cơ chế hữu cơ

TÍNH THÂN HẠCH VÀ TÍNH BASE Chất thân hạch nucleophile là chất giàu điện tử có chứa ít nhất một cặp điện tử tự do và có khả năng phản ứng với tâm thiếu điện tử được gọi là chất thân điệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

TRONG HOÁ HỮU CƠ

MSSV: 2102159 Lớp:HS1009A1

(SP Hóa Học K.36)

Cần Thơ, 2014

MỞ ĐẦU

Hoá học hữu cơ là ngành khoa học, về những tính chất, cấu trúc, thành phần, phảnứng và cách tổng hợp hợp chất hữu cơ Nhiệm vụ cơ bản của hoá hữu cơ là: nghiên cứutổng hợp các hợp chất hữu cơ và tách biệt các sản phẩm hữu cơ, nghiên cứu xác định cấutrúc hợp chất hữu cơ, nghiên cứu tính chất và cơ chế phản ứng của các hợp chất hữu cơ.Trong đó nghiên cứu về cơ chế phản ứng là một trong những mảng quan trọng của hoáhữu cơ

Để giúp các bạn có những hiểu biết về mãng này nên tôi chọn đề tài “Một số cơchế cơ bản trong hoá hữu cơ”

2 Mục đích đề tài

Nhằm bồi dưỡng học sinh cho các kỳ thi học sinh giỏi của cấp phổ thông trunghọc

Ví dụ:

C C

HH

H

H Br Br H C C H

BrH

CCl4+

3.Phản ứng tách (elimination reaction)

Là phản ứng ngược lại với phản ứng cộng Trong phản ứng tách, phân tử tác chất

sẽ mất đi (tách, loại trừ) một phân tử để tạo thành một phân tử mới nhỏ hơn Đây là phảnứng dung để điều chế hợp chất chưa no

Ví dụ: Phản ứng dehydrohalogen hoá (dehydrohalogenation) alkyl halide (RX).Trong phản ứng này, một phân tử hydrogen halide (HX) được loại trừ và alkyl halide trởthành alkene

H

4 Phản ứng sắp xếp (rearrangement reaction)

Là phản ứng trong đó xảy ra sự sắp xếp lại các lien kết trong phân tử tác chất Kếtquả của phản ứng loại này là tạo ra một đồng phân mới trong khi tổng số lien kết trongphân tử không thay đổi

Ví dụ: Sự đồng phân hoá 3,3-dymetyl-1butene thành 2,3-dimetyl-2-butene trongmôi trường acid:

C C

HH

NH3

R C

OHOCH3

CH2

CH3OH

R CO

NH2+

1 Cơ chế phân cực (polar mechanism)

Còn được gọi là cơ chế ion Đây là loại cơ chế phổ biến nhất Theo cơ chế này, phảnứng xảy ra là kết quả tương tác giữa một chất giàu điện tử (chất thân hạch, nucleophile)

và một chất thiếu điện tử (chất thân điện tử, electrophile) Liên kết hoá học được hìnhthành do sự xen phủ của một orbital đầy điện tử của chất thân hạch và orbital trống củachất thân điện tử Theo cơ chế này, tác chất hoặc chất trung gian hoặc sản phẩm thường

là ion hoặc những phân tử trung hoà về điện có chứa liên kết cộng hoá trị phân cực Phảnứng thế giữa methyl chloride và ion hydroxide (-OH), phản ứng cộng bromine vàoethane,… là những ví dụ cho cơ chế phân cực

2 Cơ chế gốc tự do (radical mechanism)

Là loại cơ chế trong đó chất trung gian mang điện tử lẻ (điện tử độc than khôngghép đôi) hay còn gọi là gốc tự do (free radical, radical)

Ví dụ: Phản ứng halogen hoá alkane, đa số các phản ứng polymer hoá…

3 Cơ chế đồng bộ (pericyclic mechanism)

Là phản ứng không xảy ra sự cắt đứt lien kết mà chỉ có sự sắp xếp lại các orbitallien kết

Ví dụ: Các phản ứng hợp vòng

âm điện càng lớn, lien kết càng phân cực, sự dị ly càng dễ xảy ra dễ dàng

Do có sự hình thành hai ion tích điện trái dấu (A+ và B-) nên sự dị ly thường cần một tácnhân hổ trợ để có thể tách rời hai ion đó Tác nhân hổ trợ có thể là một tiểu phân có cặp điện tử

tự do có thể tương tác với phân tử phân cực dương trong liên kết:

Y A B Y A B

2 Sự đồng ly

Sự cắt đứt liên kết hoá trị theo kiểu đồng ly (homolysis) xảy ra khi mỗi nguyên tửliên kết lấy đi một trong hai điện tử của lien kết ban đầu tao ra hai tiểu phân mang điện tửđộc thân được gọi là gốc tự do hay gốc hoá học (free radical, radical):

