Phản ứng vòng [2+2] ([2+2] Cycloaddition)

$A=B + C=D \rightarrow$ <img src=”https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5f941595821e74f1a688979a67e0ef87a6f935e5″ class=”mwe-math-fallback-image-inline” aria-hidden=”true” style=”vertical-align: -1.838ex; width:10.582ex; height:4.843ex;” alt=”{\displaystyle {\ce {A=B{}+C=D->[][{\text{bốn cạnh}}]}}}”> (Đây chỉ là ví dụ, bạn có thể thay bằng hình vẽ trực tiếp)

Cơ chế

Phản ứng vòng [2+2] nhiệt thường bị cấm theo quy tắc Woodward-Hoffmann do sự không phù hợp về đối xứng orbital. Quy tắc này chỉ ra rằng, trong điều kiện nhiệt, phản ứng [2+2] kiểu supra-supra (cả hai thành phần phản ứng tiếp cận nhau từ cùng một phía của liên kết π) là bị cấm đối xứng. Trong khi đó, phản ứng kiểu supra-antara (hai thành phần tiếp cận nhau từ hai phía đối diện của liên kết π) là được phép đối xứng. Tuy nhiên, trên thực tế, kiểu supra-antara rất khó xảy ra do những cản trở không gian (steric hindrance) nghiêm trọng.

Do đó, phản ứng vòng [2+2] nhiệt thường đòi hỏi các điều kiện phản ứng đặc biệt (ví dụ, nhiệt độ và áp suất rất cao) hoặc thông qua các chất trung gian phản ứng (reactive intermediates) khác. Ngược lại, phản ứng vòng [2+2] quang hóa (photochemical [2+2] cycloaddition), được thực hiện dưới sự chiếu xạ của ánh sáng tử ngoại (UV), lại được phép theo quy tắc Woodward-Hoffmann và thường diễn ra dễ dàng hơn.

Các loại phản ứng vòng [2+2]

• Phản ứng vòng [2+2] quang hóa: Đây là loại phản ứng vòng [2+2] phổ biến nhất. Ánh sáng tử ngoại (UV) cung cấp năng lượng cần thiết để kích thích một trong các phân tử tham gia phản ứng lên trạng thái kích thích, từ đó làm thay đổi đối xứng orbital và cho phép phản ứng xảy ra. Một ví dụ điển hình là phản ứng dime hóa của ethylene dưới tác dụng của ánh sáng UV để tạo thành cyclobutane:

$2 CH_2=CH_2 \xrightarrow{h\nu}$ <img src=”https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6d95f98498422679256c9f4d449a5571a36a939a” class=”mwe-math-fallback-image-inline” aria-hidden=”true” style=”vertical-align: -0.838ex; width:19.415ex; height:2.843ex;” alt=”{\displaystyle {\ce {2CH2=CH2->[hv]C4H8}}}”> (Bạn có thể thay hình vẽ này)

• Phản ứng vòng [2+2] xúc tác kim loại: Một số kim loại chuyển tiếp, như niken (Ni) và titan (Ti), có thể đóng vai trò là chất xúc tác cho phản ứng vòng [2+2]. Các kim loại này có khả năng phối hợp với các liên kết π của các chất phản ứng, qua đó làm thay đổi sự phân bố electron và đối xứng orbital, làm cho phản ứng trở nên khả thi.
• Phản ứng vòng [2+2] với ketene: Ketene ($R_2C=C=O$) là một loại phân tử đặc biệt có khả năng dễ dàng tham gia phản ứng vòng [2+2] nhiệt với các alkene (và các hợp chất không no khác). Điều này là do ketene có một orbital π* (phản liên kết) có năng lượng tương đối thấp và cấu trúc electron đặc biệt, cho phép phản ứng xảy ra thông qua một trạng thái chuyển tiếp có năng lượng thấp hơn so với các phản ứng [2+2] nhiệt thông thường.

