Phản ứng Peterson (Peterson Olefination)

Cơ chế phản ứng

Cơ chế phản ứng Peterson diễn ra qua ba giai đoạn chính:

1. Tạo $\alpha$-silyl carbanion: Một base mạnh (thường là butyllithium, $n$-BuLi, hoặc lithium diisopropylamide, LDA) được sử dụng để tách proton ở vị trí $\alpha$ của hợp chất cơ silic ($R_1R_2CHSiMe_3$), tạo thành $\alpha$-silyl carbanion. Carbanion này được ổn định bởi hiệu ứng cảm ứng (+I) của các nhóm alkyl và sự tương tác của orbital p của carbon mang điện tích âm với orbital d trống của nguyên tử silic (hiệu ứng $p-d$ $\pi$).
   $R_1R_2CHSiMe_3 + \text{Base} \rightarrow R_1R_2C^-SiMe_3 + \text{Base-H}$
2. Phản ứng cộng ái nhân: $\alpha$-Silyl carbanion đóng vai trò là tác nhân ái nhân (nucleophile), tấn công vào nguyên tử carbon mang điện tích dương của nhóm carbonyl (aldehyde hoặc ketone, $R_3C(=O)R_4$), tạo thành một alkoxide trung gian, gọi là $\beta$-hydroxysilane.
   $R_1R_2C^-SiMe_3 + R_3C(=O)R_4 \rightarrow R_1R_2C(SiMe_3)(O^-)CR_3R_4$
3. Loại bỏ nhóm silanol: Bước này quyết định sản phẩm cuối cùng và phụ thuộc mạnh vào điều kiện phản ứng. Sự khác biệt chính là cơ chế loại bỏ *syn* hay *anti* của nhóm $Me_3SiO$.
   • Điều kiện bazơ/trung tính: Trong điều kiện bazơ hoặc trung tính, và thường ở nhiệt độ cao, $\beta$-hydroxysilane trung gian trải qua sự loại bỏ syn-periplanar của nhóm $Me_3SiO^-$ (thường là do sự tạo thành vòng bốn cạnh trung gian), dẫn đến sản phẩm alken.
     $R_1R_2C(SiMe_3)(O^-)CR_3R_4 \xrightarrow{\Delta} R_1R_2C=CR_3R_4 + Me_3SiO^-$
   • Điều kiện axit: Trong điều kiện axit, alkoxide trung gian được proton hóa, tạo thành $\beta$-hydroxysilane. Sau đó, nhóm $Me_3SiOH$ bị loại bỏ theo cơ chế anti-periplanar (thường qua trung gian cation silicenium), cũng tạo thành alken.
     $R_1R_2C(SiMe_3)(O^-)CR_3R_4 + H^+ \rightarrow R_1R_2C(SiMe_3)(OH)CR_3R_4 \xrightarrow{H^+, \Delta} R_1R_2C=CR_3R_4 + Me_3SiOH$

Ưu điểm của phản ứng Peterson

• Tính linh hoạt trong việc kiểm soát lập thể hóa học (stereoselectivity): Đây là ưu điểm nổi bật của phản ứng Peterson. Bằng cách điều chỉnh điều kiện phản ứng (sử dụng axit hoặc bazơ), ta có thể ưu tiên tạo ra một đồng phân hình học *E* hoặc *Z* của alken.
• Dễ dàng tổng hợp tác chất: Các $\alpha$-silyl carbanion thường dễ dàng tổng hợp hơn so với các phosphonium ylide được sử dụng trong phản ứng Wittig, làm cho phản ứng Peterson trở nên thuận tiện hơn trong nhiều trường hợp.
• Phản ứng với nhiều loại hợp chất carbonyl: Phản ứng Peterson có thể thực hiện với cả aldehyde và ketone, cung cấp sự linh hoạt trong việc lựa chọn nguyên liệu ban đầu.

Nhược điểm của phản ứng Peterson

• Khó khăn trong việc loại bỏ sản phẩm phụ: Sản phẩm phụ silanol ($Me_3SiOH$ hoặc các dẫn xuất tương tự) đôi khi có thể khó tách khỏi sản phẩm chính alken, đặc biệt là khi sử dụng các phương pháp sắc ký cột.
• Độ chọn lọc lập thể không tuyệt đối: Mặc dù có khả năng kiểm soát lập thể, độ chọn lọc của phản ứng Peterson không phải lúc nào cũng tuyệt đối, và có thể cần tối ưu hóa điều kiện phản ứng để đạt được độ chọn lọc mong muốn.

Ứng dụng

Phản ứng Peterson được ứng dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong các trường hợp cần tổng hợp alken với cấu hình xác định. Một số ứng dụng quan trọng bao gồm:

• Tổng hợp các hợp chất tự nhiên: Phản ứng Peterson là một công cụ hữu ích trong việc tổng hợp các hợp chất tự nhiên phức tạp, có chứa các nối đôi carbon-carbon với cấu hình *E* hoặc *Z* xác định.
• Tổng hợp các dược phẩm: Nhiều loại dược phẩm có chứa các liên kết đôi carbon-carbon, và phản ứng Peterson cung cấp một phương pháp hiệu quả để xây dựng các liên kết này.
• Tổng hợp các vật liệu polymer: Phản ứng Peterson cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các monomer chứa liên kết đôi, sau đó được sử dụng để tạo ra các vật liệu polymer có tính chất đặc biệt.