R O O R 2 O R

IV KHÁI NIỆM VỀ ACID-BASE

1 Khái niệm acid-base theo Bronted-Lowry

Theo Bronted và Lowry, acid là chất có thể cho (mất) một proton H+ và base làchất có thê nhận lấy một proton H+

Ví dụ: khi sục khí HCl vào nước: HCl nhường một proton H+ cho nước vì vậy nó

là một acid; H2O nhận một proton H+ từ HCl nên là một base Các sản phẩm trong phảnứng này là ion hydronium (H3O+) và ion chloride (Cl-)

Phân tử hoặc ion tạo thành khi acid mất proton được gọi là base liên hợp của acid

đó Phân tử hoặc ion tạo thành khi base nhận proton được gọi là acid liên hợp của base

đó Trong ví dụ trên, ion Cl- là base liên hợp của acid HCl và ion hydronium (H3O+) làacid liên hợp của H2O

Độ mạnh của acid (hay base) có thể xác định dựa vào mức độ phản ứng giữa acid(hay base) đó với một base (hay acid) thích hợp Thông thường nước được lựa chọn chomục đích này Vì vậy một cách tổng quát, độ mạnh của acid HA được dựa vào mức độphản ứng của acid HA với H2O (một base) và được phản ánh qua đại lượng Ka được gọi

là hằng số acid Ạcid HA càng mạnh khi có giá trị Ka càng lớn và ngược lại

HA + H2O HKa 3O+ + A-

Ka = [ ][ ]

[ ]HA

A O

H3 + −

Ngoài ra người ta còn dung đại lượng pKa với định nghĩa: pKa= -logKa

Như vậy, acid càng mạnh khi Ka càng lớn hay pKa càng nhỏ và ngược lại

Tương tự, độ mạnh của một base cũng được xác định dựa vào mức độ phản ứng của base

đó với nước và được đặc trưng bằng hằng số Kb hay pKb

Đối với một cặp acid-base liên hợp xác định ta luôn có: pKa + pKb= 14

Điều này được phản ánh qua cân bằng sau đây:

NH3 + H2O NH4+ + OH- Kb = 1.8x10-5 ; pKb = 4.74

NH4+ + H2O H3O+ + NH3 Ka = 5.5x10-10; pKa = 9.25

2.Khái niệm acid-base theo Lewis

Acid là chất có khả năng nhận đôi điện tử và base là chất có khả năng cho đôi diệntử

H+ + N H

HH

H NH3Acid Lewis Base Lewis

V CÁC CHẤT TRUNG GIAN HOẠT ĐỘNG

Sự dị ly một liên kết giữa carbon và nguyên tử của một nguyên tố bất kỳ có thể tạo

thành một ion với điện tích dương trên carbon gọi là carbocation hoặc một ion với điện tích âm trên carbon gọi là carbanion.

Carbocation là một nguyên tử carbon thiếu điện tử nối với ba nguyên tử hoặc ba

nhóm nguyên tử khác (vì vậy carbon có hoá trị 3) nguyên tử carbon ở trạng thái lai hoá

sp 2 nên nằm trong cùng mặt phẳng với 3 nguyên tử liên kết với nó, gốc liên kết khoảng

120o Orbital 2p còn trống nằm thẳng gốc với mặt phẳng này

Các carbocation rất dễ hoạt động, dễ dàng phản ứng với các base Lewis (hay chất thân hạch) Chính vì khuynh hướng phản ứng với những chất dư điện tử nên carbocation (cũng như tất cả các acid Lewis khác kể cả proton H+) là những chất thân điện tử

(electrophile) Bằng cách nhận một đôi điện tử, proton được một cấu hình bền như khí trơhelium (He) và các tâm carbocation (nguyên tử carbon) đạt được cấu hình bền của Neon (Ne):

H

C O HHCarbocation

(acid Lewis) Base LewisCarbocation được gọi là bậc 1o, bậc 2o và bậc 3o khi carbon tương ứng mang một, hai và

ba nhóm alkyl Hiệu ứng đẩy điện tử của các nhom alkyl có tác dụng bền vững hoá điện tích dương trên nguyên tử carbon do đó giúp bền vững hoá carbocation Ngoài ra còn một số

carboncation bền vững nhờ sự cộng hưởng như là carbocation allyl và benzyl Độ bền

carbocation theo thứ tự sau:

~~

CH2

CCHH

HHH

CH3 C

H

H

H CHH

Carbanion là ion âm trong đó điện tích âm nằm trên carbon.

