Phản ứng Cannizzaro (Cannizzaro reaction)

Phản ứng Cannizzaro là một phản ứng hóa học liên quan đến sự tự oxi hóa-khử của aldehyde không có α-hydro. Trong phản ứng này, một phân tử aldehyde bị khử thành ancol tương ứng, trong khi một phân tử aldehyde khác bị oxi hóa thành axit cacboxylic tương ứng. Phản ứng xảy ra trong môi trường bazơ mạnh (thường là NaOH hoặc KOH đậm đặc).

Cơ chế phản ứng

Phản ứng Cannizzaro diễn ra theo cơ chế hai bước:

Bước cộng bazơ: Ion hydroxit (OH^–) tấn công cacbon cacbonyl của aldehyde, tạo thành một anion trung gian.

$RCHO + OH^- \rightarrow RCH(O^-)OH$

Bước chuyển hydrua: Anion trung gian này sau đó chuyển ion hydrua (H^–) cho một phân tử aldehyde khác. Phân tử aldehyde nhận hydrua bị khử thành ancol, còn phân tử aldehyde cho hydrua bị oxi hóa thành ion cacboxylat.

$RCH(O^-)OH + RCHO \rightarrow RCH_2OH + RCOO^-$

Cuối cùng, ion cacboxylat phản ứng với nước hoặc axit để tạo thành axit cacboxylic.

$RCOO^- + H^+ \rightarrow RCOOH$

Ví dụ

Phản ứng Cannizzaro của formaldehit (HCHO) tạo ra methanol (CH₃OH) và axit formic (HCOOH):

$2HCHO + OH^- \rightarrow CH_3OH + HCOO^-$

Phản ứng Cannizzaro của benzaldehyde (C₆H₅CHO) tạo ra benzyl ancol (C₆H₅CH₂OH) và axit benzoic (C₆H₅COOH):

$2C_6H_5CHO + OH^- \rightarrow C_6H_5CH_2OH + C_6H_5COO^-$

Điều kiện phản ứng

Aldehyde không có α-hydro: Aldehyde phải không có hydro α (hydro gắn vào cacbon bên cạnh nhóm cacbonyl) để tránh phản ứng aldol cạnh tranh.
Bazơ mạnh: Phản ứng cần một bazơ mạnh như NaOH hoặc KOH đậm đặc để khởi tạo phản ứng.
Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ hơi cao.

Ứng dụng

Phản ứng Cannizzaro được sử dụng để tổng hợp ancol và axit cacboxylic từ aldehyde không có α-hydro. Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất một số hợp chất hóa học quan trọng. Ví dụ như sản xuất pentaerythritol từ formaldehit và acetaldehit, hay trong tổng hợp một số loại nhựa và dược phẩm.

Phản ứng Cannizzaro chéo

Khi hai aldehyde khác nhau, cả hai đều không có α-hydro, được sử dụng trong phản ứng Cannizzaro, phản ứng được gọi là phản ứng Cannizzaro chéo. Trong trường hợp này, bốn sản phẩm có thể được hình thành. Aldehyde có tính electrophin mạnh hơn sẽ bị oxi hóa thành axit cacboxylic, trong khi aldehyde có tính electrophin yếu hơn sẽ bị khử thành ancol.

Lưu ý: Formaldehit là một ngoại lệ. Nó luôn bị oxi hóa thành formate ngay cả khi phản ứng với một andehit khác trong phản ứng Cannizzaro chéo.

Phản ứng Cannizzaro trong tổng hợp hữu cơ

Mặc dù phản ứng Cannizzaro ít được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ do hiệu suất thấp (tối đa 50% đối với một sản phẩm mong muốn, do chỉ một nửa lượng aldehyde tạo ra sản phẩm mong muốn, nửa còn lại tạo ra sản phẩm khác), nó vẫn có giá trị trong một số trường hợp cụ thể, đặc biệt là khi không thể sử dụng các phương pháp tổng hợp ancol hoặc axit cacboxylic khác. Ví dụ, việc tổng hợp một số ancol bậc ba, không thể điều chế bằng cách khử xeton, có thể đạt được bằng phản ứng Cannizzaro của aldehyde tương ứng.

So sánh với phản ứng Tishchenko

Phản ứng Tishchenko là một phản ứng khác liên quan đến sự đime hóa của aldehyde. Tuy nhiên, không giống như phản ứng Cannizzaro, phản ứng Tishchenko tạo ra este, không phải là hỗn hợp ancol và axit cacboxylic. Phản ứng Tishchenko thường được xúc tác bởi alkoxide nhôm. Ví dụ, phản ứng Tishchenko của acetaldehit tạo ra etyl axetat:

$2CH_3CHO \xrightarrow{Al(OR)_3} CH_3COOCH_2CH_3$

Ảnh hưởng của nhóm thế

Các nhóm thế trên vòng thơm của aldehyde thơm có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Cannizzaro. Các nhóm rút electron (như -NO₂, -CN) làm tăng tốc độ phản ứng, trong khi các nhóm đẩy electron (như -CH₃, -OCH₃) làm giảm tốc độ phản ứng.

