Đây là nội dung bài seminar gần đây nhất của mình, bàn về Tổng hợp hữu cơ bằng phương pháp điện hóa. Bài viết này chắc hẳn có rất nhiều sai sót, vì thú thật mình không phải chuyên sâu về electrochemistry, nhưng đây sẽ là nền tảng để cố gắng tìm hiểu thêm nhiều hướng khác của mảng này. Anh em thuộc chuyên ngành này hay đã từng nghiên cứu qua thì góp ý giúp với nhé ! Thanks !
-
Tổng hợp điện hóa: 1.1. Giới thiệu: Điện hóa là một phương pháp sạch và tiện lợi để tạo thành nhiều trung tâm họat động (reactive intermediate) như radical-ion, radical, carbanion, carbocation, quinodimethane. Sự hình thành nền tảng của tổng hợp điện hóa hữu cơ và các điều kiện thí nghiệm tương ứng đã được khám phá, phục vụ cho tính chọn lọc và hữu dụng của các chuyển hóa hóa học.
Sự hữu dụng và linh họat cụ thể chính là phản ứng hình thành liên kết carbon – carbon như trong phản ứng Kolbe, phản ứng electrohydrodimer hóa, phản ứng qua trung gian N-acyliminium cation. Sự chuyển hóa điện hóa của các hợp chất hữu cơ có liên quan mật thiết tới sự chuyển hóa quang hóa. Sự họat hóa điện hóa sản xuất ra chất trung gian họat động, giống như sự họat hóa quang hóa, không có sự tham gia của nhiệt. Hơn nữa, hợp chất hữu cơ trong chuyển hóa điện hóa phải có nhóm chức họat điện (electrophore) cũng giống như nhóm nhạy quang (chromophore) cần thiết cho sự họat hóa quang hóa. Phẩn tử được họat hóa bởi sự thêm vào hay bớt ra của electron ở điện cực vào LUMO (đối với phản ứng khử ở cathode) hay HOMO (đối với phản ứng oxi hóa ở anode) tương ứng. Chính điều này làm ta dễ dàng đánh giá khả năng oxi hóa hay khử của một hợp chất. Trong thực nghiệm, phương pháp điện hóa có giới hạn cũng như sự tiện lợi đồng nhất nhau ở điều kiện khử và oxi hóa mãnh liệt nhất, chẳng hạn benzene có thể bị oxi hóa cho ra benzoquinone và khử cho ra 1,4-dihydrobenzene bằng phương pháp điện hóa.
Những chất trung gian họat động quan trọng nhất được hình thành trong sự khử và oxi hóa điện hóa là radical-ions, radicals, carbocations, và carbanion; trong số đó, radical-ions thường được hình thành đầu tiên, và sự phân mảnh sau đó thường dẫn tới hình thành radicals, có thể bị khử hay oxi hóa.
Hình 1: Các trung gian hình thành qua phương pháp điện hóa
Sự chuyển electron trong chuyển hóa điện hóa mang lại những trạng thái trái ngược, ví dụ hợp chất giàu electron bị oxi hóa sẽ tạo ra hợp chất thiếu hụt electron (electrophile), và hợp chất nghèo electron tạo ra nucleophile. Họat tính hóa học của những hình thái này như mong đợi, radical-anion có thể mang tính nucleophile và base, radical-caiton có thể mang tính electrophile, và cả hai đều có thể phản ứng như những radical trong phản ứng ghép đôi (coupling reaction). Đã có nhiều sự hiểu biết về đặc điểm cấu trúc của các hình thái trung gian này, giúp ta hiểu rõ hơn sự chọn lọc giữa các hướng tương tác cạnh tranh (hướng phản ứng).
Nhiều cải tiến nâng cao trong kĩ thuật tổng hợp điện đi đôi với sự nhận thức cơ chế của phản ứng điện hóa hữu cơ (electroorganic reaction). Hơn nữa, những kĩ thuật công nghệ được dùng để nghiên cứu cơ chế, chủ yếu ở phân tích điện hóa, đã được nâng cao trong sự mô tả hình thái, đặc trưng của các trung gian có thời gian sống ngắn, và cả trong nghiên cứu về những chuyển hóa cơ bản như chuyển proton (proton transfer) và chuyển đơn electron (single electron transfer – SET). Nghiên cứu hữu cơ điện hóa đã có những ảnh hưởng đáng kể đến hữu cơ và hóa lý hữu cơ nói chung.
(continue)
1.2. Vấn đề thực nghiệm: Chuyển hóa điện hóa có thể được tiến hành trực tiếp tại một điện cực (direct electrolysis) hay bằng phản ứng điện cực để phát electron vào một tác nhân hóa học (indirect electrolysis) hay một tác nhân chuyển electron (mediated electrolysis). Trong mỗi trường hợp, hệ phản ứng là tế bào điện hóa với nhiều lọai và kích thước khác nhau, được cấu thành đơn giản và rõ ràng. Tế bào điện hóa gồm hai ngăn cathode và anode, được ngăn cách nhau bởi màng hay vật liệu microporous như thủy tinh nung (sintered glass) làm tế bào phân tách (divided cell), hay làm trở thành ngăn đơn (undivided cell). Vật liệu điện cực thường được chọn bởi vật liệu trơ đối với điều kiện khử và oxi hóa, và thế tại điện cực làm việc (working electrode) được điều khiển so với điện cực tham khảo (reference electrode), qui trình này còn gọi là điện phân thế tĩnh (potentiostatic electrolysis). Trong trường hợp phản ứng được điều khiển bởi dòng cố định gọi là điện phân thế tĩnh galvani (galvanostatic electrolysis). Trong đa số trường hợp, đối với sự chuyển hóa tổng hợp điện được thực hiện ở dòng tĩnh (galvanostatic) trong tế bào điện không màng ngăn (undivided cell). Phản ứng cũng thường được thực hiện trong dung dịch chứa các ion muối như những chất điện phân hỗ trợ (supporting electrolytes) có thế khử và oxi hóa trơ. Chất điện phân hỗ trợ kết hợp với dung môi phân cực đóng vai trò tải dòng chạy qua các điện cực, thường các hợp chất hữu cơ trung hòa được vận chuyển bằng sự đối lưu (khuấy hay chảy) hay khuếch tán.
1.3.Các chuyển hóa điện hóa thông thường:
1.3.1. Tạo liên kết carbon – carbon:
Phản ứng điện giải Kolbe và phản ứng electrohydrodimer hóa là hai quá trình tổng hợp điện đứng vững theo thời gian, điều kiện thực hiện tương đối đơn giản, một bước ghép cặp tạo ra liên kết carbon – carbon.
Hình 2: Phản ứng ghép cặp điện hóa radical và radical – ions.
Những phản ứng này và phản ứng ghép cặp alkene trên anode (ở mức độ ít hơn) là những tiến bộ trong tổng hợp điện hóa. Các nhà khoa học đã khai thác khéo léo để làm tăng hiệu suất chất tạo thành, tăng tính chọn lọc lập thể, và phát triển cả các tương tác nội phân tử.
Carbon radical được sản xuất bởi sự oxi hóa ở anode anion carboxylate (ion tự do), vì nồng độ ion có tính định vị cao hình thành ở điện cực, chi phối đến phản ứng ghép cặp. Những radical tương tự đựơc sản xuất trong hệ đồng thể khác không ghép cặp với hiệu suất tốt. Tâm carbon radical được tạo ra bằng sự điện giải Kolbe có họat tính cao, các radical khác có thể được sinh ra bởi sự đồng điện giải (co-electrolysis) và chúng có thể kết hợp ngẫu nhiên (phản ứng Brown-Walker). Những tâm họat động này đều có thể cộng vào nối đôi cả liên phân tử lẫn nội phân tử.
Một ví dụ về sự hình thành của hợp chất fluor hóa ko hòan chỉnh, và C-glycoside, các chất này có hình thái và tính chất tinh thể lỏng thú vị. Weedon đã thực hiện phản ứng Kolbe như sau:
Hình 3a. Ví dụ (a) phản ứng Kolbe
Nhiều acid béo đã thực sự được tổng hợp tương tự như trên và xác định lập thể, cho thấy cấu hình tương đối hòan hảo.
Ngòai ra, sự oxi hóa Kolbe cũng được xem là phương pháp thuận lợi để sinh ra trifluoromethyl radical, có thể thế vào nhân thơm hay cộng vào nối đôi.
Hình 3b.Ví dụ (b) phản ứng Kolbe
Một ví dụ thực nghiệm nữa cho thấy sự thuận lợi của phương pháp tổng hợp điện hóa, ở anode sinh ra carbon radical có tác dụng khơi mào cho quá trình vòng hóa qua một bước chuyển với sự định hướng (regioselectivity) và chọn lọc lập thể tốt (stereo-selectivity):
Hình 3d.Vi dụ (d) phản ứng Kolbe.
Phản ứng electrohydrodimerisation (EHD) thường là kết quả của sự khử ở cathode của alkene được họat hóa bởi một nhóm rút electron. Cơ chế chung của lọai phản ứng này như sau:
Một số lượng lớn các ví dụ thực nghiệm, tuy nhiên ở đây chỉ đề cập đến hai bài báo cáo mô tả đựơc tính linh động và phạm vi của phản ứng.
Hình 4. Phản ứng Electrohydrodimerisation
Phản ứng này phụ thuộc vào sự kết hợp nhanh chóng của anion – radical bất định xứ. Do đặc thù của chất chuyển trung gian, phản ứng phải đựơc thực hiện dưới điều kiện giảm thiểu sự cạnh tranh proton hóa (chẳng hạn như proton hóa nối đôi). Ta sẽ gắn thêm vào alkene các nhóm có khả năng rút electron mạnh (thường là CO2R, COR, CN, NO2, C=NR) để làm an định một phần điện tích âm của anion, làm giảm họat tính nucleophile.
Phản ứng electrohydrodimerisation với dimethyl maleate (ví dụ 4a) trong điều kiện đơn giản (dòng cố định, điện cực graphite, MeOH – NaOAc là electrolyte), đã được nghiên cứu phát triển. Trong trường hợp này phản ứng dimerisation của radical – anion xảy ra nhanh hơn phản ứng proton hóa, thậm chí trong cả dung dịch methanol. Điều này được giải thích do cấu trúc chất nền, sự họat hóa gấp đôi của hai nhóm CO2Me làm tăng sự bất định xứ của điện tích âm lên đáng kể, làm giảm tính base và tăng tính chất radical. Đó chính là một khái niệm quan trọng trong việc thiết kế chất nền cho phản ứng EHD.
Sang ví dụ thứ (4b) ở trên, thực hiện phản ứng EHD cho họ chất cinnamate ester. Radical – anion thực hiện phản ứng dimer nhanh hơn khi liên kết càng bất định xứ (kết quả của sự làm giảm thông số E0 âm), ở đây ta tìm thấy mối quan hệ tuyến tính giữa E0 và log k2. Phản ứng EHD của cinnamate ester được tiến hành bằng phương pháp ngưng tụ Dieckmann in situ, cho ra sản phẩm 3,4-diarylcyclopentanone có độ chọn lọc lập thể cao. Tất cả các đồng phân trans chỉ cho ra một lọai sản phẩm, các ester quang họat giảm tính chọn lọc xuyên lập thể phân (diastereoselectivity) tới 95%.
(continue)
Anh ơi cho em hỏi là tại sao khử Ankin thành Anken bằng phương pháp điện hóa thì dùng điện cực bằng Pt và Ni lại cho 2 cấu hình ngược nhau?
Thú thật khi đọc vài bài review cũng như sách về mảng này, mình thấy đa số đều có những kết luận chung: “cơ chế phản ứng điện hóa về bản chất rất phức tạp, và càng ngày khoa học càng hoàn thiện những phương pháp, máy móc … để có thể đo đạc chính xác, rồi từ đó mới lập luận đề nghị một cách tương đối cơ chế phản ứng điện hóa”.
Trong bài em hỏi, anh có ý kiến như sau: Trường hợp này sẽ đi đến khác nhau về bản chất điện cực cathode. Pt là điện cực có mật độ dòng lớn hơn Ni. Pt có độ hấp phụ Hydro (liên kết M-H) mạnh hơn so với Ni, nhưng yếu tố này đóng vai trò ko quyết định.
Do vậy có thể lập luận, nếu giả sử phản ứng được tiến hành theo hướng tiếp cận trực tiếp, có nghĩa là alkyne sẽ đi tới bề mặt điện cực cathode, và nhận 1 electron hình thành radical - anion. Giai đoạn này xảy ra chậm, thuận nghịch.
Bước tiếp theo H+ sẽ proton hóa chất trung gian vừa sinh ra, hình thàh ngay radical
Radical này lập tức nhận electron thứ hai từ điện cực để hình thành anion. Đây là một hướng cơ chế mình dựa vào một phản ứng đã được khảo sát, trong bài báo này có đề cập sự trao đổi tới electron thứ hai trong hệ điện hóa là khó khăn, nhưng nếu sự bố trí phản ứng trong hệ thuận lợi thì hoàn toàn có thể.
Anion này bị proton hóa để hình thành alkene. Ba giai đoạn sau xảy ra nhanh gần như đồng thời.
Theo cơ chế đề nghị trên, ta thấy ko những phụ thuộc vào mật độ dòng, khả năng hấp phụ hydro của điện cực cathode, mà còn phụ thuộc vào cấu trúc chất điện giải. Nếu ở alkyne nền gắn với nhóm rút electron, thì cơ chế sẽ đi theo hướng trên càng thuận lợi.
Giả sử bỏ qua ảnh hưởng của chất điện giải, ta có thể thấy ngay nếu mật độ dòng của điện cực cathode càng cao, sự chuyển hai electron càng xảy ra dễ dàng, hơn nữa quá trình proton hóa ở hai giai đoạn sẽ xảy ra gần như một lúc => Cấu hình trans ưu tiên hơn về mặt tương tác lập thể.
Như vậy, theo mình (chưa có chứng cứ, bài báo cụ thể về vấn đề này) thì trường hợp Pt cho ra sản phẩm trans, và có thể cathode Ni cho ra hỗn hợp sản phẩm trans và cis, trong đó có thể cis nhiều hơn.
Thân !
1.3.2. Hình thành nhóm chức - Functionization:
Hầu hết các ví dụ về sự tạo thành nhóm chức bằng phương pháp điện hóa đều liên quan đến sự oxi hóa ở anode, vì hydrocarbon radical – cation thường bị khử proton dễ dàng (X=H trong hình 1). Một vài ví dụ như sau:
Hình 5a. Ví dụ (5a) cũng là nguyên lý của sự tổng hợp benzaldehyde tương ứng từ toluene trong công nghiệp. Hay một ví dụ khác, là phản ứng đựơc khám phá bởi Ross – Eberson – Nyberg, và sau này được Tatsuya Shono khai thác, amide được oxi hóa thành N-acyliminium cation.
Hình 5b. Hiện giờ vẫn chưa tìm ra con đường nào khác ngòai phương pháp này để tổng hợp ra chất trung gian linh động N-acyliminium (chất đánh số 1 trong hình (b)). Bởi vì chúng thường đựơc hình thành trong dung dịch methanol, và α-methoxyamide được cô lập. Chất (2) trong chuỗi trên chính là Geissman – Waiss lactone, và các đồng phân quang học của nó có thể được tổng hợp bằng phương pháp điện hóa dựa trên họat tính của N-acyliminium cation (chất 1) tạo ra nhóm chức có độ kiếm sóat lập thể cao. Một vài báo cáo tổng hợp khác bao gồm cả tương tác nội phân tử của N-acyliminium cation, ví dụ phản ứng sau:
1.3.3. Các phản ứng đóng vòng:
Phản ứng nội phân tử của các radical – ion, radical, cation, hay carbanion đã được nghiên cứu kĩ, có các đặc trưng hữu dụng trong việc thiết kế qui trình tổng hợp. Ba ví dụ điện hình lần lượt được xét sau:
Hình 6a. Điểm quan trọng cần được nhấn mạnh, là phản ứng tuân theo cơ chế “liên quan” (concerning mechanism) như họ phản ứng pericyclic. Trong trường hợp này có sự khác nhau rõ ràng ở tính khử của hai nhóm họat tính và sự chuyển electron thứ nhất để họat hóa nhóm alkene. Từ luận điểm này, có vài khả năng cơ chế phản ứng xảy ra như sau: (i) Chất trung gian hình thành đầu tiên là radical – anion có thể cộng vào carbonyl như một radical hoặc một nucleophile. (ii) sự proton hóa sinh ra radical đóng vai trò chất tấn công. (iii) Các sự chuyển electron sau đó có thể sinh ra carbanion như một nucleophile chìa khóa. Một ví dụ khác phản ứng ghép cặp liên quan đến sự oxi hóa ở anode của enol ether có hai tâm họat điện và sự ghép cặp có thể như sự kết hợp của hai radical – anion (radical – ion / radical – ion coupling) hoặc một tâm radical – cation tấn công vào nhóm enol bên cạnh nhóm ether (radical – ion / substrate coupling).
