Tổng quan nhóm carbonyl !!!

[bluemonster]

Tổng quan carbonyl group:
Trong hoá học hữu cơ, nhóm carbonyl được xem như là một trong những nhóm chức quan trọng nhất ! Có rất nhiều dẫn xuất chứa nhóm carbonyl, và mỗi dẫn xuất lại có rất nhiều loại phản ứng riêng mà tâm tác kích chính là nhóm carbonyl, chính vì vậy, nếu so sánh số phản ứng giữa các nhóm định chức khác nhau thì có lẽ nhóm carbonyl là number 1 !!! Nhưng vấn đề ở đây, nếu những ai thừơng xuyên làm bài tập hay thường tiếp xúc nhiều với nhóm carbonyl thì ko nói gì, nhưng những ai ko thường xuyên lắm tiếp xúc với nhóm này (như BM chẳng hạn) thì có lẽ hơi rối với những cơ chế na ná giống nhau của nó! Chính vì vậy, hôm nay, BM sẽ viết một bài tổng quan hết tất cả các kiến thức về carbonyl, và BM chắc rằng với kiến thức của mình thì ko thể nào nêu hết được về carbonyl, nên anh em nào có biết phản ứng nào hay về nhóm này thì share nhé, ko cần giải thích hay cơ chế nếu ko biết, cứ post tuốt lên và anh em ta cùng luận !!! hix, dài dòng thế đủ rùi ! vào thôi !
Trước tiên, ta cùng nghía lại một tí structure and electronic structure của nó để xem tại sao nó lại “bảnh” đến thế !!!
Như đã biết, nhóm carbonyl hai nguyên tử C và O đều ở trạng thái lai hoá sp2, các vân đạo AO của chúng tổ hợp như sau:
Trứơc hết là các vân đạo lai hoá tổ hợp cho ra các liên kết sigma:



Hoá lượng tử ứng dụng cũng có can thịêp vào sự tổ hợp này chút ít.
Khi xét sự tổ hợp các orbital của hai nguyên tử không đối xứng, trường hợp Carbon tạo liên kết với một heteroatomic, như trong methanol chẳng hạn, khi viết giản đồ năng lượng của các MO tạo thành, nếu viết đúng qui cách, độ “sụp” xuống (lowered)của năng lượng MO bonding phải nhỏ hơn độ tăng lên (rise) của năng lượng orbital antibonding. Vậy lí do là sao ?? tại sao hiện tượng này xảy ra đối với các liên kết không đối xứng?
Xét về mặt tóan học, sự tổ hợp được mô tả bằng các phương trình sau:


với:
c: hệ số đóng góp của các nguyên tử
: tích phân Culong, đó là năng lượng liên quan đến sự định xứ (localized) của các electron ở các AO ( bên trái và bên phải giản đồ năng lượng)
: tích phân cộng hưởng, đó là năng lượng liên quan đến độ share electron của các AO để hình thành các MO covalent bond (liên quan đến Eo trong giản đồ).
E: năng lượng tổng cộng của tòan hệ thống.
S: tích phân xen phủ, mô tả hiệu quả xen phủ làm giảm năng lượng của các MO bonding tạo thành.
Lấy phương trình 2-3 trừ cho phương trình 2-2, ta tìm được hai nghiệm e như sau:


Trong các phân tử đối xứng, các hệ số c bằng nhau, các tích phân Culong cũng bằng nhau, nên ta sẽ tìm được hai giá trị E mô tả độ giảm năng lượng của MO bonding với độ tăng năng lượng của MO antibonding là bằng nhau. Nhìn vào phương trình 2-4, mô tả hai nghiệm của E, đó là độ giảm và tăng năng lượng của các MO tạo thành, ta thấy ở mẫu số của E MO bonding lớn hơn mẫu số của E MO antibonding (1+S > 1-S) nên E bonding ( độ giảm năng lượng của MO bonding)sẽ nhỏ hơn E antibonding (độ giảm năng lượng của MO antibonding.
Nhưng trong hoá học hữu cơ đơn giản, người ta chỉ cần lập luận rằng, do Oxygen có độ âm điện lớn nên kéo năng lượng của cả hệ thống các MO tổ hợp xuống. Mặt khác, MO bonding phải có năng lượng gần Oxygen, còn LUMO có năng lượng gần carbon.
Bây giờ đến sự tổ hợp ra liên kết pi nhé :