Cân nhắc về mặt thực hành

Khi thực hiện phản ứng Cannizzaro, điều quan trọng là phải sử dụng bazơ đậm đặc và kiểm soát cẩn thận nhiệt độ phản ứng để tránh các phản ứng phụ không mong muốn. Sau phản ứng, sản phẩm ancol và axit cacboxylic có thể được tách ra bằng các kỹ thuật tách chiết thông thường.

Tóm tắt về Phản ứng Cannizzaro

Phản ứng Cannizzaro là một phản ứng tự oxi hóa-khử của anđehit không có α-hydro trong môi trường bazơ mạnh. Điều kiện tiên quyết cho phản ứng này là sự vắng mặt của hydro α trên anđehit. Nếu có hydro α, phản ứng aldol sẽ chiếm ưu thế. Sản phẩm của phản ứng Cannizzaro là một hỗn hợp của ancol và muối cacboxylat, sau đó muối cacboxylat có thể được chuyển thành axit cacboxylic bằng cách axit hóa. Ví dụ, formalđehit (HCHO) phản ứng trong điều kiện Cannizzaro tạo ra methanol (CH₃OH) và formate (HCOO^–).

Cơ chế của phản ứng Cannizzaro liên quan đến hai bước chính: bước cộng bazơ và bước chuyển hydrua. Trong bước đầu tiên, ion hydroxit tấn công cacbon cacbonyl của anđehit. Tiếp theo, anion trung gian tạo thành chuyển một ion hydrua (H^–) sang một phân tử anđehit khác. Kết quả là một phân tử anđehit bị khử thành ancol, trong khi phân tử kia bị oxi hóa thành ion cacboxylat.

Phản ứng Cannizzaro chéo xảy ra giữa hai anđehit khác nhau, cả hai đều không có α-hydro. Trong phản ứng này, bốn sản phẩm có thể được tạo thành. Tuy nhiên, anđehit có tính electrophin mạnh hơn thường ưu tiên bị oxi hóa, trong khi anđehit có tính electrophin yếu hơn bị khử. Formalđehit là một ngoại lệ đáng chú ý, nó luôn bị oxi hóa thành formate ngay cả khi có mặt một anđehit khác trong phản ứng Cannizzaro chéo.

Mặc dù hiệu suất của phản ứng Cannizzaro thường hạn chế, nó vẫn hữu ích trong một số tổng hợp cụ thể. Phản ứng này có thể được sử dụng để điều chế một số ancol bậc ba mà không thể tổng hợp bằng các phương pháp khác. Điều quan trọng là phải phân biệt phản ứng Cannizzaro với phản ứng Tishchenko, một phản ứng khác liên quan đến đime hóa của anđehit nhưng tạo ra este thay vì hỗn hợp ancol và axit cacboxylic. Cuối cùng, cần nhớ rằng các nhóm thế trên vòng thơm của anđehit thơm có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Cannizzaro, với các nhóm rút electron làm tăng tốc độ và các nhóm đẩy electron làm giảm tốc độ.

Tài liệu tham khảo:

Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company, various editions.
Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry. Oxford University Press, various editions.
Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. Wiley-Interscience, various editions.
Carey, F. A.; Sundberg, R. J. Advanced Organic Chemistry. Springer, various editions.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao anđehit có α-hydro không tham gia phản ứng Cannizzaro?

Trả lời: Anđehit có α-hydro dễ dàng tham gia phản ứng aldol trong môi trường bazơ. Phản ứng aldol, liên quan đến việc hình thành liên kết C-C giữa cacbon cacbonyl của một phân tử anđehit và cacbon α của phân tử khác, về mặt động học thuận lợi hơn phản ứng Cannizzaro. Do đó, khi có α-hydro, phản ứng aldol sẽ chiếm ưu thế, ngăn cản phản ứng Cannizzaro xảy ra.

Làm thế nào để tách các sản phẩm của phản ứng Cannizzaro, ancol và axit cacboxylic?

Trả lời: Ancol và axit cacboxylic được hình thành trong phản ứng Cannizzaro có thể được tách bằng các kỹ thuật chiết xuất. Axit cacboxylic tồn tại dưới dạng muối cacboxylat trong môi trường bazơ. Bằng cách axit hóa hỗn hợp phản ứng, muối cacboxylat chuyển thành axit cacboxylic. Sau đó, hỗn hợp có thể được chiết bằng dung môi hữu cơ. Axit cacboxylic sẽ được chiết vào pha nước, trong khi ancol sẽ nằm trong pha hữu cơ.

