Phản ứng Cannizzaro thuộc series Các phản ứng mang tên người, bài viết bao gồm: Tác giả, phản ứng, lý giải cơ chế phản ứng, một số mở rộng của phản ứng và bài tập áp dụng.
1. Đôi nét về tác giả Cannizzaro
Ông được sinh ra tại Palermo vào 07/18 mất vào 05/1910. 1845 – 1846, ông làm trợ lý phòng lab cho Raffaele Piria, nổi tiếng với công trình nghiên cứu về Salicin, sau đó ông được phong làm giáo sư hóa học tại Pisa và đảm nhiệm vị trí tương tự tại Turin. 1851, Cannizzaro nhận lời bổ nhiệm tại Đại học Quốc gia Alessandria, Piedmont với tư cách là giáo sư hóa lý.
Năm 1853, khi đang làm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của trường đại học Alessandria. Cannizzaro đã phát hiện ra khi các aldehyde thơm, tác dụng với dung dịch base thì sẽ cho ra alcohol và acid carboxylic tương ứng.
3. Cơ chế phản ứng Cannizzaro và lý giải chi tiết
B1: xảy ra sự cộng thuận nghịch của HO– vào nhóm carbonyl tạo ra trung gian (A)
B2: Trung gian (A) đóng vai trò như chất giải phòng hydride tác kích vào nhóm aldehyde của phân tử thứ hai, sinh ra alcohol và acid carboxylic, acid này sẽ tiếp tục thực hiện phản ứng acid-base với base tạo thành muối.
Tuy nhiên, sau khi đọc một số tài liệu tham khảo khác mình lại thấy có một cách đề nghị cơ chế khác và mình lại tự hỏi: Sao có nhiều tài liệu lại đề nghị theo cơ chế này lạ vậy ta?
Liệu họ có đề nghị sai không ta? Cái gì mà một hợp chất chứa cùng lúc hai điện tích âm trên oxygen?
Do hóa học là một môn học dựa trên thực nghiệm, nên là có rất nhiều phản ứng, cũng như là cơ chế phản ứng có thể đúng ở một thời điểm nào đó tuy nhiên là trong tương lai nó có thể bị sửa đổi hoặc thay đổi một cách hoàn toàn.
Trong lĩnh vực nghiên cứu về cơ chế cũng vậy, ở thời điểm hiện tại chúng ta có rất nhiều phương pháp nghiên cứu cơ chế được công nhận, chúng ta có đánh dấu đồng vị, chúng ta có hóa học tính toán bởi các siêu máy tính, chúng ta có NMR, IR theo thời gian thực, chúng ta phương pháp khảo sát động học phản ứng,…
Các nhà khoa học sau khi mà khảo sát về phản ứng Cannizzaro này đã nhận thấy dữ kiện động học của họ không hề phù hợp với cơ chế được đề ra trước đó, họ nhận thấy vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của aldehyde và ion hydroxide theo biểu thức:
Cho bạn nào chưa biết: động hóa học là một nhánh lớn của bộ môn hóa lý, người nghiên cứu động hóa học sẽ nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng lên các giai đoạn nhanh, chậm của một phản ứng từ đó sẽ đề xuất cơ chế hóa học giúp vận hành cũng như điều khiển các quy trình hóa học cho ra hiệu suất cao hơn.
Thì do dữ kiện động học không hề khớp với cơ chế được đề ra trước đó, nên giai đoạn chậm quyết định vận tốc phản ứng phải đi theo một cơ chế nào đó có sự xuất hiện liên tục hai lần ion hydroxide chứ không phải một lần như cơ chế trước đó nữa.
Do đó cơ chế được đề xuất lại theo hướng như sau: trung gian (A) sẽ tiếp tục bị lấy proton tạo thành dianion trung gian (B) và dianion này chính là nguồn giải phóng hydride mạnh mẽ, phản ứng xảy ra tạo thành hai trung gian mới là ion carboxylate và alcolate, sau đó tiến hành acid hóa thu được acid carboxylic và alcohol tương ứng.
4. Mở rộng phản ứng Cannizzaro
Sau khi phản ứng Cannizzaro đã được đã được hiểu về mặt phản ứng cũng như cơ chế của nó đã được chấp nhận rộng rãi, thì có rất nhiều công trình nghiên cứu dựa trên phản ứng này được phát triển. Và dĩ nhiên như bao phản ứng khác, phản ứng Cannizzaro cũng chứa các ngoại lệ của riêng mình.
