Giải thích về cơ chế S2N và SN cho phản ứng thế nhân Nuclophil. Các gốc xét tới gồm Anlyl, Ankyl, phenyl, benzyl.. Tài liệu sẽ nói về các tác nhân ảnh hưởng tới phản ứng thế này bao gồm Gốc hữu cơ R Nhóm thế bị thay thế Dung môi hòa tan đi kèm
MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN I CƠ CHẾ PHẢN ỨNG S N Đặc điểm phản ứng S N hình thành phức hoạt động trạng thái chuyển tiếp trình phản ứng, không tạo sản phẩm trung gian Khi tác nhân nucleophin đến gâpf chất phản ứng, liên kết cacbon với nhóm Y hình thành đồng thời với yếu đứt liên kết cũ cacbon vứi nhóm X Như vậy, hai thành phần hỗn hợp phản ứng (tác nhân Y − chất phản ứng RX) tham gia vào giai đoạn định phản ứng tức giai đoạn tạo trạng thái chuyển tiếp: Y- + R-X → Y δ- R X δ- → Y-R+X Thí dụ: Khi cho bromua metyl tác dụng với dung dịch hydroxyt natri tạo mêtanol, chế phản ứng sau: H H - OH + H C H Br H HO C Br H H HO C H + BrH Bậc phản ứng (tốc độ = k[CH3Br][HO-]) Những phản ứng gọi phản ứng S N Chú ý số nói lên phân tử số phản ứng nói lên bậc động học, tức cho biết số tiểu phân tham gia giai đoạn định tốc độ phản ứng Xét phương diện hướng không gian phản ứng S N ta thấy tiến công tác nhân Y- vào nguyên tử cacbon phân tử R1R2R3 C – X xảy theo hai khả Một tiến công từ phía đối diện với nhóm X, hình thành trạng thái chuyển tiếp I cuối tạo sản phẩm Y – CR 1R2R3 với cấu hình khác hợp chất ban đầu Hai là, Y- tiến công từ phía có nhóm X, sinh trạng thái chuyển tiếp II sản phẩm phản ứng Y – CR1R2R3 có cấu hình giống với cấu hình hợp chất ban đầu: R1 R1 Y R1 Y+ R2 C R2 C X Y R2 + X C R3 R3 X R3 R2 R1 X R1 C R3 R2 Y C Y+X R3 Ở cấu tạo I liên kết C-R nằm mặt phẳng hay gần vậy, nhóm X Y với chất giống phân bố xa tạo II X Y phân bố gần Do cấu tạo I nghèo lượng ổn định cấu tạo II phản ứng xảy theo hướng thư thuận tiện theo hướng thứ hai Như nói: Phản ứng S N làm quay cấu hình phân tử Tất kiện thực nghiệm phản ứng S N hoàn toàn phù hợp với kết luận chế hóa lập thể phản ứng nêu trên: Nếu không lấy dư tác nhân nucleophin nhiều, bậc động học của phản ứng luôn Nói cách khác, phản ứng có bậc chất tham gia phản ứng: v = k[Y-][RX], tăng nồng độ tác nhân tốc độ phản ứng tăng nhanh Phản ứng có đặc thù lập thể rõ rệt, luôn có cấu hình D trở thành hợp chất có cấu hình L ngược lại; hợp chất ểytro tạo thành hợp chất treo ngược lại Ví dụ: ta biết phản ứng tôsylat hóa alcol I p – tôluensunfoclorua (tôsyl clorua Ts – Cl) không làm đứt liên kết C * - O Người ta biết phân tử axetat III kiềm đương nhiên không dụng đến liên kết C * - O không làm thay đổi cấu hình axetat Thực nghiệm cho biết alcol IV đối quang alcol I, điều chứng tỏ giai đoạn nucleophin II – III có quay cấu hình: R1 R1 Y+ Ts - Cl * C OH R2 R3 R1 HO *C OH- R2 R2 C OTs (II) R3 CH3COO R1 R2 CH 3COO *C R3 R3 Phản ứng phụ thuộc nhiều vào chất electron trung tâm, phụ thuộc chất tác nhân, yếu tố khác Nhựng phụ thuộc đặc thù cho chế S N Năng lượng hoạt hóa phản ứng S N thường nhỏ so với lượng ion hóa phản ứng S N , entropi hoạt hóa lại có giá trị âm lớn II NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN Trong số chế nucleophin kể quan trọng phổ biến chế S N S N Một hợp chất hữu tham gia phản ứng nucleophin theo chế S N hay chế S N hay hai với tốc đọ định Điều phụ thuộc trước hết vào gốc R RX, chất nóm bị thay X, chất tác nhân Y-, ảnh hưởng dung môi nhiều yế tố khác ẢNH HƯỞNG VỀ CẤU TẠO CỦA GỐC HỮU CƠ R Cấu tạo gốc hữu R có ảnh hưởng định đến phản ứng nucleophin Có gốc R làm cho hợp chất gần dễ dàng tham gia phản ứng theo chế S N (như gốc ankyl bậc nhất), có gốc khác lại làm cho hợp chất dễ tham gia phản ứng S N (như gốc ẩlkyl ankyl bậc cao) Mặt khác có gốc làm thuận lợi cho hai chế S N S N (như alyl, ảylmetyl); trái lại có số gốc làm cho phân tử khó tham gia phản ứng kể (các gốc vinyl, phênyl) a Gốc alkyl Độ phân nhánh hay bậc của gốc alkyl có ảnh hưởng đến chế phản ứng Các kết khảo sát thực nghiệm lý thuyết đến kết luận bậc gốc alkyl cao khả phản tham gia phản ứng S N giảm, khả phản ứng S N tăng Chẳng hạn tốc độ tương đối (k t,đ) phản ứng S N 1 axit fomic bromua alkyl biến đổi sau: R : CH3 kt,đ: 1,0 CH3CH2 (CH3)2CH 1,7 44,7 (CH3)3C 108 Sự biến thiên tốc độ tương đối phản ứng S N dẫn xuất brom vơí ion I axeton lại theo chiều ngược lại: R : CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3C ktđ: 145 1,0 0,0078 < 0,00051 Sự giảm khả tham gia phản ứng S N bậc gốc alkyl tăng lên hai nguyên nhân Một là, nhóm alkyl nhánh có hiệu ứng +I làm giảm điện tích dương δ + nguyên tử cácbon trung tâm: δ +δ − H CH2 X CH3 δ +δ − CH2 X Sự giảm điện tích dương không thuận lợi cho công tác nhân nucleophin Y-, không thuận lợi cho trạng thái chuyển tiếp trạng thái chuyển tiếp có phân tán điện tích âm Hai là, nguyên nhân hiệu ứng không gian (quan trọng hơn) Hiệu ứng thể cản trở không cho tác nhân nucleophin lại gần nguyên tử cacbon trung tâm chất đầu R-X (vì nhóm alkyl có kích thước lớn), mà nguyên tử cacbon trung tâm trạng thái chuyển tiếp nối với năm nhóm nguyên tử bốn nhóm chất đầu Sự tăng kích thước nhóm alkyl làm tăng sức căng trạng thái chuyển tiếp, tăng lượng hoạt hóa tốc độ phản ứng giảm Sự tăng khả tham gia phản ứng S N bậc gốc hydrocacbon tăng, chủ yếu ảnh hưởng đẩy electron (hiệu ứng siêu liên hợp hiệu ứng cảm ứng dương) nhóm alkyl Ta biết phản ứng S N giai đoạn chậm định tốc độ phản ứng tạo thành cacbocation Cacbocation ổn định lượng hoạt hóa nhỏ tốc độ phản ứng lớn Những nhóm ankyl có tính đẩy e làm giải tỏa điện tích dương nguyên tử cacbon trung tâm cacbocation như trạng thái chuyển tiếp làm ổn định hai b Các gốc alyly acrylmetyl Phản ứng S N dẫn xuất alyl dễ xảy có lẽ trạng thái chuyển tiếp tương ứng ổn định hóa nhờ xen phủ obitan π nối đôi với obitan trạng thái chuyển tiếp Đưa thêm nhóm ankyl hay aryl vào vị trí dẫn xuất alyl làm tăng khả phản ứng S N , nhóm góp phần làm tăng tính ổn định trạng thái chuyển tiếp liên hợp Trái lại nhóm đưa vào vị trí làm giảm khả phản ứng hiệu ứng không gian Tiên tử dẫn xuất alyl, dẫn xuất benzyl dễ dàng tham gia phản ứng S N Đưa thêm nhóm mêtyl nhóm phênyl vào vị trí α dẫn xuất benzyl làm cho khả phản ứng S N giảm Tương tự dẫn xuất benzyl dễ dàng tham gia phản ứng S N Trong dẫn xuất alyl benzyl có khả nucleophin cao, ngược lại dẫn xuất vinyl phenyl lại có khả phản ứng kém, với dung dịch AgNO3 KI cụng không thấy có phản ứng Nguyên nhân tính trơ hóa học xen phủ phần obitan p halogen với obitan π gốc hyddrocacbon liên kết C-X bị ngắn lại Về phản ứng dẫn xuất vinyl c Các gốc alkyl chứa nhóm phụ cacbon Ảnh hưởng nhóm cacbon halogen, oxi trung tâm phản ứng phức tạp Hiệu ứng cảm ứng âm nhóm làm tăng điện tích dương nguyên tử cacbon trung tâm làm dễ dàng thêm cho phản ứng S N 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM BỊ THAY THẾ Khả phản ứng dẫn xuất RX phản ứng S N phụ thuộc cấu tạo gốc R mà phần định chất nóm bị thay X Nghiên cứu nhiều kiện thực nghiệm người ta xác định giá trị tương đối lấy trung bình khả phản ứng nhóm khác phản ứng nucleophin I Br OH2 S(CH3)2 1 Cl 0,5 0,02 ONO2 0,01 F 10-4 OH 10-10 So sánh khả phản ứng nhóm X khác thấy dẫn xuất halogen dẫn xuất iot có khả phản ứng cao xẫn xuất flo -I > -Br > > -Cl >> -F Nguyên nhân độ dài liên kết C-I lớn phân cực hóa iot cao Mặt khác người ta thấy lực electron cảu nguyên tử iot nhỏ lượng phân ly liên kết C-I nhỏ có bù trừ lượng liên kết lực electron Các nhóm arensufo có khả phản ứng coa nhóm hút elctron mạnh Điều giả thích trở nên chắn xét ảnh hưởng nhóm khác (NO2, Br2, CH3) vị trí para đến khả phản ứng nhóm benzensunfo O S O O Trái với nhóm benzensunfo, nóm hydroxy có khả phản ứng kém, bình thường tách thành ion hydroxyl Vì alcol ezzte hóa tron môi trường axet thí dụ halogenhydric, êt thường bị phân cắt môi trường axets mà Trong môi trường axit, alcol ete bị proton hóa thành ion oxoni phân cực mạnh, có khả phản ứng cao alcol tự nhiều gần dẫn xuất brom dẫn xuất clo OH2 >> OH Vì alcol ete có tính bazo yếu phải dùng axit mạnh (các ete dễ bị phân cắt axit iothydric) Khi tạo ion oxoni phân cực mạnh, có khả phản ứng theo SN1 hay SN tùy R OH + H+ theo cấu tạo gốc R tính chất dung môi: R O H H R O H R + H2O; R R X + X (SN1) H R O H + HX R X + H 3O (SN2) H ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN NUCLEOPHIN Một cách phân biệt chế lưỡng phân tử với chế đơn phân tử dựa vào khác ảnh hưởng tác nhân nucleophin: tốc độ trình lưỡng phân tử phụ thuộc lực nucleophin tác nhân, tốc độ phản ứng đơn phân tửu lại không phụ thuộc vào yếu tố Thực nghiệm chứng minh phản ứng đơn phân tử tác nhân nucleophin phản ứng với tốc độ Khi thủy phân clorua t-butyl dung dịch axit fomic - nước, tốc độ thủy phân không đổi có thêm fomiat canxi cloaxetat can xi, sản phẩm phản ứng có fomiat t-butyl cloaxetat t-butyl Như phản ứng S N phụ thuộc lực nucleophin hay tính nucleophin tác nhân Tính nucleophin biểu thị khả tác nhân tác nhân tác dụng với nguyên tử cacbon mang phần điện tích dương nhờ có cặp electron tự Giữa tính nucleophin tính bazo thường có song song: bazo mạnh C 2H5O-, OHthường tác nhân nucleophin mạnh, vậy: lực nucleophin đặc tính phức tạp tác nhân, phụ thuộc lực bazo, độ phân cực hóa yếu tố không gian ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI Những phản ứng túy phản ứng thành SN S N người S N trường hợp lý tưởng; phân chia ta đơn giản hóa vấn đề bỏ qua tương tác với môi trường Thực tương tác với môi trường phản ứng nucleophin nói chung xảy Chẳng hạn amin halogenua alkyl tướng khí không phản ứng với Phản ứng triphenylclometan metanol benzen xảy với tốc độ v=k[(C6H5)3CCl][CH3OH]2 ... axit iothydric) Khi tạo ion oxoni phân cực mạnh, có khả phản ứng theo SN1 hay SN tùy R OH + H+ theo cấu tạo gốc R tính chất dung môi: R O H H R O H R + H2O; R R X + X (SN1) H R O H + HX R X +... tham gia phản ứng nucleophin theo chế S N hay chế S N hay hai với tốc đọ định Điều phụ thuộc trước hết vào gốc R RX, chất nóm bị thay X, chất tác nhân Y-, ảnh hưởng dung môi nhiều yế tố khác ẢNH... không cho tác nhân nucleophin lại gần nguyên tử cacbon trung tâm chất đầu R-X (vì nhóm alkyl có kích thước lớn), mà nguyên tử cacbon trung tâm trạng thái chuyển tiếp nối với năm nhóm nguyên tử