Phản ứng Cannizzaro chéo có chọn lọc không? Nếu có, yếu tố nào quyết định sự chọn lọc đó?

Trả lời: Phản ứng Cannizzaro chéo, liên quan đến hai anđehit khác nhau, thường có tính chọn lọc. Anđehit có tính electrophin mạnh hơn (thường là anđehit thơm hoặc anđehit có nhóm rút electron) có xu hướng bị oxi hóa thành axit cacboxylic. Anđehit có tính electrophin yếu hơn (thường là anđehit aliphatic hoặc anđehit có nhóm đẩy electron) có xu hướng bị khử thành ancol. Formalđehit là một ngoại lệ và luôn bị oxi hóa thành formate.

Ngoài NaOH và KOH, có bazơ nào khác có thể được sử dụng trong phản ứng Cannizzaro không?

Trả lời: Mặc dù NaOH và KOH là những bazơ thường được sử dụng nhất, các bazơ mạnh khác như alkoxide kim loại (ví dụ: $t$-BuOK) cũng có thể được sử dụng để xúc tác phản ứng Cannizzaro. Việc lựa chọn bazơ phụ thuộc vào các yếu tố như độ hòa tan của chất phản ứng và điều kiện phản ứng mong muốn.

So sánh và đối chiếu phản ứng Cannizzaro và phản ứng Tishchenko.

Trả lời: Cả phản ứng Cannizzaro và phản ứng Tishchenko đều là phản ứng đime hóa anđehit trong điều kiện bazơ. Tuy nhiên, chúng khác nhau về sản phẩm được hình thành. Phản ứng Cannizzaro tạo ra hỗn hợp ancol và axit cacboxylic (hoặc muối cacboxylat của nó), trong khi phản ứng Tishchenko tạo ra este. Phản ứng Cannizzaro yêu cầu bazơ mạnh như NaOH hoặc KOH, trong khi phản ứng Tishchenko thường được xúc tác bởi alkoxide nhôm như Al(OEt)₃. Anđehit không có α-hydro trải qua phản ứng Cannizzaro, trong khi cả anđehit có và không có α-hydro đều có thể trải qua phản ứng Tishchenko.

Một số điều thú vị về Phản ứng Cannizzaro

Được đặt theo tên nhà khoa học người Ý: Phản ứng Cannizzaro được đặt theo tên của Stanislao Cannizzaro, nhà hóa học người Ý đã phát hiện ra phản ứng này vào năm 1853 khi ông quan sát thấy benzandehit tạo thành benzyl ancol và kali benzoat khi xử lý với kali hydroxit.
Không có đồng vị phóng xạ nào được sử dụng để chứng minh cơ chế: Cơ chế của phản ứng Cannizzaro đã được xác nhận một cách khéo léo mà không cần sử dụng các kỹ thuật đánh dấu đồng vị phóng xạ. Thay vào đó, bằng cách sử dụng benzandehit đã được đánh dấu với deuteri (²H) trong phản ứng với benzandehit không được đánh dấu, người ta đã thấy rằng benzyl ancol tạo thành chỉ chứa deuteri, chứng tỏ sự chuyển trực tiếp của ion hydrua.
Cạnh tranh với phản ứng aldol: Sự hiện diện của hydro α trong anđehit dẫn đến phản ứng aldol, một phản ứng cạnh tranh với phản ứng Cannizzaro. Vì vậy, phản ứng Cannizzaro chỉ xảy ra với anđehit không có hydro α.
“Cannizzaro nội phân tử”: Một số phân tử chứa hai nhóm anđehit có thể trải qua phản ứng Cannizzaro “nội phân tử”, trong đó một nhóm anđehit bị oxi hóa và nhóm kia bị khử trong cùng một phân tử.
Ứng dụng trong tổng hợp polymer: Phản ứng Cannizzaro có thể được sử dụng trong tổng hợp một số loại polymer. Ví dụ, phản ứng giữa formalđehit và phenol trong điều kiện bazơ (một biến thể của phản ứng Cannizzaro) được sử dụng để sản xuất nhựa bakelite, một loại nhựa nhiệt rắn.
Không chỉ giới hạn ở anđehit: Mặc dù thường được thảo luận trong bối cảnh anđehit, phản ứng Cannizzaro cũng có thể xảy ra với một số α-keto anđehit và thậm chí với một số xeton đặc biệt trong điều kiện rất khắc nghiệt.
Vai trò của dung môi: Dung môi cũng có thể ảnh hưởng đến phản ứng Cannizzaro. Dung môi phân cực aprotic, như DMSO, thường được ưa chuộng vì chúng có thể hòa tan cả chất phản ứng hữu cơ và bazơ vô cơ.