Hình 6b. Sự ghép cặp tạo vòng ở cathode cũng xảy ra tương tự, bao gồm cả các radical – anion. Hướng ghép cặp giữa radical – ion / substrate tương đối hiếm, thường gặp hướng ghép cặp radical – ion / radical ion. Ví dụ cuối cùng:
Đây là ví dụ giải thích tốt nhât khả năng tấn công electrophile của radical – cation từ enol ether vào vòng furan.
(continue)
Thắc mắc gửi Bluemonster: Với nhiều ưu điểm về Tổng hợp đến như vậy mà sao hình như Tổng hợp Hữu cơ Điện hóa vẫn không phát triển? Hiện nay có bao nhiêu quy trình Tổng hợp hữu cơ điện hóa được ứng dụng trong sản xuất đại trà ở nước ta và thế giới.
Chào anh ! Thanks anh đã giúp em remind một số vấn đề !
Theo em được biết, tổng hợp hữu cơ bằng phương pháp điện hóa vẫn chưa có sự phát triển toàn diện, và thông dụng, vì một số hạn chế:
- Quá trình design qui trình và thiết bị phức tạp
- Phản ứng điện cực thường chỉ là một giai đoạn, hoặc một patent trong qui trình tổng hợp chất hoàn chỉnh.
- Phụ thuộc nhiều thông số, chẳng hạn như thế điện cực, vật liệu điện cực, dung môi, chất điện giải nền, nồng độ chất hoạt điện, pH của các chất phụ gia…
- Một yếu tố mang tính khá chủ quan là giới hạn của chuyên gia, so với số prof tổng hợp hữu cơ cổ điển và tổng hợp hữu cơ bằng phương điện hóa thì … một trời một vực.
Thường tổng hợp điện hóa chỉ được quan tâm khi tổng hợp cổ điển trở nên nan giải, và một đòi hỏi thường thấy là chất nền hữu cơ cũng như loại phản ứng hữu cơ có kèm theo sự trao đổi electron.
Đó là một vài hiểu biết của em về mảng Tổng hợp hữu cơ bằng phương pháp điện hóa. Câu hỏi thứ hai của anh khá rộng, nhưng phải làm trong lĩnh vực điện hóa mới có thể nắm toàn diện. Anh chocolatenoir hướng dẫn thêm cho em nhé !
Những chất trong Tổng hợp hữu cơ bằng phương pháp điện hóa nói trên, theo như tôi hiểu là được tổng hợp và nằm gói gọnt rong phạm vi phòng thí nghiệm và lượng sản xuất ra là mức độ nhỏ.
Tại sao vậy, kỹ thuật điện hóa trong tổng hợp hiện đang vấp phải vấn đề:
- Dòng điện tác động đồng thời và đồng loạt lên mọi cấu tử trong hệ
- Hệ dung môi điện ly
- Không có vật liệu màng hay dạng khác để khống chế và chọn lực cấu tử trong phản ứng
- Sau phản ứng có nhiều sản phẩm phụ bên cạnh sản phẩm chính.
