Phản ứng Wurtz (Wurtz Reaction)

Phương trình phản ứng tổng quát:

$2R-X + 2Na \rightarrow R-R + 2NaX$

Trong đó:

• R là gốc alkyl (nhóm alkyl).
• X là halogen (thường là Cl, Br hoặc I).

Phản ứng Wurtz có vai trò quan trọng trong việc tạo liên kết cacbon-cacbon, cung cấp một phương pháp đơn giản để tổng hợp các ankan có mạch cacbon dài hơn từ các alkyl halide có mạch cacbon ngắn hơn. Tuy nhiên, phản ứng này có một số hạn chế, và các biến thể của nó cũng đã được phát triển để cải thiện hiệu suất và tính chọn lọc.

Cơ chế phản ứng

Phản ứng Wurtz được cho là diễn ra theo cơ chế gốc tự do, gồm ba bước chính:

1. Bước hình thành gốc alkyl: Kim loại natri, là một chất khử mạnh, chuyển một electron cho alkyl halide, tạo thành gốc alkyl và ion halide.

   $R-X + Na \rightarrow R\cdot + Na^+X^-$

2. Bước dimer hóa gốc alkyl: Hai gốc alkyl tự do kết hợp với nhau tạo thành phân tử ankan đối xứng.

   $R\cdot + R\cdot \rightarrow R-R$

3. Ion natri và ion halide kết hợp tạo thành muối natri halide. Bước này thường không được coi là một phần của cơ chế chính, nhưng nó hoàn thành phương trình phản ứng.

Ví dụ:

Phản ứng giữa methyl iodide ($CH_3I$) với natri tạo thành ethane ($C_2H_6$):

$2CH_3I + 2Na \rightarrow CH_3-CH_3 + 2NaI$

Ưu điểm và nhược điểm

• Ưu điểm: Phản ứng Wurtz là một phương pháp đơn giản để tổng hợp các ankan đối xứng.
• Nhược điểm:
  • Chỉ tổng hợp được ankan đối xứng. Việc sử dụng hai alkyl halide khác nhau sẽ dẫn đến hỗn hợp sản phẩm, rất khó tách riêng.
  • Các alkyl halide bậc cao (bậc 2, bậc 3) thường tham gia phản ứng tách E2 tạo thành anken thay vì tham gia phản ứng Wurtz. Do đó, phản ứng Wurtz thường hiệu quả nhất với các alkyl halide bậc 1.
  • Phản ứng này không phù hợp với các gốc alkyl có chứa nhóm chức nhạy cảm với bazơ mạnh hoặc các nhóm chức có thể tương tác với kim loại natri.

Ứng dụng

Phản ứng Wurtz được sử dụng để tổng hợp các ankan đối xứng, đặc biệt là các ankan mạch ngắn. Tuy nhiên, do những hạn chế của nó, phản ứng này không được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ hiện đại. Thay vào đó, các phương pháp khác hiệu quả và linh hoạt hơn được ưa chuộng, chẳng hạn như phản ứng ghép cặp sử dụng xúc tác kim loại chuyển tiếp. Phản ứng Wurtz chủ yếu có giá trị lịch sử và sư phạm trong việc tìm hiểu về phản ứng gốc tự do và phản ứng ghép cặp.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Wurtz

• Bản chất của halogen: Khả năng phản ứng của alkyl halide giảm dần theo thứ tự $R-I > R-Br > R-Cl$. Alkyl florua thường không phản ứng.
• Bản chất của gốc alkyl: Alkyl halide bậc 1 phản ứng tốt nhất, tiếp theo là bậc 2. Alkyl halide bậc 3 thường tham gia phản ứng tách tạo anken.
• Môi trường phản ứng: Phản ứng Wurtz yêu cầu môi trường khan, thường là ete khan (như diethyl ether hoặc tetrahydrofuran (THF)), để tránh phản ứng của natri với nước.