Giống như carbocation, carbon trong carbanion cũng có hoá trị 3 Tuy nhiên, khácvơi trường hợp carbocation, nguyên tử carbon trong carbanion ở trạng thái lai hoá sp3trong đó 3 orbital lai hoá sp3 liên kết với 3 nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) khác và mộtorbital lai hoá sp3 chứa cặp điện tử tự do

Do có dư điện tử nên độ bền của carbanion tăng lên khi carbanion mang cácnhóm thế rút điện tử như nhóm carbonyl, nitro, nitrile,…

Lewis (chất thân điện tử) để trung hoà điện tích âm của nó Vì vậy, carbanion là chất thân hạch(nucleophile).

Carbene là một phân tử trung hoà về điện chứa carbon hoá trị 2.

Tương tự trường hợp của carbocation, nguyên tử carbon trong carbine cũng ở

trạng thái lai hoá sp 2 và có 1 orbital p còn trống (không có điện tử) định vị thẳng góc

với mặt phẳng chứa các orbital lai hoá sp2 một trong 3 orbital lai hoá sp 2 này chứa cặpđiện tử tự do

Mặc dù là một phân tử trung hoà về điện nhưng carbene cũng là một chất thânđiện tử vì nguyên tử carbon cần một đôi điện tử để đạt cơ câu bát bộ bền vững chính vìvậy, carbene dễ dàng phản ứng với một chất thân hạch như alkene

Đa số các carbene đều không bền, thường được tạo thành như một chất trung giantrong các phản ứng hoá học Đặc biệt các phản ứng của carbene thường mang tính chọnlọc lập thể cao

Hợp chất carbene đơn giản nhất là methylene, được tạo thành khi diazomethane(CH2N2) bị phân huỷ dưới tác dụng nhiệt hoặc ánh sáng Một số chất carbene thường gặpkhác là dichlorocarbene (:CCl2), một sản phẩm của phản ứng giữa chloroform (CHCl3)voi một base mạnh như KOH

Đun nóng hoặcChiếu sáng

Có nhiều chất không phải là carbene ( không chứa nguyên tử carbene hoá trị hai)

nhưng phản ứng giống carbene Những chất như thế gọi là carbeneoid.

Ví dụ: Iodomethylzine iodide (ICH2ZnI)., một chất phẳn ứng giống như carbinemethylene, được tạo thành từ hỗn hợp methylene iodide (CH2I2) và muối Zn(Cu):

CH2I2 + Zn(Cu) ICH2ZnI (carbeneoid)

Đa số các gốc tự do đều có cấu trúc phẳng hoặc gần phẳng Carbon ở trạng thái laihoá sp2 và điện tử tự do nằm trong orbital p định hướng thẳng gốc với mặt phẳng chứa bộorbital lai hoá sp2 này

Mặc dù trung hoà điện nhưng các gốc tự do rất hoạt động do khuynh hướng ghépđôi điện tử lẻ của chúng Do đặc điểm thiếu điện tử nên gốc tự do càng mang nhiều nhómthế đầy điện tử (electron-releasing groups) sẽ càng bền Vì vậy gốc tự do bậc 3o sẽ bềnhơn gốc tự do bậc 2o và tương ứng bền hơn gốc tự do bậc 1o

H

Orbital ptrống

CH3

HH

HGốc tự do

H

H H

H

Sự xen phủ của orbital pchứa điện tử lẻ và liên

kết σ C-H

Ngoài ra, sự cộng hưởng cũng giúp bền vững hoá gốc tự do Vì vậy, các gốc tự do kiểu allyl và benzyl đều bền vững hơn các gốc tự do alkyl (giống như trường hợp

carbocation)

Những nhóm thế có chứa các nguyên tử có cặp điện tử tự do như ether cũng có khả năng bền vững hoá gốc tự do nhờ vào khả năng cho các cặp điện tử tự do này Tuy nhiên những nhóm rút điện tử như carbonyl và nitrile cũng giúp bền vững hoá gốc tự do nhờ vào hệ thống π của các nhóm này

OR

OR

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG

I TÍNH THÂN HẠCH VÀ TÍNH BASE

Chất thân hạch (nucleophile) là chất giàu điện tử ( có chứa ít nhất một cặp điện

tử tự do) và có khả năng phản ứng với tâm thiếu điện tử được gọi là chất thân điện tử

(electrophile)

Chất thân hạch có thể là ion âm như: Br-, Cl-, OH-,… hoặc một phân tử trung hòa

về điện: ROH, NH3, H2O,…

Chất thân điện tử có thể là cation hay H+, hoặc tâm bị phân cực dương trong mộtliên kết cộng hóa trị phân cực Nhìn chung các chất có tính acid theo Lewis đều là chấtthân điện tử

