Cơ chế phản ứng cơ bản trong hóa hữu cơ

Cơ chế phản ứng hóa hữu Cơ chế : Phản ứng SN2 Đầu tiên, xem xét xảy cách chi tiết Phản ứng xảy bước Để cho phản ứng xảy tác nhân nucleophin phải tiến đến đủ gần chất phản ứng để có hình thành liên kết, bên cạnh liên kết cacbon halogen bị bẻ gãy Cả hai qúa trình cần có cung cấp lượng Cơ chế phản ứng giản đồ lượng mô tả sau Phản ứng tiếp diễn, lượng tiếp tục tăng lên hình thành liên kết cacbon tác nhân nucleophin Năng lượng giải phóng đủ để bù lại mức lượng cần thiết để bẻ gãy liên kết cacbon - halogen Ở thời điểm hình thành trạng thái chuyển tiếp lượng đạt cực đại, thời điểm mà 1/2 liên kết cacbon - halogen bị bẻ gãy 1/2 liên kết cacbon - nucleophin hình thành Lúc có hai đường làm giảm lượng hệ trở lại chất phản ứng hình thành sản phẩm Bức tranh trạng thái chuyển tiếp chìa khóa để hiểu rõ tính chất phản ứng Mức lượng cần thiết để đưa chất phản ứng tác nhân nucleophin đến trạng thái chuyển tiếp (transition state) gọi lượng hoạt hóa phản ứng Phản ứng xảy nhanh lượng hoạt hóa nhỏ Bây nghiên cứu cấu trúc trạng thái chuyển tiếp: Khi hai nhóm gắn vào cacbon bị ảnh hưởng nguyên tử hydro lực tương tác ngun tử hydro nhóm nhỏ không cần phải tốn nhiều lượng để thắng lực -> lượng hoạt hóa thấp Khi thay H nhóm -CH3 chẳng hạn lượng hoạt hóa tăng lên, phản ứng xảy chậm Chính thứ tự tham gia phản ứng SN2 sau: metyl > dẫn xuất bậc > dẫn xuất bậc > dẫn xuất bậc Nghiên cứu trạng thái chuyển tiếp phản ứng SN2 cho ta thấy tính chất khác phản ứng Hãy lưu ý tác nhân nucleophin cơng từ phía sau so với hướng mà nhóm halogen Kết qủa qúa trình đổi quay Nếu vẽ cơng thức 3D dễ dàng thấy tính chất Ví dụ: Nếu chất phản ứng có cấu hình R sản phẩm có cấu hình S ngược lại Tức hiểu cấu hình chất đầu dễ dàng suy cấu hình sản phẩm ngược lại phản ứng mà có đổi quay phản ứng SN2 Nguyên tử cacbon chất phản ứng có trạng thái lai hóa sp3 điều giữ nguyên sản phẩm Ở trạng thái chuyển tiếp ba nhóm đính với C khơng tham gia phản ứng phẳng, điều nguyên tử cacbon lúc trạng thái lai hóa sp2 Chính ta kết luận phản ứng SN2 xảy nguyên tử cacbon lai hóa sp3 mà thơi Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ chất ban đầu sản phẩm theo biểu thức: v = k[Nu][dẫn xuất Halogen] Ở trạng thái chuyển tiếp liên kết cacbon - halogen bị đứt liên kết dễ đứt phản ứng dễ Vậy thứ tự tham gia phản ứng SN2 giảm theo thứ tự: RI > RBr > RCl > RF Liên kết C - F bền nên khó bị bẻ gãy, dẫn xuất iot hoạt động nên khó bảo quản Chính lựa chọn tốt dẫn xuất brom hay clo Cơ chế : Phản ứng SN1 SN1 chế phản ứng đơn phân tử, có tốc độ phản ứng biểu diễn biểu thức v = k[R-X] Đây chế nhiều giai đoạn với tính chất sau Bước 1: Giai đoạn chậm, xảy phân cắt dị li để tạo thành cacbocation Bước định tốc độ phản ứng Bước 2: Tác nhân nucleophin công nhanh vào cacbocation để hình thành nên liên kết sigma Giản đồ trạng thái chuyển tiếp phản ứng có dạng: Như ta biết, cacbocation hình thành có cấu trúc phẳng nên tác nhân nucleophin cơng từ phía phía mặt phẳng cacbocation với xác suất nên chất đầu chất quang hoạt sản phẩm hình thành biến thể raxemic Chính tiến trình phản ứng có tạo thành cacbocation nên xảy khả chuyển vị thành cacbocation bền Điều xét sau Cơ chế : Phản ứng E2 E2: Phản ứng tách lưỡng phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[B -][R-LG] (LG: leaving group: nhóm ra) Cơ chế phản ứng biểu diễn sau: Sau ta xem xét ảnh hưởng yếu tố đến phản ứng hóa lập thể phản ứng 1) Ảnh hưởng nhóm R Trong phản ứng E2 có chuyển đổi dạng lai hóa nguyên tử C, từ Csp3 Csp2 Chính phản ứng tách E2 xảy dễ dàng cacbon bị tách có bậc cao Điều giống với E1 2) Ảnh hưởng nhóm Liên kết C - LG bị bẻ gãy tiến trình phản ứng, nhóm tốt tốc độ phản ứng tăng Tuy nhiên nhóm qúa dễ dàng phản ứng xảy theo chế E1 3) Ảnh hưởng bazơ Do biểu thức tốc độ phản ứng có xuất nồng độ bazơ nên độ mạnh bazơ quan trọng phản ứng E2 Rất nhiều bazơ mạnh tham gia phản ứng E2 4) Hóa lập thể Phản ứng E2 xảy dễ dàng nguyên tử H nhóm vị trí đối anti cấu dạng Newman Điều làm cho liên kết đơn bị đứt dễ dàng để hình thành nên liên kết pi Phản ứng E2 xảy - Nồng độ bazơ mạnh lớn - Nhóm khó - Sự cắt đứt liên kết R - LG không dẫn đến hình thành cacbocation bền (E1) Cơ chế : Phản ứng E1 E1: Phản ứng tách đơn phân tử, tốc độ phản ứng tuân theo biểu thức v = k.[R-LG] (LG: leaving group: nhóm ra) Cơ chế phản ứng biểu diễn sau: Sau ta xem xét ảnh hưởng yếu tố đến phản ứng hóa lập thể phản ứng 1) Ảnh hưởng nhóm R Trong phản ứng E1 tốc độ phản ứng định giai đoạn 1, giai đoạn loại bỏ nhóm để hình thành cacbocation Chính cacbocation bền tốc độ phản ứng lớn Do có hình thành cacbocation trạng thái chuyển tiếp phản ứng ln kèm theo chuyển vị (ví dụ: chuyển vị 1,2 - hydrua hay 1,2 - ankyl) để hình thành nên cacbocation bền vững 2) Ảnh hưởng nhóm Trong phản ứng E1 việc tách nhóm ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, nhóm tốt phản ứng xảy theo chế E1 dễ dàng 3) Ảnh hưởng bazơ Bazơ khơng đóng vai trò quan trọng phản ứng E1 khơng tham gia vào biểu thức tốc độ phản ứng Tuy nhiên bazơ mạnh phản ứng xảy theo E2 dễ 4) Hóa lập thể Phản ứng E1 xảy theo hương ưu tiên tạo thành anken bền hơn, anken nhiều lần đồng phân trans ưu tiên tạo thành đồng phân cis Phản ứng E1 xảy - Bazơ sử dụng bazơ yếu - Nhóm dễ - Cacbocation hình thành phải bền vững Một số vấn đề chế phản ứng Hóa lập thể động 1) Phản ứng SN2 Ở ta biết phản ứng SN2 có cơng sau nhóm thế, tạo thành sản phẩm có cấu hình ngược với cấu hình chất ban đầu Nếu chất đầu có cấu hình R ngược lại sản phẩm phải có cấu hình S 2) Phản ứng SN1 Như biết phản ứng qua trung gian cacbocation phẳng nên tác nhân nucleophin cơng vào hai phía nhóm tạo hỗn hợp raxemic, nhiên điều khơng hẳn Trong nhiều trường hợp người ta thu đựơc sản phẩm quay cấu hình SN1 Lý trình tạo thành ion ion âm chưa xa hẳn cacbocation nên chắn phía cơng, sản phẩm nhiều trường hợp quay cấu hình 3) Phản ứng SNi Trong phản ứng nucleophin loại thường sản phẩm thu giữ nguyên cấu hình cơng phía với nhóm Hiện chế chuyển vòng bị bác bỏ nhiều lý khác nhau, chế chấp nhận rộng rãi chế theo tạo thành cacbocation hình Tuy nhiên hệ phản ứng có tác nhân bazơ pyridin lại cho sản phẩm nghịch chuyển cấu SN2 4) Phản ứng SE : Thường phản ứng SE hay gặp hệ thơm gây ảnh hưởng thay đổi cấu hình lại làm thay đổi nhiều định hướng nhóm số trường hợp kích thước nhóm lớn Chẳng hạn áp dụng phản ứng Friedel - Crafts vào tert-butylbenzen cho sản phẩm chủ yếu vào vị trí para Sau kết thúc phần phản ứng chuyển qua phản ứng tách Có ba chế phản ứng tách E1, E2 E1cB Trong có E2 đáng ý mặt lập thể Hóa lập thể chế tách E2 Phản ứng tách E2 xảy trung tâm phản ứng vị trí anti cơng thức chiếu Newman hay công thức chiếu phối cảnh, trạng thái xen phủ tạo liên kết pi tốt Ví dụ: Trong hợp chất vòng xiclohexan tách E2 xảy nhóm vị trí diaxial nhau, điều thỏa mãn điều kiện trung tâm phản ứng vị trí anti: Ngồi người ta tìm đựơc số phản ứng tách syn E2, nghiên cứu tính phổ biến nó: Đối với phản ứng tách E1 qua trung gian cacbocation, hầu hết phản ứng tách theo E1 cho trans-anken bền Phản ứng E1cB thường xảy với nhóm khó, qua trung gian cacbanion ví dụ: Lập thể phản ứng tương tự E1 Với phản ứng cộng electrophin vào liên kết bội tuỳ tác nhân mà quan sát mơ hình lập thể khác Trường hợp hay gặp phản ứng cộng trans cho anken tác dụng với halogen Các phản ứng qua cation oni vòng trung gian (chỉ có clo brom có khả này) Các cation oni vòng đựơc thực nghịêm xác nhận NMR, điều chứng minh tính đắn chế Sản phẩm đồng phân trans đồng phân meso, cis cặp đối quang Khi tiến hành cộng hydro halogenua vào anken người ta quan sát thấy hướng cộng đại đa số trường hợp trans Điều dẫn tới ý nghĩ chế qua ion vòng cầu hidrogenoni trung gian gây cản trở lập thể Thực tế điều chấp nhận, số chứng thực nghiệm chưa nhiều: Ngoài người ta quan sát phản ứng cộng cis vào anken, thuộc loại chế oxy hóa anken OsO4, KMnO4 phản ứng cộng B2H6 vào anken Đặc biệt chế phản ứng cộng hydro vào anken trình cộng cis: Đây chế cộng hydro vào anken với xúc tác Wilkinson Đây chế cộng hydro anken với xúc tác hấp phụ (Ni, Pt ) Về phản ứng cộng AN giới thiệu đôi chút quy tăc Cram, phương pháp hay gặp chương trình phổ thơng, sau mở mơ hình đại mơ hình Felkin - Anh Quy tắc Cram cho phản ứng cộng nucleophin vào hợp chất cacbonyl minh họa sau: Và phát biểu dạng: "Tác nhân nucleophin công vào hướng bị chắn lập thể để tạo sản phẩm chính" (hướng nhóm lớn bé nhất, hay hướng Si hình vẽ) Hiện quy luật với phản ứng cộng hợp chất magie (RMgBr) vào hợp chất cacbonyl Hoahocngaynay.com Nguồn olympiavn.org