Chuyển vị trong hóa hữu cơ là sự dời chuyển nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí này sang vị trí khác của mạch cacbon gây ra sự thay đổi mạch cacbon hay bảo toàn mạch cacbon. Phản ứng chuyển vị rất đa dạng phong phú, thường xảy ra trong các quá trình thế, tách hay cộng qua những chất trung gian như cacbocation hay cacbanion.
Trang 1CHUYỂN VỊ TRONG HÓA HỮU CƠ
Phản ứng chuyển vị là sự dời chuyển nguyên tử hay nhóm nguyên tử từ vị trí này sang vị trí khác của mạch cacbon gây ra sự thay đổi mạch cacbon hay bảo toàn mạch cacbon
Phản ứng chuyển vị rất đa dạng phong phú, thường xảy ra trong các quá trình thế, tách hay cộng qua những chất trung gian như cacbocation hay cacbanion Có thể phân biệt 3 loại chuyển vị chủ yếu sau đây:
I Sự chuyển vị 1,2 nucleophin:
Chuyển vị nucleophin là những quá trình chuyển vị trong đó nguyên tử (hay nhóm nguyên tử) chuyển dịch tới một trung tâm đang thiếu hụt electron, mang theo cả cặp e liên kết
A B
Y
A B Y
Hợp chất hữu cơ tham gia chuyển vị có thể là ion hay phân tử Thường vị trí chuyển vị (A) là nguyên tử C, còn vị trí chuyển đến (B) có thể là C, O, N
I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử C:
I.1.1 Chuyển vị Wagner-Meerwein:
Trong quá trình thế và tách nucleophin đơn phân tử cũng như quá trình cộng electronphin vào liên kết bội đều sinh ra cacbocation Những cacbocation đó có thể tham gia chuyển vị làm cho 1 nguyên tử H hay nhóm akyl hay aryl ở vị trí đối với C(+) chuyển dịch đến C(+) đó
R C
R
R
C
R'
H
R R C
R' H
C R R C
R' R
R
R' R
Ví dụ:
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH2
HCl -H2O
chuyen vi
C Cl
CH3
CH2
Cl
-Sự chuyển vị đó có thể xảy ra không ở ancol mà còn ở nhiều loại hợp chất khác như dẫn xuất halogen, amin, hidrocacbon
I.1.2 Chuyển vị pinacolic:
Trang 2
C C
R''
R''' OH
R'
R
OH
H+
R''
R''' OH
R' R
H2O
C C
R''
R''' OH
R' R
C C R''' OH
R' R
R''
RR'R''COR''' -H+
-H2O
(I)
Sự chuyển vị như ở trên có thể xảy ra đối với bất kỳ hợp chất nào có khả năng tạo ra cacbocation tương tự như (I)
Ví dụ:
CH 3 C C CH 3
OH
CH 3
Br
CH 3
CH 3 C C CH 3
OH CH3
CH 3
CH3 C C CH3
O CH3
CH 3
Ag+ -AgBrCH3 C C CH3
OH
CH 3
CH3
-H+
CH3 C C CH3
OH
CH 3 CH 3
NH2
CH3 C C CH3 OH
CH 3 CH 3
N2
-N2
NaNO2,HCl -N2
Vì nhóm bị chuyển vị mang theo cả cặp electron liên kết như một tác nhân nucleophin cho nên khi có 2 nhóm thế, nhóm dể bị chuyển dịch hơn là nhóm có tính đẩy electron mạnh hơn
Ví dụ:
C
C6H5
C6H4
OH
p-CH3
C C6H5
OH
C6H4CH3-p
C
C6H5 C C6H5CH3-p
C6H5
C6H4CH3-p
O
p-CH3C6H5 C C C6H5CH3-p
C6H5
C6H4CH3-p
O
+
94% 6%
Trong các pinacol không đối xứng hướng chuyển vị thường được qui định bởi khả năng tách nhóm OH tức là bởi độ ổn định tương đối của cacbocation trung gian Vì vậy trong phản ứng dưới đây không phải nhóm p-anizyl mà chính nhóm phenyl chửên vị là chủ yếu
Trang 3(p-CH3OC6H4)2C-COH(C6H5)2 (p-CH3OC6H4)2COH-C(C6H5)2
O
C6H4OCH3 -p
C6H5
C6H5
C
p -CH3OC6H4 C
C6H5
C 6 H 5
p -CH3OC6H4 O
p -CH3OC6H4
28% 72%
Ngoài ra hướng chuyển vị còn phụ thuộc vào các yếu tố không gian Ví dụ như khả năng chuyển vị của o-anzyl kém p-anizyl hơn 1500 lần
I.1.3.Chuyển vị Vont
Xuất phát từ phương pháp điều chế chuyển hoá axit cacboxylic thành đồng đẳng
R CO OH SOCl2 R CO ClCH2N2 R CO CH N N Ag2O
R CH C O
R CH2 COOH H2 O
-N 2 R C CH
O
chuyen vi
Diazometan cũng có thể kết hợp với andehit hay xeton cho phản ứng chuyển vị
I.1.4 Chuyển vị benzilic.