Do chất thân hạch có một cặp điện tử tự do nên nó cũng là một base (base Lewis).Như vậy chất thân hạch là chất phản ánh ái lực của chất thân hạch đối với chất thân điện

tử trong khi tính base phản ánh ái lực của chất thân hạch (base Lewis) đối với proton

Nhìn chung, các chất thân hạch có tâm thân hạch là các nguyên tố giống nhau thì

tính thân hạch và tính base biến đổi song song với nhau Ví dụ: các chất thân hạch có tâmthân hạch là nguyên tử oxy thì tính base và tính thân hạch biến đổi theo cùng một quyluật như sau: RO- > OH- >> RCO2 > ROH > H2O

Tuy nhiên tính thân hạch không luôn luôn song song với tính base khi các tâmthân hạch khác nhau Nhìn chung tính thân hạc biến thiên tuần hoàn theo chu kì và nhómtrong bảng hệ thống tuần hoàn

Trong một chu kỳ (các tâm thân hạch là các nguyên tố thuộc cùng một chu kỳ)Nếu các ion có cùng điện tích có tính thân hạch và tính base biến thiên song song vớinhau và cùng giảm dần từ trái sang phải trong cùng một chu kỳ

Ví dụ: ion OH- có tính thân hạch cũng như tính base mạnh hơn F- Ion OH- cho phản ứngthế thân hạch với methyl iodide (CH3I) nhanh gần 4000 lần so với ion F-

Tương tự tính thân hạch và tính base của các anion biến thiên như sau:

Có thể giải thích quy luật biến đổi trên như sau: trong một chu kỳ đi từ trái sangphải bán kính nguyên tử giảm trong khi độ âm điện lại tăng Vì vậy các nguyên tử có

khuynh hướng giữ chặt hơn các cặp điện tử tự do của chúng, do đó tính thân hạch cũngnhư tính base của nó giảm.

Trong cùng một nhóm (các tâm thân hạch của các nguyên tố cùng một nhóm)trong trường hợp này tính base và tính thân hạch biến đổi ngược nhau Do trong cùngmột nhóm đi từ trên xuống bán kính nguyên tử tăng trong khi độ âm điện giảm Vì vậyorbital chứa cặp điện tử tự do của I- (hay RS-) dễ dàng xen phủ với orbital sp3 cuar taamcarbon thân điện tử hơn so với orbital chứa cặp điện tử tự do của ion F- (hay RO-)

Khuynh hướng biến đổi tính thân hạch trên cũng là do hệ quả của sự solvate hóacác ion bởi các dung môi phân cực có chứa proton Ion có kích thước lơn hơn, độ âmđiện nhỏ hơn sẽ bị solvate hóa hơn và do đó có tính thân hạch mạnh hơn

Ảnh hưởng của điện tích ion

Khi chất thân hạch có thể hiện dưới dạng anion và dạng phân tử (dạng acid liênhợp của nó) thì dạng anion luôn có tính thân hạch mạnh hơn dạng phân tử, do anion cómật độ điện tử lớn hơn thu hút tâm carbon thân điện tử mạnh hơn phân tử trung hòa điện

Ví dụ: Ion OH- có tính thân hạch mạnh hơn H2O Tương tự, ion alkoxide RO- có tínhthân hạch mạnh hơn ROH,…

Ảnh hưởng của yếu tố lập thể

Chất thân hạch có kích thước càng lớn sẽ có tính thân hạch càng yếu do khi đó nókhó tiếp cận tâm carbon thân điện tử hơn Tuy nhiên tính base biến thiên theo chiềungược lại Nguyên nhân do yếu tố lập thể ít ảnh hưởng đến khả năng nhận proton H+ củabase trong phản ứng acid-base

Ví dụ: tert-butoxide (CH3)3CO có tính thân hạch yếu hơn ion ethoxide CH3CH2O nhưng

ngược lại ion tert-butoxide có tính base mạnh hơn ethoxide.

II NHÓM XUẤT

Để tham gia phản ứng thế thân hạch đòi hỏi phân tử phải mang một nhóm xuất(leaving group) Nhóm xuất tách ra khỏi phân tử dưới dạng phân tử trung hòa về điệnnhưng thường là một ion âm Chính vì vậy nhóm xuất tốt nhất là ion có khả năng bềnvững hóa điện tích âm của nó Đây là đặc tính của một base yếu do đó nhóm xuất tốtcũng chính là base yếu

Ví dụ: Trong các ion halogen thì I- là nhóm xuất tốt nhất, F- là nhóm xuất yếu nhất: I- >

Br- > Cl- >> F- ( tính base theo trật tự ngược lại, tức F- >> Cl- > Br- > I-)

