Acyl hóa (Acylation)

Acyl hóa là một phản ứng hóa học trong đó một nhóm acyl ($RCO-$) được gắn vào một phân tử. Phản ứng này liên quan đến sự thay thế của một nguyên tử hydro trong một phân tử bằng một nhóm acyl. Sản phẩm của phản ứng acyl hóa được gọi là một hợp chất acyl.

Nhóm acyl: Một nhóm acyl có công thức chung là $RCO-$, trong đó $R$ có thể là một nhóm alkyl, aryl, hoặc hydro. Ví dụ về các nhóm acyl bao gồm:

Acetyl: $CH_3CO-$
Benzoyl: $C_6H_5CO-$
Formyl: $HCO-$ (Khi R là hydro, nhóm acyl được gọi là formyl)

Nhóm $R$ ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của nhóm acyl. Ví dụ, nhóm acyl có nhóm $R$ đẩy electron sẽ ít phản ứng hơn nhóm acyl có nhóm $R$ hút electron.

Các loại phản ứng Acyl hóa và Tác nhân Acyl hóa

Có nhiều loại phản ứng acyl hóa khác nhau, tùy thuộc vào loại hợp chất được acyl hóa và tác nhân acyl hóa được sử dụng. Một số loại phản ứng acyl hóa phổ biến bao gồm:

Acyl hóa Friedel-Crafts: Đây là phản ứng acyl hóa vòng thơm, trong đó một nhóm acyl được gắn vào vòng benzen hoặc một vòng thơm khác. Phản ứng này sử dụng xúc tác axit Lewis như $AlCl_3$ và tác nhân acyl hóa là acyl clorua ($RCOCl$) hoặc anhydrit axit ($(RCO)_2O$).Ví dụ: $C_6H_6 + CH_3COCl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5COCH_3 + HCl$
Acyl hóa amin: Trong phản ứng này, một amin phản ứng với acyl clorua hoặc anhydrit axit để tạo thành amit. Phản ứng này thường được thực hiện trong môi trường bazơ để trung hòa HCl sinh ra.Ví dụ: $RNH_2 + RCOCl \rightarrow RNHCOR + HCl$
Acyl hóa rượu: Rượu phản ứng với acyl clorua hoặc anhydrit axit để tạo thành este. Phản ứng này cũng có thể được xúc tác bởi axit.Ví dụ: $ROH + RCOCl \rightarrow ROCOR + HCl$
Acyl hóa phenol: Tương tự như acyl hóa rượu, phenol phản ứng với acyl clorua hoặc anhydrit axit để tạo thành este. Do phenol có tính axit yếu hơn rượu, phản ứng này thường cần điều kiện phản ứng mạnh hơn.

Tác nhân acyl hóa:

Các tác nhân acyl hóa phổ biến bao gồm:

Acyl clorua (RCOCl): Đây là tác nhân acyl hóa phản ứng mạnh mẽ và thường được sử dụng do khả năng phản ứng cao.
Anhydrit axit ((RCO)_2O): Đây cũng là một tác nhân acyl hóa hiệu quả, nhưng ít phản ứng mạnh hơn acyl clorua và tạo ra axit cacboxylic làm sản phẩm phụ thay vì HCl, đôi khi thuận lợi hơn.
Axit cacboxylic (RCOOH): Axit cacboxylic có thể được sử dụng làm tác nhân acyl hóa, nhưng thường yêu cầu xúc tác và điều kiện phản ứng khắc nghiệt hơn so với acyl clorua và anhydrit axit. Phản ứng này thường tạo ra nước, có thể làm thủy phân ngược lại este hoặc amit đã tạo thành, do đó cần có biện pháp loại bỏ nước.

Cơ chế phản ứng Acyl hóa

Cơ chế phản ứng acyl hóa phụ thuộc vào loại phản ứng và tác nhân acyl hóa được sử dụng. Tuy nhiên, hầu hết các phản ứng acyl hóa đều diễn ra theo cơ chế cộng-khử nucleophin. Ví dụ, cơ chế acyl hóa của rượu bởi acyl clorua có thể được mô tả như sau:

<ol>
Bước cộng nucleophin: Nguyên tử oxy của rượu tấn công cacbon của nhóm carbonyl trong acyl clorua. Điều này dẫn đến sự hình thành một chất trung gian tetrahedral.

$R’OH + RCOCl \rightarrow R’O^-C(Cl)(R)-OH$

Bước khử: Ion clorua ($Cl^-$) tách ra khỏi chất trung gian tetrahedral, tái tạo lại nhóm carbonyl và tạo thành este.
$R’O^-C(Cl)(R)-OH \rightarrow R’OCOR + HCl$

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Acyl hóa

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tốc độ của phản ứng acyl hóa, bao gồm:

Bản chất của tác nhân acyl hóa: Acyl clorua phản ứng mạnh hơn anhydrit axit và axit cacboxylic.
Bản chất của nucleophin: Nucleophin mạnh hơn phản ứng nhanh hơn. Ví dụ, amin bậc 1 phản ứng nhanh hơn amin bậc 2 và amin bậc 3.
Xúc tác: Xúc tác axit Lewis như $AlCl_3$ thường được sử dụng trong acyl hóa Friedel-Crafts để tăng tốc độ phản ứng bằng cách làm cho tác nhân acyl hóa trở nên ái điện tử hơn.
Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn thường làm tăng tốc độ phản ứng, tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến các phản ứng phụ không mong muốn.
Dung môi: Loại dung môi được sử dụng có thể ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất của phản ứng. Dung môi phân cực aprotic thường được sử dụng trong acyl hóa để tăng cường khả năng phản ứng của nucleophin.