Sự tổ hợp liên kết pi cũng tương tự, nhưng đối với một dân hoá học model analysis, ta phải nhìn thấy được sự khác nhau của các coefficient của hai nguyên tử. Trong HOMO của liên kết pi, coefficient của O lớn hơn của Carbon, còn trong LUMO của liên kết pi, thì ngược lại. Đây chính là mấu chốt của rất rất nhiều phản ứng xảy ra trong đó Carbonyl group đóng vai trò là electrophile. Bây giờ chuyển sang hình màu, anh em cùng nhìn toàn cảnh cấu trúc electron của nhóm carbonyl :


Chính nhờ cấu trúc phân cực như vậy, Carbonyl có những phản ứng cơ bản rất khác biệt so với ethylene, chẳng hạn như:


phản ứng nucleophile xảy ra dễ dàng đối với carbonyl group, thế nhưng lại ko xảy ra đối với alkene có công thức tương tự. Hay đơn cử một phản ứng khác mà trong đó alkene xảy ra được mà carbonyl group ko xảy ra được:


Nhờ tính phân cực yếu của mình mà hầu như các alkene đóng vai trò là tác nhân chuyển mạch trong rất nhiều phản ứng polymer hoá, nó có khả năng tạo ra một radical mới khi tác dụng với một radical khơi mào, nhưng carbonyl thì bó tay, vì cơ chế cộng đó sẽ cho liên kết pi cắt theo kiểu đồng ly, mà chuyện đó đối với nhóm carbonyl thì phải mất một năng lượng khá lớn, ko thuận lợi cho tiến trình.
Đó là một vài sự khác nhau cơ bản nhất giữa nhóm carbonyl và alkene. Và tóm lại, với cấu trúc điện tử phân cực, nhóm carbonyl thể hiện mình là một thằng có khả năng phản ứng với nucleophile tốt, vì LUMO pi của nó có năng lượng thấp, có thể nói hầu như mọi phản ứng của carbonyl đều có sự tham gia của cái LUMO pi kì diệu !

[bluemonster]

Phản ứng đầu tiên mà BM xét ở đây chính là phản ứng cộng nucleophile (nucleophilic addition to the carbonyl group).
Thông thường, phản ứng này gồm hai bước:
+Nucleophile tấn công vào nhóm Carbonyl
+Protonated anion tạo thành.



Như đã giải thích ở trên, các phản ứng nucleophile sẽ xảy ra ở Carbon, vì coefficient của nó ở LUMO cao hơn thằng Oxygen. Theo như kết quả tính toán của hoá mô hình, hướng tấn công của nucleophile vào carbonyl khá rõ ràng, khoảng 107 độ, và tâm anion hình thành trên Oxygen sẽ có hướng song song (hoặc gần song song) với liên kết C-Nu. Yếu tố này được FOs theory giải thích như sau:
Các nhóm nucleophile thường là những nhóm có độ âm điện cao (ít nhất là cao hơn Carbon), như vậy, antibonding của liên kết C-Nu sẽ có độ acceptor khá cao, và nó sẽ nhận bớt một phần điện tích âm của anion side, như vậy hệ sẽ bền.
Một phản ứng đặc trưng đó là phản ứng tổng hợp cyanohydrin. Xoay quanh phản ứng này cũng có một vài câu hỏi thắc mắc, chẳng hạn như :
+ion cyanide vốn là một ambient nucleophile, vậy tại sao khi attack vào carbonyl lại là tâm nucleophilic carbon chứ ko phải nucleophilic Nitrogen.?
+Sự tấn công của ion cyanide có tuân theo qui luật về góc như đã nói ở trên ?
Để trả lời cho các câu hỏi như vậy, trước hết, ta phải detail cấu trúc của ion cyanide cái đã !


