Hợp chất vòng nhỏ (Small ring compound)

Các loại hợp chất vòng nhỏ

Chủ yếu có hai loại hợp chất vòng nhỏ:

• Vòng ba cạnh: Ví dụ điển hình là cyclopropan ($C_3H_6$) và epoxide (oxiran). Công thức chung của cycloalkan vòng ba cạnh là $CnH{2n}$.
  • Cyclopropan: Công thức cấu tạo của cyclopropan có thể được biểu diễn như sau:$CH_2$
    $\diagup \hspace{1em} \diagdown$
    $CH_2 – CH_2$
  • Epoxide (oxiran): Công thức cấu tạo của epoxide có thể được biểu diễn như sau:$CH_2$
    $\diagup \hspace{1em} O \hspace{1em} \diagdown$
    $CH_2$
• Vòng bốn cạnh: Ví dụ điển hình là cyclobutan ($C_4H_8$) và β-lactam. Công thức chung của cycloalkan vòng bốn cạnh là $CnH{2n}$.
  • Cyclobutan: Công thức cấu tạo của cyclobutan có thể được biểu diễn như sau:$CH_2 – CH_2$
    $|\qquad\qquad |$
    $CH_2 – CH_2$
  • β-lactam: Một vòng bốn cạnh chứa một nguyên tử nitơ và một nhóm carbonyl. Cấu trúc chung của β-lactam được biểu diễn như sau, với R là các nhóm thế khác nhau:$R_1 – CH – C(=O) – NR_2$
    $|\qquad\qquad\qquad\qquad |$
    $R_3 – CH – O – $

Sự căng vòng (Ring Strain)

Sự căng vòng là sự gia tăng năng lượng của một phân tử vòng do các góc liên kết bị ép buộc so với giá trị lý tưởng và sự đẩy lẫn nhau của các nguyên tử trong vòng. Các vòng ba cạnh có sự căng vòng lớn nhất do góc liên kết là 60°, lệch đáng kể so với 109.5° (góc lý tưởng của liên kết C-C trong phân tử lai hoá $sp^3$). Các vòng bốn cạnh có sự căng vòng ít hơn so với vòng ba cạnh nhưng vẫn lớn hơn so với các vòng lớn hơn (5 cạnh trở lên). Ngoài sự căng góc, sự căng vòng cũng bao gồm sự căng xoắn (do các liên kết bị che khuất) và sự căng xuyên vòng (do tương tác giữa các nguyên tử không liên kết trực tiếp trong vòng).

Tính chất hóa học

Do sự căng vòng, các hợp chất vòng nhỏ, đặc biệt là vòng ba cạnh, có tính phản ứng cao hơn các cycloalkan lớn hơn. Chúng dễ dàng tham gia vào các phản ứng mở vòng để giảm sự căng vòng. Ví dụ, cyclopropan phản ứng với $H_2$ trong điều kiện xúc tác (Pt, Pd, Ni) để tạo thành propan. Epoxide cũng rất dễ bị tấn công bởi các nucleophile do sự căng vòng của vòng ba cạnh.

Ứng dụng

Mặc dù có sự căng vòng, hợp chất vòng nhỏ đóng vai trò quan trọng trong hóa học hữu cơ và được tìm thấy trong nhiều hợp chất tự nhiên và tổng hợp. Ví dụ, epoxide là chất trung gian tổng hợp quan trọng, và vòng β-lactam là cốt lõi cấu trúc của penicillin và các kháng sinh β-lactam khác. Nhiều hợp chất vòng nhỏ khác cũng được sử dụng trong các lĩnh vực như polyme, thuốc trừ sâu và hương liệu. Việc hiểu cấu trúc và phản ứng của chúng là điều cần thiết cho các nhà hóa học hữu cơ.

