CÁC HIỆU ỨNG CẤU TRÚC TRONG PHÂN TỬ CHẤT HỮU CƠSự phân cực của nối cộng hóa trị đơn – hiệu ứng cảm (Inductive effect)Trên nguyên tắc, các nhị liên hóa trị tạo nên do sự góp chung điện tử , thuộc về cả 2 nguyên tử nối. Tuy nhiên, vân đạo phân tử do các vân đạo nguyên tử tạo nên thường bị biến dạng. Sự kiện nầy được giải thích bởi sự phân phối không đồng đều của các điện tử trong phân tử . Nếu sự phân phối nầy liên hệ đến các điện tử của nối , người ta có hiệu ứng cảm.1.1. Sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn Xét trường hợp của các nối cộng hóa trị đơn H H ; Cl Cl trong các phân tử đơn chất hydrogen và clor. Đôi điện tử góp chung (nhị liên hóa trị) của 2 nguyên tử bị hút đồng đều bởi 2 nhân nguyên tử giống nhau nên được xem như cách đều 2 nhân nầy, tạo nối đồng cực.Với trường hợp các phân tử hợp chất có nối cộng hóa trị đơn giữa 2 nguyên tử khác nhau, đôi điện tử góp chung thường bị hút hay bị đẩy về một phía do sự khác biệt về độ âm điện của 2 nguyên tử. Mật độ điện tích giữa 2 nguyên tử không đồng đều. Vân đạo phân tử bị kéo lệch về một phía. Hiện tượng nầy gọi là sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn. Phân tử hợp chất bị phân cực trở thành một lưỡng cực điện thường trực: cực âm ở nguyên tử có độ âm điện lớn, cực dương ở nguyên tử có độ âm điện nhỏ. Các lượng điện tích phân phối tại 2 cực thường được biểu diễn bởi chữ gọi là phân số điện tích ( < 1).
CÁC HIỆU ỨNG CẤU TRÚC TRONG PHÂN TỬ CHẤT HỮU CƠ Sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn – hiệu ứng cảm (Inductive effect) Trên nguyên tắc, các nhị liên hóa trị tạo nên do sự góp chung điện tử , thuộc về cả 2 nguyên tử nối. Tuy nhiên, vân đạo phân tử do các vân đạo nguyên tử tạo nên thường bị biến dạng. Sự kiện nầy được giải thích bởi sự phân phối không đồng đều của các điện tử trong phân tử . Nếu sự phân phối nầy liên hệ đến các điện tử của nối σ , người ta có hiệu ứng cảm. 1.1. Sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn Xét trường hợp của các nối cộng hóa trị đơn H - H ; Cl - Cl trong các phân tử đơn chất hydrogen và clor. Đôi điện tử góp chung (nhị liên hóa trị) của 2 nguyên tử bị hút đồng đều bởi 2 nhân nguyên tử giống nhau nên được xem như cách đều 2 nhân nầy, tạo nối đồng cực. Với trường hợp các phân tử hợp chất có nối cộng hóa trị đơn giữa 2 nguyên tử khác nhau, đôi điện tử góp chung thường bị hút hay bị đẩy về một phía do sự khác biệt về độ âm điện của 2 nguyên tử. Mật độ điện tích giữa 2 nguyên tử không đồng đều. Vân đạo phân tử bị kéo lệch về một phía. Hiện tượng nầy gọi là sự phân cực của nối cộng hóa trị đơn. Phân tử hợp chất bị phân cực trở thành một lưỡng cực điện thường trực: cực âm ở nguyên tử có độ âm điện lớn, cực dương ở nguyên tử có độ âm điện nhỏ. Các lượng điện tích phân phối tại 2 cực thường được biểu diễn bởi chữ δ gọi là phân số điện tích ( δ < 1). Thí dụ: 1.2. Khái niệm về hiệu ứng cảm Sự bất đối xứng về phương diện điện tích trên nối đơn giữa 2 nguyên tử còn ảnh hưởng đến các nối đơn kế cận trong phân tử. Nói cách