Phản ứng thế của nhân nucleophil

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 ỨNGS N2

thái chuyển tiếp trong quá trình phản ứng, chứ không tạo ra sản phẩm trung gian Khi tác nhân nucleophin đến gâpf chất phản ứng, liên kết mới giữa cacbon với nhóm Y được hình thành đồng thời với sự yếu đi và đứt ra của liên kết cũ giữa cacbon vứi nhóm

RX) đều tham gia vào giai đoạn quyết định của phản ứng tức là giai đoạn tạo ra trạng thái chuyển tiếp:

-Y R X → Y-R+X Thí dụ: Khi cho bromua metyl tác dụng với dung dịch hydroxyt natri tạo ra mêtanol, cơ chế phản ứng như sau:

OH- + H C

H

H

Br HO C

H

H H

Br HO C H + Br

-H H

Bậc của phản ứng là 2 (tốc độ = k[CH3Br][HO-])

phân tử số của phản ứng chứ không phải nói lên bậc động học, tức là chỉ cho biết số tiểu phân tham gia trong giai đoạn quyết định tốc độ của phản ứng

tác nhân Y- vào nguyên tử cacbon trong phân tử R1R2R3 C – X có thể xảy ra theo hai khả năng Một là tiến công từ phía đối diện với nhóm X, hình thành trạng thái chuyển tiếp I và cuối cùng tạo ra sản phẩm Y – CR1R2R3 với cấu hình khác hợp chất ban đầu

của phản ứng Y – CR1R2R3 có cấu hình giống với cấu hình của hợp chất ban đầu:

Y + R 2 C

R 3

R 1

X

Y C X

R 1

R 2 R 3

R 1

R 3

R 2 + X

C

Y

R 3

R 1

R 3

Y + X

Ở cấu tạo I các liên kết C-R nằm trên mỗi mặt phẳng hay gần như vậy, các nhóm X và

Y với bản chất giống nhau được phân bố xa nhau và ở trên tạo II X và Y được phân bố gần nhau Do đó cấu tạo I nghèo năng lượng hay là ổn định hơn cấu tạo II và phản ứng xảy ra theo hướng thư nhất thuận tiện hơn theo hướng thứ hai

Như vậy có thể nói: Phản ứng thế S N2làm quay cấu hình của phân tử

luận về cơ chế và hóa lập thể của phản ứng nêu trên:

Nếu không lấy dư tác nhân nucleophin quá nhiều, bậc động học của của phản ứng luôn luôn bằng 2 Nói cách khác, phản ứng có bậc một đối với mỗi chất tham gia phản ứng:

v = k[Y-][RX], cho nên tăng nồng độ của tác nhân tốc độ phản ứng sẽ tăng nhanh

Phản ứng có đặc thù lập thể rõ rệt, luôn luôn có cấu hình D trở thành hợp chất có cấu hình L và ngược lại; hợp chất ểytro tạo thành hợp chất treo và ngược lại

Ví dụ: ta biết rằng phản ứng tôsylat hóa alcol I bằng p – tôluensunfoclorua (tôsyl clorua Ts – Cl) không làm đứt liên kết C* - O Người ta cũng biết rằng phân tử axetat

đổi cấu hình của axetat được

Thực nghiệm cho biết alcol IV là đối quang của alcol I, điều đó chứng tỏ trong giai đoạn thế nucleophin II – III có sự quay cấu hình:

Y + R2 C

R3

R1

R1

R3

OTs

C

CH3COO

R3

R2

R1

* Ts - Cl

*

OH

-CH3COO (II)

*C

HO

R3

R2

R1

Phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất electron trung tâm, ngoài ra còn phụ thuộc bản chất của tác nhân, và các yếu tố khác nhau nữa Nhựng sự phụ thuộc đó rất đặc thù cho cơ chế S N2

của phản ứng S N1, trong khi đó entropi hoạt hóa lại có giá trị âm rất lớn

II NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN

Trong số những cơ chế thế nucleophin kể trên quan trọng và phổ biến hơn cả là các cơ chế S N2và S N1 Một hợp chất hữu cơ có thể tham gia phản ứng thế nucleophin theo cơ chế S N2 hay cơ chế S N1hay cả hai với những tốc đọ nhất định Điều đó phụ thuộc trước hết vào gốc R trong RX, bản chất của nóm bị thay thế X, bản chất tác nhân

Y-, ảnh hưởng của dung môi và nhiều yế tố khác

1 ẢNH HƯỞNG VỀ CẤU TẠO CỦA GỐC HỮU CƠ R.

Cấu tạo của gốc hữu cơ R có ảnh hưởng quyết định đến phản ứng thế nucleophin

Có những gốc R làm cho hợp chất gần như chỉ có thể dễ dàng tham gia phản ứng theo

gốc làm thuận lợi cho cả hai cơ chế S N2và S N1(như alyl, ảylmetyl); trái lại có một số gốc làm cho phân tử khó tham gia bất kỳ một phản ứng nào kể trên (các gốc vinyl, phênyl)

δ + δ − δ + δ −

Độ phân nhánh hay bậc của của gốc alkyl có ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng Các kết quả khảo sát bằng thực nghiệm cũng như lý thuyết đi đến kết luận rằng bậc của gốc

năng phản ứng S N1 càng tăng Chẳng hạn tốc độ tương đối (kt,đ) của phản ứng S N1trong axit fomic đối với bromua alkyl biến đổi như sau:

R : CH3 CH3CH2 (CH3)2CH (CH3)3C

Sự biến thiên tốc độ tương đối của phản ứng S N2giữa các dẫn xuất brom đó vơí ion I-

trong axeton lại theo chiều ngược lại:

nguyên nhân

Một là, các nhóm alkyl ở nhánh có hiệu ứng +I do đó làm giảm điện tích dương

H CH2 X CH3 CH2 X

Sự giảm điện tích dương như vậy không thuận lợi cho sự tấn công của tác nhân

tiếp có sự phân tán điện tích âm

Hai là, nguyên nhân về hiệu ứng không gian (quan trọng hơn) Hiệu ứng này không những thể hiện ở sự cản trở không cho tác nhân nucleophin lại gần nguyên tử cacbon trung tâm trong chất đầu R-X (vì các nhóm alkyl có kích thước lớn), mà còn vì nguyên tử cacbon trung tâm ở trạng thái chuyển tiếp nối với năm nhóm nguyên tử chứ không phải bốn nhóm như ở chất đầu Sự tăng kích thước của nhóm alkyl sẽ làm tăng sức căng ở trạng thái chuyển tiếp, do đó tăng năng lượng hoạt hóa và tốc độ phản ứng giảm đi

yếu vì ảnh hưởng đẩy electron (hiệu ứng siêu liên hợp và hiệu ứng cảm ứng dương) của

các nhóm alkyl thế Ta biết rằng trong phản ứng S N1 giai đoạn chậm quyết định tốc độ phản ứng là tạo thành cacbocation Cacbocation càng ổn định thì năng lượng hoạt hóa càng nhỏ và do đó tốc độ phản ứng càng lớn Những nhóm ankyl thế có tính đẩy e làm giải tỏa điện tích dương ở nguyên tử cacbon trung tâm trong cacbocation cũng như như

ở trạng thái chuyển tiếp do đó làm ổn định cả hai

b Các gốc alyly và acrylmetyl.

Phản ứng thế S N2 của dẫn xuất alyl dễ xảy ra có lẽ vì trạng thái chuyển tiếp

trạng thái chuyển tiếp Đưa thêm một nhóm thế ankyl hay aryl vào vị trí 3 của dẫn xuất

định của trạng thái chuyển tiếp liên hợp Trái lại những nhóm thế đó được đưa vào vị trí 1 sẽ làm giảm khả năng phản ứng vì hiệu ứng không gian Tiên tử dẫn xuất alyl, các

là nhóm phênyl vào vị trí α của dẫn xuất benzyl làm cho khả năng phản ứng S N2giảm đi

Tương tự dẫn xuất benzyl cũng dễ dàng tham gia phản ứng thế S N2

Trong khi các dẫn xuất alyl và benzyl có khả năng thế nucleophin rất cao, thì ngược lại các dẫn xuất vinyl và phenyl lại có khả năng phản ứng rất kém, với dung dịch

có thể là do sự xen phủ một phần obitan p của halogen với obitan π của gốc hyddrocacbon và liên kết C-X đã bị ngắn lại Về phản ứng thế của các dẫn xuất vinyl

c Các gốc alkyl chứa nhóm thế phụ không phải là cacbon

Ảnh hưởng của các nhóm thế không phải là cacbon như halogen, oxi

ở trung tâm phản ứng khá phức tạp Hiệu ứng cảm ứng âm của các nhóm đó làm tăng

2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM BỊ THAY THẾ

phụ thuộc cấu tạo của gốc R mà một phần còn được quyết định bởi bản chất của nóm bị

thay thế X Nghiên cứu nhiều dữ kiện thực nghiệm người ta đã xác định được giá trị tương đối lấy trung bình về khả năng phản ứng của các nhóm thế khác nhau trong phản ứng thế nucleophin

So sánh khả năng phản ứng của các nhóm X khác nhau ở trên chúng ta thấy ngay răng trong các dẫn xuất halogen dẫn xuất iot có khả năng phản ứng cao nhất và kém nhất là xẫn xuất flo

-I > -Br > > -Cl >> -F Nguyên nhân ở đây có thể là do độ dài liên kết C-I là lớn nhất và sự phân cực hóa ở iot là cao nhất Mặt khác người ta còn thấy rằng tuy ái lực đối với electron cảu nguyên tử iot là nhỏ nhất nhưng năng lượng phân ly liên kết C-I cũng nhỏ nhất và có thể có bù trừ giữa năng lượng liên kết và ái lực đối với electron

Các nhóm arensufo có khả năng phản ứng rất coa vì đó là những nhóm hút elctron mạnh Điều giả thích đó trở nên chắc chắn hơn khi xét ảnh hưởng của các nhóm thế khác nhau (NO2, Br2, CH3) ở vị trí para đến khả năng phản ứng của nhóm benzensunfo

S O

O

O

Trái với nhóm benzensunfo, nóm hydroxy có khả năng phản ứng rất kém, bình thường nó không thể nào tách ra thành ion hydroxyl được Vì thế các alcol chỉ có thể được ezzte hóa tron môi trường axet thí dụ halogenhydric, còn êt thường cũng chỉ bị phân cắt trong môi trường axets mà thôi Trong môi trường axit, alcol và ete bị proton hóa thành ion oxoni phân cực mạnh, do đó có khả năng phản ứng cao hơn alcol tự do rất nhiều và gần như dẫn xuất brom hoặc dẫn xuất clo

OH2 >> OH

Vì alcol và ete chỉ có tính bazo yếu cho nên phải dùng axit mạnh (các ete rất dễ

bị phân cắt bởi axit iothydric) Khi đã tạo ra ion oxoni phân cực mạnh, do đó có khả năng phản ứng theo SN hay SN1 2tùy theo cấu tạo của gốc R và tính chất của dung môi:

R OH + H+ R O

H H

R O

H

H R + H2O; R + X R X (SN1)

R O

H

H + HX R X + H3O (SN2)

3 ẢNH HƯỞNG CỦA TÁC NHÂN NUCLEOPHIN

Một trong những cách phân biệt cơ chế lưỡng phân tử với cơ chế đơn phân tử là dựa vào sự khác nhau về ảnh hưởng của tác nhân nucleophin: tốc độ quá trình lưỡng phân

tử phụ thuộc lực nucleophin của tác nhân, còn tốc độ phản ứng đơn phân tửu lại không phụ thuộc vào các yếu tố đó Thực nghiệm đã chứng minh răng trong phản ứng đơn phân tử tác nhân nucleophin khá nhau phản ứng với cùng một tốc độ Khi thủy phân clorua t-butyl trong dung dịch axit fomic - nước, tốc độ thủy phân sẽ không đổi nếu có thêm fomiat canxi hoặc cloaxetat can xi, mặc dù trong các sản phẩm phản ứng có fomiat t-butyl và cloaxetat t-butyl

tác nhân Tính nucleophin biểu thị khả năng của tác nhân tác nhân tác dụng với nguyên

tử cacbon mang một phần điện tích dương nhờ có cặp electron tự do Giữa tính

thường cũng là tác nhân nucleophin mạnh, nhưng không phải bao giờ cũng đúng như vậy: lực nucleophin là một đặc tính phức tạp của tác nhân, nó phụ thuộc lực bazo, độ phân cực hóa và yếu tố không gian

4 ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MÔI.

Những phản ứng thuần túy S N2là những trường hợp lý tưởng; khi phân chia các phản ứng thành S N2 và S N1người ta đã đơn giản hóa vấn đề vì đã bỏ qua tương tác với môi trường Thực ra nếu không có tương tác với môi trường phản ứng nucleophin nói chung không thể xảy ra Chẳng hạn amin và halogenua alkyl ở tướng khí không phản ứng với nhau Phản ứng giữa triphenylclometan và metanol trong benzen xảy ra với tốc

độ v=k[(C6H5)3CCl][CH3OH]2