Phản ứng Sharpless (Sharpless Epoxidation)

Phản ứng Sharpless, hay còn gọi là phản ứng epoxyl hóa Sharpless, là một phản ứng hóa học đối xứng lập thể dùng để tổng hợp epoxit từ rượu allyl sử dụng tert-butyl hydroperoxide ($t$-BuOOH), titanium tetraisopropoxide ($Ti(OiPr)_4$) và một chất xúc tác chiral là diethyl tartrate (DET). Phản ứng này được phát triển bởi K. Barry Sharpless vào năm 1980, và ông đã nhận được giải Nobel Hóa học năm 2001 cho công trình này cùng với William S. Knowles và Ryoji Noyori.

Cơ chế phản ứng

Phản ứng Sharpless được xúc tác bởi một phức chất của $Ti(OiPr)_4$ và DET. Trong đó, $t$-BuOOH đóng vai trò là chất oxy hóa, cung cấp nguyên tử oxy cho epoxit được tạo thành. Sự hiện diện của DET là yếu tố quyết định tính đối xứng lập thể của phản ứng.

Mặc dù cơ chế chính xác vẫn còn đang được nghiên cứu, người ta tin rằng phức chất hoạt động được tạo thành từ một phân tử $Ti(OiPr)_4$ và một phân tử DET (không phải hai phân tử $Ti(OiPr)_4$). Phức chất này phối trí với cả rượu allyl và $t$-BuOOH, sắp xếp chúng trong một hình học cụ thể cho phép chuyển nguyên tử oxy từ $t$-BuOOH sang liên kết đôi C=C của rượu allyl một cách lập thể chọn lọc.

Tính đối xứng lập thể

Phản ứng Sharpless nổi tiếng với tính đối xứng lập thể cao. Sự lựa chọn đồng phân đối quang của DET ((+) hoặc (-)-DET) quyết định đồng phân đối quang nào của epoxit sẽ được tạo thành. Quy tắc sau đây có thể được sử dụng để dự đoán sản phẩm:

Vẽ rượu allyl theo phương nằm ngang với nhóm CH₂OH ở góc dưới bên phải.
Sử dụng (+)-DET, oxy sẽ được thêm vào mặt trên của liên kết đôi.
Sử dụng (-)-DET, oxy sẽ được thêm vào mặt dưới của liên kết đôi.

Ứng dụng

Phản ứng Sharpless là một công cụ mạnh mẽ trong tổng hợp hữu cơ, đặc biệt là trong tổng hợp các sản phẩm tự nhiên và dược phẩm. Nó cho phép tổng hợp chọn lọc các epoxit chiral, là các chất trung gian quan trọng cho nhiều phản ứng hóa học khác. Một số ví dụ về ứng dụng của phản ứng Sharpless bao gồm:

Tổng hợp các phân tử sinh học phức tạp như carbohydrate và terpen.
Tổng hợp các loại thuốc như thuốc kháng sinh và thuốc chống ung thư.
Tổng hợp các vật liệu chiral.

Ưu điểm

Tính đối xứng lập thể cao.
Điều kiện phản ứng ôn hòa.
Phạm vi cơ chất rộng.

Nhược điểm

Phản ứng nhạy với sự hiện diện của nước.
Đôi khi cần sử dụng lượng xúc tác lớn.
Không hiệu quả với một số loại rượu allyl nhất định.

Tóm lại:

Phản ứng Sharpless là một phương pháp hiệu quả và đáng tin cậy để tổng hợp epoxit chiral. Tính đối xứng lập thể cao và điều kiện phản ứng ôn hòa làm cho nó trở thành một công cụ vô giá trong tổng hợp hữu cơ.

Ví dụ về phản ứng

Xét phản ứng epoxyl hóa của rượu allyl ($CH_2=CHCH_2OH$) sử dụng (+)-DET. Theo quy tắc được nêu ở trên, oxy sẽ được thêm vào mặt trên của liên kết đôi, tạo ra (2R)-2,3-epoxypropan-1-ol. Lưu ý ở đây, danh pháp R, S không cần thiết phải đầy đủ (2R,3S) vì chỉ có một trung tâm bất đối. Ngược lại, nếu sử dụng (-)-DET, sản phẩm sẽ là (2S)-2,3-epoxypropan-1-ol.

Title

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp (khoảng -20°C đến -30°C, không nên dùng -78°C vì sẽ làm phản ứng diễn ra quá chậm) để tăng tính chọn lọc lập thể.
Dung môi: Dung môi thường được sử dụng là dichloromethane ($CH_2Cl_2$).
Lượng nước: Sự hiện diện của nước có thể làm giảm hiệu suất và tính chọn lọc của phản ứng. Do đó, phản ứng thường được thực hiện trong điều kiện khan nước.
Cấu trúc của rượu allyl: Phản ứng Sharpless hoạt động tốt nhất với rượu allyl bậc nhất và bậc hai. Rượu allyl bậc ba thường cho hiệu suất thấp hơn. Sự hiện diện của các nhóm thế khác trên rượu allyl cũng có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc lập thể của phản ứng.

Các biến thể của phản ứng Sharpless

Kể từ khi được phát hiện, phản ứng Sharpless đã được cải tiến và mở rộng theo nhiều cách khác nhau. Một số biến thể đáng chú ý bao gồm:

Phản ứng Sharpless không đối xứng: Sử dụng các chất xúc tác achiral để tổng hợp epoxit racemic.
Phản ứng Sharpless aminohydroxyl hóa: Sử dụng osmium tetroxide ($OsO_4$) và một chất xúc tác chiral để tổng hợp vicinal aminoalcohol (aminohydrin) từ olefin.
Phản ứng Sharpless dihydroxyl hóa: Sử dụng $OsO_4$ và một chất xúc tác chiral để tổng hợp vicinal diol từ olefin.

So sánh với các phương pháp epoxyl hóa khác

Phản ứng Sharpless có một số ưu điểm so với các phương pháp epoxyl hóa khác, chẳng hạn như phản ứng với mCPBA (meta-chloroperoxybenzoic acid). Đặc biệt, phản ứng Sharpless cho phép kiểm soát tính đối xứng lập thể của sản phẩm, điều mà các phương pháp khác thường không làm được. Tuy nhiên, phản ứng Sharpless cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như yêu cầu điều kiện khan nước và nhạy cảm với một số nhóm chức.