Quy tắc Felkin - Anh về cộng nucleophin và ứng dụng trong tổng hợp bất đối xứng

[Zero]

Chúc mừng sinh nhật chemvn

Mô hình Felkin - Anh (hay Felkin - Nguyen) về phản ứng cộng Nucleophin vào andehit và xeton

1. Lời mở đầu:
Về phản ứng cộng tác nhân nucleophin vào hợp chất cacbonyl thì hiện nay người ta sử dụng mô hình Felkin - Anh. Chúng ta không đề cập đến quy tắc Cram là do nó chỉ có tính chất kinh nghiệm, cho đến nay chúng ta đã hiểu một cách thấu đáo hơn bản chất của vấn đề, và quan trọng nhất là một số dự đoán theo quy tắc Cram cho kết quả sai lệch với thực tế, các thí nghiệm và suy nghĩ logic luôn chiếm một vị trí quan trọng ưu tiên hơn là các quy tắc chỉ mang tính kinh nghiệm. Sau đây anh sẽ giới thiệu kỹ mô hình này như là một bài đọc thêm mang tính chất tham khảo, để mọi người tiếp cận được hơn với hóa học hữu cơ hiện đại (Tạt qua VN một tí: Ở VN chưa hề đưa thứ này vào giảng dạy, mà chỉ toàn học quy tắc Cram, chán. Thế này thì đến lúc nào giáo dục Việt Nam mới bắt kịp thế giới ???)

2. Mô hình Felkin - Anh hay Felkin - Nguyen
Trước tiên, ta sẽ xét một ví dụ:

Tất nhiên, để giải thích lý do tại sao thì ta sẽ phải sử dụng công thức chiếu Newman để xác định hướng tân công của các Nucleophin.

Đây là hai cấu dạng bền nhất so với tất cả các cấu dạng có thể có của hợp chất đang xét
Nhìn vào mô hình bên phải, ta thấy rằng các tác nhân nucelophin tấn công một góc lệch 30[sup]o[/sup] so với các nhóm thế, như vậy có thể có khả năng xảy ra tương tác không gian giữa tác nhân nucleophin với các nhóm thế này. Nhìn vào mô hình bên phải thì tác nhân nucleophin lúc này tấn công ở hướng gần với H, tương tác không gian lúc này gần như có thể bỏ qua được. Như vậy thì rõ ràng sản phẩm chính sẽ là sản phẩm như hình vẽ bên trái. Điều này sẽ dẫn đến sự tạo thành các đồng phân quang học không đối quang như hình vẽ sau:

Với Nu là Et thì ta thu được kết quả phù hợp. Nhưng điều quan trọng hơn là chúng ta đã xấy dựng được một mô hình, gọi là mô hình Felkin - Anh, đã được xây dựng bằng cách tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Trong mô hình này thì việc xác định cấu dạng nào bền hơn hoàn toàn không cần thiết nữa, bởi vì các kết quả thực nghiệm đã cho thấy rằng cho dù cấu dạng bên trái (hình 2) có lượng nhiều hay ít trong hỗn hợp các cấu dạng thì sản phẩm chính vẫn cứ xảy ra theo hướng đó.
Điều duy nhất để lưu ý ở đây là hướng tân công của tác nhân nucleophin tấn công vào nhóm C = O ở một góc độ là xấp xỉ 107[sup]o[/sup] (có tài liệu là 109, nhưng nói chung trong khoảng đó :D ). Điều này do hai nhà tinh thể học là Burgi và Dunitz tìm ra được bằng thực nghiệm vào năm 1970, góc này được gọi là góc Burgi - Dunitz.(chứ ko phải là 90 độ như lâu nay vẫn nghĩ đâu à)
Công thức đúng của sản phẩm của ví dụ trên được dự đoán theo mô hình Felkin - Anh như sau:

Tiếp theo ta sẽ xét đến các yếu tổ liên quan đến mô hình và cách sử dụng tốt mô hình
3. Những yếu tố ảnh hưởng đến mô hình Felkin - Anh

a) Yếu tố obitan
Xét một giai đoạn trong quá trình tổng hợp chất chống ung thư Dolastatin của Reetz:
[img width=600 height=380]http://img446.imageshack.us/img446/3811/c6dx6.gif[/img]
Vì sao sự chọn lọc lập thể lại tốt đến thế khi mà cả hai nhóm thế của nguyên tử C alpha là NBn[sub]2[/sub] và CH(Me)Et có kích thước gần như nhau
Lý do ở đây là ảnh hưởng của nhóm kéo electron NBn[sub]2[/sub] lên MO của nhóm C = O, làm cho nhóm C = O hoạt hóa hơn. Nhìn hình vẽ sau để hiểu rõ hơn:

Hình vẽ trên được giải thích như sau: Sự hiện diện của nhóm C - X âm điện đã làm giảm năng lượng của LUMO nên nhóm cacbonyl trở nên hoạt động hơn. Khả năng tổ hợp các MO của C alpha và C (của C = O) khả thi hơn, tác nhân nucleophin tấn công vào dễ hơn.
Lưu ý:
1) X không phải là nhóm đi ra dễ (vì nếu dễ thì sẽ xảy ra phản ứng thế)
2) Cấu dạng ổn định nhất là cấu dạng mà nhóm thế cồng kềnh vuông góc với C = O, nhưng cấu dạng phản ứng mạnh nhất chính là cấu dạng mà X vuông góc với nhóm C = O (do lúc này ảnh hưởng của nhóm thế lên C = O là mạnh nhất).
b) Yếu tố tạo phức chelat (vòng càng)
Thỉnh thoảng lại xảy ra phản ứng kiểu như sau:

Điều này được giải thích bằng sự tạo phức vòng càng giữa Mg. Thực nghiệm đã chứng minh rằng tính chọn lọc hướng phản ứng luôn tăng lên khi có sự tạo thành trạng thái chuyển tiếp vòng. Chính vì vậy không có gì ngạc nhiên khi kết quả đi ngược lại với mô hình Felkin - Anh vốn chỉ áp dụng khi không có sự tạo thành trạng thái chuyển tiếp vòng.

Cách sử dụng mô hình Felkin - Anh
1) Vẽ công thức chiếu Newman của chất ban đầu sao cho các nhóm thế có kích thước lớn nhất hay nhóm thế rút electron vuông góc với C = O
2) Chọn hướng tấn công phù hợp của tác nhân nucleophin, lưu ý góc Burgi và Dunitz (để còn tính tới tương tác không gian chứ :D )
3) Vẽ công thức chiếu Newman của sản phẩm theo hướng tấn công đã chọn
4) Chuyển công thức Newman về công thức phẳng (nhớ để mạch chính nằm trên mặt phẳng). Lưu ý những điều sau để làm đúng bước 4: Nhìn công thức Newman của sản phẩm từ trên xuống hay từ dưới lên, sau đó quay đi một vài liên kết để có thể thu được mạch chính của phân tử nằm trên mặt phẳng)

Tham khảo
1) Jonathan Clayden - Organic Chemistry - Oxford, 2000
2) Control in Organic Chemistry, lectures 7 - 12 - Dr David Spring - Cambridge University 2003