Là phản ứng chuyển hoá -dixeton trong môi trường bazơ thành -hiđroxyaxit
Ar
HO
Ar
H3O+
Ar
C C
O
Ar
O
Ar
Ngoài những xeton thơm, một số dixeton béo và xetoaxit cũng tham gia chuyển vị benzilic
Trang 5I.2 Sự chuyển vị đến nguyên tử nitơ
I.2.1 Các phản ứng chuyển vị Hofmann, Curtius, Lossen, Schmidt
Đặc điểm chung các phản ứng chuyển vị này là tạo ra một cacbenoit trung gian và nhóm ankyl hoặc aryl trong cacbenoit đó chuyển dịch nội phân tử đến nguyên tử nitơ thiếu hụt electron
* Chuyển vị Hofmann:
R C NH2
O
R C NH O
Br
BrO
-R C N O
Br
OH
-C N R O
H2O
C NH
OH
CO2 + RNH2
R C N O
* Sự chuyển vị Curtus:
Xảy ra khi phản ứng tách bằng nhiệt azit của axit cacboxylic:
R C N N
O
N
O
R NH C
OR' O
R'OH
O C N R
Nếu sự chuyển vị được tiến hành trong môi trường trơ ta có thể cho phản ứng dừng ở sản phẩm izoxyanat, nhưng nếu thực hiện trong dung môi có hidro linh động ta sẽ được sản phẩm chuyển hoá izoxyanat (thường là amin)
O C N R H2O HO C
O
Trang 6p-CH3OC6H4N=C=O (86%)
p-CH3OC6H4NHCOOC2H5 (86%)
2 5 -N2
Curtius Rearrangement
The Curtius Rearrangement is the thermal decomposition of carboxylic azides to produce an isocyanate These intermediates may be isolated, or their corresponding reaction or hydrolysis products may be obtained.
The reaction sequence - including subsequent reaction with water which leads to amines - is named the Curtius Reaction This reaction is similar to the Schmidt Reaction with acids, differing in that the acyl azide in the present case
is prepared from the acyl halide and an azide salt.