Những nhóm xuất tốt khác như ion alkanesulfonate, ion alkyl sulfate và ion toluenesulfonate (tosylate) đều là các base yếu của các acid mạnh Đặc biệt, iontrifluromethanesulfonate (CF3SO3-, còn gọi là triflate) là một trong những nhóm xuất tốtnhất được biết Ion CF3SO3- là base yếu của acid liên hợp rất mạnh CF3SO3H (mạnh hơnrất nhiều so với acid H2SO4).

p-Một ion có tính base mạnh như OH- thường là một nhóm xuất rất yếu, vì vậy phảnứng thế thân hạch giữa ion halide và ancolhol sẽ không xảy ra Tuy nhiên trong môitrường acid mạnh, alcolhol sẽ phản ứng với ion halide do nhóm OH- được proton hóa tạothành ion hydronium và như vậy nhóm xuất khi đó sx tạo ra một phân tử nước là mộtbase yếu

Những ion có tính base mạnh như hydride (H-) hay (R-) sẽ không thể là một nhómxuất trong phản ứng thế thân hạch Vì vậy những phản ứng sau đây sẽ không thực hiệnđược

Do cả chất thân hạch (ion OH-) và tác chất (phân tử CH3Cl) cùng tham gia tạo thành tạpchất kích động với trạng thái chuyển tiếp I nên đây lafphanr ứng có phân tử số là 2 (bimolecularreaction) Chính vì vậy, phản ứng được gọi là phản ứng tyhees thân hạch SN2 (Substitution,Nucleophile, bimolecular).

Yếu tố lập thể:

Do chất thân hạch tác kích vào tâm thân điện tử (nguyên tử carbon) từ phía sau (phía đốidiện với nhóm xuất) nên sản phẩm (đảo ngược trật tự sắp xếp các nhóm thế xung quanh nguyên

tử carbon) so với ban đầu

Ví dụ phản ứng giữa (R)-(-)-Bromooctane với sodium hydroxide chỉ cho một sản phẩm suy nhất

là (S)-(+)-2-octanol:

Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S N 2

Cấu trúc của alkyl halide:

RX

Ảnh hưởng của dung môi

Phản ứng SN2 phải được thực hiện trong dung môi phân cực

Tuy nhiên tương tác giữa chất thân hạch với các phân tử dung môi lại cản trở sự tiếp cậntâm carbon thân điện tử của chất thân hạch và như thế làm giảm tốc độ phản ứng SN2 Dung môi

có khả năng solvate mạnh chất thân hạch là các dung môi phân cực có chứa proton (protonicsolvent) như methanol Dung môi này có nhóm OH có khả năng tạo liên kết hydro liên phân tửvới chất thân hạch, đặc biệt với chất thân hạch là anion Chính vì vậy các dung môi thường ít sữdụng trong phản ứng thế SN2 Các dung môi phân cực không có proton được sữ dụng nhưacetonitrile, CH3CN; N,N-dimethylformamide, (CH3)3NCHO (DMF); dimethylacetamide,(CH3)2NCOCH3; dimethylsulfoxide, (CH3)2SO (DMSO) và hexamethylphosphoramide (HMPA)

CH3H

D

25=+9.90o

ee = 100%

Phản ứng SN1 xảy ra qua các trung gian carbocation Ta thấy phản ứng trên xảy ratheo 3 giai đoạn với sự tạo thành của 2 hợp chất trung gian Giai đoạn đầu tiên là giaiđoạn quyết định tốc độ trong đó phân tử tert-butyl chloride bị ion hoá tạo thànhcarboncation và chloride Giai đoạn này có phân tử số là 1 nên gọi là phẳn ứng SN1.

Giai đoạn đầu là giai đoạn xảy ra chậm do sự tạo thành carbocation là quá trìnhthu nhiệt (chỉ co sự di ly liên kết C-Cl mà không có sự hình thành liên kết) quá trình nàyxảy ra được nhờ sự bền vững hoá carboncation của dung môi (sự solvate hoá) Chính sựsolvate hoá này làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng Tuy nhiên, mặc dù đượcnước (chất thân hạch) tạo thành ion tert-butyloxonium Trên nguyên tắc, ion OH- có thểtham gia vào giai đoạn này nhưng cơ hội cho các phân tử nước phản ứng nhiều hơn do cómột lượng rất lớn nước hiện diện trong môi trường phản ứng so với OH-

Sự dung môi giải (thuỷ giải nếu dung môi là nước, alcohol giải nếu dung môi làalcohol) các alkyl halide bậc 3o là loại phản ứng quan trọng xảy ra theo cơ chế SN1 Trongcác phản ứng này chất thân hạch là chất trung hoà về điện, vì vậy có tính thân hạch tươngđối yếu ( yếu hơn chất thân hạch là anion)

Các ví dụ về phản ứng dung môi giải:

H3C C+

CH3

CH3

OHHnhanh

H3C C

CH3

CH3O

HHChậm

subtrate,…) thì sản phẩm tạo thành là một hổn hợp tiêu triền (racemic mixture).

