbonyl khác, phản ứng McMurry thường có thể được thực hiện ở nhiệt độ tương đối thấp (mặc dù vẫn cần đun nóng trong nhiều trường hợp).
Tính linh hoạt: Phản ứng có thể được sử dụng với nhiều loại aldehyde và ketone khác nhau, bao gồm cả các hợp chất có chứa các nhóm chức khác.
Khả năng hình thành vòng: Phản ứng rất hữu ích cho việc tổng hợp các hợp chất vòng, đặc biệt là các vòng lớn.

Nhược điểm

Tính chọn lọc lập thể: Trong một số trường hợp, phản ứng có thể tạo ra hỗn hợp đồng phân *E* và *Z* của alkene, đòi hỏi các bước tách hoặc tinh chế sau phản ứng.
Điều kiện phản ứng kỵ nước: Phản ứng thường yêu cầu điều kiện khan nước tuyệt đối và môi trường trơ, điều này có thể gây khó khăn khi thực hiện và hạn chế ứng dụng của nó đối với một số chất nền nhạy cảm với nước hoặc không khí.
Phản ứng với các nhóm chức khác: Một số nhóm chức như alcohol, amine, hoặc acid carboxylic có thể can thiệp vào phản ứng, làm giảm hiệu suất hoặc tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn.
Giá thành tác chất: Tác chất titan, đặc biệt là các dạng titan hóa trị thấp, có thể đắt tiền và khó bảo quản.

Tổng kết

Phản ứng McMurry là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ để tạo thành liên kết đôi C=C thông qua việc ghép đôi các nhóm carbonyl. Mặc dù có một số hạn chế, tính linh hoạt, khả năng tạo vòng, và điều kiện phản ứng tương đối nhẹ (so với một số phương pháp ghép đôi khác) khiến nó trở thành một phương pháp có giá trị để tổng hợp nhiều loại alkene, bao gồm cả các hệ thống vòng phức tạp và các phân tử lớn.

Các biến thể của phản ứng McMurry

Một số biến thể của phản ứng McMurry đã được phát triển để cải thiện hiệu suất, độ chọn lọc, và khả năng ứng dụng của phản ứng. Ví dụ:

Sử dụng $TiCl_3$ và chất khử $LiAlH_4$ hoặc K: Sự kết hợp này thường dẫn đến hiệu suất cao hơn và độ chọn lọc lập thể tốt hơn so với việc sử dụng $TiCl_4$ và Zn.
Sử dụng dung môi có khả năng hòa tan tốt các chất trung gian: Ví dụ như DME (1,2-dimethoxyethane) hoặc THF (tetrahydrofuran).
Thêm phụ gia: Một số phụ gia như pyridine hoặc các amine khác có thể được thêm vào để cải thiện hiệu suất và độ chọn lọc của phản ứng.
Phản ứng McMurry sử dụng siêu âm: Siêu âm có thể được sử dụng để tăng tốc độ phản ứng và cải thiện hiệu suất.
Sử dụng các hệ xúc tác khác: Các kim loại chuyển tiếp khác, chẳng hạn như vanadi, niobi, và thậm chí cả titanocene dichloride ($Cp_2TiCl_2$), cũng đã được sử dụng để xúc tác phản ứng McMurry, mặc dù ít phổ biến hơn.

Ví dụ cụ thể

Một ví dụ điển hình của phản ứng McMurry là sự ghép đôi benzaldehyde ($C_6H_5CHO$) để tạo thành stilbene ($C_6H_5CH=CHC_6H_5$):

$2 C_6H_5CHO + Ti[0] \longrightarrow C_6H_5CH=CHC_6H_5 + TiO_2$

Phản ứng này có thể tạo ra cả đồng phân *(E)*-stilbene và *(Z)*-stilbene. Tỷ lệ của hai đồng phân có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện phản ứng, như loại chất khử, dung môi, và nhiệt độ.

So sánh với các phản ứng ghép đôi khác

Phản ứng McMurry có những điểm tương đồng và khác biệt so với các phản ứng ghép đôi carbonyl khác, chẳng hạn như phản ứng Wittig và phản ứng Barton-Kellogg (còn được gọi là phản ứng ghép đôi diazo-thiocarbonyl).

Phản ứng Wittig: Sử dụng phosphonium ylide để tạo alken. Phản ứng Wittig thường có tính chọn lọc lập thể cao hơn phản ứng McMurry (thường tạo thành sản phẩm *Z*), nhưng đòi hỏi việc tổng hợp ylide trước và thường kém hiệu quả hơn đối với các ketone.
Phản ứng Barton-Kellogg: Sử dụng diazo hợp chất và thioketone để tạo alken. Phản ứng này cũng có tính chọn lọc lập thể cao (thường tạo thành sản phẩm *E*), nhưng yêu cầu sử dụng các chất trung gian diazo có thể nguy hiểm và khó điều chế. Phản ứng này cũng thường khó thực hiện hơn so với McMurry.

Cân nhắc khi thực hiện phản ứng McMurry

Điều kiện khan nước: Phản ứng McMurry nhạy cảm với nước, vì vậy điều quan trọng là phải sử dụng dung môi và thuốc thử khan nước tuyệt đối.
Lựa chọn chất khử: Lựa chọn chất khử có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, độ chọn lọc, và tốc độ của phản ứng.
Điều khiển nhiệt độ: Nhiệt độ phản ứng cần được kiểm soát cẩn thận để tránh các phản ứng phụ và tối ưu hóa hiệu suất tạo thành sản phẩm mong muốn.
Loại bỏ sản phẩm phụ: Các sản phẩm phụ titan oxit thường khó loại bỏ hoàn toàn khỏi hỗn hợp phản ứng.