Mechanism of the Curtius Rearrangement
Preparation of azides:
Decomposition:
Reaction with water to the unstable carbamic acid derivative which will undergo spontaneous decarboxylation:
Trang 7Isocyanates are versatile starting materials:
* Sự chuyển vị Lossen:
Tương tự như trong phản ứng Hofmann, trong sự chuyển vị Lossen muối của axit hydroxamic hoặc hợp chất tương tự bị phân tích trong môi trường kiềm thành izoxyanat
R C NH OH
O
R C N O
O N
OH
* Chuyển vị Schmidt:
Là một biến dạng của chuyển vị Hofmann và Curtus nhưng đi từ sản phẩm cộng của azit và olefin hoặc giữa axit cacboxylic với axit hidrazoic
R C OH
O
H+
R C O
HN3
R C N O
N N -N2 R C
O N
N R C
O
CO2 RNH3 Ngay sản phẩm cộng của azit với anđehit hay xeton cũng chuyển thành azometin và chịu chuyển hóa tiếp theo trong môi trường khác nhau
Trang 8C O
R
R'
H+
H N N N R C N N N
OH
R'
H -H2O R C N N N
R'
-N2
R'
R C N R'
H2O -H+
R C N R' OH
R C NH R' O
R C N R'
H N N N -H+
R C N R' N
N N
R''OH -H+
R C N R' OR'' chuyen vi
Sản phẩm cộng azit với axit cacboxylic cũng qua phản ứng chuyển vị trên cho amin kém một cacbon so với axit
R C
O
OH
OH
-N2
HO C N R
H2O
CO2+
C R
OH N
I.2.2 Chuyển vị Beckmann:
Chuyển vị Bekman là quá trinh chuyển hóa xetoxim hoặc các dẫn xuất O – axyl của chúng tạo thành amit thế:
Trang 9C R'
N OH
O
O
R'
Ta có thể mô tả cơ chế của sự chuyển vị Beckmann bằng sơ đồ sau:
C
N
OH
N R'
OH2
R
N R' R
N R' R
H2O
N R'
R HO
C NH R'
R
O -HCl
C N
OX
-OX
-X: R''CO, R''SO2 XCl
Những dẫn xuất loại R2C=N-X (X là OCOR, OTs ) tham gia phản ứng chuyển vị dể hơn, do
dể tách anion axit bền hơn
Trang 11I.3 Sự chuyển vị đến nguyên tử oxi:
I.3.1 Chuyển vị Bayer – Villiger
Trong phản ứng oxi hóa xeton bằng peaxit xúc tác bằng axit:
R C R
O
O
O
+ R' C OH
O
Cơ chế phản ứng đựợc mô tả như sau:
R C R
O
H+
R C R OH
R'COOH
O
R C
R
O O C R'
OH OH
R C R
OH
O
O
-R C O-R OH
-R C O-R O
Trang 12I.3.2 Chuyển vị peoxit:
Khi phân hủy nhiều hợp chất hữu cơ peoxit trong môi trường axit người ta thấy có hiện tượng chuyển vị tương tự chuyển vị Bayer – Villiger
Trang 13
R C O R
R
R
Phản ứng tiêu biểu là phản ứng oxi hoá cumen:
H+
-H2O
CH3 C OC6H5
CH3
H2O
CH3 C OC6H5
OH2
CH3
H+
O
+ C 6 H5OH
C O OH
CH3
C6H5
C6H5
CH3
CH3
CH3
C6H5
Phản ứng oxi hóa một dẫn xuất hiđroxy hoặc dẫn xuất amino của benzandehit nhờ peoxit hiđro để thay thế nhóm –CHO bằng nhóm –OH cũng là một trường hợp của chuyển vị peoxit
OH
C
H2O2
NaOH
OH
C
H OH
OH
C
H OH
OH
O C O H
OH
HCOO -+ -HO
-II Sự chuyển vị 1, 2 electrophin và đồng ly:
II.1 Sự chuyển vị 1,2 electrophin:
Phản ứng chuyển vị electrophin là những quá trình xảy ra với nhóm chuyển vị thiếu electron hay mang điện tích dương tới trung tâm có mật độ electron lớn hay mang điện tích âm Phản ứng thường có tác dụng của bazơ và theo cơ chế electrophin do tấn công của trung tâm electrophin vào trung tâm nucleophin Nhóm chuyển dịch đó sẽ tạo liên kết mới bằng cách phối trí với cặp electron chưa sử dụng ở trung tâm chuyển đến (B) trong khi đó cặp electron ở lại trung tâm chuyển đi (A) sẽ kết hợp với proton, phản ứng thường có tác dụng của bazơ
A B
R
R
R
H+
Dưới đây là một số phản ứng chuyển vị electrophin quan trọng:
II.1.1 Chuyển vị Stevens:
Sự chuyển vị nhóm ankyl hoặc aryl từ nguyên tử nitơ (hoặc lưu huỳnh) của nhóm amoni (hoặc sunfoni) sang nguyên tử C bên cạnh gọi là sự chuyển vị Stevens
Z CH2 N(CH3)2
R
HO
-Z CH N(CH3)2 R
+ H2O
Z thường là những nhóm hút electron như R’CO, R’OOC, Còn nhóm chuyển dịch R thường
Trang 14Phản ứng xảy ra như là thế electrophin nội phân tử qua chất trung gian cacbanion, phản ứng xảy ra với sự bảo toàn cấu hình dời chuyển, với sự tạo thành liên kết C – C và phân cắt liên kết C –
N đồng thời
C6H5C CH2 N(CH3)2
CH2C6H5 O
HO H2O C6H5C CH N(CH3)2
CH2C6H5 O
C6H5C CH N(CH3)2
O CH2C6H5
II.1.2 Chuyển vị Wittig:
Sự chuyển vị ở một ête làm đứt liên kết C – C được gọi là chuyển vị Wittig Để thực hiện quá trình này ta phải dùng những bazơ mạnh như phenyl liti, amiđua natri,
H2O
O CH2C6H5
CH3
C6H5Li
C6H6
O CHC6H5
CH3
O CHC6H5
CH3 -OH- HO CHC6H5
CH3
chuyển giảm dần theo dãy các nhóm thế sau:
CH2=CHCH3, C6H5CH2 > CH3, C2H5, p-O2NC6H4 > C6H5
II.2 Sự chuyển vị 1,2 đồng ly:
Tương tự sự chuyển vị ở một cacbocation, ta có thể khái quát hoá sự chuyển vị ở một gốc tự do bằng sơ đồ:
A B
R
A B
R
Gốc tự do mới sinh ra phải tự bền vững hoá bằng các phản ứng tiếp theo Hướng chuyển vị là tạo ra các gốc tự do tương đối bền vững hơn
II.2.1 Chuyển vị aryl 1,2:
Loại chuyển vị gốc tự do tương đối phổ biến hơn cả là chuyển vị nhóm aryl từ vị trí 1 sang vị trí 2
Ví dụ: Khi có mặt chất khơi mào, (CH3)3C-O-O-(CH3)3 trong clobenzen sẽ bị phân huỷ đồng thời làm chuyển dịch nhóm phenyl:
Khơi mào: (CH3)3C-O-O-(CH3)3 (CH3)3C-O. (RO.)
Phản ứng:
CH3 C CH2 C H
CH3
C6H5
O
+ RO CH3 C CH2 C
CH3
C6H5
O
CH3
C6H5
Chuyển vị:
CH3 C
CH3
C6H5
CH2 (A)
CH3 C CH 2 C6H5
CH3 (B)
Bền vững hóa:
Trang 15CH3 C CH2 C H
CH3
C6H5
O
CH3 H
(C)
+ CH3 C CH2 C
CH3
C6H5
O
C CH2 C6H5
CH3
CH3
Hoặc
CH3 C
CH3
C6H5
CH2 CH3 C CH2 C H
CH3
C6H5
O
CH3
C6H5
CH3 +CH3 C CH 2 C
CH3
C6H5
O (D)
