Giới thiệu qui tắc đóng vòng của Baldwin

[bluemonster]

Giới thiệu qui tắc đóng vòng của Baldwin:
Trong hoá học hữu cơ, rất hay gặp những phản ứng đóng vòng ở trạng thái chuyển tiếp rồi có thể dẫn tới sản phẩm hoặc mở vòng tạo sản phẩm, có một qui tắc được coi như nữa kinh nghiệm, có nghĩa là nó đúc kết từ thực nghiệm, sau đó dùng hoá lý thuyết để giải thích, và đã đưa ra một sự logic nhất định ! BM sẽ giới thiệu ngay Baldwin rule cho anh em nghía chơi ! Dài dòng quá, vào thôi !
Trước hết, BM sẽ nêu ra một số thuật ngữ (nomenclature) thường dùng:
+exo-cyclization mode: (viết tắt là exo) đó là cách đóng vòng mà liên kết bị đứt ra hướng ra ngoài, gọi là định hướng exo.


+endo-cyclization mode: (viết tắt là endo) đó là cách đóng vòng mà liên kết bị đứt ra hướng vào trong so với vòng, gọi là định hướng endo.


Quan sát hai mô hình trên, ta nên để ý một điều, đó là sự khác nhau cơ bản trong hai phương pháp đóng vòng thông dụng exo và endo. Ở mô hình exo, ta thấy X (ở đây đóng vai trò là nucleophile nên gọi là nucleophilic ring closures) sẽ tấn công vào Carbon đóng vòng tăng số cạnh vòng lên một, trong khi tương tự ở mô hình endo, X sẽ tấn công vào Carbon để làm tăng số cạnh cạnh vòng lên hai. Hai mô hình này cần được nhớ một cách kĩ lưỡng, vì sẽ gặp lại nó rất nhiều !
+Về danh pháp phản ứng đóng vòng, ta sẽ gọi theo tên cách thức tấn công (endo or exo) đi kèm với tên của trạng thái lai hoá của hợp phần bị tấn công.
Tetrahedral = tet ; trigonal = trig ; digonal = dig
Ngoài ra, danh pháp phải đi kèm theo số member tạo vòng (số cạnh vòng).


Hình trên chỉ nói đến mô hình nucleophilic ring closure.
Từ đó, ta có được qui tắc Baldwin :


Hết sức lưu ý trong những phản ứng tạo vòng ! Cái chú ý thứ hai là hướng đóng vòng của tác nhân X, chẳng hạn như ở exo-tet, ta thấy muốn đóng vòng, hướng tấn công của X phải thằng hàng với liên kết C-Y, khi đó theo dự đoán dựa vào kiến thức FOs theory, ta thấy nó X sẽ mang điện tử dư của mình tới xen phủ với orbital antibonding * C-Y .
Hay khi nói đến thằng exo-trig, ta thấy mô hình của Baldwin đưa ra thì X phải tấn công từ trên mặt phẳng phân tử hợp với cạnh C-Y một góc , và đẩy hai liên kết còn lại đính với C sẽ bị gập xuống, giống hệt như sự tấn công của một tác nhân electrophile vào nối đôi alkene. Tương tự như vậy cho mô hình exo-dig nhé !
Nhưng, qui tắc Baldwin ko thoả trong hai trường hợp sau:
+Qui tắc Baldwin chỉ dành để nói chuyện với những thằng X là những nguyên tố chu kì 2 thôi, chứ nếu như ở chu kì 3 thì do bán kính lớn, nên độ dài liên kết hình thành lớn, vì thế nguyên tử sẽ rất linh động trong chuyện lập thể đóng vòng.
+Qui tắc Baldwin ko áp dụng đối với phản ứng electrocyclic thuộc họ pericyclic reactions. Cái này thì khi BM nói xong hết về electrocyclic bên topic pericyclic reaction thì các bạn sẽ hiểu rõ hơn !!!

[Mikhail_Kalashnikov]

Hay! Bravo, BM , rõ ràng là dễ hiểu hơn cái anomer
nhưng hình như Mr. chưa đi vào phần chính thì phải, keep posting!

[bluemonster]

Ứng dụng của Baldwin rule:
Đầu tiên ta xét mô hình n-exo-tet: Từ qui tắc Baldwin, ta có thể rút ra với n từ 3 trở lên đều thoả điều kiện đóng vòng. Giải thích nhé:
Chẳng hạn như ta xét mô hình đóng vòng 3 cạnh theo mô hình exo:


Như hình trên, ta thấy ở mô hình n-exo-tet, ko có chướng ngại lập thể cho việc đóng vòng, và điều kiện của Baldwin thoả dễ dàng, X tác kích thằng hàng với liên kết C-Y.
Một ví dụ khác, xét sự hình thành của vòng epoxide, dung hợp với vòng cyclo như sau:


Thông thường, sự ngưng tụ của một vòng 3 và một vòng 6 rất khó khăn, gần như ko xảy ra, nhưng thực nghiệm cho thấy khi người ta thực hiện phản ứng đóng vòng tạo epoxide như trên, người ta thấy cũng ra sản phẩm, nhưng hiệu suất ko cao vì đây là một quá trình thuận nghịch. Ở mô hình diaxial đầu tiên, ta thấy về mặt lập thể nó ko favour, nhưng bù lại, thằng lone-pair dư(chính xác hơn là điện tích) của Oxygen sẽ xen phủ được với antibonding C-Y để tạo vòng, tựa như phản ứng SNi.
Còn ở mô hình diequatorial thứ hai, ta thấy tuy nó allow về stereoelectronic, thế nhưng phản ứng đóng vòng nếu theo Baldwin rule sẽ rất khó khăn, đòi hỏi phải có sự chuyển đổi cấu hình qua dạng Twist-Boat kém bền hơn, nên rate reaction của nó giảm !
Song song với qui tắc closure của Baldwin thì trong trường hợp này (cũng như nhiều trường hợp khác thì Furst-Plattner cũng đưa ra qui tắc ring cleavage với những lập luận tương tự về sự xen phủ orbital:

[bluemonster]

Tiếp theo, ta sẽ đi qua ứng dụng mô hình khác của Baldwin, đó là mô hình n-endo-tet:
Theo như các qui tắc của Baldwin đã nêu ở trên thì có thể dự đóan, để thoả được điều kiện đóng vòng endo:



Đòi hỏi số cạnh trong vòng phải lớn, vì nếu vòng nhỏ, mà đóng vòng endo thì thằng Y-C sẽ xoay vào gần thằng X, nên ko thể nào thoả điều kiện góc tác kích của X là 180 độ được. Theo thực nghiệm, người ta thấy số cạnh vòng phải từ 10 trở lên thì phản ứng đóng vòng endo mới allow.
Đây là một số thí dụ thực nghịêm mà những pro trên thế giới đã làm, thực hiện phản ứng đóng vòng endo với số member vòng từ 3 đến 9 thất bại, phản ứng xảy ra với cơ chế intermolecule.



Ở phản ứng trên, O-C sẽ tương ứng với Y-C trong mô hình chuẩn, sự đóng vòng trung gian ko xảy ra được vì góc tác kích của tâm anion C do NaH hoạt hoá ko thoả 180 độ.
Một điều thú vị là trong hỗn hợp phản ứng thu được của thí nghiệm trên, pro Eschenmoser thu được sản phẩm đóng vòng trung gian 6-exo-tet.



Theo mô hình exo-tet, thì C-I sẽ tương ứng với C-Y trong mô hình chuẩn, như vậy phân tử sẽ có sự biến đổi (sự biển đổi này dễ dàng) để hướng tương tác giữa tâm C anion với liên kết C-I thẳng hàng với nhau.
Ngoài ra, còn một số phản ứng khác nêu ra mang tính giới thiệu, để minh chứng cho việc đóng vòng endo-tet đòi hỏi số member trong vòng lớn !



Một ứng dụng nữa khá phổ biến của Baldwin rule đó là mô hình n-endo-trig:
Nhìn lại một chút về mô hình endo-trig:



theo Baldwin thì hướng X tác kích vào nối đôi sẽ từ trên xuống với góc tác kích là 109 độ ! Như vậy cũng cần có điều kiện vòng đủ lớn thì phản ứng mới xảy ra được ! Theo như thực nghiệm, người ta đã xác nhận từ vòng 3-5 cạnh thì phản ứng ko xảy ra theo mô hình endo – trig ! Có thể dẫn ra một số ví dụ thực nghiệm minh hoạ như sau:



phản ứng đầu thì sau khi được base mạnh hoạt hoá, OH sẽ chuyển thành tâm anion O- , tâm này tác kích vào nối đôi, nhưng do bán kính nhỏ, độ dài liên kết tạo thành nhỏ, chính vì vậy phản ứng ko xảy ra được vì yếu tố stereoelectronic disallowed ! Tuy nhiên, nếu ta thay O bằng S, phản ứng có thể xảy ra theo đúng mô hình trên, vì thằng S thuộc chu kì 3, có bán kính lớn nên dễ relax được sức căng vòng tạo thành !

[bluemonster]

Một trường hợp thực nghiệm khác :


kết quả thực nghiệm ko cho ra sản phẩm đóng vòng 5-endo-trig, nhưng lại cho ra sản phẩm đóng vòng exo tương tự ! tới đây thì ta đã thấy được tính khá đúng đắn của qui tắc Baldwin về sự đóng vòng trung gian!
Ở mô hình 5-exo-trig ở trên thì thằng C-OMe đóng vai trò là C-Y trong mô hình chuẩn, và N sau khi bức H+ có thể là nhờ một base đủ mạnh, sẽ tác kích vào C-Y theo đúng mô hình exo, để tạo thành sản phẩm như chúng ta đã thấy ! ngoài ra để mô tả trạng thái đóng vòng allow của 5-exo-trig trong phản ứng trên, anh em có thể nghía cái hình 3D đẹp cực kì này :


Hình này dễ nhìn hơn hẳn đúng ko !!!???
Nói như vậy ko có nghĩa là ko có đường mô để cộng vào nối đôi C=C, anh em pro đã nghĩ cách nếu ko cộng được vào theo cơ chế endo đóng vòng trung gian thì sẽ cộng theo cơ chế liên phân tử (intermolecular reactions).


Nói chung trong tổng hợp hữu cơ cần nhất là nắm lý thuyết chắc để còn linh động trong các phản ứng !!! Và sau đây là một số chuỗi phản ứng mà trong process có ứng dụng của Baldwin rules !