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng S N 1.

Cơ cấu alkyl halide

Phản ứng SN1 xảy ra có sự tạo thành chất trung gian là carbocation nên yếu tố quantrọng hang đầu quyết định tốc độ phản ứng là mức độ bền vững của carbocation đó.Ngoại trừ một số phản ứng xảy ra trong môi trường acid mạnh thì hầu như chỉ có hợpchất hữu cơ có khả năng tạo carbocation tương đối bền mới có thể cho phản ứng SN1 Do

đó alkyl halide bậc 3, benzyl halide (C6H5CH2X) hay allyl halide (CH2=CHCH2X) ( haycác alkyl, benzyl, allyl chứa các nhóm xuất thích hợp khác)

Tương tự như trường hợp của phản ứng SN2 các vinyl halide (R2C=CRX) và cácaryl halide (C6H5X) không cho phản ứng thế SN1 Ngoài các nguyên nhân đã nêu trongphản ứng SN2 thì còn một nguyên nhân nữa là các cation vinyl và aryl rất kém bền nênkhông thể tạo thành trong quá trình phản ứng

-Dung môi:

Do có khả năng solvate mạnh cation và anion nên các dung môi phân cực cóhydro phân cực mạnh (protic solvent) sẽ làm tăng tốc độ ion hoá của alkyl halide trongphản ứng thế SN1 Những dung môi này thường có hằng số điện môi lớn Tức khả năngtách mạnh các ion dương và âm ra khỏi nhau Giá trị hằng số điện môi của một số dungmôi hữu cơ thông thường được trình bày trình bày trong bảng 2.1 từ đây cho thấy nước

có khả năng hổ trợ quá trình ion hoá rất tốt Tuy nhiên, do nước hoà tan kém các hợp chấthữu cơ nên nước tinh chất ít được sữ dụng làm dung môi mà thường dưới dạng hổn hợpvới các dung môi hữu cơ thích hợp khác Hỗn hợp dung môi methanol-nước hay ethanol-nước thường được sữ dụng trong các phản ứng thế thân hạch SN1

Dung môi Công thức Hằng số

điện môi

Nhóm xuất gây ảnh hưởng gần như giống nhau trong cả 2 phản ứng SN1 và SN2

Ví dụ: trong chuỗi akyl halide thì I- là nhóm xuất tốt nhất còn F- là nhóm xuất yếunhất

Tóm tắt trong bảng sau:

Tác chất 3o ( tạo thành carbocation bền) Methyl > 1o > 2o

(ít chướng ngại lập thể)Chất thân hạch Base Lewis yếu, các phân tử trung Base Lewis mạnh nồng

hoà hoặc có thể là phân tử dungmôi ( sự dung môi giải)

độ cao

Dung môi Phân cực, có proton (rượu, nước,

…)

Phân cực, không cóproton (DMF, DMSO,

…)Nhóm xuất ảnh hưởng như nhau trong cả hai loại phản ứng: nhóm xuất

càng tốt khi nó có tính base càng yếu

Thí dụ:

o o

c Sự tham gia của nhóm kề

Nhóm kề nguyên tử carbon cho phản ứng mang điện tích âm hoặc 2e cô lập có thểđóng vai trò tác nhân thân hạch trong giai đoạn đầu Sau đó bị loại bỏ tác nhân thân hạch.Nhóm kề có thể là ion: RCOO-, RO-, CH3COO-, amino, S-, ester, eter…

CH2(COOEt)2

γα

α-lacton

C COO

OH

CH3H

Dạng trans biến đổi nhanh hơn do có sự tham gia của nhóm kề.

Br

OCO

CH3COOAg/CH3COOH Nhanh

OAc

OAc Br OAc

Cis

Chậm

PHẢN ỨNG KHỬ

Đó là sự loại hai nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử ra khỏi một phân tử mà không

có sự thay thế bởi 2 nguyên tử hoặc 2 nhóm khác

Theo cơ chế này base tác kích vào proton của carbon kế cận carbon mang nhómxuất và proton sẽ bị lấy đi đồng thời sự hình thành liên kết C=C và sự ra đi của nhómxuất Do cả alkylhalide và base điều tham gia vào tạp chất kích động ứng với trạng tháichuyển tiếp của phản ứng nên phản ứng có phân tử số là 2, vì vậy gọi là phản ứng táchE2 (Elimination, bimolecular)

Yếu tố lập thể

Phản ứng khử E2 xảy ra với tác chất có cả 4 nguyên tử phản ứng là nguyên tửhydro, hai nguyên tử carbon và nhóm xuất X nằm trong cùng một mặt phẳng, trong đónguyên tử hydro và nhóm xuất X nằm ở hai bên mặt phẳng phân tử (antiperiplanar) Chỉvới cấu hình này thì sự xen phủ của hai orbital sp3 ban đầu (liên kết C-H và C-X) mới cóthể xảy ra và orbital kiểu mới kiểu π trong alkene mới được hình thành

Ví dụ phản ứng giữa meso-1,2-dibromo-1,2-diphenylethane và KOH chỉ duy nhất

là một alkene là (E)-1-bromo-1,2-diphenylethylene.

