Language
Country/Area
No result found
Từ chất phản ứng đến sản phẩm: Từng bước trong quá trình hình thành vòng gốc tự do được kiểm soát chính xác như thế nào?
Trong hóa học hữu cơ, vòng hóa gốc tự do là một quá trình chuyển đổi quan trọng tạo ra các sản phẩm vòng thông qua các chất trung gian gốc tự do. Quá trình này thường có thể được chia thành ba bước cơ bản: tạo ra gốc tự do có chọn lọc, tạo vòng gốc tự do và chuyển đổi các gốc tự do đã tạo vòng thành sản phẩm cuối cùng. Trong các phản ứng tạo vòng này, cách kiểm soát tốc độ và tính chọn lọc của từng bước vẫn là chủ đề nghiên cứu nhận được sự quan tâm rộng rãi.
Giới thiệu về phản ứng vòng hóa gốc tự do
Phản ứng tạo vòng gốc tự do thường tạo ra các sản phẩm đơn vòng hoặc đa vòng. Vì chúng là những thay đổi bên trong phân tử nên tốc độ và tính chọn lọc của phản ứng thường rất rõ ràng. Quá trình tạo ra gốc tự do có chọn lọc của các phản ứng này có thể đạt được trên các nguyên tử cacbon có gắn nhiều nhóm chức năng khác nhau. Người ta sử dụng nhiều loại thuốc thử khác nhau và các phản ứng này thường được thực hiện trong điều kiện nhẹ nhàng với khả năng dung nạp cao đối với các nhóm chức năng.
Bản chất không mang điện tích của các chất trung gian gốc tự do có nghĩa là các điều kiện phản ứng này có xu hướng nhẹ nhàng và cho phép sử dụng nhiều loại dung môi khác nhau.
Bước tạo vòng gốc tự do thường liên quan đến sự tấn công của các gốc tự do vào nhiều liên kết. Sau khi bước này hoàn tất, các gốc tự do tạo vòng sẽ được tiêu thụ thông qua hoạt động của các chất dọn rác, các quá trình phân mảnh hoặc các phản ứng chuyển electron. Vòng năm cạnh và sáu cạnh là sản phẩm phổ biến nhất của loại phản ứng này, trong khi sự hình thành các vòng nhỏ và lớn tương đối hiếm. Quá trình tạo vòng gốc tự do hiệu quả đòi hỏi phải đáp ứng ba điều kiện: phải có phương pháp tạo ra các gốc tự do một cách chọn lọc, tốc độ tạo vòng phải nhanh hơn tốc độ bắt giữ các gốc tự do được tạo ra ban đầu và tất cả các bước phải nhanh hơn các phản ứng phụ không mong muốn, chẳng hạn như dưới dạng gốc tự do Kết hợp lại hoặc phản ứng với dung môi.
Cơ chế và Hóa học lập thể
Cơ chế chính thống
Do sự tồn tại của nhiều tác nhân tạo ra và bắt giữ gốc tự do nên việc xác định một cơ chế chi phối duy nhất là không thực tế. Tuy nhiên, một khi gốc tự do được tạo ra, nó có thể phản ứng với nhiều liên kết theo cách nội phân tử để tạo thành các chất trung gian gốc vòng. Những phản ứng này có thể được chia thành các cuộc tấn công "vòng ngoài" và "vòng trong":
Sự tấn công vòng ngoài có nghĩa là gốc tự do ở bên ngoài vòng sau phản ứng, trong khi sự tấn công vòng trong có nghĩa là gốc tự do ở bên trong vòng mới hình thành.
Trong nhiều trường hợp, quá trình tạo vòng ngoại vòng được ưa chuộng hơn quá trình tạo vòng nội vòng. Sự hiện diện của các gốc tự do có thể ảnh hưởng đến tính ổn định của các trạng thái chuyển tiếp này, từ đó có thể tác động sâu sắc đến tính chọn lọc của vị trí phản ứng. Lấy nhóm cacbon 2 vị trí làm ví dụ, nó có thể thúc đẩy quá trình đóng vòng 6-endo, trong khi nhóm cacbon 1,2, 1,3 và 1,4 vị trí có lợi hơn cho quá trình đóng vòng 5-endo. nhẫn exo.