Ứng dụng

Phản ứng vòng [2+2] được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để tạo ra các vòng bốn cạnh (cyclobutane và các dị vòng tương tự). Các vòng bốn cạnh này là những cấu trúc quan trọng, xuất hiện trong thành phần của nhiều hợp chất tự nhiên có hoạt tính sinh học và các dược phẩm. Phản ứng [2+2] cũng được ứng dụng trong sản xuất polyme, ví dụ như trong quá trình trùng hợp các hợp chất cyclobutane để tạo ra các vật liệu polyme có tính chất đặc biệt.

Tóm lại: Phản ứng vòng [2+2] là một công cụ hữu ích trong tổng hợp hữu cơ, mặc dù bị hạn chế bởi quy tắc Woodward-Hoffmann trong điều kiện nhiệt. Việc sử dụng ánh sáng (phản ứng quang hóa) hoặc xúc tác kim loại có thể khắc phục những hạn chế này và cho phép tổng hợp nhiều loại vòng bốn cạnh khác nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng vòng [2+2]

• Bản chất của các chất phản ứng: Tính chất điện tử của các nhóm thế trên alkene hoặc các hệ thống π khác có thể ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ và tính chọn lọc lập thể của phản ứng. Ví dụ, các nhóm thế đẩy electron (electron-donating groups) thường làm tăng tốc độ phản ứng bằng cách tăng mật độ electron trên liên kết đôi, trong khi các nhóm thế hút electron (electron-withdrawing groups) có thể làm giảm tốc độ phản ứng.
• Điều kiện phản ứng: Nhiệt độ, áp suất, và dung môi có thể ảnh hưởng đến phản ứng vòng [2+2]. Phản ứng quang hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp để tránh các phản ứng phụ không mong muốn và kiểm soát tốt hơn quá trình phản ứng. Dung môi cũng có thể ảnh hưởng đến độ phân cực của trạng thái chuyển tiếp, do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.
• Xúc tác: Như đã đề cập, các kim loại chuyển tiếp có thể xúc tác phản ứng vòng [2+2]. Loại xúc tác được sử dụng có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc lập thể (stereoselectivity) và tính chọn lọc vị trí (regioselectivity) của phản ứng, tạo ra các sản phẩm khác nhau.

Ví dụ cụ thể về ứng dụng

• Tổng hợp cubane: Phản ứng vòng [2+2] quang hóa đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp cubane ($C_8H_8$), một phân tử hydrocarbon có cấu trúc hình khối lập phương độc đáo và có nhiều ứng dụng tiềm năng.
• Tổng hợp propellane: Phản ứng vòng [2+2] cũng được sử dụng để tổng hợp propellane, một loại phân tử chứa ba vòng có chung một liên kết C-C (cạnh chung). Các propellane có cấu trúc và tính chất hóa học thú vị.
• Sản xuất thuốc trừ sâu: Một số loại thuốc trừ sâu có chứa vòng cyclobutane được tổng hợp thông qua phản ứng vòng [2+2] như một bước quan trọng trong quy trình tổng hợp.

So sánh với phản ứng vòng [4+2] (Phản ứng Diels-Alder)

Phản ứng vòng [4+2], còn được gọi là phản ứng Diels-Alder, là một phản ứng cộng vòng giữa một diene liên hợp (hệ thống 4π electron) và một dienophile (hệ thống 2π electron). Phản ứng này là một phản ứng phối hợp nhiệt và được phép đối xứng theo quy tắc Woodward-Hoffmann. So với phản ứng vòng [2+2] nhiệt, phản ứng Diels-Alder thường xảy ra dễ dàng hơn trong điều kiện ôn hòa (nhiệt độ thường không quá cao) và không yêu cầu chiếu xạ UV hay xúc tác kim loại. Điều này là do sự phù hợp về đối xứng orbital trong phản ứng Diels-Alder.