khác, nguyên tử có độ âm điện lớn không những chỉ có ảnh hưởng đến các nguyên tử nối trực tiếp với nó mà còn ảnh hưởng đến các nguyên tử xa hơn. Ảnh hưởng hỗ tương giữa các nguyên tử nầy gọi là hiệu ứng cảm. 1.3. Định nghĩa Hiệu ứng cảm là hiệu ứng đặc biệt của nối đơn σ gây ra do sự khác biệt về độ âm điện của 2 nguyên tử hay 2 nhóm nguyên tử nối với nhau. Hiệu ứng cảm ký hiệu là I và được biểu diễn bằng mũi tên đặt giữa nối đơn để phân biệt với nối phối trí. Chiều mũi tên chỉ chiều di chuyển của điện tử. Để có thể phân loại về hiệu ứng cảm, người ta quy ước chọn nguyên tử hydrogen để so sánh (Nối C− H được xem như không phân cực: I = 0) - Nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khuynh hướng đẩy điện tử (hút điện tử yếu hơn hydrogen) gây hiệu ứng cảm dương (+I). - Nguyên tử hay nhóm nguyên tử có khuynh hướng hút điện tử (hút điện tử mạnh hơn hydrogen) gây hiệu ứng cảm âm (-I). 1.4. Tính chất Hiệu ứng cảm có các tính chất sau: - Chỉ liên quan đến điện tử của nối đơn σ . - Có tính cách thường trực. - Truyền dọc theo mạch C . - Giảm dần ảnh hưởng khi càng xa tâm gây ra hiệu ứng 1.5. Phân loại các nhóm gây ra hiệu ứng cảm a. Các nhóm gây ra hiệu ứng cảm âm (-I) a 1 . Các halogen: Các nguyên tử halogen có hiệu ứng -I quan trọng, khi độ âm điện càng lớn hiệu ứng -I càng mạnh. a 2 . Các nhóm mang điện tích dương (thiếu điện tử) do đó, hiệu ứng cảm -I rất mạnh a 3 . Các nhóm trung hòa có nguyên tử độ âm điện lớn: có hiệu ứng -I yếu hơn, do âm điện yếu hơn của các nguyên tử nitrogen, oxygen, lưu huỳnh, phosphor a 4 . Các nhóm trung hòa có nối lưỡng cực như đều có hiệu ứng -I mạnh, nhưng yếu hơn hiệu ứng của nhóm ammonium đệ tứ, vì điện tích dương của nguyên tử nitrogen và lưu huỳnh được đền bù một phần bởi điện tích âm của nguyên tử oxigen gần kề a 5 . Độ âm điện của carbon tạp chủng sp lớn hơn carbon tạp chủng sp 2 , nên ta có: b. Các nhóm gây ra hiệu ứng cảm dương (+I) b 1 . Các nhóm alkyl có hiệu ứng cảm + I yếu, gia tăng theo thứ tự sau đây: b 2 . Các nhóm có nguyên tử mang điện tích âm như oxid, sulfur cho điện tử tương đối dễ dàng: như vậy, gây hiệu ứng + I mạnh. Vì S - có kích thước lớn hơn O - , điện tử ít bị nhân hút hơn, nên dễ nhường hơn. 1.6. Bảng xếp hạng một số nhóm gây ra hiệu ứng cảm (Xem bảng 1.1) * NGUYÊN TẮC a. Hiệu ứng cảm - I gia tăng với đô âm điện của nguyên tử đơn độc, hoặc thuộc một nhóm: b. Trong lúc hiệu ứng cảm + I giảm với các ion tương ứng: (Vì nguyên tử oxigen giữ điện tích âm dễ dàng hơn nguyên tử nitrogen) 1. Hiệu ứng cảm - I của nhóm metoxil yếu hơn của nhóm hidroxil, vì sức hút điện tử của nguyên tử oxigen trong nhóm metoxil đươc bù đắp phần nào bởi hiệu ứng cảm + I của nhóm metil: Như vậy, muốn biết hiệu ứng cảm chung của một nhóm phức tạp, người ta cộng đại số các hiệu ứng của các thành phần của nó. Bảng 1.1. HIỆU ỨNG CẢM TƯƠNG ĐỐI CỦA CÁC NHÓM THÔNG THƯỜNG HIỆU ỨNG - I HIỆU ỨNG + I Ghi chú Me : CH 3 1.7. Ứng dụng a. Ứng dụng hiệu ứng cảm để giải thích độ mạnh của các acid hữu cơ Acid càng mạnh khi: Ka càng lớn ([H + ] càng lớn), hay pKa càng nhỏ: có nghĩa là khi nhị liên hóa trị giữa O và H càng bị kéo về phía O, càng làm gia tăng sự phân cực của liên kết O - H: khi đó,H càng dễ tách rời thành ion H +. . Do đó: · Khi acid có nhóm gây hiệu ứng cảm âm, độ mạnh acid sẽ tăng. · Ngược lại, khi phân tử acid có nhóm gây hiệu ứng cảm dương, độ mạnh acid sẽ giảm. Thí dụ: @1. So sánh tính acid của các acid: HCOOH ; CH 3 COOH ; ClCH 2 COOH ? Giải thích: Nhóm Cl - CH 2 hút điện tử (gây hiệu ứng - I) làm gia tăng sự phân cực của liên kết O- H, H càng linh động, làm acid monocloroacetic có độ mạnh tăng lên so với acid formic. Mặt khác, nhóm ¾ CH 3 đẩy điện tử (gây hiệu ứng +I) làm giảm sự phân cực của liên kết O ¾ H, H càng khó bức rời, làm acid acetic có độ mạnh giảm so với acid formic. Vậy ta có tính acid giảm theo thứ tự sau: 2. Tính acid giảm theo thứ tự sau: Các kết quả trên hoàn toàn phù hợp với các giá trị thực nghiệm như sau: BẢNG TRỊ SỐ pKa CỦA MỘT SỐ ACID CARBOXYLIC TÊN THÔNG THƯỜNG CÔNG THỨC CẤU TẠO pKa Acid formic HCOOH 3,75 Acid acetic CH 3 COOH 4,75 Acid monocloroacetic ClCH 2 COOH 2,81 Acid butanoic CH 3 CH 2 CH 2 COOH 4,82 Acid a-clorobutanoic CH 3 CH 2 CHClCOOH 2,9 Acid b-clorobutanoic CH 3 CHClCH 2 COOH 4,1 Acid g-clorobutanoic CH 2 ClCH 2 CH 2 COOH 4,5 b. Ứng dụng hiệu ứng cảm để giải thích độ mạnh của baz hữu cơ Tương tự như trường hợp các acid, baz càng mạnh khi hằng số K b càng lớn (hay pK b càng nhỏ). nghĩa là mật độ điện tử trên N càng quan trọng. Vậy: · Khi phân tử baz có nhóm gây hiệu ứng cảm dương (+ I), độ mạnh của baz sẽ tăng. · Khi phân tử baz có nhóm gây hiệu ứng cảm âm (- I), độ mạnh của baz sẽ giảm. Thí dụ: 1. Ta có thứ tự tính baz như sau: 2. Sự phân cực của nối cộng hóa trị đa – hiệu ứng cộng hưởng Trong một nối đôi cô lập, sự khác biệt giữa 2 nguyên tử nối hoặc giữa các nhóm thế gắn trên 2 nguyên tử nối đưa đến một sự bất đối xứng tương tợ như hiệu ứng cảm trong nối s. Nhưng một hiện tượng mới xuất hiện trong các phân tử có nối đôi tiếp cách (conjugate). Trong trường hợp nầy, sự phân phối điện tử khác hẳn sự phân phối trong các cơ cấu có nối hóa trị thông thường (cơ cấu Lewis), và không một cơ cấu nối cộng hóa trị riêng biệt nào thích hợp với tất cả tính chất của phân tử. Một số lý tính và hóa tính của các chất nầy được giải thích thỏa đáng bởi sự lai hoá của nhiều cấu tạo Lewis, gọi là các công thức cộng hưởng, chúng khác nhau ở vị trí của các điện tử. 2.1. Sự phân cực của nối cộng hóa trị đôi Xét nối cộng hóa trị đôi C=O trong phân tử formaldehid. Nguyên tử oxigen có độ âm điện lớn hơn nguyên tử carbon nên hút 2 điện tử của liên kết p về phía nó. Ta nói liên kết đôi bị phân cực. Ta đã biết một nối cộng hóa trị đôi gồm: một nối s bền và một nối p kém bền. Các điện tử của nối p linh động hơn. Do đó, sự phân cực của nối đôi dễ thực hiện hơn sự phân cực của nối đơn. 2.2. Sự phân cực của nối cộng hóa trị ba Hiện tượng phân cực nói trên cũng xảy ra dễ dàng với nối tam vì trong nối nầy ta có: một nối σ (hay s) và 2 nối π (hay p) Một cách tổng