Như hình vẽ, ion cyanide là hợp chất có hai liên kết pi, Carbon và Nitrogen đều ở trạng thái lai hoá sp, như vậy, lone-pair (đối với Nitrogen) và negative charge (đối với Carbon) nằm định hướng trùng với liên kết sigma. Vấn đề ở đây là trong phản ứng nucleophilic addition vào carbonyl group thì tâm nào attack ? Trở lại một tí FOs theory, dùng thuyết HSAB (hard – soft acid – base ), ta có những nhận xét sau:
+Trong ion cyanide, tâm C sẽ soft hơn tâm N, vì đơn giản bán kính của C to hơn N một tí!
+Carbon trong carbonyl group là một tâm soft, vì lí do tương tự.
Như vậy, theo FOs theory, ta có, sự tấn công soft – soft chiếm ưu thế.
Thứ hai, do cấu hình electron attack nucleophilic side của ion cyanide định hướng tựa như một mũi khoan, nên phần nào đã né được tất cả các hiệu ứng lập thể gây ra bởi các orbital pi khác, nên góc tấn công của ion cyanide sẽ chuẩn 107 độ.


Về ứng dụng của cyanohydrin thì có lẽ hẹn anh em dịp khác, chúng ta sẽ bàn trong box hoá học ứng dụng của moderator Yugi ! Còn bây giờ chỉ tập trung vào các phần phản ứng đặc trưng.
Có hai câu hỏi được đặt ra, thứ nhất, có hay không phản ứng nghịch từ cyanohydrin về lại chất nền ? Và khả năng phản ứng khác nhau như thế nào giữa một aldehyde với một ketone.?
Về phản ứng nghịch, đương nhiên là có, nhưng phải dưới một điều kiện nào đó, mà ở đây chúng ta có lẽ dễ dàng nhận ra là một ít basic mạnh thôi là đủ. Nhiệm vụ của basic mạnh sẽ deprotonated cyanohydrin, sau đó, phân tử sẽ chuyển cấu hình sao cho về được dạng bền, dó chính là dạng ban đầu ta dùng để tổng hợp cyanohydrin.


Một nhận xét hơi tinh một tí, đó là sự chuyển đổi góc liên kết trong phân tử chứa nhóm carbonyl, đây chính là yếu tố quyết định khả năng phản ứng của ketone với aldehyde. Phân tử ban đầu khi chưa tham gia phản ứng, góc liên kết là 120 độ (góc chuẩn của C sp2), như vậy, hai nhóm thế đính trên Carbon sẽ thoải mái về mặt lập thể hơn là sau khi nhóm carbonyl bị attack, góc liên kết chỉ còn lại 109 độ, tương tác lập thể tăng lên đáng kể. Như vậy, đối với một thằng aldehyde, ta thấy steric effect ko đáng kể, nhưng với một thằng ketone, hai nhóm thế R cồng kềnh, steric effect lúc này đáng kể, năng lượng bước chuyển phản ứng cao, như thế sẽ bất lợi cho tiến trình. Đó là lí do chính tại sao ketone lại cho phản ứng nucleophilic addition khó khăn hơn aldehyde, ngoài ra, còn một vài yếu tố khác, như là sự có mặt của hai nhóm R có thể gây ra hiệu ứng điện tử làm giảm tính electrophile của Carbon trong carbonyl group.

[bluemonster]

Một phản ứng khác cũng đặc trưng cho mô hình nucleophilic addition to the carbonyl group, đó là phản ứng tạo alcol !
Bàn về tác nhân nucleophile trong trừơng hợp này, chắc chắn là ion hydride H- rùi, nhưng ăn thua, nó được sinh ra từ chỗ mô !!!
Theo lý thuyết vô cơ phình phường, ta thấy, NaH là một thằng rất dễ phân li ra ion hydride, và anh em ta đều mong đợi phản ứng giữa NaH và carbonyl xảy ra để cho ra alcol, nhưng trên thực tế, ko có phản ứng nào ở đây xảy ra cả !!!!


