Cơ chế phản ứng
Phản ứng thường tiến hành qua trạng thái kích thích triplet của hợp chất carbonyl. Carbonyl ở trạng thái kích thích (thường là $n \rightarrow \pi^*$ triplet) phản ứng với anken ở trạng thái nền. Cơ chế chung có thể được tóm tắt như sau:
- Kích thích: Carbonyl hấp thụ một photon ánh sáng và chuyển sang trạng thái kích thích singlet ($S_1$), sau đó trải qua sự chuyển đổi hệ giữa (intersystem crossing – ISC) để tạo thành trạng thái triplet ($T_1$).
- Cộng vòng hóa: Carbonyl ở trạng thái triplet phản ứng với anken để tạo thành một biradical trung gian. Giai đoạn này có thể xảy ra theo cơ chế đồng bộ hoặc không đồng bộ.
- Vòng hóa: Biradical trung gian đóng vòng để tạo thành sản phẩm oxetan. Quá trình đóng vòng này có thể chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố lập thể và điện tử của các nhóm thế.
$RCOR’ + R_2C=CR_2 \xrightarrow{h\nu} \text{Oxetane}$ (hoặc công thức cấu tạo đầy đủ của oxetane nếu muốn chi tiết hơn).
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng
- Bản chất của carbonyl: Khả năng phản ứng của carbonyl giảm theo thứ tự: aldehyde > ketone > ester > amide. Điều này là do khả năng hình thành trạng thái triplet của carbonyl cũng như sự ổn định của gốc tự do hình thành sau khi carbonyl ở trạng thái triplet lấy đi một nguyên tử hydro.
- Bản chất của anken: Anken giàu điện tử phản ứng nhanh hơn anken nghèo điện tử. Các nhóm thế đẩy điện tử trên anken sẽ làm tăng tốc độ phản ứng, trong khi các nhóm thế hút điện tử làm giảm tốc độ phản ứng. Mật độ electron trên nối đôi C=C càng cao, phản ứng càng dễ xảy ra.
- Dung môi: Phản ứng có thể được thực hiện trong nhiều loại dung môi, bao gồm benzene, toluene, acetonitrile và methanol. Tuy nhiên, dung môi không nên hấp thụ bức xạ UV ở bước sóng cần thiết cho phản ứng.
- Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc thấp hơn để kiểm soát tốt hơn phản ứng và tránh các sản phẩm phụ không mong muốn.
- Ánh sáng: Nguồn sáng thường được sử dụng là đèn UV. Bước sóng của ánh sáng cần phù hợp với sự hấp thụ của carbonyl để kích thích phân tử carbonyl lên trạng thái triplet.
Ứng dụng
Phản ứng Paternò–Büchi là một phương pháp tổng hợp hữu ích để tạo thành các vòng oxetan, là các chất trung gian quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Oxetan được tìm thấy trong nhiều sản phẩm tự nhiên và dược phẩm. Phản ứng này cũng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dị vòng phức tạp hơn. Nhờ khả năng tạo ra các vòng bốn cạnh có chứa oxy, phản ứng Paternò-Büchi cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho việc xây dựng các cấu trúc phân tử phức tạp.
Ví dụ
Phản ứng của benzaldehyde với 2-methylpropene dưới sự chiếu xạ UV tạo ra 3,3-dimethyl-2-phenyloxetan.
$C_6H_5CHO + (CH_3)_2C=CH_2 \xrightarrow{h\nu} C_6H_5CHOC(CH_3)_2CH_2$
Biến thể
Có nhiều biến thể của phản ứng Paternò–Büchi, bao gồm:
- Phản ứng Paternò–Büchi nội phân tử: Phản ứng này liên quan đến phản ứng giữa một carbonyl và một anken trong cùng một phân tử. Điều này dẫn đến sự hình thành các hệ thống vòng bicyclic hoặc polycyclic.
- Phản ứng Paternò–Büchi xúc tác: Phản ứng này sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hoặc để điều chỉnh tính chọn lọc lập thể. Các chất xúc tác kim loại chuyển tiếp, chẳng hạn như phức hợp của titan, zirconi, và các axit Lewis khác, đã được sử dụng thành công.
Kết luận
Phản ứng Paternò–Büchi là một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ, cung cấp một con đường hiệu quả để tạo thành các vòng oxetan. Sự hiểu biết về cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng cho phép các nhà hóa học điều chỉnh các điều kiện phản ứng để đạt được sản phẩm mong muốn với hiệu suất và tính chọn lọc cao.
Khuynh hướng lập thể và hóa lập thể
Phản ứng Paternò–Büchi thường tạo ra hỗn hợp diastereomer. Tính chọn lọc lập thể của phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm bản chất của carbonyl và anken, cũng như dung môi và nhiệt độ. Ví dụ, phản ứng của aldehyde thơm với anken không đối xứng thường cho ra sản phẩm *exo* là sản phẩm chính. Tuy nhiên, với aldehyde mạch thẳng và anken không đối xứng, sự chọn lọc lập thể thường kém hơn. Việc sử dụng các chất xúc tác chiral có thể cải thiện đáng kể tính chọn lọc lập thể của phản ứng. Ngoài ra, các yếu tố lập thể của nhóm thế trên cả carbonyl và anken cũng ảnh hưởng đến tỉ lệ sản phẩm.
Các phản ứng cạnh tranh
Một số phản ứng cạnh tranh có thể xảy ra trong phản ứng Paternò–Büchi, bao gồm phản ứng dimer hóa của anken (tạo thành cyclobutan), phản ứng khử carbonyl (Norrish type I và II), và sự hình thành sản phẩm cộng mở vòng. Điều kiện phản ứng cần được tối ưu hóa để giảm thiểu các phản ứng phụ này. Ví dụ, nồng độ anken thấp có thể giúp giảm thiểu phản ứng dimer hóa.
Phản ứng Paternò–Büchi với alkyne
Tương tự như phản ứng với anken, carbonyl ở trạng thái kích thích cũng có thể phản ứng với alkyne để tạo thành oxete. Tuy nhiên, phản ứng này ít phổ biến hơn phản ứng với anken do oxete kém bền hơn oxetan và có xu hướng bị đồng phân hóa hoặc tham gia các phản ứng khác.
$RCOR’ + RC \equiv CR \xrightarrow{h\nu} R’RCOC=CRCR$
Các cải tiến gần đây
Các nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện tính chọn lọc và hiệu suất của phản ứng Paternò–Büchi. Điều này bao gồm việc sử dụng các chất xúc tác mới (bao gồm cả xúc tác quang hóa), cũng như việc khám phá các điều kiện phản ứng mới, chẳng hạn như sử dụng vi sóng hoặc siêu âm, cũng như các hệ dung môi khác nhau, bao gồm cả các dung môi “xanh” như nước hoặc các dung môi ion.