Khi tiến hành thực hiện phản ứng trong điều kiện có xuất hiện cùng lúc 2 nhóm aldehyde từ hai phân tử khác nhau có đánh dấu đồng vị Hydrogen, thì họ nhận thấy các hydride có thể dịch chuyển ngẫu nhiên qua lại giữa phân tử aldehyde chứ không phải như dự đoán trước đó.
Ở thời điểm này thì chúng ta đã biết phản ứng đó chính là phản ứng Cannizzaro chéo, nhưng mà phản ứng này lại không được đánh giá cao, lý do là phản ứng tạo ra hỗn hợp các sản phẩm và quá khó khống chế tỷ lệ giữa các sản phẩm này. Tuy nhiên vẫn có một số trường hợp ứng dụng phản ứng này rất thành công, đó là phản ứng Cannizzaro chéo với hợp chất formaldehyde, trong phản ứng này formaldehyde sẽ bị oxi hóa lên thành formic acid và phân tử aldehyde còn lại sẽ bị khử xuống alcohol tương ứng
Mãi cho đến khi phản ứng Cannizzaro nội phân tử ra đời, đó là phản ứng xảy ra giữa 2 nhóm aldehyde nằm trên cùng một phân tử, thì nó mới thực sự trở nên hiệu quả hơn. Các kết quả nghiên cứu cho thấy phản ứng nội phân tử thường cho hiệu suất rất ổn, các bạn có thể xem ở ví dụ dưới đây dưới đây: họ đã ứng dụng phản ứng Cannizzaro vào chuỗi tổng hợp (+)-isokotanin.
Một thông tin nữa đó là giai đoạn đầu những năm 2000, xu hướng thực hiện tổng hợp các hợp chất bất đối trục (axially chiral) bằng “phương pháp lactone” được quan tâm nghiên cứu rất nhiều, quy trình bắt đầu bằng việc sử dụng phản ứng nội phân tử Cannizzaro để hình thành nên acid và alcohol tương ứng sau đó là phản ứng ester hóa để tạo ra lactone, tiếp đó phản ứng thân hạch của các nucleophile chứa tâm thủ tính sẽ tạo ra sản phẩm chứa sự bất đối trục.
Trong quy trình dưới đây hãy đề nghị CTCT và cơ chế cho sự hình thành sản phẩm có công thức phân tử C17H18O7 trong bước đầu tiên trong quy trình tổng hợp (+)-isokotanin.
5. Một số bài tập về phản ứng Cannizzaro
Khi xử lý, 1-naphthaldehyde với base KOH, người ta thu được hai sản phẩm (A) và (B), hãy đề xuất công thức cấu tạo của hai sản phẩm trên và cơ chế phản ứng phù hợp (cơ chế thông qua trung gian dianion).
Đối với o-phtalaldehyde (hợp chất có chứa hai nhóm carbonyl trong phân tử) khi cho tác dụng với base mạnh sẽ thu được sản phẩm (X), hãy đề xuất công thức cấu tạo của sản phẩm và cơ chế phù hợp.
Nigricanin được phân lập từ quả thể của cây Russula nigricans (họ Hoa hồng (Russulaceae)), và cấu trúc hóa học của nó là được xác định bởi Liu và các đồng nghiệp vào năm 2004. Hợp chất sở hữu một dị vòng khung tetracyclic giàu oxy giống như acid ellagic.
Phản ứng Cannizzaro là một trong những bước quan trọng giúp chuyển 2 nhóm aldehyde nội phân tử thành acid và alcohol tương ứng để thực hiện phản ứng methyl hóa chuẩn bị cho bước tiếp theo.
6. Kết luận về phản ứng Cannizzaro
Trong thời điểm hiện tại, phản ứng khử về alcohol từ aldehyde chúng ta có thể liên tưởng đến phản ứng khử Meerwein-Ponndorf-Verley, còn phản ứng oxi-hóa aldehyde thành acid carboxylic có thể nhớ tới Pinnick oxidation hay từ alcohol có thể sử dụng phản ứng Jones oxidation. Tuy vậy, phản ứng Cannizzaro có ưu điểm là tác chất và điều kiện phản ứng rất đơn giản.
Ngoài những ví dụ trên thì khả năng nghiên cứu của con người là vô hạn do đó mình mong trong tương lai phản ứng Cannizzaro sẽ là nguồn cảm hứng cho các phản ứng mới, đặc biệt giúp việc tổng hợp hữu cơ trở nên đơn giản hơn.