Vậy phải giải thích như thế nào nhỉ !!! Rất dễ, luôn luôn đưa về lượng tử ứng dụng, với công cụ khá tiến bộ nghiên cứu tiến trình phản ứng là FMO theory để giải quyết. Ta có, ion hydride là một nucleophile rất cứng, chính vì vậy, đương nhiên nó sẽ khó phản ứng được với một thằng electrophile mềm như Carbon ở nhóm carbonyl. Vậy bây giờ, vấn đề là ta phải tìm ở đâu đó một thằng ion hydride để phản ứng với nhóm carbonyl chứ !! đáp án ở đây chính là NaBH4 với tác nhân sinh ion hydride là ion borohydride BH4- . Vậy, điểm khác nhau giữa BH4- với NaH là chỗ nào nhỉ !!!
Đừng bao giờ nhầm lẫn khái niệm điện tích âm (negative charge) đồng nghĩa với lone-pair ! đó chính là câu trả lời trong trường hợp này ! Khi ta nhầm lẫn điện tích âm nằm trên Boro đồng nghĩa với B có một lone-pair, phản ứng sẽ xảy ra khác liền ! lúc đó, tác nhân nucleophile sẽ là B, và mặc nhiên, khi phản ứng kết thúc B sẽ có tới 5 cộng hoá trị, như vậy là trái với Bảng tùân hoàn rùi !!! Ở đây, ta phải hiểu điện tích âm mà B có được là do một thằng ion hydride nào đó biếu tặng, hay có thể hiểu một cách trực tiếp, lone-pair ta đang tìm kiếm chính là liên kết giữa B với ion hydride này !!!




Chính vì vậy, phải thật cẩn thận nếu dùng curly arrow để mô tả mechanism của những phản ứng khử bằng borohydride, lơ mơ là điểm mất oan uổng !!! Như vậy, sau khi ion hydride attack vào carbonyl, sẽ hình thành ion enolate, và chỉ cần protonated là thu được alcol.


Nhưng trong trường hợp này, nếu ion enolate ko được làm bền bằng một proton, nó cũng có thể gửi điện tích âm đó tới boran, và như thế, trạng thái tetravalent lại được thiết lập ở Boro, chu trình cứ như thế và từng H ở Boran sẽ transfer tới các nhóm carbonyl cho đến khi cả bốn ion hydride được chuyển tới các nhóm carbonyl thì theo lý thuyết như vậy quá trình mới ngừng. đó chỉ là về mặt lý thuyết, chứ còn trong thực nghiệm chắc hẳn phải khác xa, vì còn chướng ngại lập thể !!!


Borohydride trong thực tế là một tác nhân khử yếu, do khả năng donor electron kém, nếu so với LiAlH4 thì LiAlH4 khử mạnh hơn. Ion borohydride chỉ khử được aldehyde, ketone thì phản ứng rất khó khăn, còn đối với những chất nền có tính electrophile thấp như ester hay amide thì ion borohydride bó tay ! Bằng chứng là đối với những chất nền vừa có nhóm aldehyde vừa có nhóm ester, phản ứng khử bằng borohydride chỉ cho sản phẩm trên nhóm aldehyde.

[bluemonster]

Ngoài ra, còn một vài phản ứng đặc trưng khác trong nhóm nucleophilic addition này, nhưng hầu như tương tự nhau cả ! Chẳng hạn như phản ứng hydrate hoá, ta chỉ chú ý đến ba điểm quan trọng:
+Thứ nhất là cơ chế chung : O của nước vẫn hai lone-pair, nó sẽ đem một lone-pair attack góc 107 độ vào carbon của nhóm carbonyl, lúc này nước đóng vai trò như một base, sau đó đến giai đoạn deprotonated, và tiếp theo là protonated Oxygen của nhóm carbonyl ban đầu, lúc này nước đóng vai trò là acid.


+Thứ hai, chính là ảnh hưởng của các nhóm thế ở carbonyl đến vận tốc phản ứng:
Luôn tuân theo một qui luật chung, đó là carbon ở nhóm carbonyl càng dương điện (khả năng electrophile càng cao) thì nước càng dễ tấn công theo cơ chế trên. Thực vậy, anh em nhìn bảng thực nghiệm sau sẽ rõ, ở đây, yếu tố lập thể có vẻ ảnh hưởng yếu hơn yếu tố moment lưỡng cực.


+Điều thứ ba đáng lưu ý là khả năng phản ứng đặc biệt cao ở ketone vòng ba như cyclopropanon. điều này có thể giải thích dựa vào sự biến đổi góc tương tự như khi giải thích tại sao aldehyde cho phản ứng nucleophilic addition nhanh hơn ketone.


