Hiệu ứng nhóm thế thân điện tử trên sản phẩm trung gian pdf

Thí dụ, sự định hướng với sự tham gia của liên kết lưỡng cực xác định sự tương tác với chất mang tại trung tâm phản ứng trong phân tử.. Hiệu ứng phân cực là kết quả của sự phân bố điện t

Nhóm 6: Hồng Bội Hà – HHC Khóa 19

3.4 Hiệu ứng của các nhóm thế thân điện tử trên các sản phẩm trung gian phản ứng:

Sự khơi mào của các nhóm thế làm thay đổi tốc độ của phản ứng, thậm chí là các nhóm thế này không trực tiếp phản ứng Sự thay đổi làm ảnh hưởng ∆G‡ trong việc xác định tốc độ, hoặc trước tiên, các bước sẽ gây nên những thay đổi trong việc khảo sát tốc độ phản ứng Sự khác nhau gây nên do thay đổi năng lượng trong các tác chất hoặc trạng thái chuyển tiếp, hoặc cả hai Sự thay đổi về cấu phần của sản phẩm là kết quả của sự thay đổi về ∆G‡ của các qui trình cạnh tranh Mở rộng thêm, có 3 loại hiệu ứng gây nên bởi các nhóm thế, đó là kết quả của sự tương tác điện tử, tương tác không gian, và tương tác cấu trúc đặc trưng Các hiệu ứng không gian có nguồn gốc từ các tương tác không liên kết Sự tương tác về cấu trúc đặc trưng, thí dụ như liên kết hydrogen nội phân tử và sự tham gia của nhóm kế cận phụ thuộc vào vị trí các nhóm thế

có liên quan Trong phần này, chúng ta tập trung vào hiệu ứng thế thân điện tử Các hiệu ứng của nhóm thế thân điện tử có thể được chia ra thành những giai đoạn nhỏ hơn Các nhóm thế có thể hoạt động bởi sự định hướng của các điện tử do có sự cộng hưởng hoặc siêu liên hợp, bao gồm định hướng σ – σ* và σ – π*, cũng như π – π Sự cộng hưởng và siêu liên hợp hoạt động thông qua sự tương tác orbital đặc trưng và vì vậy tác động tới các yếu tố về lập thể điện tử; các orbital tương tác với nhau cần phải đồng phẳng Hiệu ứng cực tĩnh điện học bao gồm cả hiệu ứng của chất mang nhờ có liên kết lưỡng cực và hiệu ứng của nhiều trung tâm cách xa hơn của chất mang Hiệu ứng cực cũng vẫn có thể có cấu phần hình học Thí dụ, sự định hướng với sự tham gia của liên kết lưỡng cực xác định sự tương tác với chất mang tại trung tâm phản ứng trong phân tử Hiệu ứng cực thỉnh thoảng chia nhỏ ra thành hiệu ứng trường và hiệu ứng cảm ứng Các hiệu ứng nếu là sự thay đổi điện tử do lưỡng cực liên kết được gọi là hiệu ứng cảm ứng và các hiệu ứng này nếu là do sự tương tác lưỡng cực trong không gian gọi là hiệu ứng trường Hiệu ứng phân cực là kết quả của sự phân bố điện tử không đều của một nhóm, thể hiện một cơ chế khác của các nhóm thế tương tác, và đặc biệt quan trọng trong pha khí

Sự phân loại rõ ràng các nhóm thế dựa vào những nhóm cho điện tử và những nhóm rút điện tử Tuy nhiên, để hiểu rõ hơn nữa về phương pháp, chúng ta cần làm rõ hai điểm nữa Hiệu ứng điện tử của các nhóm thế là kết quả từ sự định hướng và tương tác có cực không cần thiết xảy ra cùng lúc Nhóm thế methoxy trên carbocation là một thí dụ điển hình Nguyên tử oxygen được ổn định mạnh do sự cộng hưởng vì có một liên kết π được hình thành giữa oxygen và carbon, bởi vậy định hướng được vị trí tác kích Tuy nhiên, liên kết lưỡng cực C – O là không ổn định, làm tăng sự tác kích vào carbon Trong trường hợp này, hiệu ứng cộng hưởng ổn định được