quát, khi có một nối đa giữa 2 nguyên tử có độ âm điện khác nhau, các điện tử p bị hút về phía nguyên tử có độ âm điện lớn, gây nên sự phân cực của nối. * CHÚ THÍCH 1. Nối s trong nối đôi cũng bị phân cực khi 2 nguyên tử nối với nhau có độ âm điện khác nhau. Tuy nhiên, vì các điện tử p linh động hơn điện tử s, sự di chuyển của điện tử p gây nên sự phân cực quan trọng hơn. Trong hóa học của carbon, điện tử của nối p là do các điện tử p tạo thành. Tính linh động của điện tử p ,thực ra là của điện tử p, là do cách phủ bên của vân đạo p với nhau tạo thành nối p Khi có điều kiện thích hợp các điện tử p của những nhị liên cô lập cũng có thể bị hút và di chuyển trong phân tử . 2. Trong trường hợp có liên kết p giữa 2 nguyên tử giống nhau ta vẫn có hiệu ứng cộng hưởng do 2 nguyên nhân: a. Sự linh động của điện tử p. Sự phân cực có thể xảy ra theo 2 chiều trong phân tử. b. Ảnh hưởng của tâm gây hiệu ứng cảm. Thí dụ: 2.3. Định nghĩa hiệu ứng cộng hưởng (Resonance effect) Hiệu ứng cộng hưởng là hiện tượng xảy ra khi có sự di chuyển của điện tử p hay điện tử p trong phân tử. Tương tự như hiệu ứng cảm, người ta quy ước: - Nguyên tử hay nhóm nguyên tử hút điện tử gây ra hiệu ứng cộng hưởng âm (- R). - Nguyên tử hay nhóm nguyên tử đẩy điện tử gây ra hiệu ứng cộng hưởng dương (+ R). [...]... có thể vừa gây hiệu ứng cộng hưởng (R) vừa gây hiệu ứng cảm (I) (Xem bảng 1.2) Bảng 1.1 HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG CỦA VÀI NHÓM THÔNG THƯỜNG HIỆU ỨNG - R HIỆU ỨNG +R HIỆU ỨNG - R HIỆU ỨNG +R Bảng 1.2 HIỆU ỨNG CẢM VÀ HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG CỦA VÀI NHÓM THÔNG THƯỜNG NGUYÊN TỬ HAY NHÓM NGUYÊN TỬ R I + + + + + - + - + - - - - - 2.7 Ứng dụng Hiệu ứng cộng hưởng cũng có những ứng dụng tương tự như hiệu ứng cảm a Giải... đạo phân tử lan rộng trên phân tử, trong đó các điện tử di chuyển 2.4 Đặc tính a Hiệu ứng cộng hưởng chỉ xảy ra khi có sự hiện diện của nối p Thí dụ: b Hiệu ứng cộng hưởng có thể truyền trong phân tử khi có b1 Nối đa tiếp cách (cộng hưởng p - p) Ta có nối đa tiếp cách khi nối đa nầy cách với nối đa kia bởi một nối đơn s b2 Nối đa tiếp cách với nguyên tử có nhị liên p cô lập (cộng hưởng p-p) Điện tử. .. m-nitrophenol GIẢI THÍCH Cả 2 acid đều có nhóm -NO2 gây ra hiệu ứng -R và -I, có tác dụng rút điện tử mạnh Tuy nhiên, với phân tử p-nitrophenol, hiệu ứng cộng hưởng lan rộng đến nguyên tử O của nhóm -OH, mật độ điện tử trên O giảm: càng làm nhị liên hóa trị giữa O và H bị kéo về phía O, H dễ tách rời dưới dạng H+ Trái lại, trong phân tử m-nitrophenol, hiệu ứng cộng hưởng âm do nhóm -NO 2 gây ra chỉ liên hệ... các điện tử p và điện tử p cô lập, không có sự di chuyển của các nguyên tử (III) không phải là công thức cộng hưởng của aceton b Trong cách viết công thức cộng hưởng phải chú trọng đến cơ cấu điện tử ngoại biên của mỗi nguyên tử, không một nguyên tử nào có thể vượt quá số điện tử tối đa của từng ngoại biên Hydrogen chỉ chứa tối đa 2 điện tử ngoại biên Các nguyên tử ở chu kỳ hai của bảng phân loại... và có sự phân