Phản ứng Paterno-Büchi (Paterno-Büchi reaction)

Cơ chế phản ứng:

Phản ứng Paterno-Büchi thường diễn ra thông qua trạng thái kích thích của hợp chất carbonyl. Nhóm carbonyl được kích thích bằng cách chiếu xạ, thường là bằng ánh sáng UV, chuyển nó từ trạng thái singlet cơ bản (S₀) lên trạng thái singlet bị kích thích (S₁) hoặc trạng thái triplet bị kích thích (T₁). Trạng thái bị kích thích này sau đó phản ứng với anken ở trạng thái cơ bản.

Có hai cơ chế chính được đề xuất cho phản ứng Paterno-Büchi, tùy thuộc vào bản chất của carbonyl và anken:

• Cơ chế phối hợp: Xảy ra khi carbonyl ở trạng thái kích thích singlet (S₁). Quá trình này liên quan đến sự tương tác phối hợp giữa orbital phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO) của anken và orbital phân tử trống thấp nhất (LUMO) của carbonyl bị kích thích. Điều này dẫn đến sự hình thành vòng oxetan một cách đồng bộ.
• Cơ chế chuyển điện tích/triplet: Xảy ra khi carbonyl ở trạng thái kích thích triplet (T₁), thường được quan sát thấy với các carbonyl bị cản trở lập thể. Trong trường hợp này, một bước chuyển điện tích ban đầu từ anken sang carbonyl bị kích thích tạo ra một cặp gốc ion. Cặp gốc ion này sau đó trải qua sự kết hợp để tạo thành vòng oxetan.

Sơ đồ phản ứng tổng quát:

$R_1R_2C=O + R_3R_4C=CR_5R_6 \xrightarrow{h\nu} R_1R_2\overset{O}{-}C-CR_3R_4-CR_5R_6$

Ví dụ:

Phản ứng giữa benzaldehyde và 2-methylpropen tạo thành 3,3-dimethyl-2-phenyloxetan:

$C_6H_5CHO + (CH_3)_2C=CH_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5\overset{O}{-}CH-C(CH_3)_2-CH_2$

Ứng dụng:

Phản ứng Paterno-Büchi là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các vòng oxetan, là các chất trung gian quan trọng trong tổng hợp các hợp chất phức tạp hơn. Oxetan được tìm thấy trong nhiều sản phẩm tự nhiên và được sử dụng làm khối xây dựng trong dược phẩm, khoa học vật liệu và các lĩnh vực khác. Ví dụ, oxetan được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dị vòng, các polyme chức năng và các dược phẩm có hoạt tính sinh học. Phản ứng này cho phép tạo ra các vòng oxetan với nhiều nhóm thế khác nhau, mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong tổng hợp hữu cơ.

Ưu điểm và nhược điểm:

• Ưu điểm: Phản ứng này thường có tính chọn lọc lập thể và vùng, cho phép tổng hợp các oxetan cụ thể. Nó cũng là một phản ứng tương đối nhẹ, tránh sử dụng nhiệt độ cao hoặc thuốc thử mạnh.
• Nhược điểm: Phản ứng có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các nhóm chức khác trong phân tử, và việc kiểm soát tính chọn lọc lập thể hoàn toàn có thể là một thách thức trong một số trường hợp. Hiệu suất phản ứng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi sự hình thành các sản phẩm phụ, ví dụ như các sản phẩm từ phản ứng dimer hóa của anken.

Biến thể và Phát triển gần đây:

Nhiều biến thể của phản ứng Paterno-Büchi đã được phát triển để cải thiện tính chọn lọc và phạm vi của nó. Chúng bao gồm việc sử dụng chất xúc tác, các nguồn ánh sáng khác nhau và các điều kiện phản ứng khác nhau. Một số biến thể đáng chú ý bao gồm:

• Phản ứng Paterno-Büchi xúc tác: Việc sử dụng chất xúc tác, chẳng hạn như muối kim loại chuyển tiếp hoặc axit Lewis, có thể tăng tốc phản ứng và cải thiện tính chọn lọc.
• Phản ứng Paterno-Büchi bất đối xứng: Các phương pháp bất đối xứng đã được phát triển để tổng hợp các oxetan quang học hoạt tính. Điều này thường đạt được bằng cách sử dụng chất xúc tác chiral.
• Phản ứng Paterno-Büchi trong pha rắn: Phản ứng này có thể được thực hiện trong pha rắn, cung cấp một phương pháp thay thế cho các phản ứng trong dung dịch truyền thống.

Tính chọn lọc lập thể và vùng:

Phản ứng Paterno-Büchi có thể tạo ra nhiều đồng phân lập thể và vùng, tùy thuộc vào cấu trúc của carbonyl và anken. Sự kiểm soát tính chọn lọc này là một khía cạnh quan trọng của phản ứng và đã được nghiên cứu rộng rãi.

• Tính chọn lọc vùng: Đối với anken không đối xứng, phản ứng có thể xảy ra ở cả hai vị trí của liên kết đôi. Tính chọn lọc vùng thường được xác định bởi sự ổn định tương đối của các chất trung gian gốc hoặc ion tạo thành trong phản ứng. Anken giàu electron thường phản ứng theo hướng tạo ra chất trung gian cation ổn định hơn (quy tắc Markovnikov).
• Tính chọn lọc lập thể: Phản ứng có thể tạo ra đồng phân syn và anti của oxetan. Tính chọn lọc lập thể thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố lập thể của cả carbonyl và anken. Trạng thái kích thích của carbonyl (singlet hay triplet) cũng ảnh hưởng đến tính chọn lọc lập thể.

