TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ

TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ TỔNG QUAN về cơ CHẾ PHẢN ỨNG hóa hữu cơ

HÓA HỌC HỮU CƠ

GV Trần Thị Thúy

Bộ Môn Hóa Học

CHƯƠNG III

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG

PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HỮU CƠ

2 Phản ứng tách (elimination) Ký hiệu E

C C

H

H

H

H Br

H H

H H

PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HỮU CƠ

H

4 Phản ứng chuyển vị (rearrangement) Ký hiệu R

PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HỮU CƠ

H H

H C

Chapter 1-7

Sự liên quan giữa trạng thái chuyển tiếp và cơ chế phản ứng được biểu thị bằng giản

Nhiều phản ứng hữu cơ xảy ra qua nhiều giai đoạn, đi qua các trạng thái chuyển tiếp và hợp chất trung gian để đi tới sản phẩm

Đồng ly

Dị ly

Dị ly

Click to edit Master text styles

I PHẢN ỨNG THẾ ÁI NHÂN Ở NGUYÊN TỬ CACBON NO SN

1 Khái niệm chung

nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác

điện tử tự do) tấn công vào trung tâm tích điện dương

R X

a/ Cơ chế

tiểu phân tham gia vào giai đoạn chậm

Phản ứng thế ái nhân lưỡng phân tử (SN2)

Lưỡng phân tử: ở giai đoạn chậm, có sự tham gia của 2 tiểu phân

Giản đồ năng lượng

Chapter 1-21

– Liên kết ở trạng thái hình thành và phá vỡ

– Cả chlorometan và hydroxit liên quan đến trạng thái chuyển tiếp

Chapter 1-22

Hóa lập thể của phản ứng SN2

Tác nhân Nucleophile tấn công từ phía sau cho nên dẫn đến việc quay cấu hình của sản phẩm cuối cùng

Chapter 1-23

Giản đồ năng lựợng phản ứng SN2

Chapter 1-24

Các nhóm chuyển hóa trong SN 2 hóa trong phản ứng SN2

3 Phản ứng thế ái nhân đơn phân tử (SN1)

Đơn phân tử: ở giai đoạn chậm chỉ có sự tham gia của 1 tiểu phân

a/ Cơ chế

• Ở giai đoạn chậm: y- không tham gia

• SN1 thường có bậc 1 r = k.[R-X]

Giản đồ năng lượng

Tính lập thể của SN1

VD:

• Sản phẩm có thể là hỗn hợp racemic

• Cacbocation có cấu trúc phẳng → khả năng tấn công của y- ở 2 phía là như nhau → 50% S + 50% R

Chapter 1-29

Tính không gian của phản ứng SN1

Chapter 1-30

Cơ chế phản ứng thế Nu SN1 Reactions

• Bước 1 xác định tốc độ phản ứng

• Tạo thành hợp chất ionic kém bền gọi cacbocation

– water molecules help stabilize the ionic products

Chapter 1-31

Cơ chế phản ứng thế Nu SN1 Reactions

• Cacbocation càng bị thế nhiều thì càng bền , khi càng bền thì cacboccation càng dễ tạo ra

4 Các yếu tố ảnh hưởng lên phản ứng thế ái nhân

• Bậc của R càng cao → y- càng khó tấn công do điện tích (+) ở cacbon giảm và hiệu ứng không gian của gốc alkyl → SN2 càng khó xảy ra

( Yếu tố không gian: Sự sắp xếp các nguyên tử hay nhóm trong không gian làm cho các tác nhân tấn công vào vị trí ít ảnh hưởng không gian nhất)

• khả năng SN 1 thay đổi như sau:

Allyl > benzyl > R3C – X > R2CH – X > RCH2 – X > CH3 – X

b/ Ảnh hưởng của tác nhân ái nhân

y-• SN1:tốc độ pư không phụ thuộc vào

y-• SN2: phụ thuộc nhiều vào

y-• Thông thường, tính ái nhân đồng biến với tính bazơ

• các tác nhân mang điện tích âm phản ứng nhanh hơn tác nhân mang điện tích dương

• Tác nhân nucleophin mang điện tích âm có lực nucleophin lớn hơn axit liên hợp của nó, phù hợp với trật tự về lực bazơ

HO- > HOH; NH2- > NH3

• tác nhân nucleophin có cấu tạo tương tự nhau và ứng với các nguyên tố trong chu kì nhỏ, sự biến thiên

về lực nucleophin song song với lực bazơ

NH2- > RO- > HO- > R2NH > ArO- > NH3 > F- > H2O

• Đối với các nguyên tố trong cùng một phân nhóm: lực ái nhân tăng từ trên xuống:

I- > Br- > Cl- > F-

HS- > HO- ; C2H5S- >

C2H5O-• Đối với tác nhân nucleophin có nhóm thế, khả năng phản ứng giảm khi sự án ngữ không gian tăng lên

: 0,01

d/ Ảnh hưởng của dung môi

• Dung môi phân cực có proton như H2O, ROH, HCOOH … có khả năng solvate hoá cả anion và cation → thuận lợi cho SN1

• Dung môi phân cực không có proton như (CH3)2SO, (CH3)2NCHO … không có khả năng solvate hoá anion → thuận lợi cho SN2

IV PHẢN ỨNG THẾ GỐC TỰ DO SR

• Đặc trưng cho hyđrocacbon no, trong đó nguyên tử H được thay thế bằng X, -NO2, -SO2Cl, …

R-H + X2 → R-X + HX

1. Cơ chế

•. Giai đoạn khơi mào: X2 → 2X∙

•. Giai đoạn truyền mạch: R-H + X∙ → R∙ + H-X

R∙ + X2 → R-X + X∙

•. Giai đoạn ngắt mạch: X∙ + X∙ → X2

R∙ + X∙ → R-X R∙ + R∙ → R-R

to hν

to

CH4 + Cl 2 => CH3Cl + HCl

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng SR

a/ Ảnh hưởng của gốc tự do X∙

b/ Ảnh hưởng của gốc hyđrocacbon R

• Hydro của nguyên tử cacbon bậc càng cao phản ứng càng mạnh

• Tỷ lệ khả năng thay thế tương đối của H ở cacbon bậc 10:20:30 = 1:4:5

c, tính chọn lọc của Brom cao hơn của clo

[kcal]

ν (27oC)

F∙ + CH4 → HF + CH3 ∙ Cl∙ + CH4 → HCl + CH3 ∙ Br∙ + CH4 → HBr + CH3 ∙ I∙ + CH4 → HI + CH3 ∙

1.2 4.0 18.0 34.0

14 000

1 300 9.10-8 2.10-19

V PHẢN ỨNG THẾ ÁI ĐIỆN TỬ VÀO NHÂN THƠM (SE)

• Xúc tác là các axit vô cơ: H2SO4, H3PO4, HF, …; hay axit Lewis: FeCl3, AlCl3, ZnCl2, …

Cơ chế: 2 giai đoạn, lưỡng phân tử

Giai đoạn 1: tạo phức σ (benzonium cation)

• Trong phức π: X không liên kết trực tiếp với C

• Trong phức σ: X liên kết trực tiếp với 1C của benzen

Giai đoạn 2: tách proton

• Ảnh hưởng của nhóm thế đến khả năng phản ứng

• Nhóm thế đẩy điện tử (+C, +H, +I) → SE tăng:

Alkyl: +I, +H

-NR2 (R=H hay gốc alkyl), -OH, -OCH3, -NH-CO-CH3 (+C>-I)

Anion: +C,+I mạnh (-O-, …)

• Nhóm thế hút điện tử → SE giảm

-N+ N, -NO2, -CN, -CHO, -COR, -COCl, -COOH, -CO-NH2 (-I,-C)Cation: -N+R3 (-I mạnh)

Halogen (-I > +C)

Ảnh hưởng của nhóm thế đến quy luật thế

• Nhóm thế thứ hai trog vòng thơm phụ thuộc vào độ bền của phức σ

• Nhóm đẩy điện tử: định hướng nhóm thế thứ hai vào o và p

• Nhóm hút điện tử: định hướng vào vị trí m

• Nếu vòng benzen có sẵn 2 nhóm thế thì nhóm thứ ba được quy định bởi lực định hướng tổng hợp

• Tỉ lệ o/p thường < 1 do hiệu ứng không gian và hiệu ứng -I

b/ Tính lập thể của E2

• Các hyđrocacbon không no → tách loại dễ khi các nhóm bị tách ở vị trí trans với

nhau

ν1 = 30.ν2

• Các hyđrocacbon no hay vòng no → tách loại dễ khi các nhóm bị tách ở vị trí trans, anti với nhau, và phải ở kiểu liên kết axial (trục)

2 Phản ứng tách loại đơn phân tử E1

3 Hướng của phản ứng tách loại

a/ Quy tắc Zaitsev

• Dẫn xuất bậc 1 → thường chỉ cho 1 sản phẩm duy nhất khi tách loại

• Dẫn xuất bậc 2, bậc 3 → cho nhiều hơn 1 sản phẩm

• Sản phẩm Zaitsev bền hơn (do +H), thông thường phản ứng tách loại cho sản phẩm Zaitsev

• Quy tắc: phản ứng tách loại sẽ cho sản phẩm mà cacbon của nối đôi liên kết với nhiều nhóm alkyl nhất

b/ Quy tắc Hofmann

• Khi gốc R ở carbon β có kích thước lớn, tác nhân bazơ có kích thước lớn ((CH3)3CO-) hoặc X là nhóm thế mang điện tích dương có kích thước lớn (N+R3, S+R2, SO2R …) → sản phẩm Hofmann chiếm chủ yếu (E2)

Nếu tác nhân bazơ là C2H5O- thì sản phẩm chính là Zaitsev !!!

Nếu y- = C2H5O- thì tỷ lệ n = (anken-1/anken-2) khi R thay đổi:

Nếu trong phân tử đã có sẵn 1 nối đôi (C=C, C=O), sản phẩm liên hợp thường là sản phẩm chính (bền) !!!

Anken-1

n 0.40 1.00 1.17 6.10

4 Quan hệ giữa phản ứng thế ái nhân và phản ứng tách loại

• Nhiệt độ phản ứng càng cao → phản ứng tách loại càng chiếm ưu thế

• Gốc R bậc càng cao, hay tác nhân bazơ càng mạnh thì tách loại càng chiếm ưu thế

III PHẢN ỨNG CỘNG HỢP

1. Phản ứng cộng hợp ái điện tử (AE)

•. Phản ứng cộng hợp vào nối đôi của hyđrocacbon không no như anken, ankyn với các hợp chất như X2(halogen), HX, H2O (có mặt xúc tác), HOX, H2SO4 …

•. Nối đôi C=C giàu điện tử → tác dụng với các tác nhân ái điện tử (acid Lewis) và gốc tự do

a/ Cơ chế

Giai đoạn 1

Giai đoạn 2: y- tấn công vào phía đối lập với X

• Phản ứng cộng hợp của CH2=CH2 với Br2 với sự có mặt của NaCl, NaNO3, sản phẩm thu được là 1 hỗn hợp:

Br-CH2-CH2-Br + Br-CH2-CH2-Cl + Br-CH2-CH2-ONO2

• Nếu phản ứng thực hiện trong dung môi là CH3OH, sản phẩm chính là Br-CH2-CH2-OCH3

• Phản ứng cộng hợp AE xảy ra theo kiểu trans

• Đồng phân cis → sản phẩm threo (nhóm thế tương đương khác phía)

• Đồng phân trans → sản phẩm erythro (nhóm thế tương đương cùng phía)

d/ Ảnh hưởng của nhóm thế liên kết với nối đôi

• Nhóm thế đẩy điện tử → tăng mật độ điện tử của C=C → tăng khả năng của phản ứng AE

• Nhóm thế hút điện tử → giảm khả năng AE

• Các nhóm thế như phenyl nếu có khả năng cho +C với cacbocation → bền hoá cation → thuận lợi cho AE

Khả năng AE:

• Phenyl gây ảnh hưởng mạnh hơn 1 nhóm metyl nhưng yếu hơn 2 nhóm metyl:

2 Phản ứng cộng hợp ái nhân vào C=O (AN)

X-Y có thể là H-OH, H-OR, H-CN, H-SO3Na, Li-R, BrMg-R, …

a/ Cơ chế: 2 giai đoạn, lưỡng phân tử

Giai đoạn 1

Y- tấn công vào C+ → ái nhân

Giai đoạn 2

Phản ứng AN có thể không cần xúc tác Tuy nhiên, pH có ảnh hưởng

Trong axit yếu

Điện tích (+) của cacbon được tăng cường → AN càng thuận lợi

Tuy nhiên, axit quá mạnh:

→ khả năng phản ứng với C=O giảm

pH<4

b/ Ảnh hưởng của nhóm thế liên kết với C=O

• Nguyên tử C trong C=O có điện tích dương càng lớn → AN càng thuận lợi

• Nhóm thế đẩy điện tử (+C, +I, +H) → làm giảm khả năng phản ứng

• Nhóm thế hút điện tử → làm tăng khả năng phản ứng

Chuyển vị Wagner – Meerwein

dương.

Trong phản ứng 1- anken với H2SO4

Chuyển vị Hofman

Sự chuyển vị Bayer - villiger

Sự chuyển vị nhóm thế vào vòng thơm

2 Chuyển vị Claisen ete của hợp chất thơm với allyl

1 Chuyển vị Fries este của phenol với xúc tác axit Lewis => vị trí o và p