ưu tiên hơn và carbocation bền hơn (xem trang 21-22)

Chúng ta chấp nhận rằng mối liên hệ quan trọng giữa sự định hướng và hiệu ứng phân cực phụ thuộc vào chất mang tự nhiên giúp tạo thành trang thái chuyển tiếp hoặc chất trung gian

Sự định hướng của hầu hết các nhóm thế đều vào vị trí hướng đối diện, phụ thuộc vào chất mang

là âm hoặc dương, nhưng có thể có ngoại lệ Nhóm phenyl và vinyl bền khi định hướng đối với

cả chất mang âm hay dương Trong phần 3.6, chúng ta thảo luận về các mối liên hệ về độ lớn

năng lượng tự do, và đã chấp nhận mô tả định lượng của các hiệu ứng của nhóm thế Trong điểm này, chúng ta muốn làm cho sự ước tính có tính chất định lượng Sơ đồ 3.1 liệt kê một số những nhóm thế và đề cập tới dù đó là nhóm thế cho điện tử ERG hoặc rút điện tử EWG Hiệu ứng của các nhóm thế chỉ ra những tương tác cộng hưởng và tương tác có cực là hai tương tác khác nhau Trong phần thảo luận về hiệu ứng nhóm thế trong những chương tiếp theo, chúng ta sẽ thảo luận

về hiệu ứng thân điện tử của nhóm thế cho điện tử ERG và rút điện tử EWG

Chúng ta có thể chú ý tới những nét đặc trưng chung của những loại nhóm thế khác nhau Những nhóm alkyl đều cho điện tử do sự định hướng σ (hiệu ứng siêu liên hợp) và hiệu ứng phân cực thấp Các orbital π và π* của nhóm vinyl, phenyl và ethynyl cho phép chúng định

hướng bất kể là chất mang âm hay dương Bởi vì độ âm điện lớn hơn của carbon sp 2 và đặc biệt

là carbon sp, so với carbon sp 3, là những nhóm thế chưa bão hòa sẽ tác kích thân điện tử yếu vì

sự phân cực (Xem trang 12 – 13 để ôn lại xu hướng điện âm của carbon) Nhóm thế có oxygen

và nitrogen có cặp điện tử không góp chung là nguồn cho điện tử mạnh do cộng hưởng Alkoxy, acyloxi, amino, và acylamino đều là thí dụ chung của loại nhóm này Mặt khác, bởi vì độ âm điện mạnh hơn của oxygen và nitrogen liên kết với carbon, chúng là các nhóm thế rút điện tử thông qua các tương tác cực Nhất là nhóm acyloxi và acylamino bởi vì sự liên kết lưỡng cực với nhóm carbonyl Tất cả những nhóm chức carbonyl khác đều là nhóm rút điện tử EWG thông qua

sự cộng hưởng và sự đóng góp cực Liên kết lưỡng cực C = O và độ âm điện cao hơn của carbon carbonyl cũng đóng góp vào hiệu ứng sau cùng

Các halogen đều là những nhóm thế đáng chú ý Chúng hoạt động như là nguồn cho điện

tử bởi sự cộng hưởng của cặp điện tử không góp chung,

nhưng điều này ngược lại với kết quả hiệu ứng cực do độ âm điện cao hơn Hơn nữa, cả hiệu ứng cộng hưởng và hiệu ứng cực đều yếu dần từ trên xuống của bảng tuần hoàn Sự yếu dần của hiệu ứng cộng hưởng là do orbital liên kết dài hơn và thiếu điện tử che phủ với carbon hơn, nhưng trái lại hiệu ứng phân cực giảm khi độ âm điện giảm Kết quả là các halogen thường thể hiện khuynh hướng khác bình thường do sự thay đổi cân bằng giữa hiệu ứng cộng hưởng và phân cực Các hiệu ứng nhóm thế halogen cũng ảnh hưởng bởi sự phân cực, tăng từ fluorine tới iodine Khi halogen được thế vào một carbon, như trong trifluoromethyl hoặc trichloromethyl, những nhóm

