Dẫn xuất halogen

* Dẫn xuất halogen đều là hợp chất cộng hóa trị, thường không tan trong nước, tan tốt trong các dung mối hữu cơ và được dùng làm dung moi * Liên kết C-Hal phần cực do độ âm điện của halo

DAN XUAT HALOGEN VA HOP CHAT CO KIM

I Dan xuat halogen

Dan xuat halogen la hop chất hữu cơ thu được khi thay thế một hay nhiều H của hidrocacbon bằng halogen Tùy thuộc vào số nguyên tử halogen trong phân tử để phân biệt

cac dan xuat monohalogen, dihalogen, trihalogen va polihalogen

Dẫn xuất monohalogen Dân xuất đihalogen Dẫn xuất trihalogen

II Tinh chat vat ly

° Tính chất vật lý của dẫn xuất Halogen phụ thuộc vào thành phần va cấu tạo của hdrocacbon cũng như vào halogen

* Dẫn xuất halogen đều là hợp chất cộng hóa trị, thường không tan trong nước, tan tốt trong các dung mối hữu cơ và được dùng làm dung moi

* Liên kết C-Hal phần cực do độ âm điện của halogen lớn hơn của cacbon

III Tinh chat hoa hoc

** Khả năng phản ứng của dẫn xuất phụ thuộc trước hết vào bản chất Hal

Increasing rate of substitution

by nucleophiles

** Kha nang phan tng cua dan xuat Hal con phu thudc vao đặc điểm của gốc

hidrocacbon:

ULoai phản ứng trung binh gém anky]1 va xicloanky] halogenua

U Loại khả năng phản ứng kém là các ankenyl và aryl halogenua trong đó Hai được gắn trực tiếp với nguyên tử C sp2 vì do hiệu ứng liên hợp +C của cặp electron p của Hai với

hé thong electron m cua hidrocacbon

1 Phản ứng thế

Phản ứng thế nguyên tử Hai trong dẫn xuất chủ yếu xảy ra theo co ché thé S,

R—X: + Yo" —> l—Y + > cm

Tác nhân nucleophin thường là cac anion va thudng stv dung la cac muoi cua Li, Na va K

MOR (a metal alkoxide, a source of the nucleophilic anion RO "

MOCR (a metal carboxylate, a source of the nucleophilic anion RC—O -) MSH (a metal hydrogen sulfide, a source of the nucleophilic anion HS " MCN (a metal cyanide, a source of the nucleophilic anion :CS=N')

MN, (a metal azide, a source of the nucleophilic anion *‘ N=N=N_:)

R

Alkoxideion Alkyl halide Ether Halide ion

isobutyl

(CH:);CHCHzONa + CH;CH;Br -ˆ“ˆ”> (CH:)2CHCHzOCH;CH: + NaBr

KOC(CH;);¿CH; + CH;CHạI — ater CH;CH;OC(CH;);¿CH: + KI

octadecanoate iodide octadecanoate (95%) iodide

NaCN + Lồ-a 9= + NaC|

i + atk: acetone R—I: + XP

lodideion Alkyl chloride Alkyl iodide Chloride or

CHẠCHCH; + Nai —— CHaCHCHs + NaBr (solid)

Tac nhan nucleophil (Nu-)

Phân biệt: Tính bazơ và tính nucleophil của tác nhần

** Tính bazơ được đặc trưng bằng khả năng nhận proton: Nước có tính bazơ mạnh hon Cl

HCI + H,O ——” H,O” + cl”

** Tính nucleophil được được trưng bằng khả năng tấn công vào nguyên tử Csp3: OH:

có tính nucleophil mạnh hơn so với NH, vì tốc độ phản ứng với Csp3 nhanh hơn

RS”

Br HO- RO- CN-

NH

Cr - RCO;

H,O ROH RCO.H

Conjugate Acid

HI H.S RSH

HBr

H.O ROH HCN

NH,’

HCI

HF RCO.H

H.O' RO'H,

The following trends can be noted:

1 Species wth negative charges are stronger nucleophiles than

corresponding uncharged species

Tính chất nucleophil của tác nhân còn phụ thuộc vào bản chất dung môi phản ứng

Dung môi phân cực (protic solvant): chứa H có khả năng tạo liên kết H với O,N như nước, rượu

¢

most nucleophilic least nucleophilic

Relative nucleophilicity in a protic solvent

nucleophile in a solvent cage OR

Tính chất nucleophil phụ thuộc vào hiệu ứng cộng hưởng

R^o®

alkoxide ion:

charge is localized more nucleophilic

CO CHE PHAN UNG

Tùy theo số phân tử tham gia vào giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng mà phân biệt phản ứng thế đơn nguyên tử (S1) và lưỡng phân tử (S,2)

a) Cơ chế phản ứng thế S.2

CH;Br + HO —> CHOH + Br

Methyl bromide Hydroxide ion Methyl alcohol Bromide ion

Phản ứng qua giai đoạn trung gian lưỡng phần tử:

HO: + CH,Br: —> HO -CH;—-Br: ——— HOCH; + ‘Bre Hydroxide Methyl Transition Methyl Bromide ion bromide State alcohol ion

Tốc độ phản ứng tuần theo phương trình động học bậc hai

v = k[CH-Br][HO"]

s* Hóa lập thể cua phản ứng thế Sy2

Sản phẩm của phản ứng thế có cấu hình ngược với chất ban đầu (đảo cấu hình = inversion

Nguyên nhân: trong trạng thái chuyển tiếp CHạ(CH;)s H

tác nhần tấn công ngược hướng với liên kết s- \2

C-Hal trong dan xuat

š ñ—

= -Br

CH,

Khả năng phản ứng của dẫn xuất trong phản ứng thế SN2 phụ thuộc vào bậc của nguyên

tử C liên kết trực tiếp với Hal

Increasing rate of substitution

by the Sxy2 mechanism

RạCX < R,CHX < RCH-X < CH;X

Least reactive Most reactive,

acctone

Reactivity of Some Alkyl Bromides Toward Substitution by the 5,2 Mechanism

Alkyl bromide Structure Class Relative rate

Methyl bromide CH3Br Unsubstituted 221,000

Ethyl bromide CH3CH2Br Primary 1,350

lsopropyl bromide (CH3),CHBr Secondary 1

tert-Butyl bromide (CH3)3CBr Tertiary Too small to measure

Khả năng phản ứng theo cơ chế SN2 còn phụ thuộc vào mức độ phân nhánh của gốc

Kha nang phan tfng thé S,2 phu thu6c vao ban chat ctia tác nhân

Very good nucleophiles I-, HS~, RS >10°

Good nucleophiles Br-, HO-, RO-, CN-, N3~ 1

Fair nucleophiles NH;, CÍ”, F~, RCO;~ 107

*Relative reactivity is &(nucleophile)/k(methanol) for typical 5,2 reactions and is approximate Data

pertain to methanol as the solvent.

Khả năng thể còn phụ thuộc vào bản chất nhóm được thế (leaving group)

Leaving Group Ability Leaving Group Approx Relative Rate Conjugate Acid Approx pKa

Step 1: The alky! halide dissociates to a carbocation and a halide ion

tert-Butyl bromide tert-Butyl cation Bromide ion

Step 2: The carbocation formed in step | reacts rapidly with a water molecule Water

is a nucleophile This step completes the nucleophilic substitution stage of the

mechanism and yields an alkyloxonium ion

(CHC + 0% " (CHẠ)aC Đà

teri-Butyl cation Water tert-Butyloxonium ion

Step 3: This step is a fast acid-base reaction that follows the nucleophilic substitution

Water acts as a base to remove a proton from the alkyloxonium ion to give the observed product of the reaction, tert-butyl alcohol

Reaction coordinate ====®=

Một HCHC có thể tham gia phản ứng thế SN1 hoặc SN2 hoặc cả hai phụ thuộc vào bản chất gốc R, nhóm bị thay thế X, tác nhân nucleophin, dung môi, nhiệt độ Yếu tố quan

trọng nhất là gốc R:

Sxl reactivity: methyl < primary < secondary < tertiary

Sx2 reactivity: tertiary < secondary < primary < methyl

tert-Butyl bromide (CH3)3CBr Tertiary 100,000,000

Hoa lap the cua phan ttng SN1

Khi nguyên tử X gắn với C* thì cacbocation tạo thành không còn bất đối (achiral) vì 3 liên kết còn lại nằm trên cùng một mặt phẳng Khi đó nếu khả năng tấn công của tác nhần

nucleophin vào cacbocation từ hai phía là như nhau thì thu được hỗn hợp racemic, tuy nhiên

thực tế sản phẩm thu được là racemic và đảo câu hình (sản phẩm có cấu hình đảo là sản phẩm chính: major)