Tính chọn lọc lập thể
Tính chọn lọc lập thể của quá trình hình thành vòng gốc tự do thường rất cao và phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái chuyển tiếp trong quá trình phản ứng. Để cải thiện tính chọn lọc lập thể của phản ứng, chất thế có thể được đặt ở vị trí gần cân bằng của trạng thái chuyển tiếp để thu được sản phẩm cis hoặc trans. Đối với các chất nền chứa các trung tâm lập thể, tính chọn lọc lập thể giữa các gốc tự do và nhiều liên kết cũng có thể khá rõ ràng.
Phạm vi và giới hạn
Phương pháp tạo ra gốc tự do
Việc sử dụng các hydride kim loại (như thiếc, silic và thủy ngân hydride) để tạo ra các gốc tự do là một phương pháp phổ biến, nhưng hạn chế chính của phương pháp này là các gốc tự do được tạo ra ban đầu có thể bị giảm đi. Thuật toán phân mảnh tránh được vấn đề này bằng cách kết hợp thuốc thử liên kết vào chất nền. Trong khi đó, phương pháp chuyển nguyên tử sử dụng quá trình chuyển một nguyên tử từ vật liệu ban đầu bậc ba sang gốc vòng. Các phương pháp này thường sử dụng một lượng nhỏ thuốc thử yếu, giúp ngăn ngừa hiệu quả các vấn đề do sử dụng chất khử mạnh gây ra.
Kích thước nhẫn
Nói chung, không dễ để tạo ra các vòng nhỏ thông qua quá trình tạo vòng gốc tự do. Tuy nhiên, sự hình thành các vòng nhỏ vẫn có thể xảy ra nếu gốc vòng có thể bị giữ lại trước khi mở lại. Ngoài ra, quá trình tạo vòng gốc tự do cũng có thể tạo ra các vòng đa vòng và vòng lớn, và tính chọn lọc cũng như sản lượng của các vòng trong các quá trình này có thể được kiểm soát.
So sánh với các phương pháp khác
So với quá trình tuần hoàn cation, thường là kiểm soát nhiệt động lực học. Quá trình hình thành vòng gốc tự do thường diễn ra nhanh hơn nhiều so với quá trình hình thành vòng anion và tránh được các phản ứng phụ loại bỏ β. Tuy nhiên, so với các phương pháp này, hạn chế lớn nhất của quá trình tạo vòng gốc tự do nằm ở các phản ứng phụ tiềm ẩn của nó.
Điều kiện và quy trình thử nghiệm
Điều kiện điển hìnhPhản ứng gốc tự do phải được thực hiện trong môi trường trơ vì oxy phân tử là gốc ba và sẽ can thiệp vào các chất trung gian gốc tự do. Vì tốc độ tương đối của nhiều quá trình có tác động đáng kể đến phản ứng nên nồng độ cần được điều chỉnh cẩn thận để tối ưu hóa các điều kiện phản ứng. Phản ứng thường được thực hiện trong dung môi có năng lượng phân ly liên kết cao, chẳng hạn như benzen, metanol hoặc phenyl triflorua. Ngay cả phản ứng trong điều kiện nước cũng được chấp nhận vì liên kết O-H của nước có năng lượng phân ly liên kết mạnh.
Chương trình mẫu
Một quy trình điển hình là đun sôi hỗn hợp bromoformate, AIBN và trioctylstannous hydride trong benzen khô trong một giờ, sau đó cô lập sản phẩm mong muốn bằng sắc ký. Phản ứng này có thể tổng hợp hợp chất mục tiêu với năng suất cao.
Các quá trình hình thành vòng gốc tự do chứng minh khả năng kiểm soát tuyệt vời đối với các phản ứng hóa học và thật thú vị khi hiểu được cách chúng đạt được tính chọn lọc và hiệu quả cao như vậy ở cấp độ vi mô.
