Phản ứng Strecker (Strecker amino acid synthesis)

Cơ chế phản ứng:

Phản ứng Strecker diễn ra qua ba bước chính:

1. Hình thành imine: Aldehyde (hoặc ketone) phản ứng với amoniac tạo thành imine. Phản ứng này là phản ứng cộng ái nhân, sau đó loại nước. Nước được loại bỏ để tạo thành liên kết đôi C=N, làm cho imine trở nên dễ bị tấn công ái nhân trong bước tiếp theo.

$RCHO + NH_3 \rightleftharpoons RCH=NH + H_2O$

2. Cộng ái nhân của xyanua: Imine phản ứng cộng ái nhân với xyanua ($HCN$ hoặc $CN^-$) tạo thành α-aminonitrile. Cyanua đóng vai trò là nucleophile tấn công carbon imine, tạo ra α-aminonitrile.

$RCH=NH + CN^- \rightarrow RCH(CN)NH_2$

3. Thủy phân α-aminonitrile: α-Aminonitrile bị thủy phân trong môi trường acid hoặc base để tạo thành α-amino acid. Quá trình thủy phân này chuyển đổi nhóm nitrile (-CN) thành nhóm carboxylic acid (-COOH).

$RCH(CN)NH_2 + 2H_2O \xrightarrow{H^+ \text{ hoặc } OH^-} RCH(COOH)NH_2 + NH_3$

Ứng dụng và ưu, nhược điểm

Sơ đồ tổng quát:

$RCHO + NH_3 + HCN \rightarrow RCH(CN)NH_2 \xrightarrow{H_2O} RCH(COOH)NH_2$

Ứng dụng:

Phản ứng Strecker có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa học hữu cơ và hóa sinh, bao gồm:

• Tổng hợp α-amino acid: Đây là phương pháp cổ điển và vẫn còn được sử dụng rộng rãi để tổng hợp α-amino acid trong phòng thí nghiệm. Phản ứng Strecker có thể tạo ra một loạt các amino acid bằng cách thay đổi aldehyde hoặc ketone ban đầu. Phản ứng Strecker có thể tổng hợp cả amino acid racemic (hỗn hợp D và L).
• Hóa học tiền sinh học (Prebiotic chemistry): Phản ứng Strecker được cho là một trong những phản ứng quan trọng có thể đã xảy ra trong điều kiện tiền sinh học, góp phần tạo ra các amino acid đầu tiên trên Trái Đất. Các điều kiện phản ứng tương đối đơn giản và các chất tham gia có thể đã tồn tại trong môi trường sơ khai, như khí quyển hoặc đại dương.
• Tổng hợp các hợp chất dị vòng: Phản ứng Strecker có thể được biến đổi để tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ. Việc sử dụng các amin hoặc aldehyde được thế khác nhau có thể dẫn đến sự hình thành các dị vòng khác nhau.
• Tổng hợp peptit: Các α-amino acid được tổng hợp bằng phản ứng Strecker có thể được sử dụng để tổng hợp peptit. Đây là bước quan trọng trong việc tổng hợp các phân tử sinh học phức tạp hơn.

Ưu điểm và nhược điểm:

• Ưu điểm: Phản ứng Strecker là một phương pháp tổng hợp α-amino acid tương đối đơn giản và hiệu quả. Các chất tham gia dễ kiếm và điều kiện phản ứng không quá khắc nghiệt. Phản ứng cũng có tính linh hoạt cao, cho phép tổng hợp nhiều loại amino acid khác nhau.
• Nhược điểm: Phản ứng Strecker thường tạo ra hỗn hợp racemic của α-amino acid, đòi hỏi phải tách riêng các đồng phân đối quang nếu cần. Việc sử dụng xyanua cũng đặt ra một số vấn đề về an toàn do độc tính của nó. Cần phải có biện pháp phòng ngừa thích hợp khi làm việc với xyanua.

Ví dụ, biến thể, an toàn và tương lai của phản ứng Strecker

Ví dụ: Tổng hợp alanine từ acetaldehyde:

$CH_3CHO + NH_3 + HCN \rightarrow CH_3CH(CN)NH_2 \xrightarrow{H_2O} CH_3CH(COOH)NH_2$ (Alanine)

Các biến thể của phản ứng Strecker:

Qua thời gian, phản ứng Strecker đã được biến đổi và cải tiến để tăng hiệu suất và tính chọn lọc. Một số biến thể đáng chú ý bao gồm:

• Sử dụng các nguồn xyanua khác: Thay vì sử dụng HCN trực tiếp (rất độc), các nguồn xyanua khác như trimetylsilyl xyanua (TMSCN), diethylaluminum cyanide (Et₂AlCN), hoặc các muối xyanua như KCN và NaCN cũng có thể được sử dụng. Những chất này an toàn hơn và dễ xử lý hơn HCN.
• Phản ứng Strecker bất đối xứng: Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển các phương pháp Strecker bất đối xứng để tổng hợp chọn lọc một đồng phân đối quang của α-amino acid. Các phương pháp này thường sử dụng các chất xúc tác chiral để điều khiển quá trình tạo lập trung tâm chiral. Ví dụ, việc sử dụng các chất xúc tác dựa trên thiourea hoặc các ligand chiral đã cho thấy kết quả khả quan trong việc tổng hợp các α-amino acid enantiomerically pure (tinh khiết đối quang).
• Phản ứng Strecker đa thành phần (Multicomponent Strecker reaction): Trong phản ứng này, cả ba thành phần (aldehyde/ketone, amine, và xyanua) được trộn lẫn cùng một lúc trong một bình phản ứng. Phương pháp này giúp đơn giản hóa quy trình tổng hợp và giảm thiểu các bước tinh sạch trung gian.