Một số phản ứng liên quan

• Phản ứng Paterno-Büchi: Đây là một phản ứng vòng [2+2] quang hóa giữa một hợp chất carbonyl (như aldehyde hoặc ketone) và một alkene để tạo thành một vòng oxetane (vòng 4 cạnh chứa một nguyên tử oxy).
• Phản ứng đóng vòng Nazarov: Đây là một phản ứng đóng vòng điện vòng (electrocyclic ring closure) của divinyl ketone (hệ thống chứa hai liên kết đôi C=C liên hợp với một nhóm carbonyl C=O) để tạo thành cyclopentenone (vòng 5 cạnh chứa một liên kết đôi và một nhóm carbonyl).

• Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry, Part A: Structure and Mechanisms; Springer: New York, 2007.
• Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure; Wiley: New York, 2007.
• Fleming, I. Molecular Orbitals and Organic Chemical Reactions; Wiley: Chichester, 2010.
• Bruice, P. Y. Organic Chemistry; Pearson: Upper Saddle River, NJ, 2017.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phản ứng vòng [2+2] quang hóa lại được phép theo quy tắc Woodward-Hoffmann, trong khi phản ứng nhiệt lại bị cấm?

Trả lời: Trong phản ứng quang hóa, một electron trong một trong các chất phản ứng được kích thích lên một orbital phân tử năng lượng cao hơn. Sự thay đổi trong cấu hình electron này dẫn đến sự thay đổi đối xứng của các orbital tham gia phản ứng. Kết quả là, phản ứng quang hóa [2+2] diễn ra theo kiểu supra-antara được phép đối xứng, trong khi phản ứng nhiệt supra-supra lại bị cấm.

Ngoài keten, còn có những loại hợp chất nào khác có thể tham gia phản ứng vòng [2+2] nhiệt một cách dễ dàng?

Trả lời: Một số hợp chất khác có thể tham gia phản ứng [2+2] nhiệt bao gồm các allenes, các hợp chất có liên kết đôi tích lũy, và các hệ thống π bị biến dạng lập thể. Trong các trường hợp này, sự căng thẳng vòng hoặc cấu trúc điện tử đặc biệt làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng, cho phép nó diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn.

Làm thế nào để kiểm soát tính chọn lọc lập thể trong phản ứng vòng [2+2]?

Trả lời: Tính chọn lọc lập thể có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng các chất phản ứng có nhóm thế cồng kềnh, điều chỉnh điều kiện phản ứng (nhiệt độ, dung môi), hoặc sử dụng xúc tác. Ví dụ, xúc tác chiral có thể dẫn đến sự hình thành ưu tiên một đồng phân đối quang.

Phản ứng Paterno-Büchi khác với phản ứng vòng [2+2] quang hóa thông thường như thế nào?

Trả lời: Phản ứng Paterno-Büchi là một phản ứng vòng [2+2] quang hóa đặc biệt giữa một carbonyl và một alken để tạo thành oxetane, một vòng bốn cạnh chứa oxy. Sự khác biệt chính nằm ở bản chất của các chất phản ứng: một carbonyl thay vì một alken thứ hai. Cơ chế phản ứng cũng khác, liên quan đến trạng thái kích thích triplet của nhóm carbonyl.

Ứng dụng của phản ứng vòng [2+2] trong khoa học vật liệu là gì?

Trả lời: Phản ứng vòng [2+2] được sử dụng trong khoa học vật liệu để tạo ra các polyme có cấu trúc vòng cyclobutan trong mạch chính. Những polyme này có thể có các tính chất đặc biệt, chẳng hạn như độ bền nhiệt và độ ổn định cao. Phản ứng này cũng được sử dụng để tạo liên kết chéo trong các polyme, cải thiện tính chất cơ học của chúng. Ngoài ra, phản ứng vòng [2+2] đóng vai trò trong việc chế tạo các vật liệu nhạy quang và các thiết bị điện tử hữu cơ.