CH; Nà 7 HCH CH; A

—n: —— HO—C + È—on

(Rì-(—)-3-Bromooctane ($)-(+ )-2-Octanol (R)-( —)-2-Octanol

66% net inversion corresponds

a

e ge ©

Nguyên nhân: Do cản trở không gian của nhóm X- bị tách ra nên tấn công của tác nhân

nucleophin theo hướng ngược lại của nhóm X thuận lợi hơn nên xảy ra nhanh hơn

Chuyển vị của cacbocation trong phản ứng SN1

Trong một số trường hợp, cacbocation tạo thành trong phản ứng thế SN1 không bên, xảy

ra sự di chuyển của nhóm anky] (mety]) tạo cacbocation bền vững hơn gọi là sự chuyển vi

2-Bromo-3-methylbutane | 2-Dimethylpropyl cation |.1-Dimethylpropyl cation

(a secondary carbocation) (a tertiary carbocation)

The tertiary carbocation then reacts with water to yield the observed product

CH, CH; cH CH;CCH;CH; " CH.CCH,CHs —s CHPCH.CH

H CH

2 Phan tng tach (Elimination)

Quan sat thấy rằng, khi cho ankylhalogenua tác dụng với một bazơ Lewis thì xảy ra đồng

thời phản ứng thế và phản ứng tách; các phản ứng này cạnh tranh nhau

Dự doán hướng chính của phản ứng theo hai yếu tố:

"Cấu trúc của ankylhalogenua

- Tinh bazo ctia anion

chốc CH;CH.OH sec CH,CH=CH, + CH,CHCH,

Br OCH »CH,

Isopropyl bromide Propene (87%) Ethyl isopropyl ether (13%)

Phan wng E2 xay ra nhanh hon S,2 khi thurc hién giữa ankylhalogenua bậc 2 với tác nhần

nucleophin la mot bazo manh

Đối với ankylhalògenua bậc một phản ứng thế SN2 lại thuận lợi hơn so với phản ứng thế

Để thực hiện phản ứng tách đối với ankylhalogenua bậc 1 cần phải sử dụng tác nhân

nucleophin là một bazơ mạnh, kích thước lớn (chứa nhĩm án ngữ khơng gian) như t- BuOK

CH,(CH;),;CH,CH,Br ————> CH,(CH),,;CH=CH, + CH3(CH;),;CH3CH;OC(CH);

|-Bromooctadecane l-Octadecene (87%) tert-Butyl octadecyl ether (13%)

Trường hợp tác nhân là một nucleophin yếu (yếu hơn so với OH)) thì khi phản ứng với

ankylhalogenua bậc 1 hoặc bậc 2 đều cho sản phẩm là phản ứng thế

Đối với ankylhalogenua bậc 3, sự tấn công của tác nhân nucleophin thường cho sản phẩm tách Phản ứng thế xảy ra khi không có mặt của bazơ Lewis

(Major product in (Alkene mixture 1s major product absence of sodium in presence of sodium ethoxide) ethoxide )

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng tới sự cạnh tranh của các phản ứng Tăng nhiệt độ thì tốc độ

phản ứng thế và tách đều tăng nhưng thông thường phản ứng tách xảy ra nhanh hơn

3 Phản ứng với kim loại

a) Phản ứng với kim loại kiềm (nhóm I)

Phản ứng giữa ankylhalogenua với kim loại nhóm I tạo hợp chất cơ kim trong dung mồi

khan (dm: pentan, hexan và thường là Et,O)

RX + 2M — RM + M"X"

Alkyl Group | Group Ï Metal halide metal organometallic halide

compound

(CH,);CCL + 2Li ~=S (CH);CLi + LiCl

tert-Butyl chloride Lihium tert-Butyllithium Lithium

75%) chloride

Khi halogen gắn trực tiếp với C lai hóa sp2 phản ứng xảy ra chậm hơn

Bromobenzene Lithium Phenyllithium Lithium

(95-99%) bromide

Kha nang phan ứng

b) Phan ứng với magie

Phan tng gitfa dan xuat halogen vGi magie trong moi trường khí trơ, khan thu được hợp chất cơ magie hay còn gọi là hợp chất Grignard

" Kha nang phan tng

RI > RCI > RBr > RF

“ Thông thường phản ứng được thực hiện trong dung môi ete ở nhiệt độ sôi 35°C

”" Các ankylhalogenua có hoạt tính mạnh hơn so với aryl và vinylhalogenua Các aryl

và vinylclorua không tao thanh hg chat Grignard trong Et,O; dung moi tot nhat la THF

Vinyl chloride Vinylmagnesium chloride (92%)

IV Điều chế và ứng dung

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Halogen hóa trực tiếp

R.CH,OH R'= alkyl, vinyl, aryl