Tuy nhiên, trong ứng dụng hiện tại, kỹ thuật điện hóa có ứng dụng tốt trong sơn tĩnh điện, sơn điện di, phân tích điện di chất protein, tổng hợp polyanilin,…
Công nghệ điện hóa theo mình hiểu có thể chia thành vài mảng như sau
- Xi mạ: mảng lớn nhất
- Nguồn điện: ăcquy, pin, fuel cell…
- Chống ăn mòn vật liệu
- Tổng hợp các hóa chất bằng kỹ thuật điện hóa: vô cơ và hữu cơ Với các hóa chất vô cơ thì có nhiều như công nghệ sản xuất xút-clo, sản xuất H2O2, MnO2… tuy nhiên với tổng hợp hữu cơ điện hóa thì ngoài adiponitrile (và có thể một số chất hữu cơ khác ) đã được sản xuất lượng lớn thì đa phần vẫn dừng lại ở cấp pilote hay phòng thí nghiệm
Cuốn sách về Tổng hợp Hữu cơ điện hóa nổi tiếng nhất cho đến nay vẫn là cuốn Organic Electrochemistry của Henning LUND (lần xuất bản lần thứ 4 năm 2001). Về review thì Henning LUND cũng đã có viết bài review A century of organic electrochemistry đăng trên JECS
hay quá, em rất cám ơn
Chào Anh Minh! Đề tài này hay đây, anh viết bài này cũng 4 năm rồi nhỉ! Em đang nghiên cứu tổng hợp polymer bằng phương pháp điện hóa, em thấy đa phần các bài báo nói về phương pháp làm chứ không nói đến cơ chế, em muốn tìm hiểu sâu về cơ chế, và em đề nghị đc cơ chế như sau không biết có hợp lý ko? Khi cho một dòng điện đi qua dung dịch chứa monomer thiophene (1), thì tại anod sẽ xãy ra quá trình oxi hóa monomer thiophene, tức là đôi điện tử trên pi bị lấy đi 1e , 1e còn lại nhảy lên đứng ở vị trí cacbon số 2 để tạo thành tâm hoạt động theo cơ chế gốc tự do và một điện tích dương trên cacbon số 3 (2). Đến đây thì có 2 trường hợp để nói:
- Chất số (3) sẽ kết hợp với một monomer thiophene (4) để tạo thành bithiophene (7) với cơ chế như sau:
- chất (3) sẽ phản ứng với chính nó theo cơ chế sau:
Tớm lại: với cơ chế như vậy thì các anh thấy có ổn không vậy?
Cho tui hỏi cái, sau khi monome thiophene bị oxi hóa thì tạo ra 1 điện tử ở vị trí số 2 và điện tích đương ở vị trí số 3, vậy câu hỏi đặt ra tại sau ko ngược lại. niếu ngược lại thì thay vì nối vị trí 2-2’ thì giời nó nối vị trí 2-3’. :24h_027:
Hi di_nhan câu hỏi của bạn thật hóc búa, trên con đường tìm đường cứu chửa mình đã nhận ra được một số các cái điểm sau:
“Since the most negative carbon of the neutral 3-methylthiophene is also carbon 2, and the carbon with the highest odd electron population of the radical cation is carbon 2, they concluded that a radical cation mechanism would lead to mostly 2–2, H–H links.”
Do cacbon âm điện nhất trên thiophene là cacbon số 2 và cation có mật độ e lẻ cao nhất cũng là cacbon số 2 nên kết luận rằng cơ chế cation gốc tự do chủ yếu tạo thành là 2-2’ hoặc 2-5’ (vì trên thiophene 2 và 5 là như nhau).
Ngoài ra trong quá trình nghiên cứu tổng hợp thiophene trong các môi trường nhiệt độ khác nhau thì ngoài sự nối ở vị trí 2-5’ or 2-2’ thì nó có thể nối theo vị trí, 2-3’ or 2-4’ (vì 3’ giống 4’) Những kết quả này có thể được giải thích bởi ở nhiệt độ cao thì độ nhớt giảm, có năng lượng để đưa e từ vị trí 2 đến vị trí 3 như bạn nói, các monomer trở nên linh động và xác suất để chúng kết hợp cao hơn, chính vì sự kết hợp dễ dàng nên thay vì kết hợp vị trí 2-5’ thì chúng có thể kết hợp theo kiểu 2-3’, chính cấu trúc bất thường này đã làm giảm độ dẫn. xem hình này để suy nghỉ nhé:
Sciencedirect, Sang Soo Jeon , Soo Jung Yang , Kee-Jung Lee, Seung Soon Im, A facile and rapid synthesis of unsubstituted polythiophene with high electrical conductivity using binary organic solvents, year 2010.