So sánh với phản ứng Wittig

Cả phản ứng Peterson và phản ứng Wittig đều là những phương pháp quan trọng để tổng hợp alken từ hợp chất carbonyl. Tuy nhiên, chúng có một số điểm khác biệt quan trọng sau:

• Nguyên tố trung tâm: Phản ứng Wittig sử dụng phosphor (P) làm nguyên tố trung tâm trong tác nhân ylide, trong khi phản ứng Peterson sử dụng silic (Si) trong $\alpha$-silyl carbanion.
• Điều kiện phản ứng và khả năng kiểm soát lập thể: Phản ứng Wittig thường được thực hiện trong điều kiện bazơ. Ngược lại, phản ứng Peterson có thể được thực hiện trong cả điều kiện axit và bazơ. Điều này cho phép kiểm soát lập thể hóa học của sản phẩm alken tốt hơn, vì cơ chế loại bỏ *syn* (trong điều kiện bazơ) và *anti* (trong điều kiện axit) dẫn đến các sản phẩm alken có cấu hình khác nhau.
• Sản phẩm phụ: Phản ứng Wittig tạo ra phosphine oxide ($R_3PO$) là sản phẩm phụ, trong khi phản ứng Peterson tạo ra silanol ($R_3SiOH$). Việc tách sản phẩm phụ silanol đôi khi có thể khó khăn hơn so với phosphine oxide, tùy thuộc vào cấu trúc cụ thể.
• Độ ổn định của tác nhân: Phosphonium ylide trong phản ứng Wittig thường ổn định hơn và dễ xử lý hơn so với $\alpha$-silyl carbanion trong phản ứng Peterson. $\alpha$-silyl carbanion thường nhạy cảm với độ ẩm và không khí hơn.

Ví dụ

Phản ứng giữa benzaldehyde ($C_6H_5CHO$) và trimethylsilylmethylmagnesium chloride ($Me_3SiCH_2MgCl$), sau đó xử lý với axit, là một ví dụ điển hình của phản ứng Peterson. Phản ứng tạo thành 1-phenyl-1-trimethylsilylethanol như một sản phẩm trung gian. Khi xử lý trung gian này với axit, sẽ xảy ra sự loại bỏ anti để tạo thành styrene ($C_6H_5CH=CH_2$).

$C_6H_5CHO + Me_3SiCH_2MgCl \rightarrow C_6H_5CH(OH)CH_2SiMe_3 \xrightarrow[\text{hoặc } H^+]{OH^-} C_6H_5CH=CH_2 + Me_3SiOH$
(Chú ý: Cơ chế loại bỏ phụ thuộc vào điều kiện axit hoặc bazơ.)

Lưu ý về cơ chế:
Trong ví dụ trên cần lưu ý là nếu dùng bazơ để loại nhóm -OH và $Me_3Si$, styrene sẽ được tạo ra, phương trình phản ứng giống như trên. Còn trong trường hợp dùng xúc tác là $H^+$, nhóm -OH sẽ bị proton hóa trước, sau đó tạo thành carbocation trung gian và cuối cùng là loại nhóm $Me_3SiOH$ để tạo thành styrene.

Biến thể

Nhiều biến thể của phản ứng Peterson đã được phát triển để cải thiện hiệu suất, độ chọn lọc, và phạm vi ứng dụng của phản ứng. Các biến thể này có thể bao gồm:

• Sử dụng các $\alpha$-silyl carbanion khác nhau (ví dụ, thay đổi các nhóm thế trên nguyên tử silic).
• Sử dụng các chất xúc tác khác nhau để thúc đẩy phản ứng.
• Thay đổi dung môi và nhiệt độ phản ứng.
• Phát triển các phiên bản bất đối xứng của phản ứng Peterson, sử dụng các tác nhân hoặc chất xúc tác chiral để tạo ra các alken có tính chất quang hoạt.

Hạn chế

Mặc dù phản ứng Peterson rất hữu ích, nó cũng có một số hạn chế cần lưu ý:

• Độ nhạy với không khí và độ ẩm: $\alpha$-Silyl carbanion, đặc biệt là các carbanion đơn giản, thường rất nhạy cảm với không khí và độ ẩm. Do đó, phản ứng thường cần được thực hiện trong điều kiện khan và trơ (ví dụ: sử dụng khí nitơ hoặc argon).
• Khó khăn trong việc tách sản phẩm phụ: Việc tách sản phẩm phụ silanol đôi khi có thể khó khăn, đặc biệt là khi sử dụng sắc ký cột.
• Phạm vi cơ chất: Một số hợp chất carbonyl, đặc biệt là các ketone có độ cản trở không gian lớn, có thể phản ứng chậm hoặc không phản ứng trong điều kiện Peterson tiêu chuẩn.

• Peterson, D. J. (1968). “Carbonyl olefination reaction using silyl-substituted organometallic reagents”. Journal of the Organic Chemistry, 33(2), 780–784.
• Ager, D. J. (1990). “The Peterson reaction”. Synthesis, 1990(10), 847-873.
• Kürti, L., & Czakó, B. (2005). Strategic applications of named reactions in organic synthesis. Elsevier Academic Press. (Trang 346-347)

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài n-butyllithium (n-BuLi), còn base nào khác có thể được sử dụng để tạo ra $\alpha$-silyl carbanion trong phản ứng Peterson?