PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN (NUCLEOPHILIC SUBSITITUTION)

PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN (NUCLEOPHILIC SUBSITITUTION)I. Khái niệmPhản ứng thế kí hiệu là chữ S (Substitution), là phản ứng trong đó một nguyên tử hay một nhóm nguyên tử trong phân tử được thay thế bằng một nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác.Phản ứng thế nucleophin hay còn gọi là phản ứng thế ái nhân hay phản ứng thế thân hạch (nucleophilic subsititution), kí hiệu là SN cũng mang bản chất tương tự là phản ứng thế nhưng theo cơ chế nucleophin để phân biệt với các phản ứng thế nhưng theo cơ chế gốc tự do hoặc thế nhưng theo cơ chế electrophin.Phản ứng tổng quát: Trong đó: R – X: Chất nền (substrate)Y : tác nhân nucleophin ( nucleophine)X : nhóm xuất (leaving group)Trong đó Chất nền RX trong đó R là trung tâm tâm phản ứng, có thể là nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp3, sp2 hay sp vàn những nguyên tố khác như O, N, S,… Thường thì trung tâm phản ứng là nguyên tử cacbon ở trạng thái sp3 có mật độ e nhỏ nhất, hạt nhân không bị chắn và tác nhân dễ tiếp cận. Tác nhân nucleophin là những ion mang điện tích () (tác nhân mang điện âm hay phân tử trung hòa chứa cặp e tự do) tấn công vào các tâm mang điện tích (+) để tạo thành liên kết cộng hóa trị.

PHẢN ỨNG THẾ NUCLEOPHIN (NUCLEOPHILIC SUBSITITUTION) I Khái niệm Phản ứng kí hiệu chữ S (Substitution), phản ứng nguyên tử hay nhóm nguyên tử phân tử thay nguyên tử hay nhóm nguyên tử khác Phản ứng nucleophin hay gọi phản ứng nhân hay phản ứng thân hạch (nucleophilic subsititution), kí hiệu SN mang chất tương tự phản ứng theo chế nucleophin để phân biệt với phản ứng theo chế gốc tự theo chế electrophin Phản ứng tổng quát: R − X + Y− → R − Y + X− Trong đó: R – X: Chất (substrate) Y- : tác nhân nucleophin ( nucleophine) X- : nhóm xuất (leaving group) Trong - Chất R-X R trung tâm tâm phản ứng, nguyên tử cacbon trạng thái lai hóa sp3, sp2 hay sp vàn nguyên tố khác O, N, S,… Thường trung tâm phản ứng nguyên tử cacbon trạng thái sp3 có mật độ e nhỏ nhất, hạt nhân không bị chắn tác nhân dễ tiếp cận - Tác nhân nucleophin ion mang điện tích (-) (tác nhân mang điện âm hay phân tử trung hòa chứa cặp e tự do) cơng vào tâm mang điện tích (+) để tạo thành liên kết cộng hóa trị - Nhóm xuất hay gọi tác nhân nguyên tố hay nhóm có độ âm điện cao dạng anion X- halogen, OH, OR, OCOR,… VD: + Anion OH-, Br-, Cl-, CH3COO-,… + Những phân tử trung hịa có cặp electron tự H2O, R-OH, R-NH2, R-SH, … II Cơ chế phản ứng: Phản ứng nucleophin chia làm loại: - Phản ứng nucleophin đơn phân tử (SN1) - Phản ứng nucleophin lưỡng phân tử (SN2) Tùy thuộc vào cấu tạo gốc hidrocacbon, tác nhân nucleophine, dung môi yếu tố khác mà phản ứng nucleophin xảy theo chế đơn phân tử (S N1) hay lưỡng phân tử (SN2) Phản ứng nucleophin đơn phân tử (SN1) a) Cơ chế SN1 Là phản ứng xảy theo chế giai đoạn: ion hóa kết hợp cation - Giai đoạn 1: ion hóa, chậm tạo sản phẩm trung gian cacbocation