Khi còn ở chất nền là cyclopropanon, góc liên kết ở Carbon khoảng 60 độ, trong khi góc chuẩn của nó là 120 độ, làm một phép toán đơn giản ta thấy nó đang khao khát lên 60 độ. Trong khi ở sản phẩm cyclopropanone hydrate, thì góc chuẩn của C là 109.5 độ , như vậy chú Carbon chỉ khao khát lên khoảng 49 độ thôi !!!
Còn ở phản ứng cộng alcol tạo hemiacetal, ta chỉ có thêm một điểm mới, đó chính là khả năng các phân tử vừa có nhóm alcol vừa có nhóm carbonyl, nó sẽ tiến hành exo-cyclization tạo lactol (cyclic hemiacetal):


Về điều kiện phản ứng exo – cyclization thì anh em có thể tham khảo thêm topic “Qui tắc đóng vòng Baldwin” ở link sau:
http://www.compchem.hcmuns.edu.vn/ch...read.php?t=711

[bluemonster]

Bây giờ nói một tí về xúc tác acid – base trong phản ứng với nhóm carbonyl :
Chỉ cần nhớ hai câu làm kim chỉ nam là được:

+Xúc tác acid hoạt hoá carbonyl, làm tăng tính electrophile ở carbonyl lên !
+Xúc tác base hoạt hoá tác chất, làm tăng tính nucleophile ở tác chất lên.

Chẳng hạn như phản ứng cộng rượu vào carbonyl tạo acetal, với hai loại xúc tác khác nhau là acid và base:
Với mô hình acid:


(Hix, hình hơi nhỏ)
Ta thấy, acid sẽ hoạt hoá nhóm carbonyl, làm tăng khả năng electrophile, chính vì vậy, phản ứng tạo acetal sẽ xảy ra thuận lợi hơn, nếu để phản ứng này ko có xúc tác thì rất khó xảy ra.
Acid sẽ protonated thằng carbonyl, sau đó nucleophile vẫn tấn công bình thường vào carbonyl, tạo acetal.
Còn bây giờ thử xét một tí qua cùng phản ứng mà xúc tác là base xem sao nhé:


Tóm lại, chỉ cần nhớ hai câu kim chỉ nam ở trên là giải quyết được khá nhiều chuyện ở nucleophilic addition to the carbonyl group !
Có một phản ứng đặc trưng cho khả năng cộng nucleophile vào carbonyl group, đó là phản ứng cộng hợp chất bisulfit. Đây là một phản ứng cộng đơn giản, nhưng ứng dụng của nó trong hoá tổng hợp thì hơi bị lớn !!!
Về mặt lý thuyết orbital, HOMO trong phản ứng là lone-pair trên Sulfur, có nghĩa là khả năng phản ứng của lone-pair trên Sulfur cao hơn khả năng nucleophile của negative charge trên Oxygen. Điều này cũng dễ hiểu, vì các nguyên tố ở chu kì 3 như S với P đều có xu hướng tạo liên kết hoá trị 4 đến 5, trong khi negative charge có khả năng phản ứng cao lại nằm trên một nguyên tử có độ âm điện cao như Oxygen, nên khả năng phản ứng có hơi bị giảm.


Phản ứng cộng bisulfit chỉ xúc tác điều kiện, không xúc tác tác chất ! điều kiện phản ứng là khuấy ở nhiệt độ thấp.


Cơ chế cơ sở của phản ứng thuận như sau:


sản phẩm của phản ứng cộng bisulfit ứng dụng làm intermediate trong rất nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ quan trọng, chẳng hạn như phản ứng điều chế cyanohydrin, như chúng ta đã biết, để điều chế hợp chất này có thể đi từ những con đừơng cơ bản như dùng ion cyanide để cộng vào carbonyl group với xúc tác là acid. Nhưng nếu đi theo con đường dùng bisulfit nhanh hơn, hiệu suất cao hơn !