So sánh giữa Alkyl hóa và Acyl hóa Friedel-Crafts

Cả alkyl hóa và acyl hóa Friedel-Crafts đều là các phản ứng thế thơm điện tử. Tuy nhiên, có một số điểm khác biệt quan trọng giữa hai phản ứng này:

Sự sắp xếp lại carbocation: Trong alkyl hóa Friedel-Crafts, carbocation trung gian có thể trải qua sự sắp xếp lại, dẫn đến sự hình thành các sản phẩm không mong muốn. Acyl hóa Friedel-Crafts không bị ảnh hưởng bởi sự sắp xếp lại carbocation do sự ổn định cộng hưởng của ion acylium.
Số lần thế: Trong alkyl hóa Friedel-Crafts, sản phẩm alkyl hóa đầu tiên làm cho vòng thơm phản ứng mạnh hơn, dẫn đến đa alkyl hóa. Trong acyl hóa Friedel-Crafts, nhóm acyl làm giảm hoạt tính của vòng thơm, do đó chỉ xảy ra mono acyl hóa.

Tóm tắt về Acyl hóa

Acyl hóa là một phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ, liên quan đến việc gắn một nhóm acyl ($RCO-$) vào một phân tử. Nhóm acyl được tạo thành từ một nhóm alkyl hoặc aryl liên kết với một nhóm carbonyl ($C=O$). Phản ứng này được sử dụng rộng rãi để tổng hợp nhiều loại hợp chất hữu cơ, bao gồm este, amit, xeton và các dẫn xuất khác.

Có nhiều loại phản ứng acyl hóa khác nhau, mỗi loại sử dụng các tác nhân acyl hóa và điều kiện phản ứng cụ thể. Acyl hóa Friedel-Crafts là một ví dụ điển hình, trong đó một vòng thơm được acyl hóa bằng cách sử dụng acyl clorua ($RCOCl$) hoặc anhydrit axit ($(RCO)_2O$) với sự hiện diện của xúc tác axit Lewis như $AlCl_3$. Phản ứng này cho phép đưa nhóm acyl vào vòng thơm, tạo ra các aryl xeton.

Một loại acyl hóa quan trọng khác là acyl hóa amin và rượu, tạo ra amit và este tương ứng. Các phản ứng này thường sử dụng acyl clorua hoặc anhydrit axit làm tác nhân acyl hóa. Cơ chế của phản ứng acyl hóa thường liên quan đến sự tấn công nucleophin của nguyên tử oxy hoặc nitơ vào cacbon carbonyl của tác nhân acyl hóa, tiếp theo là sự loại bỏ nhóm rời.

Hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng acyl hóa, chẳng hạn như bản chất của tác nhân acyl hóa và nucleophin, xúc tác và điều kiện phản ứng, là rất quan trọng để kiểm soát phản ứng và đạt được hiệu suất cao. So sánh giữa acyl hóa và alkyl hóa Friedel-Crafts cũng rất cần thiết, đặc biệt là về khả năng sắp xếp lại carbocation và mức độ thế. Acyl hóa Friedel-Crafts tránh được sự sắp xếp lại và thường dẫn đến mono-acyl hóa, trong khi alkyl hóa Friedel-Crafts có thể bị sắp xếp lại và thường dẫn đến đa alkyl hóa.

Tài liệu tham khảo:

Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function; W. H. Freeman and Company: New York, 2018.
Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry; Oxford University Press: Oxford, 2012.
McMurry, J. Organic Chemistry; Cengage Learning: Boston, 2016.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài acyl clorua và anhydrit axit, còn có tác nhân acyl hóa nào khác có thể được sử dụng trong phản ứng acyl hóa?

Trả lời: Ngoài acyl clorua ($RCOCl$) và anhydrit axit ($(RCO)_2O$), axit cacboxylic ($RCOOH$), este ($RCOOR’$) và thioeste ($RCOSR’$) cũng có thể được sử dụng làm tác nhân acyl hóa, mặc dù chúng thường kém phản ứng hơn và yêu cầu điều kiện phản ứng khắc nghiệt hơn, ví dụ như sử dụng xúc tác hoặc nhiệt độ cao.

Tại sao acyl hóa Friedel-Crafts không xảy ra với các vòng thơm bị khử hoạt tính mạnh?