R − X  → R + + X− - Giai đoạn 2: kết hợp cation, nhanh R + + Nu − → RNu Ở giai đoạn thường cacbocation bền nên phản ứng với tác nhân nucleophin xung quanh Giai đoạn xảy nhanh, phụ thuộc vào tương tác tĩnh điện, tương tác khống chế điện tích, nghĩa tương tác đánh giá lực Coulomb Ví dụ: b) Sự chuyển vị xảy phản ứng Do độ bền cacbocation nên phản ứng có chuyển vị cacboncation từ bậc thấp sang bậc cao sản phẩm thu phụ thuộc chuyển vị Ví dụ: Thơng thường có trường hợp chuyển vị: - Chuyển vị ankyl - Chuyển vị hydrua c) Tính lập thể phản ứng SN1 - Trong cacbocation, nguyên tử trung tâm lai hóa sp2, cịn chất ban đầu sp3, tăng thể tích nhóm nguyên tử trung tâm, tăng lực đẩy lập thể tăng lượng hệ, trạng thái đầu tăng lớn cacbocation trạng thái chuyển gần phía cacbocation Như vậy, tăng tích nhóm ổn định chất ban đầu nhiều trạng thái chuyển, tốc độ phản ứng tăng Về mặt hóa học lập thể, hợp chất ban đầu chiral, nghĩa có trung tâm bất đối xứng, tạo thanhd hợp chất trung gian cacbocation achiral có tính đối xứng Tính hình học cacbocation có lượng cực tiểu có phân bố phẳng liên kết nguyên tử cacbon lai hóa sp2 Cation có mặt phẳng đối xứng achiral Tốc độ tương tác cation với nucleophin khơng phụ thuộc vào phía mặt phẳng xảy công Y Như hợp chất ban đầu hoạt động quang học sản phẩm tạo thành SN1 sảm phẩm raxemic hóa Tuy có phản ứng cịn th lượng sản phẩm quay cấu hình so với chất ban đầu, giải thích chắn nhóm phía nhóm làm giảm khả cơng vào phía nucleophin Ví dụ: Khi thủy phân 3-cloro 3-metyl hexan thu sản phẩm biến raxemic Biến thể raxemic Phản ứng nucleophin lưỡng phân tử (SN2) a) Cơ chế SN2 Là phản ứng xảy theo chế giai đoạn có qua trạng thái chuyển tiếp Các phản ứng thủy phân dẫn xuất halogen no bậc thường xảy theo chế SN2 δ− δ− − R − X + Y − ‡ˆ ˆ† ˆ ˆ [ Y R X ] ‡ˆ ˆ† ˆˆ Y − R + X Ví dụ: b) Tính lập thể phản ứng SN2 Về mặt hóa lập thể, phản ứng SN2 quay cấu hình hợp chất ban đầu có tính hoạt động quang học qua phức hoạt hóa có trung tâm chiral hay bất đối xứng mà thủy phân cho sản phẩm hoạt động quang học Cấu hình sản phẩm ngược với cấu hình chất ban đầu, nghĩa có quay cấu hình, gọi quay Walden Ví dụ: Khi tác dụng NaI với (S)-2-clobutan thu (R)-2-iotbutan Các yếu tố ảnh hưởng đến chế phản ứng * Cacbocation bền phản ứng xảy theo chế SN1 thuận lợi, cụ thể ta ý gốc: - Gốc ankyl: + Dẫn xuất bậc 3: Ưu tiên SN1 + Dẫn xuất bậc 2: SN1 SN2 cạnh tranh + Dẫn xuất bậc 1: Ưu tiên SN2 CH = CH − CH − X - C6 H − CH − X SN1 VÀ SN2 xảy dễ dàng CH = CH − X - C6 H5 − X SN1 VÀ SN2 khó xảy * Ảnh hưởng tác nhân nucleophin - Phản ứng SN1 không phụ thuộc vào nồng độ chất tác nhân nucleophin - Phản ứng SN2 phụ thuộc vào nồng độ chất tác nhân nucleophin Tính nucleophin cao ưu tiên xảy chế SN2: CH 3CO − > CH 3CHO − > CH 3CH 2O − > CH 3O − > OH − > C 2H 5O − > CH 3OO − - Tính nucleophin đồng biến với tính bazo, ngoại trừ dãy halogen Tính nucleophin dãy halogen: I − > Br − > Cl − > F− * Ảnh hưởng dung môi Phản ứng khơng xảy khơng có dung mơi - Trong dung mơi phân