Thành phần:
Thuốc thử Jones được điều chế bằng cách hòa tan crom trioxit ($CrO_3$) trong dung dịch axit sulfuric ($H_2SO_4$) loãng, sau đó thêm axeton ($CH_3COCH_3$) vào. Phản ứng diễn ra như sau:
$CrO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2CrO_4$
$2H_2CrO_4 \rightleftharpoons H_2Cr_2O_7 + H_2O$
Axit cromic ($H_2CrO_4$) và đặc biệt là axit dicromic ($H_2Cr_2O_7$) được tạo thành là chất oxy hóa chính trong thuốc thử Jones. Axeton được thêm vào để ổn định dung dịch, hòa tan các sản phẩm hữu cơ được tạo ra trong quá trình oxy hóa và ngăn chặn sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn (ví dụ như este Cromat) thông qua việc hình thành axetal với ancol ban đầu. Việc thêm axeton cũng làm giảm khả năng oxy hóa tiếp axit cacboxylic thành $CO_2$.
Cơ chế phản ứng:
Cơ chế oxy hóa ancol bằng thuốc thử Jones liên quan đến sự hình thành một este cromat trung gian. Este này sau đó bị phân hủy trong môi trường axit để tạo ra sản phẩm xeton hoặc axit cacboxylic tương ứng.
- Với ancol bậc một: Ancol bậc một đầu tiên bị oxy hóa thành anđehit, sau đó anđehit tiếp tục bị oxy hóa thành axit cacboxylic. Sự hình thành gem-diol hydrate từ anđehit là cần thiết cho bước oxy hóa thứ hai này.
$RCH_2OH \xrightarrow{[O]} RCHO \xrightarrow{[O]} RCOOH$
- Với ancol bậc hai: Ancol bậc hai bị oxy hóa thành xeton.
$R_2CHOH \xrightarrow{[O]} R_2C=O$
- Với ancol bậc ba: Ancol bậc ba thường không bị oxy hóa bởi thuốc thử Jones do không có nguyên tử hydro nào gắn với carbon mang nhóm hydroxyl để tham gia vào phản ứng. Tuy nhiên, trong điều kiện khắc nghiệt hơn, sự mất nước và sự sắp xếp lại có thể xảy ra.
Ứng dụng:
Thuốc thử Jones được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm hóa học hữu cơ để:
- Oxy hóa ancol: Đây là ứng dụng chính của thuốc thử Jones. Nó cho phép chuyển đổi ancol thành các xeton và axit cacboxylic tương ứng một cách hiệu quả.
- Xác định cấu trúc của hợp chất hữu cơ: Bằng cách quan sát sản phẩm oxy hóa, có thể xác định được loại ancol ban đầu (bậc một, bậc hai hay bậc ba). Sự thay đổi màu sắc của thuốc thử từ màu cam (Cr(VI)) sang màu xanh lá cây/xanh lam (Cr(III)) cũng là một dấu hiệu cho thấy phản ứng oxy hóa đã xảy ra.
- Tổng hợp các hợp chất hữu cơ: Thuốc thử Jones được sử dụng như một chất oxy hóa quan trọng trong nhiều quá trình tổng hợp hữu cơ.
Lưu ý:
- Độc tính và An toàn: Thuốc thử Jones có tính ăn mòn và rất độc hại do chứa crom(VI), một chất gây ung thư. Cần phải cẩn thận khi sử dụng, mang đầy đủ thiết bị bảo hộ cá nhân và tuân thủ các quy định về an toàn. Cần xử lý chất thải đúng cách.
- Điều kiện phản ứng: Phản ứng cần được thực hiện trong môi trường axit. Nhiệt độ phản ứng thường được giữ ở mức thấp để tránh các phản ứng phụ không mong muốn.
- Màu sắc: Sự thay đổi màu sắc từ cam sang xanh lam/xanh lá cây là dấu hiệu cho thấy phản ứng đang diễn ra.
Tóm lại, thuốc thử Jones là một thuốc thử oxy hóa mạnh mẽ và hữu ích trong hóa học hữu cơ, đặc biệt trong việc oxy hóa ancol. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận khi sử dụng do tính độc hại và ăn mòn của nó. Ngày nay, người ta khuyến khích sử dụng các phương pháp oxy hóa khác an toàn hơn nếu có thể.
Ưu điểm và Nhược điểm:
- Ưu điểm: Thuốc thử Jones phản ứng nhanh, cho hiệu suất cao và dễ dàng theo dõi quá trình phản ứng nhờ sự thay đổi màu sắc của dung dịch từ cam sang xanh lam/xanh lá cây. Phương pháp này cũng tương đối đơn giản và không yêu cầu thiết bị phức tạp.
- Nhược điểm: Nhược điểm lớn nhất của thuốc thử Jones là sử dụng crom(VI), một chất có độc tính cao, gây ung thư và gây ô nhiễm môi trường. Việc xử lý chất thải chứa crom cũng khá phức tạp và tốn kém. Ngoài ra, thuốc thử này có tính axit mạnh, có thể gây ra các phản ứng phụ không mong muốn, đặc biệt là với các hợp chất nhạy cảm với axit. Thuốc thử Jones cũng có thể oxy hóa các liên kết đôi C=C. Một nhược điểm khác là thuốc thử này thường không tương thích với một số nhóm chức khác trong phân tử, ví dụ như amin, thioether, và một số nhóm bảo vệ.
Các thuốc thử oxy hóa khác cho ancol:
Có nhiều thuốc thử oxy hóa khác có thể được sử dụng để oxy hóa ancol, bao gồm:
- PCC (pyridinium chlorochromate): Một thuốc thử oxy hóa nhẹ hơn so với thuốc thử Jones, thường được sử dụng để oxy hóa ancol bậc một thành anđehit mà không tiếp tục oxy hóa thành axit cacboxylic. PCC ít độc hại hơn thuốc thử Jones nhưng vẫn chứa Cr(VI).
- PDC (pyridinium dichromate): Tương tự như PCC, PDC cũng là một thuốc thử oxy hóa nhẹ và thường được sử dụng trong các phản ứng oxy hóa chọn lọc.
- Dess-Martin periodinane (DMP): Một thuốc thử oxy hóa êm dịu và chọn lọc, thường được sử dụng để oxy hóa ancol bậc một thành anđehit và ancol bậc hai thành xeton. DMP an toàn hơn các thuốc thử chứa crom nhưng đắt hơn.
- Swern oxidation: Sử dụng dimetyl sulfoxit (DMSO) và oxalyl clorua $(COCl)_2$ để oxy hóa ancol thành anđehit hoặc xeton. Phương pháp này tạo ra dimetyl sulfua, một chất có mùi khó chịu.
- TEMPO (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl) kết hợp với các chất oxy hóa khác: TEMPO là một chất xúc tác ổn định gốc tự do, được sử dụng kết hợp với các chất oxy hóa khác như natri hypoclorit (NaOCl) hoặc axit hypochlorous (HOCl) để oxy hóa ancol một cách chọn lọc.
Việc lựa chọn thuốc thử oxy hóa phù hợp phụ thuộc vào loại ancol cần oxy hóa và các nhóm chức khác có mặt trong phân tử.
Ví dụ phản ứng:
Oxy hóa cyclohexanol (ancol bậc hai) thành cyclohexanone bằng thuốc thử Jones:
$C6H{11}OH + [O] \xrightarrow{Jones} C6H{10}O$
An toàn:
Khi làm việc với thuốc thử Jones, cần tuân thủ các biện pháp an toàn sau:
- Mang đầy đủ thiết bị bảo hộ cá nhân: găng tay, kính bảo hộ và áo khoác phòng thí nghiệm.
- Làm việc trong tủ hút: để tránh hít phải hơi thuốc thử và các sản phẩm phụ.
- Xử lý chất thải chứa crom đúng cách: theo quy định của địa phương và cơ quan quản lý môi trường.
- Tránh tiếp xúc với da và mắt: nếu tiếp xúc, rửa ngay bằng nước sạch và tìm kiếm sự trợ giúp y tế nếu cần.
- Lưu trữ cẩn thận: tránh xa các chất dễ cháy và các chất không tương thích.