δ+

δ-C δ-C H R R

R R X

B:

C C H R R

R R X

B

C C

R R

+ B H + X

Trạng thái chuyển tiếp

HPhBr

Ph

PhH

Br

HPhBr

meso-1,2-dibromo-1,2-diphenylethane (E)-1-bromo-1,2-diphenylethylene

Đối với hợp chất mạch vòng ví dụ như ciclohexane thì yếu tố lập thể trong phản ứng E2

càng quan trọng: Chỉ khi nguyên tử H và nhóm xuất X đều ở vị trí trục (axial) và và là trans đối

với nhau thì sự khử E2 mới xảy ra được

Halogen ở vị trí trục: H và X định hướng thích hợp (anti periplanar)

Halogen ở vị trí xích đạo: H và X định hướng không thích hợp

2 Cơ chế E1

Phản ứng E1 xảy ra theo hai giai đoạn trong đó có sự tạo thành chất trung giancarbocation Ví dụ: Xét phản ứng của 2-chloro-2-methylpropane Cơ chế được trình bàynhư sau:

Những nghiên cứu động học cho biết vận tốc phản ứng chỉ phụ thuộc vào nồng độcủa 2-chloro-2-methylpropane mà không phụ thuộc vào nồng độ base Bậc phản ứng làmột và biểu thức phản ứng dạng: V=k[(CH3)3Cl]

H3C

H3C nhanh

Giai đoạn tốc định

Tương tự với phản ứng SN1 giai đoạn đầu là giai đoạn tách E1 là sụ dị ly liên kếtC-Cl tạo thành carbocation Đây là giai đoạn chậm là giai đoạn quyết định tốc độ phảnứng

Tuy nhiên khác với trường hợp phản ứng thế SN1, giai đoạn tiếp theo trong phảnứng E1 là sự lấy đi một proton từ ion carbocation bởi base tạo thành sản phẩm là alkene(quy tắc Zaitsev) Chính vì vậy trong thực tế nếu alkyl halide được cho phản ứng với mộtchất thân hạch có tính base yếu và trong dung môi phân cực có proton (protic solvent) thìphản ứng thế SN1 luôn xảy ra cạnh tranh với phản ứng tách E1 Khi đó phản ứng sẽ tạothành hổn hợp sản phẩm

H2O, ethanol

65oC

2-Chloro-2-methylpropane 2-methylpropene 2-methyl-2-propanol

(64%)(36%)

Yếu tố lập thể trong phản ứng tách E1

Khác với trường hợp phản ứng tách E2, phản ứng E1 không đòi hỏi tác chất phải có cấuhình không gian thích hợp Trên nguyên tắc, chất không gian carbocation có thể mất bất kỳproton ở carbon kế cận để tạo thành alkene Tuy nhiên thường sản phẩm chính sẽ là alkene mangnhiều nhóm thế nhất (quy tắc Zaitsev)

Sự cạnh tranh giữa phản ứng S N 1, S N 2, E1, E2.

Nhìn chung không có một quy luật tuyệt đối để cho một tác chất xác định (alkyl halide vàtosylate,…) phản ứng theo cơ chế SN1, SN2, E1 hay E2 Tuy nhiên có một số khuynh hướng sauđây để áp dụng dự đoán tiến trình phản ứng:

Alkyl halide 1 o : Ưu tiên phản ứng thế SN2 nếu dung tác chất thân hạch mạnh như RS-,

I-, CN-, NH3 hay Br- Nếu dùng một base mạnh có chướng ngại lập thể lớn như tert-butoxide thìphản ứng khi đó chủ yếu là phản ứng tác E2

CH3CH2CH2CH2Br

CH3CH2Oethanol(CH3)3CO-

-CH3CH2CH2CH2OCH2CH3 + CH3CH2CH=CH2

CH3CH2CH2CH2O(CH3)3+ CH3CH2CH=CH2

Butyl ethyl ether (90%) 1-Butene (10%)Butyl tert-bylyl ether (15%) 1-Butene (85%)1-Bromobutane

Alkyl halide 2 o : thường cho cả hai phản ứng SN2 và E2 và do đó thường thu được hỗnhợp sản phẫm Tuy nhiên nếu dung:

Chất thân hạch mạnh nhưng có tính base yếu và dung môi phân cực không có proton nhưHMPA: Ưu tiên phản ứng thế SN2.