Ngoài các sản phẩm trên trong một số trường hợp còn thu được cả sản phẩm đime hóa gốc (A)
II.2.2 Chuyển vị halogen 1,2:
Khi clo hóa bromua izopropyl bằng t – C4H9OCl ta được hỗn hợp sản phẩm gồm
CH3CHClCH2Br và (CH3)2CClBr:
CH3 CH
Br
CH3 t - C4H9OCl
- 78oC CH3 CH CH2Br
Cl
Br
Cl
CH3
Sự tạo thành CH3CHClCH2Br cho thấy có sự chuyển vị gốc tự do trung gian theo sơ đồ:
Br
CH3
CH3 C Br
Br
CH2 -HCl Cl (t - C4H9Cl)
Br Cl
60%
Cl (t - C4H9Cl)
Cl
Cl (t - C4H9Cl)
15%
III Sự chuyển vị từ nhóm thế vào vòng thơm:
Phần lớn những phản ứng chuyển vị vào vòng thơm là những phản ứng chuyển dịch một nhóm X từ dị nguyên tử Z vào vị trí ortho hoặc para vủa vòng
Trang 16
X +
Z H
X
Ở đây Z = O khi X = ankyl, aryl, …
Z = N khi X = ankyl, halogen, hiđroxy, nitro, nitrozo, azo, sunfo,…
Hầu hết các phản ứng chuyển vị trên được xúc tác bằng axit và sự tấn công của nhóm X vào vòng thơm có tính cách một phản ứng thế electrophin Ta gọi đó là phản ứng chuyển vị electrophin vào vòng thơm
Những phản ứng chuyển vị nucleophin vào vòng thơm (ví dụ chuyển vị nhóm OH ở phenylhiđroxylamin) tương đối ít gặp
III.1 Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm:
III.1.1 Chuyển vị Frai:
Khi có tác dụng của axit Lewis (AlCl3, ZnCl2, FeCl3….) nhóm axyl trong este của phenol chuyển dịch vào vị trí ortho, para của vòng:
O C O
R
OH C O R
+
C
OH
R O 1.AlCl3
2.H3O+
R là ankyl hoặc alyl
Người ta cho rằng quá trình chuyển vị Frai tương tự quá trình axyl hóa theo Friden – Crap Dưới tác dụng của chất xúc tác, este tạo ra cation axyli RC O
, cation này sẽ tấn công vào các vị trí ortho, para của vòng thơm:
O C R
O
AlCl3
OAlCl3 C R
O
OAlCl2 C R O
- HCl
H3O+ C R
O OH
OAlCl2
C
H3O+
C
OH
Phản ứng Frai luôn tạo ra hỗn hợp hai sản phẩm đồng phân Nhiệt độ thấp thuận lợi cho sự tạo thành đồng phân para
Ví dụ:
Trang 17
OH
CH3
COCH3
AlCl 3 , 25oC
80%
CH3
COCH 3
AlCl 3 , 165oC
95%
OH
CH3
CH3CO
Khi vị trí para đã bị chiếm thì chỉ tạo thành sản phẩm ortho
Ví dụ:
COCH3
CH3
95%
OH
CH3CO
CH3
AlCl3 nitrobenzen
III.1.2 Chuyển vị Claizen
Khi đun nĩng các alyl aryl ete sẽ chuyển thành ortho-alylphenol theo một phản ứng gọi là chuyển vị Claizen
Ví dụ:
CH2CH=CH2
200oC
90 %
Phản ứng theo cơ chế nội phân tử như sau:
CH2
OH
CH2 CH
CH2
CH2 H
O CH
CH2
14
14
III.2 Sự chuyển vị nguyên tử nitơ vào vịng thơm
III.2.1 Chuyển vị nhĩm ankyl
Khi đun nĩng các muối halogenhiđrat của arylankylamin, nhĩm ankyl sẽ chuyển dịch đến vị trí ortho hoặc para của nhân thơm
Ví dụ:
C6H5NR2 HHal
to o - hoặc p - RC6H4NHR
C6H5NHR HHal
to o - hoặc p - RC6H4NH2