Vấn đề an toàn:

Vì phản ứng Strecker sử dụng xyanua, một chất cực độc, nên cần phải thực hiện các biện pháp an toàn nghiêm ngặt khi tiến hành phản ứng này. Cần phải làm việc trong tủ hút và sử dụng các thiết bị bảo hộ cá nhân phù hợp như găng tay, kính bảo hộ và áo khoác phòng thí nghiệm. Cần phải có các quy trình xử lý chất thải xyanua an toàn và đúng quy định.

Mối liên hệ với phản ứng khác:

Phản ứng Strecker có liên quan đến một số phản ứng tổng hợp amin khác, chẳng hạn như phản ứng Mannich và phản ứng Bucherer–Bergs. Sự hiểu biết về mối liên hệ giữa các phản ứng này có thể giúp mở rộng khả năng tổng hợp các hợp chất chứa nitơ.

Tương lai của phản ứng Strecker:

Nghiên cứu về phản ứng Strecker vẫn đang tiếp tục được phát triển, tập trung vào việc cải thiện tính chọn lọc đối quang, phát triển các biến thể mới sử dụng các chất xúc tác và nguồn xyanua an toàn hơn, và ứng dụng phản ứng này trong tổng hợp các phân tử phức tạp hơn, bao gồm các peptit, heterocycle, và các sản phẩm tự nhiên.

• Strecker, A. (1850). Ueber die künstliche Bildung der Milchsäure und einen neuen, dem Glycocoll homologen Körper. Annalen der Chemie und Pharmacie, 75(1), 27–45.
• Dakin, H. D. (1943). The synthesis of amino acids. Biochemical Symposia, 1, 24-33.
• Harada, K. (1966). Asymmetric synthesis of α-amino acids by the Strecker synthesis. Nature, 212(5064), 736.
• Enders, D., & Grondal, C. (2002). Asymmetric synthesis of α-amino acids via enantioselective strecker reactions. Angewandte Chemie International Edition, 41(21), 3792-3795.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài aldehyde và ketone, còn loại hợp chất carbonyl nào khác có thể tham gia vào phản ứng Strecker?

Trả lời: Mặc dù aldehyde và ketone là phổ biến nhất, các hợp chất carbonyl khác như imine và hydrazon cũng có thể tham gia vào phản ứng Strecker, tuy nhiên hiệu suất và tính chọn lọc có thể khác nhau.

Làm thế nào để kiểm soát tính chọn lọc lập thể trong phản ứng Strecker để tổng hợp một đồng phân đối quang cụ thể của α-amino acid?

Trả lời: Tính chọn lọc lập thể có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng các xúc tác chiral. Các xúc tác này có thể là các phân tử hữu cơ nhỏ hoặc các phức kim loại chuyển tiếp với các phối tử chiral. Chúng tương tác với các chất phản ứng theo cách tạo ra ưu tiên cho sự hình thành một đồng phân đối quang cụ thể.

Tại sao việc sử dụng HCN trong phản ứng Strecker gây ra lo ngại về an toàn và có những lựa chọn thay thế nào?

Trả lời: HCN là một chất cực độc và dễ bay hơi. Các lựa chọn thay thế an toàn hơn bao gồm trimetylsilyl xyanua (TMSCN), diethylaluminum cyanide (Et$ _2 $AlCN), và các muối xyanua như KCN và NaCN trong điều kiện kiểm soát chặt chẽ.

Phản ứng Strecker có vai trò gì trong lĩnh vực hóa học tiền sinh học (prebiotic chemistry)?

Trả lời: Phản ứng Strecker được cho là một trong những phản ứng quan trọng có thể đã xảy ra trong điều kiện tiền sinh học, góp phần tạo ra các amino acid, những khối xây dựng cơ bản của protein, từ các phân tử đơn giản có sẵn trên Trái Đất sơ khai.

Ngoài tổng hợp α-amino acid, phản ứng Strecker còn có thể được sử dụng để tổng hợp những loại hợp chất nào khác?

Trả lời: Phản ứng Strecker cũng có thể được sử dụng để tổng hợp các hợp chất dị vòng chứa nitơ, các dẫn xuất của amino acid như hydantoin và thiohydantoin, và thậm chí là các peptit thông qua các biến thể của phản ứng.