Biến thể của phản ứng Wurtz

• Phản ứng Wurtz-Fittig: Đây là biến thể trong đó một aryl halide phản ứng với một alkyl halide để tạo thành alkylbenzen.
  $Ar-X + R-X + 2Na \rightarrow Ar-R + 2NaX$
• Phản ứng Ullmann: Hai phân tử aryl halide phản ứng với đồng để tạo thành biaryl đối xứng.
  $2Ar-X + Cu \rightarrow Ar-Ar + CuX_2$

So sánh với các phản ứng khác

Phản ứng Wurtz có thể so sánh với các phản ứng ghép nối khác như phản ứng Grignard (sử dụng thuốc thử Grignard) hoặc phản ứng Corey-House (sử dụng lithium diorganocuprates), các phản ứng này thường mang lại hiệu suất tốt hơn và linh hoạt hơn trong việc tổng hợp ankan không đối xứng.

Ví dụ bổ sung

Phản ứng giữa ethyl bromide ($C_2H_5Br$) với natri tạo thành butane ($C4H{10}$):

$2C_2H_5Br + 2Na \rightarrow C_2H_5-C_2H_5 + 2NaBr$

• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
• Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure; Wiley: Hoboken, NJ, 2007.
• Wade, L. G. Jr. Organic Chemistry; Pearson Education: Glenview, IL, 2013.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao phản ứng Wurtz không hiệu quả khi sử dụng hỗn hợp hai alkyl halide khác nhau?

Trả lời: Khi sử dụng hai alkyl halide khác nhau (R-X và R’-X), phản ứng Wurtz sẽ tạo ra hỗn hợp ba sản phẩm: R-R, R’-R’ và R-R’. Việc tách riêng các sản phẩm này rất khó khăn và tốn kém, làm giảm hiệu suất của sản phẩm mong muốn.

Câu 2: Tại sao alkyl halide bậc 3 thường tham gia phản ứng tách E2 thay vì phản ứng Wurtz?

Trả lời: Gốc alkyl bậc 3 có độ cồng kềnh lớn. Điều này gây khó khăn cho sự tiếp cận của nguyên tử natri, cản trở phản ứng thế S_N2 cần thiết cho phản ứng Wurtz. Đồng thời, gốc alkyl bậc 3 dễ dàng tạo thành carbocation, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tách E2 tạo thành anken khi có mặt bazơ mạnh (trong trường hợp này là carbanion R^– được tạo ra trong phản ứng).

Câu 3: Ngoài ete khan, còn dung môi nào khác có thể được sử dụng trong phản ứng Wurtz?

Trả lời: Tetrahydrofuran (THF) cũng là một dung môi thích hợp cho phản ứng Wurtz vì nó là một ete mạch vòng và có tính chất tương tự như diethyl ether. Tuy nhiên, diethyl ether vẫn được sử dụng phổ biến hơn do dễ bay hơi hơn, thuận tiện cho việc tách sản phẩm.

Câu 4: Làm thế nào để tăng hiệu suất phản ứng Wurtz khi tổng hợp ankan đối xứng?

Trả lời: Để tăng hiệu suất, cần đảm bảo môi trường phản ứng hoàn toàn khan, sử dụng alkyl halide bậc 1 hoặc bậc 2 và duy trì nhiệt độ phản ứng thích hợp. Việc sử dụng alkyl iodide thay vì alkyl bromide hoặc alkyl chloride cũng có thể cải thiện hiệu suất.

Câu 5: Phản ứng Wurtz-Fittig khác với phản ứng Wurtz như thế nào về sản phẩm tạo thành?

Trả lời: Phản ứng Wurtz tạo ra ankan đối xứng (R-R), trong khi phản ứng Wurtz-Fittig tạo ra alkylbenzen (Ar-R) từ phản ứng giữa aryl halide (Ar-X) và alkyl halide (R-X). Đây là một phương pháp hữu ích để gắn nhóm alkyl vào vòng benzen.