Diễn đàn Thế Giới Hoá Học - Tổng hợp tăng mạch cacbon dưới ảnh hưởng của kim loại

Không cần nói nhiều thì chúng ta cũng đã biết việc tổng hợp bộ khung cacbon trong quá trình tổng hợp hữu cơ là một quá trình cơ bản và đóng vai trò quan trọng hàng đầu trong lĩnh vực tổng hợp hữu cơ cơ bản cũng như tổng hợp hữu cơ công nghiêp. Ở đây chúng ta sẽ đi qua một quá trình hình thành và phát triển của các phương pháp ghép mạch cacbon dưới ảnh hưởng của kim loại (ở đây chỉ xét những quá trình tổng hợp làm tăng mạch, còn những phản ứng đóng vòng cacbon - cacbon sẽ được xét vào một dịp khác thuận tiện hơn). Và cũng trong tiến trình lịch sử này chúng ta cũng sẽ cảm nhận được dấu ấn đậm nét của người Nhật

1[COLOR=Red]. Giai đoạn trước năm 1960:[/COLOR]
Từ khi lĩnh vực tổng hợp Hữu cơ được hình thành từ cuối thế kỷ XIX thì một trong số những điều đầu tiên đáng được quan tâm nhất là làm thế nào để tổng hợp tăng mạch cacbon. Một trong số những phương pháp tổng hợp tăng mạch đầu tiên và cổ điển nhất là tổng hợp Wurtz:
2R - X + 2Na ----> R - R + 2NaX
Trong quá trình tổng hợp dime steroit để nghiên cứu cấu trúc lớp kép của màng tế bào thì J.W.Morzicky và cộng sự đã sử dụng tổng hơp Wurtz để tăng mạch
[URL=http://imageshack.us][IMG]http://img132.imageshack.us/img132/3945/coupling1lu1.gif[/IMG][/URL]

Phương pháp này chỉ thuận tiện để gấp đôi mạch cacbon giống nhau, chứ việc ghép hai mạch khác nhau lại bằng phương pháp này không thể cho hiệu suất tột
Đến đầu thế kỷ XX, với sự ra đời của hợp chất Grignard RMgX thì công tác tổng hợp tăng mạch đã được chuyển sang một giai đoạn mới. Với nó thì sự ghép mạch trở nên thuận tiện hơn vì có nhiều phương án khả thi hơn, có thể ghép nhiều đoạn mạch khác nhau vốn là hạn chế của Wurtz nhưng với khả năng to lớn của hợp chất Grignard thì phản ứng loại này ít được sử dụng, người ta dùng hợp chất Grignard chủ yếu cho việc xây dựng bộ khung cacbon bằng phản ứng cộng nucleophin

[COLOR=Red]2. Giai đoạn từ 1960 - 1975[/COLOR]
Tuy nhiên các phương pháp này đều có đặc điểm chung là ít được ứng dụng để ghép mạch vinyl hay aryl vào các bộ khung cacbon mà cho hiệu suất cao và ít có khả năng chọn lọc lập thể, điều này không thuận lợi cho xu hướng chung của tổng hợp hữu cơ hiện nay là tổng hợp bất đối xứng
Đến những năm 60 và 70 của thế kỷ XX thì điều này đã được cải thiện bằng cách nghiên cứu các phản ứng của các hợp chất cơ Li/Mg với sự có mặt của đồng halogenua. Ví dụ
[URL=http://imageshack.us][IMG]http://img132.imageshack.us/img132/1410/coupling2fg0.gif[/IMG][/URL]

Thế nhưng một điểm hạn chế lớn vẫn tồn tại là phản ứng của cacbon sp và sp2 vẫn rất hiếm khi gặp cho đến thời điểm đầu những năm 70 thì đã có những thành công đầu tiên trong quá trình ghép mạch cacbon sp và sp2 với sự có mặt của kim loại chuyển tiếp. Vào năm 1971 thì Kochi đã khám phá ra ảnh hưởng của FeCl3 trong phản ứng ghép mạch của hợp chất Grignard với 1-ankenyl bromua và năm 1972 thì phản ứng ghép mạch giữa tác nhâN Grignard với 1-ankenyl hay aryl bromua, clorya đã được Kumada và Tamao đồng thời xác nhận độc lập với nhóm nghiên cứu của Corriu và Masse. Việc xuất hiện các kim loại chuyển tiếp trong tiến trình lịch sử của phản ứng ghép mạch đã đặt nền móng để đưa các phản ứng ghép mạch lên một tầm cao mới và đã trở thành một phương pháp hết sức có giá trị trong tổng hợp hữu cơ đương đai.