Ảnh hưởng của chất thay thế:

Sự hiện diện của các nhóm thế trên carbonyl và anken có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng.

• Nhóm thế hút electron trên carbonyl: Tăng hoạt tính của carbonyl trong phản ứng.
• Nhóm thế đẩy electron trên anken: Tăng hoạt tính của anken trong phản ứng.

Điều kiện phản ứng:

Phản ứng Paterno-Büchi thường được thực hiện trong dung môi trơ như benzen, toluen hoặc acetonitril. Nguồn ánh sáng thường được sử dụng là đèn UV, với bước sóng tùy thuộc vào bản chất của carbonyl. Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn.

Tài liệu tham khảo:

• Bach, T. Synthesis 1998, 1998(07), 683–703.
• Griesbeck, A. G.; Bondock, S.; Stadtmüller, S. CRC Handbook of Organic Photochemistry and Photobiology, 2nd ed.; Horspool, W., Lenci, F., Eds.; CRC Press: Boca Raton, FL, 2004; pp 7/1–7/56.
• Porco, J. A., Jr.; Schreiber, S. L. Comprehensive Organic Synthesis; Trost, B. M., Fleming, I., Eds.; Pergamon: Oxford, 1991; Vol. 5, pp 816–820.
• Carless, H. A. J. Synthetic Organic Photochemistry; Horspool, W. M., Ed.; Plenum Press: New York, 1984; pp 425–487.

• Griesbeck, A. G.; Bondock, S.; Stadtmüller, S. CRC Handbook of Organic Photochemistry and Photobiology, 2nd ed.; Horspool, W., Lenci, F., Eds.; CRC Press: Boca Raton, FL, 2004; pp 7/1–7/56.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài anken, những loại hợp chất nào khác có thể tham gia phản ứng Paterno-Büchi với carbonyl?

Trả lời: Ngoài anken, các hợp chất không no khác như alkyne, allene và thậm chí một số hợp chất dị vòng chứa liên kết đôi C=N (như imine) cũng có thể tham gia phản ứng Paterno-Büchi với carbonyl. Điều này mở rộng phạm vi tổng hợp của phản ứng đến nhiều loại oxetane và các heterocycle khác.

Tính chọn lọc lập thể trong phản ứng Paterno-Büchi bị ảnh hưởng bởi những yếu tố nào? Hãy cho ví dụ cụ thể.

Trả lời: Tính chọn lọc lập thể bị ảnh hưởng bởi cả yếu tố lập thể của carbonyl và anken, cũng như bản chất của trạng thái kích thích (singlet hay triplet). Ví dụ, khi sử dụng carbonyl có nhóm thế cồng kềnh, sự tiếp cận của anken bị hạn chế, dẫn đến sự hình thành ưu tiên một đồng phân lập thể. Ngoài ra, trạng thái triplet thường dẫn đến tính chọn lọc lập thể thấp hơn so với trạng thái singlet do sự hình thành cặp đôi gốc tự do trung gian.

Làm thế nào để tăng tính chọn lọc vùng khi sử dụng anken không đối xứng trong phản ứng Paterno-Büchi?

Trả lời: Tính chọn lọc vùng có thể được tăng cường bằng cách sử dụng các chất xúc tác chiral hoặc bằng cách điều chỉnh các điều kiện phản ứng như dung môi và nhiệt độ. Các chất xúc tác có thể phối hợp với carbonyl và anken, hướng phản ứng theo một hướng cụ thể. Ngoài ra, bản chất của nhóm thế trên anken cũng ảnh hưởng đến tính chọn lọc vùng. Anken giàu electron thường phản ứng tại vị trí tạo ra carbocation ổn định hơn.

Phản ứng Paterno-Büchi có nhược điểm gì và làm thế nào để khắc phục những nhược điểm đó?

Trả lời: Một số nhược điểm bao gồm tính chọn lọc thấp trong một số trường hợp, khả năng xảy ra các phản ứng phụ không mong muốn (như phản ứng Norrish), và việc sử dụng tia UV có thể gây ra sự phân hủy của một số chất nền nhạy cảm. Để khắc phục, có thể sử dụng chất xúc tác để tăng tính chọn lọc, tối ưu hóa điều kiện phản ứng (nồng độ, dung môi, nhiệt độ) để giảm phản ứng phụ, và sử dụng các nguồn sáng khác như ánh sáng khả kiến kết hợp với chất xúc tác quang.

Ứng dụng của vòng oxetan được tạo thành từ phản ứng Paterno-Büchi là gì?

Trả lời: Vòng oxetan là các khối xây dựng hữu ích trong tổng hợp hữu cơ và được tìm thấy trong nhiều hợp chất có hoạt tính sinh học. Chúng có thể được mở vòng để tạo ra các diol, amino alcohol, và các hợp chất hữu ích khác. Oxetan cũng được sử dụng trong khoa học vật liệu, ví dụ như trong polyme và chất kết dính. Một số dẫn xuất oxetan còn thể hiện hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm.