tiêu luan co che phan ưng

Ví dụ: Vận tốc phản ứng SN1 trong axit fomic đối với bromua alkyl biển đổi như sau: R = CH3 CH3CH2 CH32CH CH33C + Ảnh hưởng không gian: Trong cacbocation Csp2 có góc 1200, còn chất đầu

PHẦN I: MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Phản ứng thế và phản ứng tách là hai phản ứng thường hay gặp trong chương trình hóa hữu cơ và trong phạm vi tiểu luận này tôi muốn đề cập đến phản ứng thế nucleophin đơn phân tử và tách nucleophin đơn phân tử

Sinh viên trong quá trình học thường phân vân trong việc xác định sản phẩm là sản phẩm thế hay sản phẩm tách và hay nhầm lẫn về hai phản ứng này Tiểu luận này

sẽ làm rõ sự giống và khác nhau của hai cơ chế này để từ đó tránh được sự phân vân trong việc xác định sản phẩm

Ngoài ra tiểu luận này còn giúp tôi hoàn thành tốt môn học Cơ chế phản ứng hữu cơ trong quá trình học cao học

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nắm rõ cơ chế của phản ứng SN1và E2

Sự giống và khác nhau của SN1 và E2

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tiếp cận thu thập thông tin

Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Phương pháp phi thực nghiệm

Phương pháp chuyên gia

4 Phạm vi nghiên cứu

Cơ chế SN1 và cơ chế E2

PHẦN II NỘI DUNG

I.Cơ chế phản ứng thế nucleophin đơn phân tử (S N 1 )

R-C-X + Y- → R-C-Y + X-

I.1 Nhận dạng phản ứng

- Chất phản ứng: R-C-X (X: Hal, -OH, -OR, -OCOR, -OC6H5, -SH, N H+ 3)

- Tác nhân: Y (Y:OH, Hal, OR, OCOR, NH2 )

- Điều kiện:

+ Xúc tác: H+ hoạt hóa cho chất phản ứng

+ Môi trường phân cực

+ Nhiệt độ thấp: nhiệt độ phòng hay đun nóng

- Biểu thức tốc độ phản ứng: v = k [RX]

I.2 Cơ chế: SN1 xảy ra qua 2 giai đoạn

Giai đoạn 1: là giai đoạn chậm, xảy ra sự phân cắt dị li tạo thành cacbocation, giai

đoạn này quyết định tốc độ phản ứng Do có sự hình thành cacbocation nên có sự chuyển vị thành cacbocation bền Nên phản ứng thế SN1 có sản phẩm chuyển vị

R – X ¬ châm→ R+ + X

-Giai đoạn 2: tác nhân nucleophin tấn công vào cacbocation hình thành liên kết sigma

mới

R+ + Y- → RY

I.3 Hóa lập thể

Cacbocation có cẩu trúc phẳng, do đó tác nhân Nu có thể tấn công từ 2 phía.Nếu chất đầu là quang hoạt thì thu được sản phẩm là hỗn hợp raxemic Thực tế sự raxemic hóa xảy ra không hoàn toàn, tỉ lệ sản phẩm quay cấu hình và giữ nguyên cấu hình thường lớn hơn 1 Nguyên nhân có thể là do:

+ Tác nhân Nu tấn công 2 phía với xác suất không như nhau

+ Khi R+ kém bền X- chưa kịp ra thì Y- đã tấn công vào R+khi đó sản phẩm quay cấu hình sẽ chiếm tỉ lệ nhiều hơn

Khi độ bền R+ tăng lên và độ trơ của dung môi tăng thì sự raxemic hóa cũng tăng

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng

I.4.1 Gốc hidrocacbon (R)

Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào độ bền của cacbocation, cacbocation là một tiểu phân trung gian có đời sống ngắn trong các phản ứng hữu cơ Cacbocation càng bền tốc độ phản ứng càng cao

+ Khi có nhóm thế có hiệu ứng +I và +C ở vị trí α đối với trung tâm phản ứng thì tốc độ phản ứng SN1 tăng

+ Khả năng phản ứng của hidrocacbon bậc III > bậc II > bậc I

Giải thích:

+ Ảnh hưởng electron:khi có nhóm đẩy electron vào C mang điện tích dương=>mật

độ điện tích dương ở C trung tâm được giải tỏa => độ bền cacbocation tăng => Ea

giảm => khả năng phản ứng tăng

Ví dụ: Vận tốc phản ứng SN1 trong axit fomic đối với bromua alkyl biển đổi như sau:

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

+ Ảnh hưởng không gian: Trong cacbocation Csp2 có góc 1200, còn chất đầu Csp3 có góc 109028’, nếu tăng thể tích của nhóm thế ở nguyên tử C trung tâm sẽ làm tăng lực đẩy lập thể và tăng năng lượng của hệ, trong đó chất đầu sẽ tăng lớn hơn cacbocation Như vậy chất đầu sẽ kém ổn định hơn cacbocation nên tốc độ phản ứng phải tăng

Ví dụ: Tốc độ phản ứng của các ankyl halogen như sau:

RX = (CH3)3CCl (CH3)2CClCH2CH3 CH3CCl(CH2CH3)2 (CH3CH2)3CCl

V = 0,003 0.055 0,086 0,099

I.4.2 Nhóm thế bị tách ra (X)

+ Khả năng phản ứng thế nucleophin phụ thuộc vào độ bền của liên kết C – X Nếu liên kết C – X kém bền thì tốc độ phản ứng tăng

+ X- càng ổn định thì tốc độ phản ứng càng tăng

+ Khả năng phản ứng của một số nhóm thế:

PhSO2O > I > Br ≈ O H+ 2> Cl > ONO2 > F > OH

I > Br > Cl > F

Các nhóm PhSO2O và ONO2 là các nhóm hút electron làm ổn định điện tích (-) của anion nên tốc độ phản ứng tăng OH- là nhóm khó tách ra nhất do năng lượng phân cắt lien kết C – O lớn và nhóm OH- tách ra không ổn định, muốn vậy cần phani có xúc tác

H+ để chuyển OH- về H2O

I.4.3 Tác nhân Nu (Y - )

SN1 không phụ thuộc vào nồng độ và bản chất của tác nhân nucleophin nhưng sản phẩm lại phụ thuộc vào tương tác của R+ với tác nhân Nu và đó là tương tác axit-bazơ

Ví dụ: Ở đây phản ứng xảy ra theo tính bazơ của nucleophin có trong dung dịch Chẳng hạn phản ứng của tert-butyl bromua với etanol 80% ở 25oC

I.4.4 Ảnh hưởng của dung môi

Trong phản ứng SN1 có sự chuyển R –X thành [R -X] rồi tạo ra R+ và X- làm tăng độ phân cực của hệ Do đó khi tăng độ phân cực của dung môi sự sonvat hóa trạng thái chuyển tiếp lớn hơn trạng thái đầu, năng lượng trạng thái chuyển tiếp giảm mạnh hơn chất đầu nên tăng độ phân li khi tăng độ phân cực cảu dung môi nên tốc độ phản ứng tăng

II Phản ứng tách nucleophin lưỡng phân tử E2

II.1 Nhận dạng phản ứng

- Chất phản ứng: R-C-X (X: F, Cl, Br, I, OSO2R,….)

- Tác nhân: Y: là một anion hay phân tử trung hoà với cặp electron chưa sử dụng

( bazơ) như OH-, C2H5O-, C6H5O-NR3,…

- Điều kiện: nhiệt độ cao

- Biểu thức tốc độ phản ứng: v = k [RX] [Y]

II.2 Cơ chế: E2 xảy ra qua 1 giai đoạn

II.3 Hóa lập thể

Xét hoá lập thể của phản ứng ta thấy về mặt lý thuyết nhóm X có thể bị tách ra cùng với nguyên tử β -hyđro ở cùng phía (tách kiểu cis hay syn) hoặc khác phía với nó (tách kiểu trans hay kiểu anti)

Do X và Y ở gần nhau sẽ đẩy nhau nên ttct syn không ổn định bằng ttct anti Mặt khác, từ ttct anti dễ tạo ra obitan π hơn vì các trục obitan ở ttct anti song song với nhau

Vì vậy, phản ứng E2 xảy ra theo kiểu trans hay anti, tức là khi trung tâm tham gia phản ứng (H―C―C―X) ở trên một mặt phẳng, trong đó các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị tách (H và X) ở vị trí anti đối với nhau

Thực tế chứng tỏ phản ứng E2 xảy ra theo kiểu trans Tính đặc thù lập thể này

có nhiều nguyên nhân:

Nếu so sánh năng lượng của các trạng thái chuyển tiếp thì trạng thái ứng với sự tách kiểu trans ổn định hơn trạng thái ứng với sự tách kiểu cis vì không có sự

đẩy nhau giữa các nhóm C H Yδ−

và C X δ−

Hai là, sự tạo thành các obitan π sẽ thuận lợi hơn nếu phản ứng tách xảy ra theo kiểu trans.Thật vậy, ở trạng thái chuyển tiếp bắt đầu hình thành nối đôi, obitan π của nối đôi này sinh ra bằng cách xen phủ các obitan vốn là sp2 ở nguyên tử cacbon trong phân tử chất đầu Cho nên sự xen phủ đó sẽ thuận lợi hơn nếu các nhóm bị tách ở vị trí trans đối với nhau vì khi ấy các obitan sp3 ở trên một mặt phẳng

II.4 Các yếu tố ảnh hưởng

II.4.1 Chất phản ứng

Phản ứng E2 là đồng bộ, giai đoạn quyết định tốc độ xảy ra sự phân cắt liên kết

C – H và C – Z đồng thời

Trong phản ứng tách của các ankylhalogenua, tính cacbanion nhỏ, nên đưa thêm nhóm ankyl vào Cα hay Cβ đều làm tăng tốc độ phản ứng

Khả năng phản ứng của chất đầu cũng phụ thuộc vào bản chất của nhóm đi ra Nhóm đi ra ở dạng anion càng ổn định thì tốc độ E2 tăng, nghĩa là những nhóm thế hút electron trong nhóm đi ra sẽ làm tăng tốc độ phản ứng

II.4.2 Ảnh hưởng của tác nhân nucleophin

Phản ứng E2 tỷ lệ với nồng độ của bazơ trong phương trình tốc độ, mặt khác E2 cũng rất nhạy với tính bazơ của tác nhân Tính bazơ của tác nhân lớn, tốc độ phản ứng càng tăng Và thấy rằng trong phản ứng E2 cần dùng bazơ mạnh hay dùng tác nhân KOH/C2H5OH

II.4.3.Ảnh hưởng lập thể

Xét hoá lập thể của phản ứng ta thấy về mặt lý thuyết nhóm X có thể bị tách ra cùng với nguyên tử β -hyđro ở cùng phía (tách kiểu cis hay syn) hoặc khác phía với nó (tách kiểu trans hay kiểu anti)

Do X và Y ở gần nhau sẽ đẩy nhau nên ttct syn không ổn định bằng ttct anti Mặt khác, từ ttct anti dễ tạo ra obitan π hơn vì các trục obitan ở ttct anti song song với nhau

Vì vậy, phản ứng E2 xảy ra theo kiểu trans hay anti, tức là khi trung tâm tham gia phản ứng (H―C―C―X) ở trên một mặt phẳng, trong đó các nguyên tử hay nhóm nguyên tử bị tách (H và X) ở vị trí anti đối với nhau

Thực tế chứng tỏ phản ứng E2 xảy ra theo kiểu trans Tính đặc thù lập thể này

có nhiều nguyên nhân:

Nếu so sánh năng lượng của các trạng thái chuyển tiếp thì trạng thái ứng với sự tách kiểu trans ổn định hơn trạng thái ứng với sự tách kiểu cis vì không có sự

đẩy nhau giữa các nhóm C H Yδ−

và C X δ−

Ngoài ra, sự tạo thành các obitan π sẽ thuận lợi hơn nếu phản ứng tách xảy ra theo kiểu trans.Thật vậy, ở trạng thái chuyển tiếp bắt đầu hình thành nối đôi, obitan π của nối đôi này sinh ra bằng cách xen phủ các obitan vốn là sp2 ở nguyên tử cacbon

δ −

δ −

trong phân tử chất đầu Cho nên sự xen phủ đó sẽ thuận lợi hơn nếu các nhóm bị tách

ở vị trí trans đối với nhau vì khi ấy các obitan sp3 ở trên một mặt phẳng

II.4.4 Ảnh hưởng của dung môi

Dung môi càng phân cực thì làm giảm tốc độ phản ứng

III So sánh cơ chế phản ứng S N 1 và E2

III.1 Giống nhau:

a)Chất phản ứng: Chất phân cực R – X

+ R: nguyên tử C ở trạng thái lai hóa sp3, sp2, sp và những nguyên tố khác như

O, N, S,… Phản ứng hay gặp nhất xảy ra với C lai hóa sp3

+ X: những nguyên tố hay nhóm có độ âm điện cao như: hal, OH, OR, OSO2R,

…

b) Tác nhân: Y có thể là anion hay phân tử trung hòa với cặp electron chưa sử dụng

như: OH-, C2H5O-, HOH, H – Hal, HO – R, …

III.2 Khác nhau:

a)Điều kiện phản ứng

Giải thích: Phản ứng tách thường có năng lượng hoạt hóa Ea lớn hơn phản ứng thế Do

đó phản ứng tách thường thực hiện ở nhiệt độ cao để tốc độ phản ứng xảy ra nhanh hơn (k = A e-Ea / RT)

Giải thích: Dung môi càng phân cực thì càng thuận lợi cho quá trình tạo thành

cacbocation ở SN1 Vì trong quá trình phản ứng độ phân cực của SN1 tăng nhiều hơn E2 nên khi độ phân cực của dung môi tăng thì tốc độ phản ứng SN1 tăng

b) Tác nhân

-Tác nhân có tính nucleophin càng mạnh

phản ứng xảy ra càng nhanh

- Tác nhân có tính bazơ càng mạnh phản ứng xảy ra càng nhanh Dùng bazơ để tách axit và ngược lại

Giải thích: Đối với SN1 tác nhân tấn công và C mang điện tích dương nên tác nhân thể

hiện tính nucleophin tức là ái hạt nhân Đối với E2 cả hai giai đoạn đều thuận nghịch nên dùng tác nhân có tính chất đối lập để tách giúp cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

c) Chất phản ứng

Bậc C trong R càng tăng phản ứng càng

thuận lợi

Bậc C trong R càng thấp thì phản ứng này chiếm ưu thế hơn

Giải thích: Bậc C càng tăng càng làm cabocation của phản ứng SN1 bền => SN1 tăng nhưng lại gây ảnh hưởng lập thể khi tác nhân tấn công vào Hβ của E2 => tốc độ phản ứng E2 giảm

d) Sản phẩm

- Có sản phẩm chuyển vị

- Sản phẩm là hỗn hợp raxemic nếu

nguyên tử C trung tâm là bất đối

- Không có sản phẩm chuyển vị

- Anken tạo thành chủ yếu là đồng phân trans

Giải thích: Ở SN1 hình thành cacbocation nên có khả năng hình thành sản phẩm chuyển vị để tạo ra cacbocation bền hơn, ngoài ra cacbocation có cấu trúc phẳng nên tác nhân có thể tấn công từ 2 phía Còn E2 tuân theo quy tắc tách Hopman, các trung tâm phản ứng (H – C – C – X ) nằm trong một mặt phẳng, nghĩa là các nhóm bị tách ra

ở vị trí trans với nhau, ngoài ra sự tách theo kiểu trans thuận lợi cho sự tạo thành obital

π, do đó đồng phân trans chiếm ưu thế Tuy nhiên, quy tắc này có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố không gian

PHẦN 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Đào Hùng Cường (2009), Đại cương hóa hữu cơ, Tâp 1, NXB Khoa học và kỹ

thuật

[2] Trần Quốc Sơn (1979), Cơ sở lí thuyết hóa hữu cơ, Tập 2, NXB Giáo dục

[3] Thái Doãn Tĩnh, Cơ sở hóa hữu cơ, Tập 1,2, NXB Khoa học và kỹ thuật

[4] http://www.scribd.com/doc/43683368

MỤC LỤC PHẦN I: MỞ ĐẦU………01

1 Lí do chọn đề tài………01

2 Mục tiêu nghiên cứu……….01

3 Phương pháp nghiên cứu ………01

4 Phạm vi nghiên cứu……… 01

PHẦN II : NỘI DUNG ………02

I.Cơ chế phản ứng thế nucleophin đơn phân tử (S N 1 )……… 02

I.1 Nhận dạng phản ứng……… 02

I.2 Cơ chế……… 02

I.3 Hóa lập thể……… 02

I.4 Các yếu tố ảnh hưởng………03

II Phản ứng tách nucleophin lưỡng phân tử E2……… 04

II.1 Nhận dạng phản ứng………04

II.2 Cơ chế………05

II.3 Hóa lập thể………05

II.4 Các yếu tố ảnh hưởng……… 06

III So sánh cơ chế phản ứng S N 1 và E2……….08

III.1 Giống nhau……… 08

III.2 Khác nhau……….08

PHẦN 3: TÀI LIỆU THAM KHẢO………10