Chất thân hạch có tính base mạnh nhưu ion ethoxide (CH3CH2O-), ion hydroxide (OH-)hay amide (-NH2): ưu tiên phản ứng tách E2

Alkyl halide bậc 2o , đặc biệt là alkyl halide và benzyl halide, có thể cho cả phản ứngSN1 và E1 nếu sữ dụng chất thân hạch có tính base yếu trong môi trường phân cực có protonnhư ethanol hoặc acid acetic Thường sẽ thu được hai hỗn hợp sản phẩm:

Alkyl halide 3o : chủ yếu cho phản ứng khử E2 khi sữ dụng những base mạnh như OHhay RO- Ngược lại trong điều kiện không có base, chẳng hạn như chỉ đun hỗn hợp phản ứngtrong ethanol, thì phản ứng sẽ diễn ra theo hai cơ chế SN1 và E1:

CH3

H3C C

CH3OCH2CH3

CH3Ethyl tert-butyl ehter (3%)

Ethyl tert-butyl ehter (80%)

C CH2

H3C

H3C2-Methyl propene (97%)+

C CH2

H3C

H3C2-Methyl propene (20%)+

Nhìn chung rất khó điều khiển tỷ lệ tương đối giữa phản ứng thế SN1 và tách E1 bởi nănglương hoạt hoá của giai đoạn từ carbocation đến alkene (mất một proton) và từ carbocation đến sản phẫm thế (bởi chất thân hạch) đều rất nhỏ Thường thì nếu nhiệt độ thấp thì phản ứng thế SN1chiếm ưu thế hơn tách E1 Tuy nhiên trong thực tế phản ứng thế SN1 cảu alkyl halide 3o thường ítđược sữ dụng như là một phương pháp tổng hợp hữu cơ, do tách E1 xảy ra quá dễ dàng Trong trường hợp cần thu được sản phẩm của phản ứng tách từ alkyl halide 3o thường người ta sẽ dungmột base mạnh thích hợp để hướng phản ứng theo cơ chế tách E2 để tránh tạo thành carbocation

Base yếu (như I-,

CN-, RCO2-): SN2Base mạnh (RO-): E2

Không cho SN2 chủ yếu

OH-C OH-C

ClCl

ClCl

C C ClCl

4.Phản ứng nội khử

Theo cơ chế đơn phân tử đa số trường hợp này là phản ứng nhiệt giải ở trạng thái khí 3trường hợp quan trọng là nhiệt phân tích ester, oxid amin tam và sulfoxid gọi là phản ứngnội khử (khử vòng)

-Nhiệt phân tích ester

Tương tự sự nhiệt giải Sanlat

C COH

CSCH3S

O

150oC

CH3OH

-Nhiệt phân tích sulfoxid.

5 Hóa học lập thể

Phản ứng khử Trans: hiệu ứng lập thể rõ ràng, base tác kích Hβ ở phía đối diệnnhóm xuất cơ chế E2 còn gọi là cơ chế khử Trans ( Hai nhóm bị mất ở hai phía đối diệnnhau)

R4

R3X

R2

R1

R3X

X

Phản ứng theo cơ chế khử Trans

Tương tự cho haloeter alken

CH3 CH2 CH C

CH3O

NaNH2

CH3 CH2 C CH

PHẢN ỨNG CỘNG VÀO LIÊN KẾT ĐÔI

Alken tác dụng với halogen rất nhanh ở nhiệt độ thường cho 1,2-ddihalogenurr gọi

là Vic-dihalogenur Halogen thong dụng là Br2 các dung môi CCl4, CHCl3, CH3COOH,

CH3COOC2H5,…

Cơ chế: phản ứng gồm 2 giai đoạn:

- Giai đoạn dầu, điện tử π phân cực halogen (do cảm ứng e π) tạp chất π hay còngọi là tạp chất di chuyển điện tích: Giai đoạn này chậm tạo ra carbonimum C+

- Giai đoạn tiếp theo: Chất thân hạch tác kích vào C+

Người ta có thể chứng minh qua thời gian C+ bằng cách them NaCl hoặc NaNO3sản phẩm sẽ là:

C CBr

Br

C CBr

Cl

C CBr

NO2

Hoá học lập thể

Phản ứng cộng halogen vào alken theo cơ chế cộng Trans là halogen sẽ gắn vào hai phíađối diện nhau, do đó người ta nghĩ để tạo ra halogenium vòng ở giai đoạn đầu Giai đoạn sau làgiai đoạn tác kích vào chất thân hạch (anion) vào phía đối diện

C C

Brnhanh

BrBr