[COLOR=Red]3. Giai đoạn phát triển rực rỡ từ 1975 - nay[/COLOR]
Bước ngoặt của sự phát triển của phản ứng ghép mạch chính là sự xuất hiện các hợp chất phức của Pd sau những nghiên cứu thành công đầu tiên của Murahashi vào năm 1975 trong phản ứng của vinyl halogenua với aryl liti. Hiệu lực của xúc tác paladi được tăng thêm sau những nghiên cứu của Neghishi 1978.
Tiếp nối những thành công của hợp chất phức Pd thì hàng loạt xúc tác khác là phức của kim loại chuyển tiếp với các phối tử hữu cơ cũng đã ra đời như phức Zn, Zr, Cu, Sn, B...
Có thể tổng quát hóa như sau:
R - m + R' - X ----xúc tác phức hữu cơ của [M] -----> R - R'
Với [M] là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Ni, Cu, Pd, Rh... còn X thường là Hal hay OTf
m: Li (Murahashi); Mg (Kumada - Tamao, Corriu); B (Suzuki - Miyaura); Al (Nozaki - Oshima, Neghshi); Si (Tamao - Kumada; Hiyama - Hatanaka); Zn (Negishi); Cu (Normant); Zr (Negishi), Sn (Migita-Kosugi, Stille)...
R và R' là bất kỳ gốc nào
Một thuận lợi nữa của các phản ứng này là không chịu nhiều ảnh hưởng của các hiệu ứng không gian nên có thể ghép được ở các vị trí mà những phản ứng thông thường phải chào thua:
[URL=http://imageshack.us][IMG]http://img175.imageshack.us/img175/3856/coupling3zt0.gif[/IMG][/URL]

Về cơ chế các phản ứng này thì cũng không hề được biểu diễn qua các cơ chế thông thường mà phải đi qua một chu trình khép kín có dạng như sau:
[URL=http://imageshack.us][IMG]http://img219.imageshack.us/img219/1710/coupling4uh6.gif[/IMG][/URL]
a) Cộng oxy hóa: Phản ứng của hợp phần halogenua với phức kim loại (0) sinh ra phức kim loại-(n)
b) Chuyển vị nhóm thế xung quanh nguyên tử trung tâm: Chuyển nhóm R' từ R'X đến trung tâm của phức là ion kim loại, dẫn đến kết qủa là phức kim loại-(n) chứa cả hai gốc R và R' đã được liên kết với nhau
c) Tách khử: Sản phẩm ghép tách ra khỏi phức và hoàn trả lại xúc tác
Halogenua hay triflat (OTf = triflorometansunfonat) được sử dụng để đóng vai trò là tác nhân R-X của phản ứng. Tốc độ của phản ứng tăng cùng với sự tăng tính oxy hóa của anion X-. Phụ thuộc vào tốc độ của nhóm đi ra X thì tốc độ phản ứng giảm theo thứ tự: I>OTf>Br>>Cl

Về các phức kim loại chuyển tiếp trong phản ứng trên thì có nhiều loai. Sau đây là một số loại hay gặp:
[URL=http://imageshack.us][IMG]http://img175.imageshack.us/img175/1260/coupling5ry6.gif[/IMG][/URL]

Như vậy trong suốt hơn một thế kỷ qua các phản ứng ghép mạch cacbon - cacbon đã thật sự có được những bước tiến dài và vững chắc với mục đích làm giảm bớt số giai đoạn trong quá trình tổng hợp và nâng cao hiệu suất phản ứng. Đồng thời làm tăng khả năng tổng hợp một đồng phân có hoạt tính quang hoat.

Tham khảo:
1) Named Organic Reaction - T. Laue; A.Plagens - Wiley 2000
2) Introduction to Cross-Coupling Reaction - Kohei Tamao; Norio Miyaura - Springer (năm xuất bản: 2001)
3) Strategic Application of Named Reaction in Organic synthesis - Laszlo Kurti, Barbara Czako, Elsevier 2005
4) Organometallic chemistry and Catalysis - Didier Astruc - Springer 2005