Các phương pháp tổng hợp

Việc tổng hợp các hợp chất vòng nhỏ thường đòi hỏi các phương pháp đặc biệt do sự khó khăn trong việc tạo thành các vòng có góc liên kết nhỏ. Một số phương pháp phổ biến bao gồm:

• Phản ứng đóng vòng: Đây là phương pháp phổ biến để tạo thành các vòng nhỏ. Ví dụ, phản ứng của 1,3-dibromopropan với kẽm (Zn) trong điều kiện đun nóng tạo thành cyclopropan. Một ví dụ khác là phản ứng Williamson ether synthesis nội phân tử để tạo thành epoxide.
• Phản ứng cộng vòng: Các phản ứng như phản ứng Diels-Alder có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất vòng nhỏ, đặc biệt là các vòng bốn cạnh và sáu cạnh. Tuy nhiên, việc tổng hợp vòng ba cạnh và bốn cạnh bằng phương pháp này thường khó khăn hơn.
• Phản ứng chuyển vị: Một số phản ứng chuyển vị có thể dẫn đến sự hình thành các vòng nhỏ. Ví dụ như phản ứng Favorskii.

Các hợp chất vòng nhỏ khác

Ngoài cyclopropan, cyclobutan, epoxide và β-lactam, còn có nhiều loại hợp chất vòng nhỏ khác, bao gồm:

• Aziridine: Một vòng ba cạnh chứa một nguyên tử nitơ.
  $CH_2$
  $\diagup \hspace{1em} NH \hspace{1em} \diagdown$
  $CH_2$
• Azetidine: Một vòng bốn cạnh chứa một nguyên tử nitơ.
• Oxetane: Một vòng bốn cạnh chứa một nguyên tử oxy.

Sự căng vòng và độ ổn định

Sự căng vòng ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định nhiệt động lực học của hợp chất vòng nhỏ. Năng lượng căng vòng trong cyclopropan xấp xỉ 115 kJ/mol, trong khi ở cyclobutan là khoảng 110 kJ/mol. Các vòng lớn hơn có năng lượng căng vòng nhỏ hơn đáng kể. Do đó, cyclopropan và cyclobutan phản ứng mạnh hơn các vòng lớn hơn để giải phóng sự căng vòng này.

Phân tích phổ

Các hợp chất vòng nhỏ thể hiện các đặc điểm phổ đặc trưng có thể được sử dụng để xác định chúng. Ví dụ, trong phổ $^1H$ NMR, các proton cyclopropan thường xuất hiện ở độ dịch chuyển hóa học thấp hơn (0-1 ppm) so với các ankan mạch thẳng tương ứng. Điều này là do mật độ electron tăng lên xung quanh các proton cyclopropan do đặc tính liên kết “chuỗi” (banana bond). Tương tự, các proton trong các hợp chất vòng nhỏ khác cũng có thể thể hiện sự dịch chuyển hóa học bất thường do sự căng vòng và các yếu tố cấu trúc khác. Phổ hồng ngoại (IR) cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích về sự hiện diện của các nhóm chức năng cụ thể trong hợp chất vòng nhỏ.

Hợp chất vòng nhỏ trong hóa dược

Hợp chất vòng nhỏ đóng vai trò quan trọng trong hóa dược vì một số lý do:

• Sự căng vòng: Sự căng vòng có thể làm tăng hoạt tính sinh học của phân tử bằng cách làm cho nó phản ứng mạnh hơn.
• Kích thước và hình dạng: Vòng nhỏ có thể bắt chước các đặc điểm cấu trúc của các phân tử sinh học, cho phép chúng tương tác với các mục tiêu sinh học một cách cụ thể.
• Tính linh hoạt trong tổng hợp: Có nhiều phương pháp có sẵn để tổng hợp các hợp chất vòng nhỏ, cho phép thiết kế và tổng hợp các loại thuốc tiềm năng.

Ảnh hưởng của sự căng vòng đến phổ NMR

Sự căng vòng có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ dịch chuyển hóa học của các proton trong phổ NMR. Ví dụ, các proton cyclopropan thường xuất hiện ở độ dịch chuyển hóa học thấp hơn (0-1 ppm) so với các proton metylen trong các ankan mạch thẳng. Điều này là do mật độ electron tăng lên xung quanh các proton cyclopropan do đặc tính liên kết “chuỗi”. Tương tự, các proton trong các hợp chất vòng nhỏ khác cũng có thể thể hiện sự dịch chuyển hóa học bất thường do sự căng vòng và các yếu tố cấu trúc khác.