cực có proton: Nước, ancol, axit cacboxylic Phản ứng S N1 xảy thuận lợi Dung môi phân cực phản ứng SN1 xảy dễ - Trong dung mơi phân cực khơng có proton (DMSO: Dimethyl sunfoxide, axeton, …) Phản ứng SN2 xảy thuận lợi III Bài tập Bài 1: Khảo sát dung môi giải hợp chất quang hoạt 3-phenyl-2tosyloxibutan mơi trường acid acetic Giải thích: Do Phenyl gốc cồng kềnh, môi trường acid nên phản ứng xảy theo chế SN1 Bài 2: Cho biết chế phản ứng methanol với 1,2-epoxipropan với có mặt CH3ONa Giải thích: Do Nu phản ứng CH3OH/CH3ONa (Nu mạnh) nên phản ứng xảy theo chế SN2 Bài 3: Cho biết sản phẩm trình bày chế Giải thích: Phản ứng cacbon bậc 1, Nu CH3CH2O- ( Nu mạnh) Bài 4: Cho biết sản phẩm thu S-1-brom-1-phenylbutan acid acetic đun sôi dung dịch natri acetat với aceton a Trong acid acetic đun sôi: Giải thích: Do mơi trường acid b Trong CH3COONa/aceton: Giải thích: Do dung mơi aceton, Nu mạnh Bài 5: Nếu chấp nhận phản ứng tác dụng hỗn hợp nướcaceton (50%) hai hợp chất (X); 3-cloro-3-metyl pent-1-en (Y): 3-cloro-3metyl pentan cho phản ứng SN1 Cho biết hợp chất cho phản ứng nhanh Giải thích a b Trạng thái trung gian (X) bền (Y) (X) có cộng hưởng nên phản ứng (X) nhanh Bài 6: Giải thích chế phản ứng sau: Giải thích: Do có Nu AcO- nên xảy theo chế SN2, có nối đơi nên xảy tượng cộng hư Bài 7: Khảo sát sản phẩm chế phản ứng sau: Giải thích: Do Nu EtOH ( yếu) nên xảy phản ứng theo chế SN1 Bài 8: Cho biết cấu trúc sản phẩm trình bày chế cho phản ứng sau: Giải thích: Do Nu yếu dung mơi rượu nên phản ứng xảy theo hướng chế SN1 Câu 9: Viết sản phẩm phản ứng 1-brombutan với NaI, KOH, C2H2, NH3 theo chế SN2 Câu 10: Viết chế phản ứng (S)-3-clo-3-metyloctan với axit axetic Vì (S)-3-clo-3-metyloctan có cacboction bền (bậc 3) CH 3COOH phân ly H+ nên phản ứng xảy theo chế SN1 (S)-3-clo-3-metyloctan có cacbon bất đối nên sản phẩm thu hỗn hợp raxemic Câu 11: Xác định chế phản ứng sau (SN1 SN2) Vì dung mơi phân cực có proton nên phản ứng theo chế SN1 Vì dung mơi phân cực khơng có proton nên phản ứng theo chế SN2 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS TS Thái Doãn Tĩnh, “ Cơ chế phản ứng Hóa học hữu cơ- tập 2”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, trang 7-65, 2008 Phạm Phát Tân, Nguyễn Minh Thế, “ Ảnh hưởng cấu trúc đến khả phản ứng dẫn xuất halogen phản ứng nucleophin lưỡng phân tử”, An Giang University Journal of Science , Vol 19 (1), 28 – 34, 2018  .. .Phản ứng nucleophin chia làm loại: - Phản ứng nucleophin đơn phân tử (SN1) - Phản ứng nucleophin lưỡng phân tử (SN2) Tùy thuộc vào cấu tạo gốc hidrocacbon, tác nhân nucleophine,... nucleophine, dung môi yếu tố khác mà phản ứng nucleophin xảy theo chế đơn phân tử (S N1) hay lưỡng phân tử (SN2) Phản ứng nucleophin đơn phân tử (SN1) a) Cơ chế SN1 Là phản ứng xảy theo chế giai đoạn:... xảy * Ảnh hưởng tác nhân nucleophin - Phản ứng SN1 không phụ thuộc vào nồng độ chất tác nhân nucleophin - Phản ứng SN2 phụ thuộc vào nồng độ chất tác nhân nucleophin Tính nucleophin cao ưu tiên