Trả lời: Acyl hóa Friedel-Crafts là một phản ứng thế thơm điện tử, yêu cầu vòng thơm có mật độ electron cao. Các vòng thơm bị khử hoạt tính mạnh, chẳng hạn như nitrobenzen, có mật độ electron thấp do sự hiện diện của các nhóm rút electron mạnh. Điều này làm cho vòng thơm kém nucleophin hơn và không thể tham gia vào phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts.

So sánh hiệu suất acyl hóa của anilin ($C_6H_5NH_2$) và axit benzoic ($C_6H_5COOH$) với anhydrit axetic.

Trả lời: Anilin ($C_6H_5NH_2$) phản ứng với anhydrit axetic dễ dàng hơn axit benzoic ($C_6H_5COOH$). Nguyên nhân là do nitơ trong anilin là một nucleophin mạnh hơn oxy trong axit benzoic. Nhóm amin ($-NH_2$) có cặp electron tự do dễ dàng tấn công cacbon carbonyl của anhydrit axetic. Ngược lại, nhóm carboxyl ($-COOH$) ít nucleophin hơn do sự hiện diện của nhóm carbonyl, làm giảm mật độ electron trên nguyên tử oxy.

Làm thế nào để kiểm soát mức độ acyl hóa (mono-, di-, hoặc tri-acyl hóa) trong phản ứng acyl hóa?

Trả lời: Mức độ acyl hóa có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh tỉ lệ mol giữa tác nhân acyl hóa và chất nền. Ví dụ, sử dụng lượng dư chất nền so với tác nhân acyl hóa sẽ ưu tiên tạo sản phẩm mono-acyl hóa. Ngược lại, sử dụng lượng dư tác nhân acyl hóa có thể dẫn đến di- hoặc tri-acyl hóa. Điều kiện phản ứng như nhiệt độ và thời gian cũng có thể ảnh hưởng đến mức độ acyl hóa.

Vai trò của xúc tác axit Lewis trong phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts là gì?

Trả lời: Xúc tác axit Lewis, chẳng hạn như $AlCl_3$, đóng vai trò quan trọng trong phản ứng acyl hóa Friedel-Crafts bằng cách phối hợp với nguyên tử oxy của nhóm carbonyl trong tác nhân acyl hóa (acyl clorua hoặc anhydrit axit). Điều này làm tăng tính điện tử dương của cacbon carbonyl, khiến nó dễ bị tấn công bởi vòng thơm hơn. Xúc tác cũng giúp tạo ra ion acylium ($RCO^+$), một chất điện tử mạnh, là tác nhân acyl hóa thực sự trong phản ứng.

Một số điều thú vị về Acyl hóa

Aspirin được tạo ra bằng phản ứng acyl hóa: Quá trình tổng hợp aspirin, một loại thuốc giảm đau và hạ sốt phổ biến, liên quan đến phản ứng acyl hóa axit salicylic với anhydrit axetic. Phản ứng này tạo ra axit acetylsalicylic, chính là aspirin.
Acyl hóa đóng vai trò quan trọng trong sinh học: Nhiều quá trình sinh học quan trọng, chẳng hạn như sinh tổng hợp protein và chuyển hóa axit béo, liên quan đến các phản ứng acyl hóa. Ví dụ, trong quá trình dịch mã, các axit amin được liên kết với nhau bằng liên kết peptit, được hình thành thông qua phản ứng acyl hóa.
Acyl hóa có thể được sử dụng để bảo vệ các nhóm chức: Trong tổng hợp hữu cơ, acyl hóa có thể được sử dụng để bảo vệ các nhóm chức nhạy như amin và rượu khỏi các phản ứng không mong muốn. Nhóm acyl có thể được loại bỏ dễ dàng sau đó khi cần thiết.
Hương thơm của nhiều loại hoa quả và hoa là do các hợp chất acyl: Este, được hình thành thông qua phản ứng acyl hóa giữa rượu và axit cacboxylic, chịu trách nhiệm cho hương thơm đặc trưng của nhiều loại hoa quả và hoa. Ví dụ, isoamyl axetat tạo ra mùi chuối, trong khi benzyl axetat tạo ra mùi hoa nhài.
Một số loại nhựa được sản xuất bằng phản ứng acyl hóa: Polyester, một loại nhựa được sử dụng rộng rãi, được tổng hợp bằng phản ứng acyl hóa giữa diol và diacid clorua hoặc dianhydrit.
Acyl hóa có thể được sử dụng để biến đổi các loại thuốc: Acyl hóa có thể được sử dụng để thay đổi các đặc tính của thuốc, chẳng hạn như độ tan, khả dụng sinh học và thời gian bán hủy. Ví dụ, acyl hóa một loại thuốc có thể làm cho nó dễ dàng được hấp thụ vào cơ thể hơn.
Phản ứng acyl hóa đã được biết đến từ thế kỷ 19: Mặc dù thuật ngữ “acyl hóa” có thể tương đối mới, nhưng phản ứng này đã được các nhà hóa học biết đến và sử dụng từ thế kỷ 19. Ví dụ, phản ứng Friedel-Crafts, một loại phản ứng acyl hóa quan trọng, được phát hiện vào năm 1877.