Nếu đi theo cách tổng hợp này, sản phẩm cyanohydrin có thể tạo ra tới hiệu suất 70 % (trích trong Vogel textbook practical)
Một vài ứng dụng của bisulfit nghe chơi:
+như một chất phụ gia làm hoà tan các hợp chất không tan.
+Dùng trong công nghệ chế tạo viên sủi bọt, thuốc sủi bọt …
+Dùng trong việc ly tách tinh khiết các aldehyde và ketone trong dung dịch hỗn hợp
+Đối với các aldehyde và ketone không tan trong nước, nó có tác dụng hoà tan, ứng dụng nhiều trong việc điều chế dược phẩm.
…
Coi như ta xong phản ứng nucleophilic addition to the carbonyl group, nhưng sẽ vẫn còn nhiều điều nảy sinh nếu anh em vào thảo luận, hoặc share những hiểu biết thêm của mình về mảng này !!!

[bluemonster]

Nucleophilic substitution at the carbonyl group:

Tiến trình phản ứng đơn giản nhất trải qua những mốc sau:
+Đầu tiên, các nucleophile sẽ attack vào nhóm carbonyl, tạo ra các tetrahedral intermediate
+Từ trạng thái intermediate, phân tử sẽ có sự lựa chọn tách một group ra, group được tách ra thường là các anion, và có qui luật ưu tiên tách.
Như vậy, ta sẽ tập trung tìm hiểu kĩ cơ chế ưu tiên tách của các anion trong trạng thái tetrahedral intermediate trong phần sau, nhưng trước đó là một vài ví dụ minh hoạ thêm cho tetrahedral intermediate !!
Xét phản ứng alcohol attack vào carbonyl group của aldehyde hay ketone, dưới xúc tác base, phản ứng xảy ra khá dễ dàng để tạo hemiacetal


Thế nhưng, trước khi tạo được hemiacetal, phản ứng phải đi qua trạng thái anion, trạng thái này cực kì kém bền, nên ở đây sẽ có hai xu hướng, thứ nhất là nó phải protonated, thứ hai là nó eliminated thằng EtO- ra lại để trở lại trạng thái chất nền. Mặt khác, các hemiacetal tạo thành thường kém bền, vì năng lượng nội phân tử của nó khá cao, do các nhóm thế có độ âm điện lớn như RO- hay HO- cùng đính trên một carbon, điều này ko thuận lợi về mặt năng lượng lắm.
Chính vì thế, xu hướng chung của những phân tử tương tự như vậy là tách một nhóm thế anion (một nhóm thế âm điện) ra để làm bền.

Một phản ứng khác, nếu ta xét sự attack của alcol vào một thằng dẫn xúât acid như acyl chloride, trạng thái tetrahedral intermediate cũng kém bền, nhưng nó sẽ dễ dàng bền hoá với sự tách ra của anion chloride.




Tìm hiểu sẩu về tetrahedral intermediate một tí qua các phản ứng khảo sát hiệu ứng đồng vị (isotope effect):
Chẳng hạn như khi thực hiện phản ứng thế với các dẫn xuất của acid carboxylic, với Oxygen trong carbonyl ta đánh dấu là O (18). Tác nhân phản ứng thế ở đây là H2O, và sản phẩm cho ra sẽ là acid carboxylic, nhưng theo thí nghiệm của Bender 1951 thì acid carboxylic tạo thành có cấu hình giống chất nền (substrate) rất ít mà có sự chuyển đổi đồng vị giữa hai Oxygen.


điều này giải thích làm sao nhỉ !!! Thực nghiệm này chứng tỏ ở trạng thái tetrahedral intermediate có sự chuyển đổi label như sau:


Chính vì thế, khi nhóm X bứt ra thì Oxygen ở carbonyl sẽ là O không đánh dấu, còn Oxygen đánh dấu đồng vị 18 sẽ deprotonated để phân tử trở thành acid carboxylic.

[napoleon9]

sẵn đang nói về nhóm carbonyl em hỏi cơ chế này luôn
C6H12N2O2----Br2,NaOH--->C4H12N2


H2N-CO-CH(CH3)-CH(CH3)-CO-NH2

[longraihoney]

Theo em được biết thì có lẽ pứ xảy ra theo cơ chế thoái phân của Hoffman ấy , nó tạo ra nitrin rồi chuyển vị rồi tách CO2 ra ở mỗi nhóm CO-NH2 :D