đó đều là nhóm rút điện tử EWG theo cả cơ chế cộng hưởng và phân cực Thành phần công hưởng được liên kết với các orbital σ* Các nhóm thế sulfur RS, RSO, và RSO2 thể hiện sự thay thế nguồn cho điện tử cộng hưởng bằng chất nhận phân cực mạnh, khi đôi điện tử không góp chung của sulfur bị rút về liên kết với oxygen Nhóm trialkylsilyl đều là nhóm cho điện tử ERG tốt hơn alkyl, khi silicon có độ âm điện nhỏ hơn carbon Các nhóm trialkylsilyl đều là nguồn cho điện tử rất tốt bởi hiệu ứng siêu liên hợp

Có nhiều loại sản phẩm trung gian phản ứng trong phản ứng hữu cơ Trong phần này, chúng ta xem xét hiệu ứng nhóm thế trên bốn thí dụ quan trọng – các carbocation, các carbanion, các gốc và sản phẩm trung gian cộng carbonyl (tứ diện) – minh họa các hiệu ứng nhóm thế có thể đạt hiệu quả hoạt động như thế nào Các carbocation và carbanion đều là những sản phẩm trung gian với chất mang âm hay dương, và ta sẽ thấy chúng có bản chất phản ứng ngược nhau đối với hầu hết các nhóm thế Chúng ta cũng sẽ thảo luận hiệu ứng nhóm thế trên các sản phẩm gốc trung gian trung tính, nơi mà chúng ta không thể, mới nhìn qua, đã mong thấy hiệu ứng điện

tử mạnh, vì không có chất mang thực trong sản phẩm trung gian Cả 4 trường hợp đều được xem

là nhóm quan trọng của những phản ứng cộng vào carbonyl, nơi mà hiệu ứng nhóm thế trên chất phản ứng thường ưu tiên ảnh hưởng tốc độ của phản ứng

3.4.1 Các carbocation:

Các carbocation có một orbital trống nên mang điện tích dương Trong cách lai hóa chuẩn, có 5 loại lai hóa có thể xảy ra, nếu tất cả các điện tử đều đã ghép cặp

Năng lượng liên hệ giữa các cấu trúc này đều được minh họa trong hình 3.18 Ba hóa trị

của carbon lai hóa tạo ra chất mang điện tích dương hơn là tồn tại trong orbital p không lai hóa Tương tự, sự lai hóa p/sp được ưu tiên hơn cho các carbocation alkenyl Các lai hóa này thay thế chất mang trong orbital p có độ âm điện kém hơn

Sự sắp xếp sp 3 /sp 3 và sp 2 /sp 2 không phải tốn ít năng lượng, nhưng chỉ tối thiểu 20-30 kcal trên sự

sắp xếp p/sp 2 và p/sp Mối liên hệ năng lượng cao của carbocation ethynyl đầu mạch ảnh hưởng

thực tế đến chất mang điện tích dương được liên kết với một orbital sp âm điện hơn nếu liên kết

ba bị giữ chặt Sự ước tính các MO khác nhau được đề cập rằng cation ethynyl có hình dạng các điện tử xen kẽ thay thế phần điện tích dương trong orbital π, nhưng cation sẽ rất không bền

Các carbocation , đặc biệt trong pha khí, tồn tại dạng vòng Điều này là thực tế đối với cation ethyl và vinyl Và những chất vòng khác được đề cập trong phần 4.4

Độ bền của carbocation theo thứ tự CH3 < pri < sec < tert dựa vào hiệu ứng cho điện tử

của nhóm thế alkyl Sự cho điện tử là do sự kết hợp hiệu ứng phân cực của carbon sp2 có độ âm điện hơn và hiệu ứng siêu liên hợp mà các điện tử trong liên kết σ C – H và C – C của nhóm alkyl đều có sự định hướng vào orbital p trống Sự định hướng này do cách sắp xếp điện tử trong không gian, vì sự thẳng hàng của liên kết C – H (hoặc C – C) với orbital p trống chứa điện tử định hướng lớn nhất Dữ liệu ước tính và thực nghiệm pha khí (hình 3.18) cho biết các năng lượng ổn định như sau (liên quan đến methyl, kcal/mol): CH3+ (0,0); CH3CH2+ (40, 41); (CH3)2CH+ (60, 59); (CH3)3C+ (85, 75)

Các carboncation kế bên liên kết π, như carbocation allylic và benzylic, được ổn định mạnh mẽ bởi sự định hướng Sự ổn định trong pha khí khoảng 60 kcal/mol đối với cation allyl và

75 kcal/mol đối với ion benzyl, so với cation methyl

Độ bền cộng hưởng tổng cộng được tính toán bằng MP2/6-31G* cho một số ion liên kết, được trình bày trong bảng 3.9 Một xu hướng chung trong tài liệu này là giảm hiệu ứng của các vòng phenyl trong nhóm cùng gốc như benzyl, diphenylmethyl, và triphenylmethylium Hai yếu

tố đều liên quan Hiệu ứng cộng hưởng bền bị giảm bởi vì các vòng liên tục bị xoắn Yếu tố này

và sự đẩy làm yếu đi hiệu ứng của mỗi nhóm phenyl vòng liên tục so đến methyl (xem cột B) Trong các nhóm cùng gốc allyl, nhóm thế 1-phenyl cộng 39.4 kcal để ổn định, trong khi 2-phenyl cộng chỉ có 11.4

Khi orbital p trống là một phần của hệ thống vòng liên kết hoàn chỉnh, có kết quả ổn định

hơn từ vòng thơm (Xem phần 8.3 để biết thêm chi tiết) Ion cyclopropenylium và ion cycloheptatrienylium phù hợp với loại này Khi liên kết vòng không có tính thơm, như ion cyclopentadienylium, bền so với cation methyl, nhưng thấp hơn các hợp chất thơm

Độ bền carbocation trong pha khí có thể được đo bằng khối phổ và bằng ái lực hydride,

đó chính là enthalpy phản ứng:

Bảng 3.10 cho các giá trị về ái lực hydride của một số carbocation Có một sự phù hợp giữa kết quả lý thuyết trong hình 3.18 và dữ liệu trong bảng 3.10

Các nhóm thế có oxygen và nitrogen có các điện tử không liên kết ổn định mạnh các carbocation Đúng cho cả oxygen loại ether và oxygen loại carbonyl (trong các ion acylium) Thậm chí fluorine và các halogen khác cũng ổn định do sự định hướng (nhưng chúng ta thảo luận về hiệu ứng phân cực ngược lại của các halogen sau)

Hiệu ứng ổn định do sự định hướng thậm chí có thể thấy qua các nhóm chức rút điện tử Thí dụ, sự tính toán cho biết nhóm cyano và nhóm carbonyl có hiệu ứng cộng hưởng ổn định Điều này trái ngược với hiệu ứng phân cực, vì vậy hiệu ứng thực không ổn định, nhưng cấu phần cộng hưởng thì ổn định

Hình 3.11 cho biết các năng lượng bền của một số pha khí được tính toán bằng các phương pháp khác nhau Cột A và B cho biết độ bền của các carbocation methyl thế (methylium), cột C và D cho biết độ bền của các ion ethylium Các giá trị này được qui về pha khí, không có dung môi, năng lượng bền tuyệt đối lớn hơn so với những nghiên cứu trong dung dịch Tuy nhiên, các kết quả cung cấp một giá trị về mối liên hệ về các nhóm thế khác nhau trên carbocation bền Chú ý rằng trong tất cả các nhóm thế, chỉ có NO2 là không ổn định mạnh Dữ liệu cho thấy F, Cl, CN, và CH=O chỉ ổn định ít, phản ánh kết quả bù trừ lẫn nhau giữa sự phân cực (không ổn định) và hiệu ứng định hướng (ổn định) được đề cập trước đó

Hầu hết việc tính toán so sánh ngay trong và ngoài nhóm thế trên carbocation được báo cáo bởi một nhóm nghiên cứu The Netherlands Nghiên cứu này so sánh sự tính toán MP2/6-311++G(d,p), CBS-Q, và B3LYP/6-311+G(d,p) và thấy rằng phương pháp CBS-Q cho dữ liệu thực nghiệm tương quan nhất Cũng có sự tương quan tốt với kết quả MP2 và B3LYP, các tính toán này cũng có thể đạt được kết quả tương tự CBS-Q (“CBS-Q-like”) khi phương pháp CBS-Q không thích hợp Bảng 3.12 cho một số tính toán bền (+) và không bền (-) của các cation ethyl và vinyl sử dụng trong phản ứng trao đổi

Các kết quả cho thấy sự không ổn định đối với các nhóm CF3, CN, CH=O, CO2H và NO2.

Mối liên hệ về độ bền, sự phân bố điện tích, và thứ tự liên kết xác định bởi ba yếu tố chính về độ bền carbocation như hiệu ứng cho điện tử π, hiệu ứng siêu liên hợp β, và hiệu ứng phân cực α

Hiệu ứng cho điện tử π và hiêu ứng siêu liên hợp β đều hiện diện cả trong carbocation alkyl và vinyl Các carbocation vinyl bền hơn Các cation vinyl nhạy hơn với hiệu ứng phân cực α

Lưu ý rằng các nhóm thế F, OH, và NH2 đều làm cho cation vinyl kém ổn định hơn cation alkyl Điều này được giải thích là do độ nhạy lớn hơn đối với hiệu ứng phân cực của

carbon sp âm điện hơn trong cation vinyl NPA và các đặc tính về thứ tự liên kết được trình bày

trong bảng 3.13 Các giá trị cho thấy sự liên kết với cation carbon và thứ tự liên kết giữa cation carbon và nhóm thế X

Trừ các nhóm thế cho điện tử π, hầu hết các điện tích dương trú ngụ trên cation carbon Hiệu ứng mạnh nhất gây nên bởi các halogen, sự giảm sút nhanh về điện tích dương trên cation carbon theo thứ tự F > Cl > Br > I Cần lưu ý đối với các chất mang NPA tại cation carbon là F

có tác dụng hơn CH3 trong sự định hướng vào chất mang điện dương Tuy nhiên, độ bền nhỏ hơn nhiều bởi vì hiệu ứng phân cực của liên kết σ C – F là không ổn định Hiệu ứng cộng hưởng cũng được đề cập khi thứ tự liên kết tăng đối với nhóm thế (phần in đậm)

Một nét đặc trưng của sự phân bố điện tích trong carbocation là sự tính toán điện tích dương trong carbon tam giác trong cation 2-propyl lớn hơn cation ethyl Xu hướng cho nhiều nhóm thế alkyl carbocation thêm dương điện tìm thấy trong những tính toán khác và phù hợp với phổ NMR 13C Phải làm như thế nào để có sự phù hợp với sự ổn định mạnh ảnh hưởng trên nhóm alkyl của carbocation? Levy đã có sự tranh cãi về phần mang điện (+) và (-) xen kẽ trong các cation tertiary làm ổn định độ bền Các hydrogen chịu hầu hết các chất mang điện dương liên quan đến sự phân bố điện tích NPA

Nhóm thế silicon ở vị trí β đối với carbocation làm ổn định mạnh do hiệu ứng siêu liên hợp

Sự ổn định này là mức độ đơn giản của hiệu ứng định hướng phụ thuộc vào góc nhị diện giữa liên kết Si – C và orbital p trống của carbocation Sự tăng tốc độ động lực học khoảng 1012,

0, và 104 được tìm thấy trong các hợp chất lần lượt ứng với góc 180o, 90o, và 0o Điều này phù hợp với cơ chế siêu liên hợp và sự phân tích những orbital che phủ nhau cho thấy sự che phủ mạnh mẽ với trường hợp định hướng anti (180o) hơn syn (0o)

Sự ổn định vị trí β thậm chí mạnh hơn đối với các nguyên tố có độ điện âm thấp như thiếc và thủy ngân Kết quả là sự cho điện tử hoàn toàn và xảy ra sự tách Chúng ta thảo luận loại phản ứng này nhiều hơn trong phần 5.10.5

3.4.2 Các carbanion:

Cũng như các carbocation, các carbanion tích điện âm trên carbon có nhiều kiểu lai hóa như sau

Bởi vì orbital không liên kết bị chiếm giữ, độ bền tăng theo tính chất s, trái ngược với trường hợp của carbocation Thứ tự ổn định của các carbanion là sp 3 < sp 2 < sp Mối liên hệ về độ bền của

các carbanion pha khí có thể được tính toán bằng năng lượng phản ứng của chúng với proton, được gọi là ái lực proton Ái lực proton của các hydrocarbon đầu dãy methane, ethane, và ethyne được tính bằng MP4/6-31+G* Thứ tự này phù hợp với độ âm điện được thảo luận trong phần

1.1.5, và khoảng trống lớn hơn giữa sp và sp 2 , khi so sánh với sp 2 và sp 3 Mối liên hệ về tính acid của hydrogen ở alkyne đầu mạch là một trong những tính chất đặc trưng của nhóm hợp chất này

Thứ tự ổn định của carbanion pha khí được sắp xếp như sau Et < Me ~ iso-Pr < tert-Bu, tính bằng công thức MP2/6-31+G(d,p) và B3LYP/6-31+G(d,p) Các giá trị thực nghiệm có thứ

tự giống với những giá trị đã trình bày Thứ tự Pri < sec < tert phản ánh hoạt tính của các nhóm

lớn hơn đến sự phân tán các điện tích âm Thứ tự Et < Me thể hiện nguồn cho điện tử CH3 (liên

quan đến H) của ethyl làm cho carbanion ethyl bớt ổn định Tuy nhiên, nhóm thế lớn tert-butyl

(trong anion neopentyl) có hiệu ứng ổn định rõ ràng do sự phân cực Lưu ý rằng hiệu ứng thế này yếu hơn nhiều so với các carbocation Sự khác nhau giữa các gốc và các carbanion tam cấp là khoảng 10 kcal/mol, so với carbocation là khoảng 75 kcal/mol Các anion alkyl đều được tính

toán cho rằng có dạng hình chóp, giống với mô hình lai hóa sp 3 Các góc liên kết ở carbon có ba hóa trị liên kết như: CH3‾ : 109.4o; CH3CH2‾ : 111.0o; (CH3)2CH ‾ : 109.1o; và (CH3)3C ‾ : 109.6o Các điện tích AIM cũng đã tính toán (B3LYP/6-311+G**) như ở dưới, và cho biết một số định

hướng liên kết σ tới các hydrogen β Chú ý rằng trong các anion ethyl và 2-propyl, các anti hydrogen có điện tích âm hơn so với gauche Cũng chú ý rằng sẽ giảm đáng kể điện tích trong

carbon khi anion trở nên lớn hơn Xu hướng này phù hợp với sự phân tán điện tích âm bởi cả hiệu ứng siêu liên hợp và hiệu ứng lưỡng cực Bảng 3.14 so sánh ái lực proton được tính toán bằng nhiều phương pháp với giá trị thực nghiệm

Nhóm rút điện tử như carbonyl, cyano, và nitro ổn định mạnh mẽ các carbanion như là kết quả sự bù lẫn nhau giữa hiệu ứng cộng hưởng và phân cực Bảng 3.15 cho một số tính toán

về năng lượng ổn định của nhiều nhóm thế