Cĩ lẽ phản ứng bắt đầu bằng một quá trình thế nucleophin dể tách dẫn xuất halogen RHal ra khỏi muối halogenhydrat, sau đĩ RHal sẽ tác dụng với nhân thơm theo cơ chế thế electrophin
Trang 18C6H5NH2RHal RHal + RC6H5NH2
C6H5NH2 + RHal RC6H4NH3Hal
III.2.2 Chuyển vị nguyên tử halogen
Sự chuyển vị nguyên tử halogen từ nguyên tử nitơ vào vịng benzen gọi là chuyển vị Octơn Khi đun nĩng N-cloaxetanilit trong axit axetic hoặc nước cĩ mặt hidro clorua ta được octo và p-cloaxetanilit
Cl
HCl
Phản ứng xảy ra theo cơ chế:
Cl
HCl
C6H5NH - COCH3 Cl2
III.2.3 Chuyển vị nhĩm aylazo
Phản ứng tiêu biểu của chuyển vị nhĩm arylazo là phản ứng chuyển hố điazoaminobenzen thành p-aminoazobenzen
hoặc C6H5NH2 + HCl p -H2N C6H4 N NC6H5 Phản ứng xảy ra theo cơ chế electrophin như sau:
C6H5 N N NHC6H5 HCl C6H5N2 + C6H 5 NH 2 p - H2NC6H4N N NC6H5
III.2.4 Chuyển
vị nhĩm nitrozo (chuyển vị Fisơ – Hep)
Khi cĩ mặt của axit clohiđric, nhĩm nitrozo của nitrozamin thơm chuyển dịch vào nhân thơm
C6H5 N COCH3
NO
HCl o -và p - NO C6H4 NH CH3
Cơ chế của chuyển vị Fisơ-Hep tương tự cơ chế của chuyển vị Octon:
C6H5N CH3
NO
H
+ NO+
O N C6H4 NH CH3 + H+
C6H5N CH3
H
III.2.5 Chuyển vị benziđin
Khi cho axit mạnh tác dụng lên hyđrazobenzen sẽ xảy ra sự chuyển vị làm đứt liên kết N-N
và hình thành liên kết C – C tạo ra benziđin
+
NH
Trang 19Trong phản ứng chuyển vị hiđrazobenzen ngoài benziđin là sản phẩm của sự tổ hợp p, p’ ta còn được sản phẩm của sự tổ hợp o, p’ và những lượng rất nhỏ các sản phẩm tổ hợp khác
H2N
Phản ứng xảy ra theo cơ chế đề nghị như sau:
D
NH 2
H2N
2 H+
NH 2 NH 2 D D
D
H 2 N NH 2
D
-2 D
NH 2
H 2 N
D D
I Sự chuyển vị 1,2 nucleophin
I.1 Sự chuyển vị đến nguyên tử C
I.1.1 Chuyển vị Wagner-Meerwein
I.1.2 Chuyển vị pinacolic
I.1.3.Chuyển vị Vontơ
I.1.4 Chuyển vị enzilic
I.1.5 Chuyển vị benzilic
I.2 Sự chuyển vị đến nguyên tử nitơ
I.2.1 Các phản ứng chuyển vị Hofmann, Curtius, Lossen, Schmidt
I.2.2 Sự chuyển vị Beckmann
I.3 Sự chuyển vị đến nguyên tử oxi
I.3.1 Chuyển vị Bayer – Villiger
I.3.2 Chuyển vị peoxit
II Sự chuyển vị 1, 2 electrophin và đồng ly
II.1 Sự chuyển vị 1,2 electrophin
II.1.1 Chuyển vị Stevens
II.1.2 Chuyển vị Wittig
II.2 Sự chuyển vị 1,2 đồng ly
II.2.1 Chuyển vị aryl 1,2
II.2.2 Chuyển vị halogen 1,2
III Sự chuyển vị từ nhóm thế vào vòng thơm
III.1 Sự chuyển vị từ nguyên tử oxi vào vòng thơm
Trang 20III.2 Sự chuyển vị nguyên tử nitơ vào vòng thơm.
III.2.1 Chuyển vị nhóm ankyl
III.2.2 Chuyển vị nguyên tử halogen
III.2.3 Chuyển vị nhóm aylazo
III.2.4 Chuyển vị nhóm nitrozo (chuyển vị Fisơ – Hep) III.2.5 Chuyển vị benziđin