ly điện tích thì ít ảnh hưởng đến tính chất của phân tử hơn, ta gọi đó là những dạng đóng góp phụ (minor contributors) Tóm lại: Cơ cấu cộng hưởng càng bền, đóng góp càng nhiều cho cơ cấu thật sự của phân tử :ta gọi đó là dạng đóng góp chánh, và ngược lại Nguyên tử carbon của hai dạng (I) và (II) đều có một liên kết đôi với một nguyên tử oxigen và một liên kết đơn với nguyên tử oxigen... dương trong khi một nguyên tử mang điện tích âm, có thể đạt được chỉ thông qua sự tiêu thụ năng lượng Do đó, 2 công thức cộng hưởng (I) và (II) là 2 dạng đóng góp chánh, (III) là dạng đóng góp phụ 2.6 Bảng phân loại các nguyên tử hay nhóm nguyên tử gây hiệu ứng cộng hưởng Hiệu ứng cộng hưởng tương đối của các nhóm thông thường được ghi trong bảng 1.1 Đồng thời, một nguyên tử hay nhóm nguyên tử có thể... cơ cấu (II) ít bền hơn vì có sự phân ly điện tích Acid acetic giống dạng (I) nhiều hơn dạng (II) f Sự phân cách điện tích cùng dấu càng lớn, cơ cấu cộng hưởng càng bền Và trái lại, sự phân cách điện tích khác dấu càng lớn, cơ cấu cộng hưởng càng ít bền Công thức cộng hưởng với 2 điện tích cùng dấu trên 2 nguyên tử kế cận không bền Do đó, dạng nầy không có trong thực tế Tính bền: (I) > (II) g Hóa chất. .. lại, khi phân tử acid có nhóm gây hiệu ứng cộng hưởng dương (+R) làm cho nhị liên của OH ít bị kéo về O hơn, độ mạnh acid sẽ giảm Thí dụ 1: So sánh tính acid của etanol và phenol: ta thấy tính acid của phenol mạnh hơn tính acid của etanol (pKa của phenol = 10 ; trong khi pKa của etanol = 17) GIẢI THÍCH Trong phân tử etanol, nhóm etil gây hiệu ứng + I, đẩy điện tử về nhóm -OH, làm giảm sự phân cực... - p, chiều di chuyển của điện tử là chiều từ nguyên tử có nhị liên cô lập đến nối đa Nhưng khi vân đạo p là vân đạo p trống, thì chiều di chuyển điện tử sẽ là chiều từ p đến p (Xem thí dụ @1 và @2 ở trên) e Các cơ cấu lưỡng cực ít bền hơn cơ cấu không cực Số nối cộng hóa trị càng nhiều, cơ cấu cộng hưởng càng bền và đóng góp càng nhiều trong tạp chủng cộng hưởng Hai cơ cấu cộng hưởng (I) và (II) trên... chứ không phải các hợp chất khác nhau trong sự cân bằng, nó không bao hàm ý nghĩa: đó là một phản ứng hóa học Để biểu thị sự cân bằng, người ta dùng 2 mũi tên đặt song song và ngược chiều nhau, để chỉ một phản ứng hóa học thuận nghịch 1 Theo thuyết vân đạo, hiện tượng nầy là do sự bất định xứ của các điện tử trong vân đạo phân tử p và vân đạo nguyên tử p Các điện tử (nguyên thủy) trong các vân đạo trên . TẠO pKa Acid formic HCOOH 3,75 Acid acetic CH 3 COOH 4,75 Acid monocloroacetic ClCH 2 COOH 2,81 Acid butanoic CH 3 CH 2 CH 2 COOH 4,82 Acid a-clorobutanoic CH 3 CH 2 CHClCOOH 2,9 Acid b-clorobutanoic. Nhưng một hiện tượng mới xuất hiện trong các phân tử có nối đôi tiếp cách (conjugate). Trong trường hợp nầy, sự phân phối điện tử khác hẳn sự phân phối trong các cơ cấu có nối hóa trị thông. ứng cảm dương, độ mạnh acid sẽ giảm. Thí dụ: @1. So sánh tính acid của các acid: HCOOH ; CH 3 COOH ; ClCH 2 COOH ? Giải thích: Nhóm Cl - CH 2 hút điện tử (gây hiệu ứng - I) làm gia tăng sự phân